Optomec公司的资深科学家Kurt Christenson博士简述了该公司的Aersol Jet技术，该技术可在3D表面打印互连，因而不再需要金属导线键合。Christenson还探讨了该技术的目前状况，并重点介绍了从3D打印电子元器件（如电阻、电容、天线和晶体管）中获益的细分市场和应用。 Barry Matties：Kurt，您能简要介绍一下贵公司吗？ Dr. Kurt Christenson：Optomec公司生产增材制造设备。我们有两个部门。一个部门生产LENS产品，用激光形成金属熔池，然后喷入粉末状的金属添加材料。当它冷却和冻结时，形成晶体结构，所以我们可以修复单晶涡轮叶片或制作完整的3D金属部件。我所在的另一个部门生产可以雾化油墨的Aerosol Jet产品。我们能制造出大约3微米的液滴，所以不在乎油墨有什么成分。然后，我们再利用空气动力学把它聚集到一定尺寸，可以根据制造需要生产从10微米宽的走线到3毫米宽的微带。我个人的工作重点是连接集成电路。我们称之为三维集成电路或3D IC。 Matties：前一段时间，我采访了您的同事（Pascal Pierra），讨论了在飞机机翼上打印等主题。 Christenson：对。Aerosol Jet能够胜任这方面的生产，我们这个部门的工作之一就是在飞机机翼上打印。例如，在无人机机翼的天线上打印。第二种是特殊窗户上的加热器或前照灯加热器。 Matties：现在，你给我展示的都是这些微型部件，与飞机机翼、前照灯加热器的尺寸完全不同。 Christenson：对的，我们同时也是一家能精密打印大部件的公司。我们称之为中尺度打印，介于纳米光刻和丝网印刷的大尺寸部件之间，而且对于中尺度部件打印，也是有市场需求的。我们还有3mm宽的喷嘴，目前正在研究更宽的喷嘴。例如，在数百度温度下运行的高温燃料电池具有多层结构，但各层的热膨胀系数不匹配，容易在界面处开裂。我们打印非常薄的层，并慢慢地从A层增材到B层，从大到小膨胀平缓过渡，不会有突然的变化。 Matties：在你的演讲中谈到了打印部件能够承受严酷的环境。这也是一个很大的成就。 Christenson：是的，因为我们可以定制材料和结构。超材料是一个热门词汇。例如，我提到电路板和芯片之间的BGA焊料球是兼容的想法。如果你用有弹性的物体外面放上银或其他韧性的可移动导体形成焊料球，就不必担心膨胀和收缩。想象一下，将硬硅连接到一块硬电路板上，以不同的速度膨胀，即使是一滴焊料，它也会失效。因此我们对其中的一些技术感到非常兴奋。 Matties：这是一个很好的解决方案。客户会向您提出哪些类型的挑战？这种技术的典型需求是什么？ Christenson：我在应用实验室，所以当人们考虑购买设备时，他们会来找我们，说，“我想让你先给我做一个部件或一百个部件。”我们收到的请求，涉及在6英尺、100磅的涡轮叶片上打印序列号或特殊标记，或是我们刚刚谈到的微电路。还有许多医疗行业的用户找到我们，想在导管和天线上打印东西。物联网使所有东西越来越小，所以天线也越来越小。它们很小，但它们仍然足够大，可以进行丝网印刷，但是它们又要包裹在设备的内部或表面。因此，我们的大部分业务都是三维的，其它的印刷机可以打印图形，但不能在给定的形状上进行3D打印。 Matties：对于能打印什么样的电子产品是否有限制？ Christenson：我们必须能够使打印物硬化。如果是一种电介质，很多都可以通过紫外线固化，这没什么问题。但如果它是金属，我们现在没有任何此类油墨能在80℃以下固化，但仍然存在折中方案。制造油墨的公司在金属油墨方面已取得了飞速的进展，但总有一些需要改进之处，仍需要取得更多的进展。例如，上周我测试了一种导电性非常好的油墨，在120℃下烧结，但会从基板上掉下来。当你添加附着力促进剂时，又会降低导电性。 此外，人们希望使用铜而不是银，因为从长远来看，铜应该更便宜，所以铜油墨也开始在市场上出现。对于基板，我们最大的问题是拉伸。我们没有可伸缩的导电油墨。金属丝伸展性不好，目前的状况暂时是这样，医疗领域喜欢硅树脂。如果你曾经试过把任何东西粘到硅树脂上，你会了解到实现起来难度很大。 Matties：有没有军队在战场上使用这种技术的应用？ Christenson：我不能对战场发表评论，但我可以告诉你他们在寻找什么。我展示的其中一个东西是导弹前锥体上的螺旋形鼻锥天线，所以军事应用中，会把很多天线放在奇怪的地方。刚才我们还谈到了热膨胀系数；军用物质会贮存在沙漠和太空中，所以温度变化范围非常大。此外，他们是10千兆赫兹到20千兆赫兹及以上高频、以及金属丝键合的主要用户，在电路板和硅之间的弧形小金属丝具有非常高的电感。 我们通常认为金属丝是完美的，可能只有一点电阻，但其实他们也有感抗和容抗，这会导致严重的问题。我们可以打印出更宽的带状导体，这正是超高频电路所需要的。上个月，我做了两次这种打印产品的演示，他们很感兴趣。 Matties：因此，目前业界对3D打印的接受率及其在产品中的融合率正在上升。 Christenson：当然。