[0055]每個(gè)導(dǎo)電、結(jié)構(gòu)或設(shè)備絲(其可以稱(chēng)作擠出的絲),可以包括從約1微米至約1mm、 或從約50微米至約500微米的直徑(或?qū)挾龋?。例如,擠出的(一個(gè)或多個(gè))絲的直徑或 寬度可以是約1mm或更小、約500微米或更小、約300微米或更小、約200微米或更小、約 100微米或更小、約50微米或更小、或約30微米或更小。典型地,導(dǎo)電絲的直徑為至少約1 微米、至少約5微米或至少約10微米。
[0056] 至少部分取決于擠出管嘴的形狀,在一些實(shí)施例中擠出的絲可以具有大致圓柱形 的形狀。由于打印的(例如,擠出的和沉積的)絲可能經(jīng)歷安置過(guò)程或在某些情況中在被 沉積在襯底上的一個(gè)或多個(gè)層中后的燒結(jié)過(guò)程,打印的絲的橫截面形狀可以包括從完美圓 的一些扭曲。因此,打印的絲可以被描述為具有大致圓柱形的形狀或扭曲的圓柱形的形狀。 在任一情況中,打印的絲的橫截面形狀為無(wú)角的彎曲形狀。可替代地,絲可以由不具有圓形 橫截面的管嘴打??;例如,管嘴的橫截面可以是矩形、正方形、五邊形、六邊形或其它多邊形 形狀。在這樣的實(shí)施例中,擠出的絲可以具有取決于管嘴的形狀的多邊形橫截面形狀(其 可以具有圓滑的角)。前面描述適用于包括導(dǎo)電材料的擠出的絲以及包括結(jié)構(gòu)材料或其它 材料(例如,功能材料)的絲。
[0057] 圖2A-2G示意性地示出了打印包括一個(gè)或多個(gè)功能電子設(shè)備的示例性3D結(jié)構(gòu)的 步驟。
[0058] 參考圖2A,3D打印方法需要在襯底(或搭建平臺(tái))110上以預(yù)定圖案形成3D結(jié)構(gòu) 102的一個(gè)或多個(gè)部分,在本示例中其為圖1示出的心形結(jié)構(gòu)的底部102a。底部102a包括 如圖2A示出的一個(gè)或多個(gè)暴露表面102a'(諸如通道或空腔),用于在隨后或同時(shí)的處理 步驟中結(jié)合功能電子設(shè)備或?qū)щ娊z。例如,結(jié)構(gòu)絲112可以從第一管嘴114擠出并且在結(jié) 構(gòu)絲被擠出和沉積時(shí)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電絲可以從第二管嘴擠出。換言之,導(dǎo)電絲和結(jié)構(gòu)絲可 以被聯(lián)合打印??商娲?,(一個(gè)或多個(gè))導(dǎo)電絲可以在3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部分形成后 被擠出和沉積。通過(guò)完成打印過(guò)程,取決于功能電子設(shè)備和導(dǎo)電絲是否部分或完全嵌入其 中,(一個(gè)或多個(gè))暴露表面可以變?yōu)槿鐖D1所示的3D結(jié)構(gòu)102的(一個(gè)或多個(gè))內(nèi)表面。
[0059] 如示出的,第一部分102a的形成可能需要在管嘴沿著預(yù)定路徑移動(dòng)時(shí)從管嘴114 擠出包含結(jié)構(gòu)材料的絲112并將絲112沉積在襯底110上(直接沉積到襯底上或沉積到之 前沉積到襯底上的層上)??梢韵鄬?duì)于襯底110使用x、y、z坐標(biāo)系統(tǒng)限定預(yù)定路徑。擠出 的絲112可以包括在適當(dāng)施加的壓力下通過(guò)管嘴114擠出的前體油墨制劑。
