供稿人:連偉龍、連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2019-09-13
當(dāng)前電子設(shè)備中大量使用平面印刷電路板（PCB）。但是，如果相同的平面電路可以直接制成三維立體結(jié)構(gòu)電路，將會(huì)帶來巨大的好處。由Gilbert T. Carranza等領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，通過混合直寫3-D打印方法，在三維環(huán)境中建模并制造了第一個(gè)完全意義上的三維立體電路，即3-D電路[1]。這個(gè)真正3-D電路在x，y和z方向上具有相等的自由度。組件可以放置在任何位置并朝向任何角度，可以實(shí)現(xiàn)最小化跡線長度、體積和重量。互連可以遵循樣條路徑平滑地蜿蜒整個(gè)電路，降低寄生阻抗，使帶寬和效率最大化。3-D電路本質(zhì)上可以形成非常規(guī)的形狀原件和性能，而傳統(tǒng)的平面電路則不具備這些優(yōu)點(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)首先開發(fā)了一個(gè)如圖1所示，用于3-D電路的設(shè)計(jì)和布局工具。這是在開源圖形設(shè)計(jì)軟件Blender下開發(fā)的布局、布線的CAD環(huán)境和3D設(shè)計(jì)工具。
圖1 工具的用戶界面
圖2 （a）閃爍555定時(shí)器電路的電路示意圖 （b）顯示組件、互連和切片基板的相應(yīng)模型
Blender軟件利用表面網(wǎng)格來繪制和操縱3-D對象，并控制Python控制臺(tái)和文本編輯器來編寫腳本和附加組件。3D設(shè)計(jì)工具通過開發(fā)導(dǎo)入來自DipTrace的信息，執(zhí)行零件放置、路線互連，并導(dǎo)出3-D設(shè)計(jì)組件。圖2為使用該工具設(shè)計(jì)的一個(gè)555定時(shí)器的三維電路CAD模型。
圖3 555定時(shí)器電路元件的三維布局
如圖3，是打印出的3D電路的三維布局圖。然后，需要對各個(gè)組件進(jìn)行互聯(lián)，使其成為一個(gè)完整的一體。當(dāng)所有的組件布局和互連完成后，形成了如圖4所示的情況。
圖4 電路和部件之間的互連
圖5 3-D電路的打印過程（a）與完成的3-D電路（b）
在制造方案上，利用多材料混合nScrypt 3-D打印機(jī)，即采用熔融沉積成型（FDM）和微噴方法制造3-D電路。如圖5（a）所示，其打印過程為：塑料和墨水工具路徑首先作為FDM打印和微噴打印生成，然后分別通過FDM打印塑料，微噴打印金屬。圖5（b）顯示了該團(tuán)隊(duì)利用nScrypt打印機(jī)和3-D軟件的功能布局工具，通過自動(dòng)化流程生產(chǎn)的世界上第一個(gè)三維立體電路。這是通過混合3-D打印制造的真正3-D電路的首次演示。這種方法提供了一種制造幾乎任何形狀和因素的電路的能力，為未來的電子設(shè)備的發(fā)展提供了新的方案和市場。