江苏激光联盟导读：
近日，香港城市大学吕坚院士团队在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”该论文分别从增材制造领域的发展历史，材料选择，4D 打印，应用前景和趋势展望等方面做了较为系统的介绍。江苏激光联盟将陆续对其主要内容进行介绍，本文为第七部分 ，增材制造结构在电子器件中的应用。
4.3. 电子器件
AM技术除了在航空航天和医疗中应用非常广泛之外，在电子工业中的应用也是如火如荼。
▲图1. 在当前AM技术在电子工业中的应用简图
4.3.1. 微波器件
微型的，轻质的，高精度和低成本的运行在微波和太赫兹波段范围的器件在现代通讯系统和电磁应用领域的需求越来越旺盛。天线，过滤器和功率分配器均是现代微波通讯系统中关键且重要的器件。传统的制造技术是机加工不同的部件，然后将它们组装在一起形成功能器件，这就导致了组装可能存在错误和多余的废物。此外，传统的金属微波导，天线，过滤器和大多数的器件均阻碍了小型化和轻质通讯系统的发展。在近年来，AM技术提供了一个可供选择的制造轻质和快速集成制造的技术。
几个不同的AM制造技术采用了不同的制造工艺，如金属3D打印，介质3d打印和表面金属化的介质3d打印等均发展起来并应用于制造天线上（见图2所示），共振器和过滤器（图3）和波导（图4）和透镜（图5）等以及许多其他的微波器件。
▲图2. 天线的AM制造：（a）采用立体光刻技术和涂覆铜合的办法制造的波纹喇叭天线（W-band）；（b）采用立体光刻技术制造的对角喇叭天线（WR-3.4）；（c）采用电子束熔化技术打印的两个喇叭天线（Ku-band）具有不同的表秒粗糙度（左边的伪: 25.9 μm, 右边的伪: 39.7 μm）；（d）采用SLA和ABS和涂覆了波纹圆锥喇叭天线（Ku-band）且涂覆了导电气雾涂料；（e）SLM技术制造的Cu-15Sn锥形喇叭天线（E-,D-和H-波段的角；（f）采用立体光刻技术进行组装的电介质填充有喇叭天线阵；（g）采用直接金属激光烧结3D打印技术制造的波导馈电天线阵；（h）采用陶瓷SLA制造的介电质共振器天线；（i）采用折纸包装的3D打印的喷墨打印天线
▲图3. AM打印技术制造的振荡器和过滤器：（a）一个前端过滤器模块，谐振腔和通过层层立体光刻技术制造的双极腔滤波器；（b）采用陶瓷SLA技术利用二氧化锆和Ba3ZnTa2O9制造的谐振腔，（c）采用SLA技术制造的W-band六阶电感虹膜带通滤波器；（d）采用SLM利用CuSn15合金粉末制造的E-band虹膜带通滤波器；（e）采用AM技术打印的具有巴特勒矩阵的过滤器；（f）在球形的振荡器上的第五阶X-band波导波导带通滤波器基于SLA的打印技术；（g）采用两个球形的双模腔谐振器，利用SLA技术制造的第四阶空腔带通滤波器，（h）采用SLM技术，利用Al-12Si合金制造的超导铝合金微波谐振腔
▲图4. 波导的AM技术制造：（a）采用立体光刻技术SLA制造的Ka-band槽隙波导；（b）采用选择性激光熔化技术熔化Cu-15Sn粉末制造的矩形波导（E-，D-和H-band）；（c）采用SLA制造的WR-3.4波段波导和（d）采用SLA技术制造的WR-90 thru-线波导
▲图5. AM技术制造的透镜（棱镜）：（a）采用陶瓷立体光刻技术制造的氧化铝透镜；（b）采用聚合物喷射快速原型技术制造的伦伯透镜；（c）3D打印的光束扫描透镜，尺度为毫米级别和太赫兹的波长范围；（d）3D打印的太赫兹，高增益和圆偏振光透镜以及（e）3D打印的太赫兹透镜用于无衍射贝塞尔光束产生
尽管不同的AM技术发展非常迅速，在进一步的应用这一技术制造微波器件方面还存在一系列的问题：
1) 提高AM技术的工艺质量
陶瓷和金属的成型工艺仍然可以进一步的得到提高。对精度，强度，刚性以及表面粗糙度等的需求在微波器件中的应用上越来越严格。甚至是一个小的偏离或偏差都会导致在频率，波段等的损失。因此，AM技术的成型工艺必须进一步的提高以满足微波器件的发展要求。
2) 多功能需求的新材料的研究和发展
快速成型材料，具有它本身的限制，仍然处于发展的阶段。许多要求注意的地方需要关注到材料的机械性质，而很少有研究是聚焦在电性能上。为了制造同时满足机械性能和电磁性能的微博器件，西哟啊开展更多的工作开开发出新的可打印的材料来。
3) 发展更高频率的器件和更加微型化的器件的发展趋势
制造出更高频率的波段的微波器件是一大挑战，这是因为需要尺寸更小和更高导电性能的器件才能满足要求。一旦打印的精度和表面粗糙度得到提高且满足了频率的要求，小型化和集成的要求，通过AM技术是最有可能来在微波器件和系统中得以实现。
4) 更高的增材制造的打印速度
打印大型的复杂结构的快速成型是一大挑战，目前仍然是一个非常长期的目标来提高AM制造技术的打印速度到一个更高的水平。
4.3.2. PCBs, MEMS, 微型电池和 RFID标签