[0060]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,單個(gè)連續(xù)絲可以被擠出并沉積以形成3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部 分??商娲兀嗤虿煌牧系亩鄠€(gè)分立絲可以在管嘴沿著預(yù)定路徑運(yùn)動(dòng)期間通過(guò) 開(kāi)始和停止前體油墨制劑的流動(dòng)來(lái)打印。如果它們是首尾相連地放置,多個(gè)分立絲可以被 沉積為形成襯底上的有效地單個(gè)連續(xù)絲。如以上描述的,可以以逐層方式進(jìn)行打印,其中打 印具有所需圖案的第一層之后,然后管嘴在遠(yuǎn)離襯底的方向(例如,z方向)逐漸升高以使 得沉積絲可以在第一層上繼續(xù),因此形成3D結(jié)構(gòu)的附加層。打印也可以以更復(fù)雜的、全向 的方式進(jìn)行。在這樣的情況中,沉積的絲可以?xún)H部分由下層或襯底支撐??梢栽O(shè)想除了直 接寫(xiě)入制備的另外的3D打印方法也可以用于形成3D結(jié)構(gòu)的部分或全部。
[0061] 在一些實(shí)施例中,如圖2B中示意性示出的,可以在放置功能電子設(shè)備104前將粘 合劑116應(yīng)用到暴露表面102a'以將設(shè)備(例如,設(shè)備的基部)固定到表面102a'??商娲?地,取決于其性質(zhì)(例如,作為溫度函數(shù)的流動(dòng)性質(zhì)),包含暴露表面102a'的結(jié)構(gòu)材料自 己可以充當(dāng)粘合劑。在其它實(shí)施例中,功能電子設(shè)備的基部在處理的該步驟可以不附接到 暴露表面,但是一旦3D結(jié)構(gòu)的(一個(gè)或多個(gè))其余部分被圍繞設(shè)備打印,它可以抵靠暴露 表面固定,例如圖1中示出的。打印過(guò)程完成時(shí),(一個(gè)或多個(gè))功能電子設(shè)備可以固定在 3D結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0062] 參考圖2C,功能電子設(shè)備104a可以放置在暴露表面102a'上。這可以使用配置用 于拾取和放置操縱的管嘴114來(lái)執(zhí)行,其中管嘴114從鄰近3D結(jié)構(gòu)102的第一部分102a 的位置移動(dòng)到另一位置以拾取設(shè)備l〇4a并且之后返回鄰近第一部分102a的位置以將設(shè)備 l〇4a沉積在暴露表面102a'上。(應(yīng)當(dāng)注意,本公開(kāi)中所指的"管嘴"或"該管嘴"不應(yīng)被解 釋為限制于在3D打印的功能部件的制備期間的單個(gè)管嘴,而是可以用于擠出結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電和 /或設(shè)備絲和/或執(zhí)行拾取和放置操縱的一個(gè)管嘴或多個(gè)管嘴。)在拾取和放置操縱前,管 嘴114可以排空前體油墨(或可以使用不同的管嘴),并且可以在管嘴114內(nèi)產(chǎn)生真空以拾 取設(shè)備。管嘴還可以裝配有氣動(dòng)吸盤(pán)118,以便于將功能電子設(shè)備104a附著到噴嘴114的 前端。在圖2C所示的示例中,存儲(chǔ)在帶盤(pán)中的集成電路104a由管嘴114拾取并沉積在暴 露表面102a'上,其在本示例中包括粘合劑116。
[0063] 如以上描述的,功能電子設(shè)備可以是有源或無(wú)源電子元件(例如,電阻器、電容器 等),集成電路,印刷電路板(PCB)或諸如傳感器、諧振器的其它電子設(shè)備,機(jī)電元件(例如, 馬達(dá)、開(kāi)關(guān)、風(fēng)扇等)或電化學(xué)元件(例如,電池)。
