打印的有源器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有源電子組件的制造。具體地，本發(fā)明涉及三維(3D)打印制品的制造，該3D打印制品包括與該制品的組織成為一體的3D打印的熱電子(therm1nic)電子組件。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造(Additive Manufacturing),也稱為三維(3D)打印，是通過增材處理根據(jù)諸如數(shù)字模型這樣的模型制造三維固體物體的處理，在該增材處理中，材料被依次層疊、粘附、固結(jié)或者要么沉積，直到形成該固體物體。這種方法與傳統(tǒng)制造技術(shù)截然不同，在傳統(tǒng)制造技術(shù)中，由本身可以被機(jī)械加工、鑄造或模制的部件的組裝形成制品。
[0003]與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造具有許多好處，包括技術(shù)上的好處和商業(yè)上的好處。技術(shù)上，增材制造允許由增長數(shù)目的材料(包括塑料、金屬和陶瓷)創(chuàng)造三維物體的幾乎任何布置。該布置可以包括復(fù)雜的特征，甚至是在內(nèi)部的復(fù)雜的特征，這是因?yàn)橛糜谥圃斓脑霾姆椒軌虍a(chǎn)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)方法相比，增材方法產(chǎn)生更少的廢物，增強(qiáng)了制造的制品之間的一致性、改善了利用所需的最低設(shè)置根據(jù)最初設(shè)計(jì)進(jìn)行制造的速度、提供了具有新穎的結(jié)構(gòu)和形狀及材料的新組合的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]商業(yè)上，增材制造比傳統(tǒng)制造技術(shù)提供了相當(dāng)大的成本節(jié)約，特別是在用于制造的制品的數(shù)目相對(duì)小的情況下。例如，使用增材制造容易以低成本生產(chǎn)原型、概念驗(yàn)證(proof-of-concepts)、備件和在孤僻或偏遠(yuǎn)的位置(諸如在軌道或空間中)制造的制品。制造的速度也是一個(gè)好處，因?yàn)槟軌蚋鶕?jù)三維設(shè)計(jì)相對(duì)迅速地生產(chǎn)三維制品。
[0005]增材制造涵蓋了許多方法。擠壓沉積(extrus1n deposit1n)是用于增材制造的方法，其中，以受控的方式通過可移動(dòng)的擠壓機(jī)(“打印頭”)、可移動(dòng)的臺(tái)或支撐物、或可移動(dòng)的擠壓機(jī)以及可移動(dòng)的臺(tái)或支撐物兩者來擠壓材料珠。受擠壓的珠迅速變硬以形成制品的一層或一部分，在該層或部分上可以進(jìn)行進(jìn)一步的擠壓。通過這種方式，添加式地組合出制品。
[0006]一種另選的方法是顆粒材料的選擇性熔合，諸如金屬或聚合物的選擇性燒結(jié)或熔化。使用這種方法，顆粒材料被沉積成多個(gè)層并且使用例如對(duì)流熱、激光或電子束選擇性的燒結(jié)、熔化或固結(jié)。選擇是基于制品的三維模型以分層方式來進(jìn)行的。通過這種方式，添加式地組合出制品。
[0007]由于增材制造不適合用于利用許多迥然不同的材料制造復(fù)雜的現(xiàn)代電子組件，因此使用增材制造來生產(chǎn)電氣或電子器件受到了嚴(yán)重限制。當(dāng)增材制造已經(jīng)在具有組件插座和與用于電連接的溝槽或路線(route)結(jié)合的互連件的平面電路板布局的打印中找到應(yīng)用時(shí)，當(dāng)前對(duì)增材制造處理之后的電氣和電子組件的布置、安裝和/或組裝存在要求。對(duì)制造后組裝和/或安裝的這種要求具有以下顯著缺點(diǎn):組件位置、插座和路線必須在增材式制造的產(chǎn)品中是可接近的。因此，在電子領(lǐng)域中完全失去了實(shí)際生產(chǎn)復(fù)雜的、內(nèi)在化的和可能不可接近的結(jié)構(gòu)的增材制造的巨大有益特性。此外，對(duì)制造后組裝和/或安裝的要求強(qiáng)加了額外的制造步驟的負(fù)擔(dān)，這些負(fù)擔(dān)顯著削弱了增材制造的好處。
[0008]因此，使用沒有上述缺點(diǎn)的增材制造方法來生產(chǎn)電子器件將將是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在第一方面，本發(fā)明相應(yīng)地提供了一種用于制造具有集成有源電子組件的制品的方法，所述方法包括以下步驟:使用增材制造處理，用于:a)形成不導(dǎo)電的基板；b)形成具有孔的不導(dǎo)電的穿孔層；c)在所述孔中形成間隔開的導(dǎo)電的陽極元件和陰極元件；d)對(duì)所述元件中的每一個(gè)沉積適于在所述元件之間施加電位差的導(dǎo)電連接件；e)在所述穿孔層的頂上形成不導(dǎo)電的密封層，以便保持和密封所述穿孔層中的所述孔。
