阅读说明：本技术 一种三维电子器件的制备方法和应用 (Preparation method and application of three-dimensional electronic device ) 是由 李琦 杨炜沂 鞠小晶 于 2018-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三维电子器件的制备方法和应用,属于三维成型与电子器件领域。具体为将牺牲浆料利用三维无模直写技术构筑所需三维结构,通过另一种材料的封装、固化之后将牺牲浆料去除,最后将形成的三维孔道填充导电材料并进行后处理,形成三维的导电网络。该制备方法操作简单,对根据实际需求构造复杂的三维结构适应性强,解决了传统方法制备电子器件难以小型化、集成化的缺点,根据封装材料的不同可实现柔性和非柔性电子器件的制作,可应用于天线、传感器、能量收集器等电子器件的制造。(The invention discloses a preparation method and application of a three-dimensional electronic device, and belongs to the field of three-dimensional forming and electronic devices. Specifically, the sacrificial slurry is used for constructing a required three-dimensional structure by using a three-dimensional die-free direct writing technology, the sacrificial slurry is removed after the packaging and the curing of another material, and finally, the formed three-dimensional pore channel is filled with a conductive material and is subjected to post-treatment to form a three-dimensional conductive network. The preparation method is simple to operate, has strong adaptability to the three-dimensional structure which is complicated in structure according to actual requirements, overcomes the defect that electronic devices prepared by the traditional method are difficult to miniaturize and integrate, can realize the manufacture of flexible and non-flexible electronic devices according to different packaging materials, and can be applied to the manufacture of electronic devices such as antennas, sensors, energy collectors and the like.)

一种三维电子器件的制备方法和应用

技术领域

本发明涉及三维成型与电子器件制作领域，具体涉及一种三维电子器件的制备方法和应用。

背景技术

随着技术的进步，对电子产品的功能要求越来越高。为实现这些功能，电子产品结构愈加复杂，部件数目增加，体积增大。而电子产品需要保持小体积以便于使用，因此对电子器件集成化、小型化提出很高要求。通讯行业中通讯产品要求多功能同时体积不能让太大，因此各部件都要小型化，尤其是体积较大的天线。物联网以及生态家居正在蓬勃发展，需要大量的传感器，因此对传感器小型化提出很高要求，另外如果能够使传感器集成到其它电器上或将各传感器集成到一起，将会带来很大便利。电子计算机的迅猛发展对运算速度、功耗、体积提出更高要求，也需要大批的小型化、高集成度的器件。

传统小型化手段主要是模块化，使用光刻技术，但是仅限于二维集成电路，现在已经很难进一步减小器件尺寸。将电子器件设计为三维结构是使电子器件进一步小型化的有效手段。而传统的三维结构加工方法(如机加工)很难制造精密而结构复杂的器件。三维光刻技术的缺点在于报废率与成本很高。因此开发新型的三维成型技术来实现三维电子器件的制备，具有重要的科学与经济意义。

无模直写3D打印技术能够很好的构建三维的网络结构，现有的研究表明结合无模直写3D打印技术以及复合材料封装技术，将能制备出具有复杂孔道结构的三维中空网络。已有科研工作者开展了该方向的研究，将这一思想应用于生化领域的反应、分离、检测等领域，也就是微流体技术。如若通过技术手段的创新，使此类三维中空网络使用合适的导电材料进行填充，将有可能实现三维结构复杂多样的三维电子器件的设计与制备。而该目标的实现需要结合无模直写、电子器件三维构型以及复合材料设计等技术手段的组合创新，是材料学、机械制造以及电子学等学科交叉领域重要的研究方向，具有重要的科学与工业应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维电子器件的制备方法和应用，该方法使用三维无模直写技术制作三维中空通道，配制流动特性合适的导电浆料对三维中空通道进行填充后获得导电的三维结构。通过微流体结构的设计获得不同的电子器件，符合现阶段对电子器件小型化、集成化的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下方案：

一种三维电子器件的制作方法，该方法首先采用三维直写技术用牺牲浆料构筑电子器件所需的三维网络结构，然后对三维网络结构进行封装，封装后将牺牲浆料去除，形成三维孔道；在三维孔道内填充导电材料后获得具有三维导电网络的电子器件。该方法包括以下步骤：

(1)在电子器件基底上通过三维无模直写技术打印构筑所需的三维网络结构；三维网络结构由牺牲浆料构成；所述电子器件基底的材质与封装材料相同。

(2)将步骤(1)获得的三维网络结构使用封装材料进行浇筑，使封装材料覆盖所述三维网络结构，封装材料固化后获得封装体；当封装材料为刚性材料时，获得刚性的三维电子器件；当封装材料为柔性材料，获得柔性的三维电子器件。