Si基微电子技术基于大规模集成电路的发展而得以迅速的发展，这主要是指通过半导体材料的微观加工而实现电路的制造，并且PCBs则是集成芯片的携带者。打印的电子是一种新的电子AM制造技术，是基于打印原理来实现的，核心的思想是使用墨水，喷雾器，材料挤出和其他技术来打印导电，介电或半导体材料到基材上来制造电子器件和系统。同传统的电子加工技术相比较，打印电子材料具有如下优势：它可以实现大规模的制造和减少制造成本，打印工艺流程比传统的制造工艺要简单，能量消耗要比传统的工艺少，并且不需要蚀刻工艺制程，由此，这些工艺是环境友好的工艺，电子器件可以在大量的基材之上实现制造，包括柔性基材。研究人员如今将目光聚焦在3D打印PCBs和ICs上，采用的策略是墨水打印或者激光打印，这显示出获得高的晶体管密度的巨大潜力，以及高产出，高度的均匀性和长期的稳定性，这是实现有机数字ICs和其他智能器件的关键。
MEMS是一个集成微型传感器，信号处理器，控制回路，界面回路，通信和功率的系统。随着通信技术以及相关领域的发展，MEMS的重要性越来越明显。然而，MEMS产品的制造门槛非常高，并且需要先进的半导体制造设备，这一设备往往会花费很多钱。这一巨大的投资成为一个继续发展MEMS产品的巨大障碍。3D打印技术有望改变这一现状。来自MIT的研究人员发展了一个制造高质量MEMS的器件，采用的是一个桌面型的3D打印设备。传统的MEMS的制造工艺必须在高温真空环境中进行，而MIT的解决办法促使了MEMS产品的制造得以在非真空环境中实现。这些MEMS可以极大的减少产品的制造成本，且不损失制造产品的质量。由此，3D打印的MEMS系统呈现出巨大的发展潜力。然而，这一技术必须进一步的提高以适合商业化的应用需求。
在研究3D打印电池材料这一块已经取得了一定的成就。作为微型电池，是一类具有低体积，高比能量，稳定的工作电压和良好的工艺密封性，小的自放电，高可靠性等，他们正在向着电子部件的小型化方向发展。来自Illinois大学的研究人员成功的制造了一个沙子尺寸大小的微型电池 (<1 mm3) ，采用的是3D打印的技术，具有良好的电化学性能。微型电池可以提供足够的电能供给在医疗和通讯领域中的微型器件所使用，包括许多仍然在实验室规模的器件和缺乏小型电池，这将促使我们进一步的开发微电子系统的应用潜力。
射频标识（Radio frequency identification (RFID)）是一类无线的通讯技术，可以识别特定的目标和读取/写入相关的数据，通过射频信号而不需要在识别系统和特定的目标之间建立其机械的或光学的接触。RFID技术广泛的应用，诸如在图书馆，门禁系统中，食品安全等。当芯片和天线可以准备在一起，RFID的成本就可以极大的降低，RFID 3D打印开始进入这个方向。来自CAS的研究人员首先提出了一个概念和办法，称之为液态金属悬浮3D打印，可以用来快速的制造3维柔性金属变形体，该变形体在室温具有任意复杂的形状和结构，并成功的利用这一技术在纸上制造了RFID标签。如果这个技术在广泛的商业化之后就会广泛的得到应用。并且制造商可以利用这一技术非常容易的利用这一技术来打印出个性化的RFID标签用到他的产品上。
4.3.3. 3C 背板
计算机，通讯和消费电子（3C）制造是数字工业中最为重要的工业。来自用户的高度个性化和定制化的需求连续不断的刺激和促进了3C工业的快速发展，在引入3D打印技术到3C工业中将进一步的促进了3C的发展。3C行业的个性化需求和小规模的制造为3D打印技术提供了这一可能。3D打印部件或器件目前在3C工业中是可行的，诸如主板装饰，电缆盖、风扇支架、电缆梳和指托等。
同其他候选的材料如塑料，金属和玻璃作为3C的背板，陶瓷具有许多优势。例如，陶瓷手机的背板具有显著的高质量，同塑料相比较的话，如图6所示。在当前，大多数的手机背板是采用金属来进行制造的。然而，陶瓷手机背板存在的问题是值得进一步的关注的，因为陶瓷材料作为手机背板具有同金属相比，较多的优势：
1) 陶瓷在电磁的信号传输上具有优异的性能，刚好可以满足5G时代和无线充电的要求。
2) 陶瓷经常可以提供更好的可视化和触觉经验，这是因为它的光泽外观和精细的结构造成的。
3) 陶瓷经常呈现出更好的耐受变形和腐蚀的能力，这是因为它具有更好的机械性能，化学性能和热性能，诸如更高的硬度，强度，化学稳定性和热稳定性等。
4) 陶瓷经常具有比金属低的密度。尽管玻璃材料也在3C工业中具有十分重要的地位，陶瓷手机背板呈现出更好的抗跌落和磨损性能，同时能够提供比玻璃更好的视觉和触觉感官。
▲图6. 陶瓷材料作为手机背板材料同其他材料相比较的优势
陶瓷比较典型的属于难以铸造或机加工的，这是因为该材料极端高的熔点，阻碍了陶瓷手机背板的发展，尤其是曲线形手机背板的发展。日本折纸艺术和4D打印技术可以形成形状形貌的成形，并且这些工艺呈现出巨大的制造曲线性手机背板的优势。当前的AM技术具有独特的优势来制造陶瓷背板，包括可编程的和个性化的设计，形状复杂的和成本效益比高，颜色多变的和优异的机械鲁棒性。Liu等人显示了3D打印平板陶瓷背板和通过折纸技术实现的曲线背板的优势，见图7所示。
▲图7. 保持手机背板采用陶瓷4D打印系统进行制造：（a）平板，左图，右图为曲线的背板；（b）3D打印的平面手机背板的俯视图；（c）曲线的陶瓷蜂窝，标尺为1cm
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