印刷电路板之所以是平的，是因为平的很方便。它易于丝网印刷、易于贴装元件，也易于嵌入外壳。但现实中的物体很少如此配合。设备外壳是弯曲的，头盔是渐缩的，飞机蒙皮是弯折的，医疗设备则必须贴合任何矩形基板都无法匹配的解剖结构。一种新的基于雾气的打印方法——被描述为一种可直接在曲面和三维表面上构建电子电路的方式——正是针对这种不匹配而提出的。
其吸引力并不在于新奇形状上的装饰性电路，而在于有望将物体表面本身变成电路——把布线、传感器和天线沉积到已经存在的几何形状上，而不是围绕必须塞入其中的平面电路板来设计产品。
基于雾气的沉积如何工作
基于雾气的方法不是将油墨透过丝网压印，也不是将其挤出为连续的珠状线条，而是从一种液体油墨开始，将其打碎成极细的气溶胶。其结果更接近受控的雾，而非液体射流：一团悬浮在载气中的微观液滴云。
随后，这种气溶胶被引导通过沉积头，在那里气流被整形并加速。由于液滴非常小，且气流可通过空气动力学方式聚焦，材料可以从一定的工作距离外瞄准表面，而不必紧压在其上。这种非接触距离正是应对曲面和阶梯状几何形状的关键。打印头可以沿着轮廓移动而不接触它，下方的表面也不必是平的。
从液滴到固态线路
雾气着陆后，液滴会聚合成一条薄薄的湿线。随后通过固化或烧结步骤——通常是加热，有时是光照——驱除溶剂并将材料熔合成导电路径。由于沉积和固结是分开的阶段，该工艺可以调节。更多遍数可构建更厚、电阻更低的线路；更少遍数则可产生更精细的特征。同样的灵活性还允许在一次打印过程中跨越角度变化的表面铺设图案。
多材料的可能性
由于材料是以气溶胶形式到达，而不是以固定丝材或丝网限定的模板形式到达，单一工具原则上可以在不同油墨之间切换。导电金属形成布线，介电材料提供层间绝缘，电阻或压阻浆料则成为传感元件。将这些层堆叠起来，得到的就不只是曲面上的布线：还能从表面本身构建出天线、电容器、应变计和电极。
它所解决的几何问题
传统打印在曲面上举步维艰，其原因首先是几何上的，其次才是化学上的。丝网印刷依赖一张平坦、张紧的网版压印在基板上；将网版包裹在圆柱体上，套准和张力都会退化。喷墨和挤出方法需要喷嘴与表面之间保持受控间隙，而在曲面部件上，这一间隙会不断变化——从而改变同一条线路上的线宽、厚度和电阻。再加上台阶、凹槽或复合曲率，保持恒定工作距离就不仅是材料问题，更是运动控制挑战。
非接触式雾气工艺放松了这一约束，但并未消除它。沉积质量仍然取决于打印头与表面之间的距离和角度，而深凹或阴影区域仍然难以可靠地到达。
该方法可能的应用领域
- 航空航天与国防：将天线、传感器和加热元件打印到曲面面板、雷达罩和内部结构上，避免安装独立电路板所带来的重量和紧固件数量。
- 可穿戴设备：将电极和互连沉积到纺织品或柔性绑带上，使其随身体弯曲，而不是与之对抗。
- 医疗设备：在导管、假肢和手术器械上集成传感器阵列，这些设备的形状由解剖结构决定，而非由制造便利性决定。
- 汽车与工业：将应变和温度传感器放置在曲面结构部件上，或将加热元件铺展在成形表面上。
- 消费电子：将天线和触控感应层集成到曲面外壳和显示器中。
仍需解决的问题
从一种有前景的沉积方法到大规模制造之间，障碍既实际又众多。附着力是第一个问题：线路必须在可能是金属、复合材料、聚合物或陶瓷的基板上经受弯曲、热循环和搬运。
热预算是第二个问题。烧结金属油墨通常需要许多塑料、复合材料和成品组件无法承受的温度，因此固化步骤可能需要局部化、缩短或重新配方，以保护底层部件。
然后是分辨率与吞吐量之间的经典矛盾。精细特征和厚导电层朝相反方向拉扯，而多遍沉积需要时间。非平面表面上的良率和检测更加困难：光学检测系统是围绕平坦视场构建的，而测量一条环绕曲面的线路仍是一个未解决的问题。
最后，印刷导体很少能取代所有元件。芯片、连接器和功率元件仍然需要贴装，这意味着行业还需要能在曲面、已贴装表面上工作的拾放和连接技术。
结构与电路之间更小的边界
平面电路板不会消失。它们便宜、成熟，并得到庞大制造生态系统的支持。但物体与其电子器件之间的界线正在变得模糊。如果电路可以沉积到工程和人体解剖已经要求的形状上，设计师就获得了一个新的自由度：与其问如何把电路板塞进产品，不如问产品的哪些部分应该直接变成电路板。
基于雾气的方法是通往这一结果的一条路径，而它最有趣的性质或许是最不引人注目的那一个——它不需要表面是平的。
本文基于 Interesting Engineering 的报道。阅读原文。
Originally published on interestingengineering.com
