机电组件的增材制造系统和方法技术方案

一种混合增材制造方法，其包括从模块库中选择的模块的三维(3D)打印和放置，从而制造机电组件。通过机电组件的制造，创建了组件的机械性能和电气性能。本发明专利技术克服了现有可印刷电子方法的材料和工艺限制，从而能够制造完整的、复杂的机电组件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求申请号为No.61/982,172，申请日为2014年04月21日的美国临时专利申请的优先权，并通过引用将其并入本申请中。关于联邦政府资助的研究或者开发的声明本专利技术是在美国国防部先进研究项目局(DARPA)授予的W911NF-11-1-0093和美国国家科学基金会(NSF)授予的DGE-0707428的政府支持下进行的。联邦政府对本专利技术享有一定的权利。
本专利技术一般涉及增材制造。更具体地，本专利技术涉及一种混合方法，其包括从模块库中选择的模块的三维(3D)打印和放置，以制造机电组件。通过机电组件的制造，创建了该组件的机械性能和电气性能。
技术介绍
无论是在研究中，还是在工业制造中，增材制造都成为一种越来越重要的制造技术，其适用于广泛的应用。一些商业上重要的增材制造的例子包括，例如，低成本快速工装制造、小体积原型和生产运行、中等体积汽车和航空航天应用、牙齿修复、矫形植入物、定制矫形器和用户特定的假肢。此外，增材制造方法已经应用于生物医学研究的装置中，以从单独的前体细胞类型中产生异质组织，以及产生缺失或者损坏的身体部位的功能性替代物。尽管已有针对增材制造技术的大量努力和多样性，但是还没有可以制造在集成部件(即机电部件)中与机械部件结合的高质量的电互连、计算电路、传感器或者制动器的增材制造工艺。已经证明：通过使用直接写入电子(“DW”)或者类似的直接打印(“DP”)技术，喷墨打印机能够制造晶体管，并且已经使用喷墨打印或者数字打印和熔融沉积成型(“FDM”)或者光固化立体成型(“SLA”)的组合，以在3D打印部件内制造电路。一种有趣的替代方法使用常规半导体制造，以制造随后与油墨连接料混合的非常小的半导体器件。虽然通过FDM和DP在一个工艺中制造电磁制动器在最近已经被证实，但这充其量是基本的。尽管取得了这一进展，但是必须克服巨大的挑战。合成具有体积电阻率的导电材料，类似于可以在低温环境中挤压或者沉积(因此它与组件中的其他材料过程兼容)的块体金属，仍然是一个难以捉摸的挑战。从各种供应商获得的本行业现有技术采用剂负载的粉末金属油墨，在银存在的情况下，粉末金属油墨的体积电阻率达到比块体金属大四倍(4x)至十倍(10x)，比铜大10倍至50倍。这些材料需要后续处理烧结的步骤，通常通过加热至80-150摄氏度(℃)，以实现所述电阻率，这可能难以与组件内的其他热敏部件集成。相比于在硅中制造的类似器件，到目前为止制造的诸如晶体管的有源器件具有更低的载流子迁移率和更低的开关比。使用互补逻辑(p型沟道和n型沟道器件)的印刷晶体管已经被组合以制造环形振荡器，逆变器和与非(“NotAND”)门，然而低制造温度的有机晶体管依赖于半导体材料，这种半导体材料提供比通过常规半导体制造技术获得的半导体材料更低的电荷载流子迁移率。在制造互补晶体管电路(逻辑电路的关键部件)时，用于有机晶体管的印刷聚合物的最高报道电子与空穴迁移率之间的较大差异增加了额外的设计折中。在某些情况下，载流子迁移率影响场效应晶体管中的漏极电流和跨导。对于一些应用，需要较大的漏极电流；然而，由于较低迁移率和较大氧化物厚度，印刷有机晶体管通常提供比常规器件小几个数量级的漏极电流。已经发现：较宽的沟道可以用于增加漏极电流，但是这通常会伴随着增加泄漏。相对于常规的半导体制造技术，当前的可印刷电子技术的分辨率限制增加了接近三个数量级的特征尺寸损失，这限制了可以通过其减少的沟道长度的数量。较大的晶体管特征尺寸导致每个晶体管的寄生电容增加，从而导致它们的开关速度降低。较低的跨导也限制了开关速度；近来的快速有机晶体管的传播延迟比常规晶体管至少慢三个数量级，这限制了它们在相对简单的逻辑电路中的使用，因为这种延迟会随着每个级联的逻辑单元而积累。相对于常规的制造电路，印刷有机半导体损失了耐久性，已公开的保质期和工作寿命从几个星期到两年不等。印刷电子产品中的导体的质量受到不兼容的材料加工要求的影响。低电阻率的基底材料和具有高载流能力的窄迹线是理想的。为了实现良好的导电性，使用导电材料。导电材料包括可以被喷墨印刷或者挤压的导电材料，其被称为“油墨”。这些油墨通常需要印刷后固化或者烧结的步骤，这需要在125-500℃温度范围下热处理一段长的时间。由于该温度范围超过了在增材制造中最常用的聚合物的玻璃化转变温度，因此烧结步骤可能导致部件中的其他材料熔化或者分解。为了规避这个问题，已经开发了基于化学反应、电阻加热、等离子体、光子能量和射频加热的可供选择的烧结技术。最近，与低温聚合物衬底相容的结果表明了经由脉冲氙灯和脉冲激光器的2-1Ox块体的导体电阻率，但是还没有表明这些方法与结构上的增材制造材料的集成。