【PI研究进展】3D打印聚酰亚胺材料

作者：Fan Zhang和Yinfeng He。

材料喷射（Material Jetting，MJ）是增材制造领域主流3D打印技术之一，随着MJ技术在印刷电路板（PCB）的发展，制备出了各种类型的印刷电子器件，包括晶体管、电容器、电传感器、柔性电路板等。所有这些研究均基于单面电路板设计，然而单面电路板的电路设计自由度和电路密度有限，为了避免可能的短路故障，导电线轨不允许在其路径中具有任何交叉点。在工业制造中通常使用双面PCB电路，导电线路通常被放置在板的两侧，以获得更紧凑的结构和增加电路板密度。为实现高的电路密度，在交叉点需要有选择地沉积绝缘材料，为电路创建绝缘桥接。聚酰亚胺（PI）作为一种高性能的层间介电材料，在微电子领域有着重要应用，在集成电路制造和微机电系统器件中起到至关重要的保护作用。

喷墨打印的PAA合成示意及可打印参数

近期，研究人员开发了一种可喷墨打印PI的方法，引入马来酸酐（MA）合成了可用于MJ的高性能PI前驱体墨水。基于实时的热酰亚胺与反应注射成型技术，该PI前驱体墨水可通过印刷法制备形成具有可控尺寸、均匀致密的PI薄膜，避免了开裂等缺陷且形貌显著改善，利用该PAA墨水进行了复杂电路板的制备。

(a) differentsubstrate temperatures (120, 150, 180℃) and number of layers (1, 3 and 6 layers);

(b) inkjet printing and (c) casting.

打印PI薄膜的表面形貌和SEM照片

打印PI薄膜的表面粗糙度

FTIR分析结果表明，在180℃下加热15min以上，打印的PAA液滴可在印刷过程转化为PI，从而使印刷打印成为连续制程。研究了不同基材温度对PAA试样的成核及表面形貌的影响。与之前报道的产品相比，该打印PI油墨没有显示出明显的咖啡环效应。结果表明，随着衬底温度的升高，薄膜的直径减小，但表面高度增大，同时薄膜的表面粗糙度降低，从而产生锐利边缘。研究表明，所印刷制备的PI薄膜的介电常数为3.41±0.09，热降解温度约为500℃，两者均与市售PI薄膜产品相当。

打印PI薄膜的制备工艺及表征

该PI体系可用来生产复杂的电路板结构，实现导电银线路与PI电介质绝缘层的共同印刷。研究人员先后打印了一系列PI绝缘膜，尺寸为200×200μm~ 500×500μm，并将其用于两条交叉导电线路的绝缘，即在两个电路图案的交叉点处选择性地沉积4μm厚度左右的绝缘层。

PAA喷墨制备复杂电路板过程示意

打印PI薄膜对导电线路的分割及所制备电路

结果表明，此类连续PI印刷工艺可以为复杂的单层电路制备提供了一种更通用、更有效的方法，为用户提供了更高设计自由度来实现更紧凑高性能PCB结构。

研究成果发表在国际学术期刊 Additive Manufacturing（2019，25：477-484），第一作者和通讯作者分别为英国University of Nottingham的Fan Zhang和Yinfeng He。


来源： 聚酰亚胺科技