[0010]因此，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了通過增材制造處理的方式生產(chǎn)三維制品。這種制造處理的使用允許生產(chǎn)具有諸如二極管和三極管這樣的有源電子組件在三維制品的組織(fabric)內(nèi)的集成的可能的復(fù)雜內(nèi)部特性的所述三維制品。由于有源電子組件的生產(chǎn)和集成作為制品制造處理的一部分，因此不存在對(duì)電子組件的生產(chǎn)后組裝或安裝的要求。因此，具有安裝的電子組件的制品的制造可以與制品的實(shí)體三維結(jié)構(gòu)的制造同時(shí)發(fā)生。從電子組件的生產(chǎn)后組裝和安裝(諸如現(xiàn)有技術(shù)的要求與可接近的集成接口等一起的多組件制造的負(fù)重?fù)?dān)的方法)的考慮，這減輕了制造處理。另外，制造成本由于增材制造處理的使用而顯著減小，尤其在諸如在原型或概念驗(yàn)證制造中或者在偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)的位置中(諸如在軌道或空間中)需要小數(shù)目的制品的情況下。
[0011]由于不存在附加組件、附加物，在三維制品的組織內(nèi)包括有源電子產(chǎn)品將減小該制品的總重量。此外，制品可以被制成更流線型，電子元件部分(componentry)嵌入在該制品內(nèi)，諸如在該制品內(nèi)的察覺不出的、不可檢測的和/或不顯眼的位置的內(nèi)部。在有源電子組件嵌入到制品中的情況下，組件可以被保護(hù)免于暴露到諸如濕氣或空氣這樣的流體。增材制造在微尺度上生產(chǎn)制品的能力在包括以下的所有應(yīng)用方式中提供了潛在的“智能”(在包括電子元件部分的意義上)的制品:電子產(chǎn)品嵌入到蜂窩電話殼體或蓋內(nèi)；電子產(chǎn)品嵌入到線纜護(hù)套內(nèi)；電子產(chǎn)品嵌入到組織或服裝內(nèi)；電子產(chǎn)品嵌入到諸如消費(fèi)者裝置或娛樂裝置這樣的其它裝置的殼體、蓋、壁或其它結(jié)構(gòu)元件內(nèi)；電子產(chǎn)品在備件中；等等。
[0012]消除對(duì)針對(duì)制造后組裝或安裝的電氣線路和組件位置的可達(dá)性(accessibility)的要求顯著地重新限定了電氣線路和電子器件可以如何在制造的制品中被設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的實(shí)施方式在沒有對(duì)獨(dú)立組件或連接件的可達(dá)性的要求的情況下提供了有源電子組件的真正的三維布置和這些三維布置之間的連接。這增加了制品的空間或容積的高效利用，并且潛在地提供了由在控制下的相同裝置的電路占用的有源電子組件的再利用。垂直互連可以提供諸如電子組件和電路的立方體布置或其它三維布置這樣的三維處理元件。電子組件的分層架構(gòu)可以用單個(gè)三維制品層內(nèi)的多層的有源電子組件產(chǎn)生。諸如電力提供、電力耗散、熱能耗散等這樣的共同的服務(wù)可以通過包括作為增材制造處理的部件的服務(wù)層(諸如用于電力供應(yīng)的金屬層或用于熱消散或轉(zhuǎn)移的熱高效傳導(dǎo)材料層)的層結(jié)構(gòu)(strata)來提供?？上氲降?，通道和導(dǎo)管可以被提供、制造為增材制造處理的、用于諸如冷卻劑或氣體這樣的流體的流通的組件，以進(jìn)一步為電子組件提供諸如轉(zhuǎn)移來自制品內(nèi)部的熱(諸如由有源電子組件產(chǎn)生的熱)等這樣的服務(wù)。
[0013]使用熱電子電子組件的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是這些組件的優(yōu)于諸如硅晶體管之類的硅等同物的好處。熱電子組件具有顯著的魯棒性，并且提供了改善的模擬信號(hào)傳遞特性。例如，熱電子組件對(duì)電磁脈沖和太陽耀斑活動(dòng)有高度抵抗力，這對(duì)關(guān)于應(yīng)用到衛(wèi)星技術(shù)或關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)提供了特定好處。
[0014]雖然熱電子電子組件的使用已經(jīng)大量地由半導(dǎo)體等同物取代，但是本發(fā)明人已經(jīng)基于制造這些組件的簡單性、現(xiàn)在存在于增材制造的領(lǐng)域中的能力、這些組件的有效性和它們的可靠性意識(shí)到這些組件在增材制造的領(lǐng)域中的驚人的好處。
[0015]優(yōu)選地，形成所述基板、所述穿孔層和所述密封層中的一個(gè)或更多個(gè)的步驟包括在所述孔與所述制品的排空端口之間形成提供流體連通的通道，其中，所述排空端口適于排空所述孔中的氣體，以便在所述孔中產(chǎn)生類似真空的條件。
[0016]優(yōu)選地，所述增材制造處理發(fā)生在大體上由惰性氣體組成的密封氣氛中，以便在形成所述密封層時(shí)包住所述孔中的惰性氣體。
[0017]優(yōu)選地，所述陽極和所述陰極定位在所述孔的相反側(cè)。
[0018]優(yōu)選地，所述陰極位于所述孔的中心，并且所述陽極占據(jù)所述孔的壁的至少一部分。
[0019]優(yōu)選地，所述增材制造處理包括擠壓沉積處理。
[0020]優(yōu)選地，所述增材制造處理包括顆粒材料固結(jié)處理。
[0021]優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟:使用所述增材制造處理來形成與所述陰極熱接近的細(xì)絲元件，以便在使用中由所述陰極誘導(dǎo)熱電子發(fā)射。
[0022]優(yōu)選地，所述方法還包括使用所述增材制造處理以:形成與所述陽極元件和所述陰極元件間隔開并位于所述陽極元件和所述陰極元件之間的導(dǎo)電的柵格(grid)元件；以及對(duì)所述柵格沉積用于向所述柵格提供電信號(hào)的導(dǎo)電連接件，使得所述柵格調(diào)節(jié)從所述陰極到所述陽極的電子傳輸。
[0023]優(yōu)選地，以下中的至少一個(gè)是用陶瓷形成的:所述不導(dǎo)電的基板，所述穿孔層，以及所述密封層。
[0024]優(yōu)選地，以下