活性银油墨已经显示：在90℃下烧结15分钟后，产生接近等于块体银的电导率的迹线，但是材料成本可能限制了这个方法。用于在塑料部件表面制造电导体的商业化方法被称为激光直接成型(“LDS”)，其使用激光来烧蚀需要导电迹线的热塑性基材；在该过程中，塑料中的有机金属增材被激活，留下可以在连续的湿化金属喷镀步骤中镀膜的表面。然而，类似于上述其他方法，LDS仅在部件的表面制造电迹线，并且尽管在材料电阻率方面有不断改进，但是可实现的迹线厚度的限制对载流能力施加了约束。形状沉积制造(“SDM”)是一种可替代的制造方法，在制造组件过程中，其通过在组件中嵌入预制部件来规避材料和工艺的兼容性问题。这个概念已经通过嵌入完整的组装电路板和分立元件得到了证明；这些元件与受到上述限制的嵌入的导线或者印刷导体互相连接。被称为“芯片粒子”的单片预制半导体材料已经在较小规模上实现自组装，以在大规模上形成器件的功能性阵列，包括卷辊制造的LED片和芯片级太阳能电池的柔性阵列。在它们的边缘利用高速电互连来制造时，各个芯片粒子可以互相连接以形成更大的复合电路“Quilts”。相关方法还采用常规微制造工具将问题分解成单独的高温制造步骤，随后是基于转印的低温组装过程。现有的制造方法存在嵌入部件；然而这些方法依赖于为了特定设计的特定组件的特定目的的嵌入。例如，Prinz等人的美国专利5,278,442公开了通过薄层积累的增量材料而形成的电子元件。每层至少使用一个掩模以形成由导体(例如金和铜)、绝缘体(例如陶瓷材料)和可能的半导体制成的电子元件，所有这些都通过使用热沉积喷雾的热沉积喷涂技术施加。在Prinz等人的美国专利5,301,415中描述了关于嵌入部件的现有制造方法的另一个实例，其通过应用补充材料和沉积材料的片段以形成材料层，从而形成三维物体。在形成一个或者多个片段之后，选择的材料段成型。以这种方式，材料层形成包含由沉积材料制成并被补充材料包围的物体的块，其可以在随后被去除。如在Prinz等人的美国专利5,286,573中进一步描述的，支撑结构具有低于沉积材料的熔点，使得支撑结构可以通过熔化过程去除。利用所有上述方法，嵌入部件在互补材料内印刷或者成型，其最终可被去除。这些部件特定用于所需的组件的应用。虽然已经开发了多种增材沉积技术来应对不同的用户，但是现有技术未能应对机电打印机必须满足的三个关键要求。第一，现有方法生产的元件的电气性能比传统方法制造的电气元件差几个数量级。第二，现有方法不能组合复杂的、集成的机电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造机电组件的方法，包括以下步骤：通过第一装置将第一材料沉积到多堆叠区域中，每个连续区域位于前一个区域的顶部，所述多堆叠区域形成包括一个或者多个空缺部的基部区域；通过第二装置从模块部件库中选择两个或者两个以上模块部件；通过第二装置将所述两个或者两个以上模块部件中的每个模块定位到所述基部区域部分的所述一个或者多个空缺部的一部分中，使得模块部件彼此相邻，所述基部区域部分和两个或者两个以上模块部件创建机电组件的机械性能和电气性能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.21 US 61/982,1721.一种用于制造机电组件的方法，包括以下步骤：通过第一装置将第一材料沉积到多堆叠区域中，每个连续区域位于前一个区域的顶部，所述多堆叠区域形成包括一个或者多个空缺部的基部区域；通过第二装置从模块部件库中选择两个或者两个以上模块部件；通过第二装置将所述两个或者两个以上模块部件中的每个模块定位到所述基部区域部分的所述一个或者多个空缺部的一部分中，使得模块部件彼此相邻，所述基部区域部分和两个或者两个以上模块部件创建机电组件的机械性能和电气性能。2.根据权利要求1所述的用于制造机电组件的方法，其中所述第一装置是3D打印机。3.根据权利要求1所述的用于制造机电组件的方法，其中所述第二装置是拾取和放置机。4.根据权利要求1所述的用于制造机电组件的方法，其中所述第一材料是光敏聚合物材料。5.根据权利要求1所述的用于制造机电组件的方法，其中每个模块部件包括选自以下组中的电气元件：2路连接、4路连接、交叉连接、电阻、电容、电感、二极管、晶体管、开关和微控制器。6.根据权利要求1所述的用于制造机电组件的方法，其中所述定位步骤还包括通过第三装置施加热以使模块部件彼此熔接的步骤。7.根据权利要求6所述的用于制造机电组件的方法，其中所述第三装置是激光烧结机。8.一种机电组件，包括：基部区域部分，包括第一多连续材料区域，其中所述第一多连续材料区域形成一个或者多个空缺部；定位在所述一个或者多...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·麦柯迪，H·利普森，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：美国;US