[0064] 作為拾取和放置預(yù)制的電子設(shè)備的替代,設(shè)想可以由本領(lǐng)域已知和/或 本文描述的3D打印方法形成嵌入3D結(jié)構(gòu)中的功能電子設(shè)備中的一個(gè)或多個(gè)。3D打印的電池已經(jīng)得到證實(shí),例如在"3DPrintingofInterdigitatedLi-Ion MicrobatteryArchitectures,"byK.Sun,T-S.Wei,B.Y.Ahn,J.Y.Seo,S.J.Dillon,and J.A.Lewis,AdvancedMaterials,publishedonlineonJune17, 2013 (D01:10. 1002/ adma. 201301036)中描述的,其通過(guò)引用將其并入此處D
[0065] 可以通過(guò)將至少一個(gè)設(shè)備絲擠出管嘴并將設(shè)備絲沉積在襯底上的預(yù)定圖案中來(lái) 形成一個(gè)或多個(gè)功能電子設(shè)備。(一個(gè)或多個(gè))設(shè)備絲可以包括取決于被打印的設(shè)備的功 能材料。例如,在電池的情況中,設(shè)備絲可以包括包含第一電化學(xué)活性材料的陰極絲和包含 第二電化學(xué)活性材料的陽(yáng)極絲,如以下更詳細(xì)描述的。在另一示例中,在應(yīng)變傳感器的情況 中,設(shè)備絲可以包括導(dǎo)電材料,諸如以下示例中描述的摻銀硅氧烷復(fù)合物。在另一示例中, 在天線的情況中,設(shè)備絲可以包括導(dǎo)電材料。在該特定情況中以及在其它設(shè)備實(shí)施例中,導(dǎo) 電材料可以與形成導(dǎo)電絲的導(dǎo)電材料相同,其充當(dāng)3D打印的功能部件中的互連或?qū)щ娵E 線。在這樣的情況中,設(shè)備絲和導(dǎo)電絲可以由包含相同導(dǎo)電材料的單個(gè)連續(xù)擠出的絲形成。 在其它實(shí)施例中,(一個(gè)或多個(gè))功能電子設(shè)備和(一個(gè)或多個(gè))導(dǎo)電絲可以由不同油墨 制劑并且因此由不同擠出的絲形成。
[0066]圖5A和5B中示例性示出了包括功能電子設(shè)備的示例性3D功能部件500,其使用 拾取和放置操縱以及3D打?。ɡ?,直接寫(xiě)入制備)的組合來(lái)生產(chǎn),這兩圖分別地示出了 前視截面圖和俯視截面圖。示例性3D功能部件500是蜂窩電話,其中示出了所選嵌入式電 子設(shè)備和導(dǎo)電互連。在該示例中,使用例如參考圖2C和2F描述的拾取和放置技術(shù)將集成電 路504a、504b結(jié)合到3D結(jié)構(gòu)502中,但是導(dǎo)電互連506、螺旋天線504c以及微電池504d(包 括陽(yáng)極520a、陰極520b和隔板520c)被直接打印在3D結(jié)構(gòu)502 (其也是3D打印的)的各 部分上。打印的功能電子設(shè)備可以使用本文描述的直接寫(xiě)入技術(shù)或使用本領(lǐng)域已知的其它 3D打印方法來(lái)制備。因此,可以全部由3D打印步驟或由3D打印步驟以及拾取和放置操縱 的組合來(lái)構(gòu)建3D功能部件500。
[0067]在(一個(gè)或多個(gè))功能電子設(shè)備的放置(或打印)之后,可以通過(guò)經(jīng)由管嘴擠出和 沉積包括導(dǎo)電材料的導(dǎo)電絲來(lái)形成到達(dá)或來(lái)自(一個(gè)或多個(gè))設(shè)備的互連,如以上闡述的。 在單個(gè)打印或沉積步驟中可以不發(fā)生導(dǎo)電絲的形成。如圖2D示出的,包括導(dǎo)電材料的前體 油墨112可以經(jīng)由管嘴114流出以擠出導(dǎo)電絲的第一部分106a,并且當(dāng)在該示例中垂直地 沉積到3D結(jié)構(gòu)的第一部分的各層的互連達(dá)到當(dāng)前層高時(shí),擠壓處理可以暫停。