Resistenza meccanica e alla temperatura dei sistemi multi-materiale per l’imballaggio di elettronica stampata

Elettronica di stampa 3D nScrypt per US Air Force in ambienti militari difficili

La stampa 3D sta diventando hardcore per i militari, con un team di sviluppatori che ha recentemente testato materiali per l’elettronica destinati a resistere ad ambienti difficili. I dettagli sono rivelati in ” Resistenza meccanica e alla temperatura dei sistemi multi-materiale per l’imballaggio di elettronica stampata “, delineando l’uso di due diverse tecniche di stampa 3D per confrontare materiali che sarebbero adatti in luoghi remoti in condizioni difficili.

La ricerca e i test sono stati condotti da:

US Air Force Research Laboratory
Laboratorio nazionale di Oak Ridge
Ball Aerospace & Technologies Corporation
Brigham Young University
S. Army RDECOM-ARDEC
Sciperio (gruppo di ricerca per nScrypt )
La piattaforma nScrypt Factory in a Tool (FiT), accompagnata da una testa dello strumento di microdispensing SmartPump , era il sistema principale su cui si basava la stampa 3D del dispositivo destinato a simulare l’imballaggio elettronico. La parte del campione era composta da un circuito di pasta conduttiva indurito (DuPont CB028) su un substrato (usando Kapton® e FR4) e un cilindro di imballaggio senza tappo.

Coefficiente di dilatazione termica (CTE) per i materiali studiati

Un sistema di proiezione laser a fusione a letto di polvere sviluppato dall’Università della Florida del sud, noto come LAPS (Large Area Projection Sintering), è stato usato per fare campioni di confronto. L’obiettivo era quello di creare e testare pacchetti elettronici che non solo fossero abbastanza resistenti per resistere ad ambienti difficili, ma anche per proteggere i materiali all’interno, il che significa che l’espansione termica doveva essere ridotta al minimo per evitare sollecitazioni sui campioni.

Sistema LAPS, che fonde intere sezioni 2D con un’unica esposizione rapida. Una tramoggia di polvere deposita quindi la polvere prima che un rullo controrotante livelli un nuovo strato uniforme per la sinterizzazione. La termocamera che monitora il processo non viene mostrata qui per chiarezza.

In base allo standard militare (MIL STD) 883 K, il dispositivo è stato testato per la resilienza in termini di:

Muori forza di taglio
Ciclismo termico
Shock termico


Carico elevato di G per shock meccanico
Sebbene ci fossero alcune preoccupazioni riguardo a “circuiti aperti, aumenti di resistenza e delaminazione”, i risultati nel complesso hanno avuto successo poiché i dispositivi epossidici DW Master Bond realizzati con nScrypt FiT sono stati in grado di resistere a temperature elevate e shock meccanici e termici . Hanno anche funzionato molto bene quando valutati per i criteri di fallimento della resistenza al taglio.

Mentre questo progetto spinge i militari più avanti nella creazione di dispositivi durevoli, serve anche come un grande esempio dei vantaggi nell’uso della produzione digitale ibrida, basandosi non solo sulle meraviglie della stampa 3D tramite estrusione o deposizione di pasta qui, ma anche nell’uso della convenzione tecniche quando richiesto, come fresatura, lavorazione laser e altro.


“La produzione ibrida può anche ridurre il fattore di forma del dispositivo conformando l’elettronica alla struttura 3D”, hanno spiegato gli autori nel loro documento . “Questo sblocca dispositivi e architetture uniche che sono impossibili da fabbricare con la produzione di elettronica planare.”

Questi sistemi sono utili anche per la stampa 3D di componenti convenienti ma ad alte prestazioni come sensori e antenne; storicamente, tuttavia, sono sorti problemi dovuti alla “variabilità significativa” della funzionalità di tali dispositivi. Per quanto riguarda i materiali utilizzati per questo progetto, gli autori hanno concluso che i componenti MB mostravano la resistenza richiesta per temperature estreme, nonché “alta accelerazione” su entrambi i substrati.

I campioni LAPS, pur dimostrando l’accuratezza e la resistenza necessarie, hanno sollevato preoccupazione in termini di Nylon 12 in quanto si è osservato un indebolimento durante shock meccanici, cambiamenti elettrici e cicli di temperatura. È possibile che siano state attribuite microcricche alla pasta conduttiva e assorbimento d’acqua.

“Sono necessari ulteriori studi per comprendere queste modalità di fallimento in alcuni dei campioni LAPS e perfezionare il processo per affrontarle”, hanno detto i ricercatori.

Soggetti coinvolti nei test: Clayton Neff, US Air Force Research Laboratory, Fuzes Branch, Munitions Directorate, Eglin AFB; Justin Nussbaum, Oak Ridge National Laboratory; Chris Gardiner, Ball Aerospace and Technologies Corporation; Nathan B. Crane, Brigham Young University, Dipartimento di Ingegneria Meccanica; James L. Zunino, US Army RDECOM-ARDEC Picatinny Arsenal; e Mike Newton, Sciperio, Inc. (braccio di ricerca di nScrypt), Orlando, FL.

Questo progetto segna una delle tante che sia Sciperio e nScrypt sono stati coinvolti in di recente, dallo sviluppo di una nuova in situ 3D stampa sistema di ispezione a lavorare con la US Army , l’ US Air Force in precedenza troppo, e la distribuzione di un sistema lo scorso anno per l’ australiano Dipartimento della Difesa .

Modifica della resistenza elettrica durante l’elaborazione LAPS

Variazione della resistenza elettrica se soggetta a temperature ambientali rigide

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