前沿综述：Advanced Science-高精度3D打印在电子学领域的应用

电子设备结构的多样化导致对新兴电子学中自由外形（即自由形态）架构的需求不断增加，这些领域包括可穿戴电子设备、生物电子学、光电子学、电池和软机器人。此外，对高性能、小型化电子设备的需求推动了电子芯片密度及集成复杂度的指数级增长。电子设备需要具备占据z轴空间的3D形态，同时保持小型化的平面尺寸 。为满足当前制造工艺的这些需求，已引入并开发了增材制造（如3D打印）来制造高分辨率的自由形态3D结构。

基于光刻的工艺是电子学建模和制造的传统方法。尽管这种方法通过可扩展性显著提升了电子学的完整性，但它只能在平面上创建2D结构，难以应用于具有复杂3D几何形状的前沿电子学。为形成各种材料（包括绝缘体、半导体和导体）的3D结构，已经有多种3D打印方法，如材料喷射、挤出、聚合、熔融和烧结，从而为3D打印电子学的发展奠定了基础。研究表明，在电子设备的集成度、复杂性、性能和适用性方面已取得显著研究进展。

图1  3D打印方法、材料和应用的概述，适用于具有多功能材料、高长宽比结构、微型化和可扩展性的自由形态电子领域

如图所示，本综述讨论了与形成自由形态电子学的高分辨率3D打印技术相关的研究进展，重点关注可打印电子材料及其3D打印方法。从墨水材料和打印方法的角度，讨论了3D打印在电子学中的代表性应用，包括互连、能量存储设备、射频（RF）器件和传感器。此外，还综述了实现高性能集成电子学所需3D打印技术的额外要求（可扩展性、小型化、高纵横比结构、多功能材料打印）以及进一步的挑战、机遇和前景。

图2 导体作为可打印墨水

图3 半导体作为可打印墨水

图4 绝缘体作为可打印墨水

图5 基于喷墨的3D打印

图6 基于直写的3D打印

图7 基于光固化的3D打印

表1：不同3D打印方法在自由形态电子学中的特性

图8 3D打印互连结构

图9 3D打印电池

图10 3D打印天线

图11 3D打印传感器

材料设计和打印方法的革新为形成3D电子结构带来了突破，推动了各种电子器件制造技术的巨大进步。从绝缘体、半导体到导体，从硬质无机材料到软性有机材料，3D可打印电子材料的多样性使各种具有不同机械、电气和光学性能的器件组件能够在任意空间中异质集成。

为使未来3D电子器件具有可与传统2D电子器件媲美的高性能，结构尺度应能从纳米级到微米级可控。对于工业适用性，需实现 3D 打印的可扩展制造，如通过多喷嘴3D打印等高通量系统可实现高分辨率图案的快速生产；如可穿戴电子器件，需实现3D打印的可适配贴合性。此外，电子油墨材料的生物相容性以及低温加工技术是需要考虑的关键点。通过该领域持续的研究，3D打印技术中许多关键的挑战正得到有序的解决。

论文链接：

doi.org/10.1002/advs.202104623

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