Sukurtas naujas metodas, skirtas pažangiosios elektronikos trimačiams grandynams gaminti

Skirtingai nuo tradicinių spausdintinių plokščių, kurios yra plokščios, trimatės grandinės leidžia sudedamąsias dalis sudėti ir integruoti vertikaliai – taip gerokai sumažinamas prietaisams reikalingas plotas.

Singapūro nacionalinio universiteto (NUS) tyrėjų komanda, plėtodama 3D spausdintinių grandynų galimybes, sukūrė moderniausią metodą, vadinamą įtempimu valdomu CHARM3D, skirtą trimačiams (3D), savaime atsinaujinantiems elektroniniams grandynams gaminti.

Šis naujasis metodas leidžia spausdinti laisvai stovinčias metalines 3D struktūras, nereikalaujant pagalbinių medžiagų ir išorinio slėgio.

NUS Dizaino ir inžinerijos koledžo Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros docento Benjamino Tee vadovaujama tyrėjų grupė, naudodama Fieldo metalą, pademonstravo, kaip CHARM3D gali gaminti įvairias elektronikos sistemas, leidžiančias kurti kompaktiškesnius prietaisus, pavyzdžiui, dėvimus jutiklius, belaidžio ryšio sistemas ir elektromagnetines metamedžiagas.

Pavyzdžiui, sveikatos priežiūros srityje CHARM3D padeda kurti bekontakčius gyvybinių funkcijų stebėjimo prietaisus, kurie didina pacientų komfortą ir kartu užtikrina nuolatinę stebėseną.

Signalų jutimo srityje ji optimizuoja 3D antenų veikimą, todėl tobulinamos ryšių sistemos, tiksliau atliekami medicininiai vaizdai ir kuriamos patikimos saugumo priemonės.

Komandos išvados paskelbtos 2024 m. liepos 25 d. žurnale „Nature Electronics“.

Racionalesnis požiūris į 3D grandinių gamybą

3D elektroninės grandinės vis dažniau tampa šiuolaikinės elektronikos – nuo akumuliatorių technologijos iki robotų ir jutiklių – pagrindu. Pavyzdžiui, 3D architektūros, turinčios didelį efektyvųjį paviršiaus plotą, padidina baterijų talpą ir jutiklių jautrumą.

Tiesioginis rašymas rašalu (DIW) – perspektyvus 3D spausdinimo metodas, šiuo metu naudojamas 3D grandinėms gaminti, turi didelių trūkumų.

Esminis trūkumas yra tas, kad naudojami kompoziciniai rašalai, kurių elektrinis laidumas yra mažas ir kuriems reikia pagalbinių medžiagų, padedančių sukietėti po spausdinimo. Be to, šie dažai yra per daug klampūs, o tai riboja spausdinimo greitį.

Pradedamas naudoti Fieldo metalas – eutektinis indžio, bismuto ir alavo lydinys. Eutektiniai lydiniai lydosi ir užšąla vienoje temperatūroje, žemesnėje nei juos sudarančių metalų lydymosi temperatūra, todėl tai yra patraukli alternatyvi medžiaga 3D spausdinimui.

Fieldo metalas, kurio lydymosi temperatūra yra 62 laipsniai Celsijaus, pasižymi dideliu elektriniu laidumu ir nedideliu toksiškumu, skirtingai nei kompoziciniai dažai, greitai kietėja – tai labai svarbi savybė, leidžianti spausdinimo procese atsisakyti pagalbinių medžiagų ir išorinio spaudimo.

Naudojant žemą Fieldo metalo lydymosi temperatūrą, taikant CHARM3D metodą išnaudojama įtampa tarp išlydyto metalo purkštuke ir atspausdintos detalės priekinio krašto, todėl gaunamos vienodos, lygios mikrodurų struktūros, kurių plotis reguliuojamas nuo 100 iki 300 mikronų, t. y. maždaug vieno-trijų žmogaus plaukų sruogų plotis.

Labai svarbu, kad CHARM3D sistemoje taip pat nėra tokių reiškinių, kaip karoliukai ir nelygūs paviršiai, kurie būdingi slėgio valdomam DIW.

Palyginti su įprastine DIW, CHARM3D užtikrina didesnį spausdinimo greitį – iki 100 milimetrų per sekundę – ir didesnę skiriamąją gebą, todėl grandinių gamyboje užtikrinamas didesnis detalumas ir tikslumas.

Naudojant CHARM3D atsisakoma vėlesnių apdorojimo etapų ir galima gaminti sudėtingas laisvai stovinčias 3D struktūras, pavyzdžiui, vertikalias raides, kubinius karkasus ir keičiamo mastelio spirales. Be to, šios 3D architektūros pasižymi puikiu struktūros išlaikymu ir savigydos galimybėmis, t. y. jos gali automatiškai atsistatyti po mechaninių pažeidimų ir yra perdirbamos.

„Siūlydamas greitesnį ir paprastesnį požiūrį į 3D metalo spausdinimą kaip pažangių elektroninių grandinių gamybos sprendimą, CHARM3D turi didžiulę perspektyvą sudėtingų 3D elektroninių grandinių gamybai pramoniniu mastu ir plačiam pritaikymui“, – sakė doc. Tee.

Plačios taikymo sritys

Tyrėjai sėkmingai atspausdino 3D grandinę, skirtą nešiojamiems temperatūros jutikliams be baterijų, antenas, skirtas belaidžiam gyvybinių funkcijų stebėjimui, ir metamedžiagas, skirtas elektromagnetinių bangų manipuliavimui, – tai rodo CHARM3D teikiamų pritaikymo galimybių įvairovę.

Tradicinei ligoninių įrangai, pavyzdžiui, elektrokardiogramoms ir pulsoksimetrams, reikalingas sąlytis su oda, o tai gali kelti diskomfortą ir infekcijų riziką. Naudojant CHARM3D, bekontakčius jutiklius galima integruoti į išmaniuosius drabužius ir antenas, taip užtikrinant nuolatinę ir tikslią sveikatos stebėseną ligoninėse, slaugos įstaigose ar namuose.

Be to, naudojant CHARM3D pagamintus 3D antenų ar elektromagnetinių metamedžiagų jutiklių masyvus būtų galima optimizuoti signalų jutimo ir apdorojimo programas. Tai leidžia pagerinti signalo ir triukšmo santykį bei padidinti dažnių juostos plotį.

Šis metodas atveria galimybę kurti specializuotas antenas, skirtas tikslinei komunikacijai, tikslesniam medicininiam vaizdavimui, pavyzdžiui, mikrobangų krūties vaizdavimui, siekiant anksti aptikti navikus, ir pažangioms saugumo reikmėms, pavyzdžiui, aptikti paslėptus prietaisus ar kontrabandą, skleidžiančius specifinius elektromagnetinius požymius.

Tyrėjų komanda numato, kad šį metodą bus galima taikyti ir kitų tipų metalams bei konstrukcijoms. Komanda taip pat ieško galimybių komercializuoti šį unikalų metalo spausdinimo metodą.