如圖2E所 示,在形成導(dǎo)電絲106的其余部分106b之前,可以在第一IC104a上逐層形成3D結(jié)構(gòu)102 的附加部分l〇2b。之后可以在各向打印步驟中形成導(dǎo)電絲106的其余部分106b,其中管嘴 114沿著隨導(dǎo)電絲106被擠出和沉積而具有變化的X、y和z分量的路徑移動(dòng)。因此,可以 形成平滑的、"少臺(tái)階"的絲106,與圖2E的插圖示出的臺(tái)階絲相反。
[0068] 在圖2F的示例中,導(dǎo)電絲106的一端與第一IC104a的接觸襯墊108接觸,并且 另一端定位于與在逐層形成3D結(jié)構(gòu)102的附加部分102b之后放置的第二IC104b接觸。 如示出的,功能電子設(shè)備104a、104b中每個(gè)可以相對(duì)于暴露表面102a'、102b'并且相對(duì)于 先前放置的設(shè)備以任何定向定位。一般而言,任何數(shù)量的功能電子設(shè)備可以放置在3D結(jié)構(gòu) 的附加部分或第一部分的暴露表面上和/或與其接觸。導(dǎo)電絲可以隨著連接到功能電子設(shè) 備的需求而被擠出和沉積。導(dǎo)電絲可以放置在3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)暴露表面上和/或與 其接觸以便于與(一個(gè)或多個(gè))電子設(shè)備連接。
[0069](一個(gè)或多個(gè))功能電子設(shè)備可以被設(shè)計(jì)為部分嵌入3D結(jié)構(gòu)中,除了包括可訪問(wèn) 接觸襯墊的設(shè)備的暴露表面。換言之,當(dāng)將功能電子設(shè)備放置入3D結(jié)構(gòu)中的空腔中時(shí),其 可以被3D打印的結(jié)構(gòu)材料在除了暴露表面的所有側(cè)圍繞。接觸襯墊可以在空腔的側(cè)壁上 方突出,并且功能電子設(shè)備可以與3D結(jié)構(gòu)的表面齊平。在將設(shè)備放入空腔中后,導(dǎo)電絲可 以被擠出并直接沉積在3D結(jié)構(gòu)的表面上以使其電連接到暴露表面上的接觸襯墊。通過(guò)將 功能電子設(shè)備設(shè)計(jì)為部分地嵌入且具有所描述的可訪問(wèn)接觸襯墊,可以在放置設(shè)備后在直 接沉積過(guò)程中建立電連接。導(dǎo)電絲可以將部分嵌入的功能電子設(shè)備連接到3D功能部件中 的諸如其它電阻器、電容器、諧振器、LED、電池、微處理器和/或傳感器的其它設(shè)備(其也可 以是部分嵌入的)。圖10中示出了 3D結(jié)構(gòu)中的具有可訪問(wèn)接觸襯墊的部分嵌入功能電子 設(shè)備的示例,并且以下進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0070]參考圖2G,在一些實(shí)施例中,可以打印一個(gè)或多個(gè)附加部分以形成包含嵌入式電 子產(chǎn)品的最終3D結(jié)構(gòu)102。如上述的,打印需要將包括結(jié)構(gòu)材料的絲112從管嘴114擠出 并在3D結(jié)構(gòu)的底部(和/或在另外的先前沉積的部分上)逐層沉積絲,因此部分地或全部 地覆蓋(一個(gè)或多個(gè))任何暴露的功能電子設(shè)備和/或(一個(gè)或多個(gè))導(dǎo)電絲。
[0071] 圖6B示意性示出了包括嵌入式功能電子設(shè)備的3D功能部件的另一示例。該示例 中示出的3D功能部件600是助聽(tīng)器并且嵌入式功能電子設(shè)備包括微電池604a和印刷電路 板(PCB)或其它電子產(chǎn)品604b