[发明专利]一种三维电子器件的制备方法和应用

说明书

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。

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。