基于熔融沉积成型（FDM）工艺的电子元器件集成制造基础研究

Additive manufacturing (AM) technology is a typical digital manufacturing technology that leads to a great change in globe manufacturing industry. Multifunctional additive manufacturing (MAM) technology including the combination of 3D structure fabrication and electrical functionalities is the frontier of AM research area. Compared with traditional single functional AM applications, it enables the direct digital fabrication of high-value end-use products. The aim of this project is to realise a MAM technology based on fused deposition modelling (FDM) process. The innovations of this work includes: (1) High precise FDM printing; (2) selective electroless plating (SEP) process; (3) vertical conductive vias. The resultant key objects for the project are: (1) to research fundamental principle of FDM and to upgrade the apparatus; (2) to investigate the details of SEP process; (3) to develop the complete process chain; (4) to integrate and optimize relevant processes. To verify the scientific and practical nature of this project, complex 3D structural circuitries will be fabricated via this novel MAM technology.

增材制造技术（3D打印）为代表的数字化生产模式正在引领全球制造业新的变革。多功能增材制造技术是3D打印的前沿领域，旨在将三维结构与电子电路相结合，从过去单一材料的增材成型转变为高附加值全功能电子产品的智能化直接制造。本项目首次提出一种基于熔融沉积成型工艺（FDM）的多功能增材制造技术，其创新点包括：（1）高精度多材料FDM打印；（2）选择性化学镀工艺；（3）垂向导电台设计。本项目的核心研究内容是建立相关的工艺基础理论、工艺流程及其集成化技术：包括：（1）FDM制造设备工作机理研究与优化；（2）选择性化学镀工艺探索；（3）工艺流程设计；（4）工艺集成与优化。 通过以上研究，建立工艺台架，试制不同复杂程度的三维电路结构，以验证该技术的可行性，从而获得一种具有较高应用潜力的多功能增材制造技术。

随着创新型经济的兴起，新型电子产品的迭代速度明显加快，企业普遍希望缩短产品设计开发周期，让产品尽快投入市场，抢占市场份额；另一方面，消费者对于个性化、定制化电子产品的需求不断扩大，这就要求企业从大批量的传统制造模式转向小批量快速生产模式。为了应对这一挑战，多功能增材制造技术的概念被研究者提出，旨在集成多种加工工艺，处理不同类型的材料，并在增材制造的过程中增加电子元器件嵌入和电路连接等步骤，实现全功能电子产品的数字化直接制造。本项目针对目前多功能增材制造技术加工精度不高、缺乏有效三维电路互连方法、工艺集成化程度低的缺陷，研究了基于熔融沉积成型（FDM）3D打印工艺的电子元器件集成制造方法。主要完成了以下工作：首先：搭建了高精度多材料熔融沉积成型（FDM）3D打印平台，在打印精度、挤出头数目、可打印材料范围等重要指标上相对于传统FDM 3D打印机有了很大提升；其次，获得了一套选择性化学镀工艺，在FDM 3D打印的双材料基底表面成功实现选择性金属沉积及三维方向上的电路互连，并通过进行SEM微观结构表征、能谱仪分析（EDS）、胶带剥离强度测试对镀层的性能进行了系统性分析，进而进一步优化了选择性化学镀工艺参数；另外，通过二维/三维电路系统的试制验证了整体工艺流程及工艺集成的可行性。本项目为多功能增材制造领域的研究开拓了一条新的研究思路，相关成果未来可应用于电子、汽车、航空航天、医疗器械等诸多领域。