(3)封装后使封装体内的牺牲材料液化，形成流动性能良好的液体排出，在封装体内形成三维孔道(微流体通道)；

(4)在所述三维孔道中进行导电材料的填充，形成三维的导电网络。

上述步骤(2)中，所述牺牲材料为可打印且可相变的材料；可打印是指牺牲材料为固态或半固态时适用于三维无模直写；可相变是指牺牲材料能够转变为易去除的液态或气态。

所述牺牲剂材料可打印是指满足损失模量G”＜存储模量G’，以保证浆料在挤出之后能够保持形状；所述牺牲材料能在温度或pH值控制下从固态转变为液体以便于去除。

上述步骤(4)中，在三维孔道中填充导电材料后，通过后处理使填充的导电材料获得导电能力或提高导电能力；所述后处理为干燥处理和/或热处理。

所述封装材料为PDMS、树脂、光敏胶、工程塑料或陶瓷材料等。

所述导电材料为导电金属漆、液态金属或由金属颗粒调制成的流动液体。

所述三维电子器件作为三维导电网络应用于天线、传感器或能量收集器领域。

本发明的优点和有益效果如下：

本发明制备电子器件的方法简单，对结构的适应性强，可制作三维电子结构从而使电子器件小型化，易集成。根据封装材料的不同可实现柔性和非柔性电子器件的制备，可用于天线、传感器、能量收集器等电子器件的制造。

附图说明

图1为三维电子器件制备方法流程图。

图2为三维微流体电子器件制备方法示意图。

图3为实施例1中电子器件制备中的实物图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

本发明提供一种三维电子器件的制备方法，其流程和制备示意图如图1-2所示。其过程为：在封装材料基底上通过三维无模直写打印构筑牺牲材料的三维模型；将获得的由牺牲材料构成的三维模型进行封装、固化；将所获得的由牺牲材料和封装材料构成的复合三维模型进行后续处理，使牺牲材料液化，形成流动性能良好的液体而排出，形成三维的微流体通道；将获得的有封装材料构成的三维微通道模型进行导电材料的填充，形成三维的导电网络。

使用的牺牲剂相变条件要易于实现，以下实施例中牺牲剂为Pluronic F-127水凝胶，其制备过程为：将一定量的Pluronic F-127溶解到去离子水中，搅拌条件下溶解，形成浓度为32wt％的水凝胶。用的是sigma公司的P2443-250G型号的F127。该32wt％温敏凝胶F-127，室温状态下为半固体，0℃左右为液态。

使用的封装材料可以是道康宁PDMS184，此时可制作柔性电子器件；若使用环氧树脂做封装材料，则可制成非柔性的电子器件。此外还可以使用光敏胶、工程塑料、陶瓷材料等封装材料。

导电材料可以使用导电金属漆、液态合金和金属颗粒调制成的流动液体。

实施例1：

如图3所示，从左至右分别为待浇筑的微流体通道结构(牺牲剂为Pluronic F-127)；已经去除牺牲剂F-127的三维网络结构；填充导电银漆并在60摄氏度下干燥1小时，获得三维电子器件。该电子器件的制备过程如下：

(1)在22×22×10mm的方形槽底部预置厚度2mm的PDMS。

(2)配制质量分数为32％的F-127凝胶；

(3)使用三维无模直写方法，以F-127凝胶为浆料打印折线结构，其总尺寸15×10×0.42mm，相邻线间距1.5mm；

(5)方形槽内倒入PDMS，覆盖微流体通道结构上表面约3mm，放置至固化。

(6)将固化完全的样品在4摄氏度下放置1h，凝胶变液体后即可使用注射器抽出。再注入乙醇冲刷出残留的F-127，并在60摄氏度下真空干燥1小时。

(7)向孔道结构填充导电银漆，放于真空箱使银漆干燥，即获得导电网络构成的三维电子器件。

实施例2：

本实施例使用三维电子器件制备方法制备一个木堆结构的三维网络，过程如下：

(1)准备质量分数32％的F-127水凝胶及PDMS184硅胶；

(2)在预置一层PDMS的容器中使用F-127凝胶打印木堆结构，木堆结构整体尺寸30×30×5mm；

(3)向容器中浇注PDMS至完全覆盖木堆结构，常温放置12小时至完全固化；

(4)将样品置于4摄氏度环境中1小时，F-127变为溶液后，使用注射器抽出溶液，并向通道持续注入乙醇将F-127完全冲洗干净，并放入干燥箱60摄氏度干燥1小时；

(7)填充液态金属，形成三维的导电网络。

上述实例仅作参考，具有和本专利相似或者从本专利思路出发而延伸的基于牺牲浆料法制备三维电子器件的方法，均在本专利的保护范围。