[發明專利]用于在3D結構、結構組件以及具有3D結構的電子、電磁和機電組件/設備中連接層間導體和組件的方法和系統

有效

• 申請號: 201480025881.0
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN105409335B
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 大衛·埃斯帕林;賴安·B·威客;弗朗西斯科·麥迪納;埃里克·麥克唐納;丹尼·W·繆斯
• 申請（專利權）人: 德克薩斯州大學系統董事會;大衛·埃斯帕林
• 主分類號: H05K3/20
• 分類號: H05K3/20;B29C65/02
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;謝栒

本發明提供的是通過在三維結構、三維結構組件或具有三維結構的電子、電磁或機電組件/設備中使用絲線來構建層間機械或電子附著或連接的系統和方法。

技術領域

本發明一般涉及制造3D結構以及具有3D結構的電子、電磁和機電組件及設備，并且具體地涉及的是用于連接三維結構、結構組件和具有三維結構的電子、電磁和機電組件/設備中的層間導體和組件的方法和系統。

背景技術

在不對本發明的范圍構成限制的情況下，本發明的背景技術是結合用于制造3D物體、結構和具有3D結構的電子、電磁和電子組件和設備的方法而被描述的。

增材制造在3D電子設備方面的應用仍舊處于發展初期。其大規模的采用因為基于低溫固化的導電墨水的當前技術的可靠性低、性能差以及成本高而受到限制。[16]結果，傳統的印刷電路板(PCB)技術在電子產業中繼續處于主導地位。在全世界各地實際只有少量的研究人員在對3D電子設備進行改進，并且大多數的研究人員都致力于導電墨水技術。其中一個例外是模塑互連設備(MID)，所述MID包括一個注塑成型件，并且該注塑成型件被暴露于名為激光直接成型(LDS)的選擇性激光蝕刻過程以及后續的無電式電鍍處理。這些設備展現出了某種3D自由度，并且已被廣泛應用于汽車和個人通信市場；然而，與本發明相比，由于源于電鍍過程的導電跡線被限制于易受激光影響的模制件外表面上，并且由此無法展示本發明的嵌入多層性能，因此，此類設備在應用方面受到了限制。此外，這些無電式電鍍處理提供的所制造的導線的截面面積有限，由此限制了高電流應用。

因此，在使用增材制造(AM)處理(此類處理是在ASTM 2792-12a中描述和定義的)創建具有3D結構的電子設備的方面，迄今為止所做的工作集中于使用在直接打印(DP)(也被稱為直接寫入(DW))或其他處理中分配的導電墨水，以便在組件之間提供電互連。分別于2010年2月和2012年8月發布的美國專利7,658,603和8,252,223描述了通過將液體點膠技術與立體光刻和其他AM處理相集成來創建3D電路的細節。這些低溫固化墨水在導電性和持續性方面存在缺點[17]，而這會導致使用AM制造的具有3D結構的電子設備僅限于被應用在不會遭受機械沖擊、振動、強電流或功率密度、極端溫度或是可靠性需求很高的應用的簡單設備上。

2003年9月發布的美國專利6,626,364描述了一種通過使用運動控制系統上安裝的超聲變幅桿以及使用一種通過該變幅桿來將天線用線提供給工作表面的機制而將天線用線快速嵌入薄熱塑智能卡的方法。該天線是以超聲波的方式嵌入平整光滑的固態塑料片的。

然而，在制造內嵌了電子設備、傳感器和致動器的幾何結構錯綜復雜的3D結構的過程中，有必要具有用于在熱塑設備中嵌入絲線(例如電線、絲網等等)的方法和系統。此外還需要改進如Ahn等人[18]所述的用AM制造的3D零件的機械性能，其中對于用丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)構成并用熔融沉積成型(FDM)這種眾所周知的材料擠壓AM處理制造的測試零件來說，其極限抗拉強度約為同材料的模具注塑件(26MPa的UTS)的10-73％。用AM制造的零件與注塑成型件之間的這種差距會將所傳遞的拉伸性能擴大至包含沖擊、彎曲、壓縮、蠕變和疲勞性能，并且這些性能共同將使用AM制造的零件限制成應用于原型。

發明內容

本發明提供的是用于在制造幾何結構錯綜復雜的3D結構、結構組件或是內嵌了電子設備、傳感器和致動器的結構的過程中將絲線(例如電線，絲網等等)嵌入熱塑襯底的系統和方法。此外，該絲線可被嵌入到熱塑設備的多個層中。本發明提供了導電性和耐久度能與傳統的印刷電路板(PCB)技術相比擬的電互連。