電子設備結構的多樣化導致對新興電子學中自由外形（即自由形態）架構的需求不斷增加，這些領域包括可穿戴電子設備、生物電子學、光電子學、電池和軟機器人。此外，對高性能、小型化電子設備的需求推動了電子芯片密度及集成復雜度的指數級增長。電子設備需要具備占據z軸空間的3D形態，同時保持小型化的平面尺寸 。為滿足當前制造工藝的這些需求，已引入并開發了增材制造（如3D打印）來制造高分辨率的自由形態3D結構。

基于光刻的工藝是電子學建模和制造的傳統方法。盡管這種方法通過可擴展性顯著提升了電子學的完整性，但它只能在平面上創建2D結構，難以應用于具有復雜3D幾何形狀的前沿電子學。為形成各種材料（包括絕緣體、半導體和導體）的3D結構，已經有多種3D打印方法，如材料噴射、擠出、聚合、熔融和燒結，從而為3D打印電子學的發展奠定了基礎。研究表明，在電子設備的集成度、復雜性、性能和適用性方面已取得顯著研究進展。

圖1  3D打印方法、材料和應用的概述，適用于具有多功能材料、高長寬比結構、微型化和可擴展性的自由形態電子領域

如圖所示，本綜述討論了與形成自由形態電子學的高分辨率3D打印技術相關的研究進展，重點關注可打印電子材料及其3D打印方法。從墨水材料和打印方法的角度，討論了3D打印在電子學中的代表性應用，包括互連、能量存儲設備、射頻（RF）器件和傳感器。此外，還綜述了實現高性能集成電子學所需3D打印技術的額外要求（可擴展性、小型化、高縱橫比結構、多功能材料打印）以及進一步的挑戰、機遇和前景。

圖2 導體作為可打印墨水

圖3 半導體作為可打印墨水

圖4 絕緣體作為可打印墨水

圖5 基于噴墨的3D打印

圖6 基于直寫的3D打印

圖7 基于光固化的3D打印

表1：不同3D打印方法在自由形態電子學中的特性

圖8 3D打印互連結構

圖9 3D打印電池

圖10 3D打印天線

圖11 3D打印傳感器

材料設計和打印方法的革新為形成3D電子結構帶來了突破，推動了各種電子器件制造技術的巨大進步。從絕緣體、半導體到導體，從硬質無機材料到軟性有機材料，3D可打印電子材料的多樣性使各種具有不同機械、電氣和光學性能的器件組件能夠在任意空間中異質集成。

為使未來3D電子器件具有可與傳統2D電子器件媲美的高性能，結構尺度應能從納米級到微米級可控。對于工業適用性，需實現 3D 打印的可擴展制造，如通過多噴嘴3D打印等高通量系統可實現高分辨率圖案的快速生產；如可穿戴電子器件，需實現3D打印的可適配貼合性。此外，電子油墨材料的生物相容性以及低溫加工技術是需要考慮的關鍵點。通過該領域持續的研究，3D打印技術中許多關鍵的挑戰正得到有序的解決。

論文鏈接：

doi.org/10.1002/advs.202104623

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