困难在于，其中很多都需要较长的鉴定过程。这要归结于医疗器械公司和FDA都非常保守。此外，军用品必须保证运行20年，它可不是消耗品的部件，不便宜，而且也不像消费类电子产品中有些部件可以经常更换，或者即使不工作也不影响整体。如果医疗领域用这些产品来维持人的生命，那就需要更长的时间进行更多的测试，才能完成鉴定，之后才可以把这些技术应用到生命悠关的产品上。 Matties：是这样的，你正在为这个产品申请专利。 Christenson：实际上，我们是一家印刷机公司。我们生产打印头，打印头是我们的主要产品。我们做自动化设备只是因为我们的许多客户不想自己做自动化设备。所以，如果我们的自动化系统适合客户的需要，是非常有利于客户的。如果没有，我们将帮助客户将打印头装到他们的自动化设备上。例如，人们在涡轮叶片上打印，这不适合我们的自动化设备，所以他们要自己制作设备。 Matties：但他们正在使用你们的打印头。 Christenson：对。同样地，我们的自动化设备是相当通用的，可用于许多目的。假设你要取代金属丝键合工艺。一家公司可能有1000台金属丝键合机。所以定制一台只适用他们需求的专用设备也是划得来的。这些就是我们目前所进行的工作。 Matties：现在，当有人购买或使用你的打印头时，你们的盈利模式是什么？ Christenson：他们只需要下单购买。他们也需要采购备件，但我们不供应油墨。我们依赖于材料供应商。我们没有像杜邦（DuPont）和HD MicroSystems这样的材料供应商所具备的核心技能，没有可能在材料方面与他们竞争的，我们对油墨知之甚少，但会告诉你需要何种性能的产品，希望能给我们提供这方面的样品。 Matties：技术在不断发展。你在Optomec公司工作多久了？ Christenson：我想大概是12年吧。这项技术发展不是太快，部分原因是材料没有突破，现在材料正在赶上来。我认为在问题完全形成之前是有解决办法的，但现在问题已经形成了。如果你想把电路印在你的助听器外壳的内表面，我认为全球唯一能解决这个问题的供应商就只有Optomec了。 Matties：你在公司的职责是什么？ Christenson：他们叫我高级科学家。我参与概念验证。例如，当一家公司过来说，“我们想让你把我们的芯片和图像传感器连接起来。我们没有空间放45微米的弧形金属丝来实现键合，但我们必须实现所有这些连接。还需要了解各种属性，比如坡面能做成多陡？它会固定在这种材料上吗？”在他们购买设备之前，我必须解决所有这些问题，并做出他们需要的部件。 此外，我们还必须进行研发，通过新的方法来进行打印，如快门。过去，我们有机械快门。我参与了一个内部快门的开发，它将薄雾吸到一边，这样薄雾就不会堆积在机械快门上。我是应用组的成员，负责进行这类改进。 Matties：那很有趣。 Christenson：每天都可能在事化学与流体动力学之间切换，很神奇。 Matties：几何形状不是什么问题吗？ Christenson：嗯，三维以上就会成为问题，因为需要更多的轴。我有一张小塑料地球仪照片，我们在球上打印了各个大陆。需要5个轴来完成这个打印，难点是要对这五个轴进行编程。我们有五轴球磨机行业的加工软件，我们正在与一家做软件的公司合作。其中一个问题是：假设打印头走到一个拐弯处，球磨机可以减速，沿着拐弯处爬行，然后返回来，再加速到一定的速度，但我们的打印必须保持一个恒定的速度。软件开发人员会惊奇地问：“什么鬼？” Matties：因为打印量的原因，你必须保持恒定的速度吗？ Christenson：是的，必须这样实现。 Matties：打印量能调整吗？ Christenson：正在努力，能够实现这个目标。 Matties：这似乎是一个简单的解决方案。 Christenson：是的，但如果它是一个锐角，它基本上必须在打印时归零。通常，如果你想做一个锐角，我的第一反应是试着说服你别这样做，最好用圆弧代替。如果不行的话，只好这样做，先打印出一条边，打印出水平面，打印出垂直面，然后让它连接起来。或者更好的办法是，让我们以45度角实现；进行两次，从两个方向连接交汇实现锐角的打印。 如果你看到在一个半毫米的玻璃上打印环绕电路的照片，那就是采用了以45度角打印两次的方法。我们投入了很多时间研究如何实现3D打印，可以让你得到非常接近你实际需求的油墨和硬件，以及编程方法。我们收获了获取成本相当高的很多专业知识，而非专业人士通常没有时间去获取这样的知识。 Matties：你是否还想补充介绍其他的内容？ Christenson：我们正在开发无源器件的打印技术，涉及电容、电阻和电感。这是一项正在进行中的工作。电阻方面进展不错。电感器是三维的，有点难度。但我们可以打印晶体管，我们正在与明尼苏达大学的Frisbie博士合作，打印MOS晶体管，Frisbie博士是材料科学系的主任。当所用材料确定后，将会是非常有价值的。对于面积很大的应用如标牌，将驱动晶体管放在本体上。 Matties：嗯，这项技术正在快速发展，我们会看到很多变革。电子产品无处不在。 更多内容请点击在线查看。
