Newswise — В отличие от традиционных печатных плат, которые являются плоскими, 3D-схема позволяет размещать и интегрировать компоненты вертикально, что значительно сокращает занимаемую площадь, необходимую для устройств. Раздвигая границы 3D-печатных схем, группа исследователей из Национального университета Сингапура (NUS) разработала современную технику, известную как CHARM3D с управлением от напряжения, для изготовления трехмерных (3D) самостоятельных -исцеление электронных схем. Эта новая технология позволяет печатать на 3D-принтере отдельно стоящие металлические конструкции без необходимости использования вспомогательных материалов и внешнего давления.

Исследовательская группа под руководством доцента Бенджамина Ти с факультета материаловедения и инженерии Колледжа дизайна и инженерии НУС использовала металл Филда, чтобы продемонстрировать, как CHARM3D может изготавливать широкий спектр электроники, что позволяет создавать более компактные конструкции таких устройств, как носимые устройства. датчики, системы беспроводной связи и электромагнитные метаматериалы.

Например, в здравоохранении CHARM3D облегчает разработку бесконтактных устройств для мониторинга жизненно важных функций, повышая комфорт пациентов и обеспечивая непрерывный мониторинг. При обнаружении сигнала он оптимизирует работу 3D-антенн, что приводит к улучшению систем связи, более точной медицинской визуализации и надежным приложениям безопасности.

Выводы команды были опубликованы в журнале Природная электроника 25 июля 2024 г. Доцент Ти является автором-корреспондентом исследовательской работы.

Более оптимизированный подход к производству 3D-схем.

3D-электронные схемы все чаще лежат в основе современной электроники, от аккумуляторных технологий до робототехники и датчиков, расширяя их функциональные возможности и одновременно обеспечивая дальнейшую миниатюризацию. Например, 3D-архитектура с большой эффективной площадью поверхности увеличивает емкость аккумулятора и повышает чувствительность датчиков.

Прямое письмо чернилами (DIW), многообещающий метод 3D-печати, который в настоящее время используется для изготовления 3D-схем, имеет существенные недостатки. Суть заключается в использовании композитных чернил, которые имеют низкую электропроводность и требуют вспомогательных материалов, способствующих затвердеванию после печати. Чернила также слишком вязкие, что ограничивает скорость печати.

Введите металл Филда, эвтектический сплав индия, висмута и олова. Эвтектические сплавы плавятся и замерзают при температуре ниже, чем температура плавления составляющих их металлов, что представляет собой привлекательный альтернативный материал для 3D-печати. Обладая низкой температурой плавления 62 градуса Цельсия, высокой электропроводностью и низкой токсичностью, металл Филда, в отличие от композитных чернил, быстро затвердевает — важнейшая характеристика, которая позволяет в процессе печати избегать вспомогательных материалов и внешнего давления.

Используя низкую температуру плавления металла Филда, технология CHARM3D использует напряжение между расплавленным металлом в сопле и передней кромкой напечатанной детали, что приводит к созданию однородных, гладких структур из микропроводов с регулируемой шириной от 100 до 300 микрон, что примерно равно ширине от одной до трех прядей человеческих волос. Важно отметить, что в CHARM3D также отсутствуют такие явления, как вздутие и неровные поверхности, характерные для DIW под давлением.

По сравнению с обычным DIW, CHARM3D обеспечивает более высокую скорость печати до 100 миллиметров в секунду и более высокое разрешение, обеспечивая более высокий уровень детализации и точности при изготовлении схем. CHARM3D не требует дополнительных этапов обработки и позволяет создавать сложные отдельно стоящие трехмерные конструкции, такие как вертикальные буквы, кубические каркасы и масштабируемые спирали. Более того, эти 3D-архитектуры демонстрируют отличную структурную устойчивость и способность к самовосстановлению, что означает, что они могут автоматически восстанавливаться после механических повреждений и подлежат вторичной переработке.

«Предлагая более быстрый и простой подход к 3D-печати металлом в качестве решения для передового производства электронных схем, CHARM3D открывает огромные перспективы для промышленного производства и широкого внедрения сложных 3D-электронных схем», — сказал доцент профессор Ти.

Далеко идущие применения

Исследователи успешно напечатали 3D-схему для носимых безбатарейных датчиков температуры, антенн для беспроводного мониторинга жизненно важных функций и метаматериалов для манипулирования электромагнитными волнами, отражая разнообразие приложений, предоставляемых CHARM3D.

Традиционное больничное оборудование, такое как электрокардиограммы и пульсоксиметры, требует контакта с кожей, что может вызвать дискомфорт и риск заражения. С помощью CHARM3D бесконтактные датчики можно интегрировать в интеллектуальную одежду и антенны, обеспечивая непрерывный и точный мониторинг состояния здоровья в больницах, учреждениях престарелых или дома.

Кроме того, массивы 3D-антенн или электромагнитных датчиков из метаматериалов, изготовленные с помощью CHARM3D, могут оптимизировать приложения по обнаружению и обработке сигналов. Это приводит к улучшению отношения сигнал/шум и увеличению ширины полосы пропускания. Эта технология открывает возможность создания специализированных антенн для целевой связи, позволяющих получать более точные медицинские изображения, такие как микроволновая визуализация молочной железы для раннего обнаружения опухолей, а также расширенные приложения безопасности, такие как обнаружение скрытых устройств или контрабанды, излучающей определенные электромагнитные сигнатуры.

Среди других участников этой работы — доктор Чжуанцзянь Лю из Института высокопроизводительных вычислений Агентства по науке, технологиям и исследованиям и профессор Майкл Дики с факультета химической и биомолекулярной инженерии Университета штата Северная Каролина.

Следующие шаги

Исследовательская группа предполагает, что этот метод можно распространить на другие типы металлов и конструкционные применения. Команда также ищет возможности коммерциализации этого уникального подхода к печати металлом.