Nova técnica fabrica circuitos 3D para eletrônica avançada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/08/2024

Esquema da técnica e demonstração de sua funcionalidade criando letras metálicas autoportantes.
[Imagem: Shaohua Ling et al. - 10.1038/s41928-024-01207-y]

Eletrônica 3D

Diferentemente das placas de circuito impresso tradicionais, que são planas, os circuitos eletrônicos 3D permitem que os componentes sejam empilhados e integrados verticalmente, facilitando drasticamente a miniaturização e reduzindo a dissipação de calor.

Então por que não fabricamos todos os circuitos eletrônicos em 3D? Porque é complicado, exigindo múltiplos passos de deposição dos componentes e, mais importante, fazer furações verticais para conectar uns aos outros, o que torna o processo muito caro.

Agora, criando uma nova vertente de circuitos eletrônicos impressos em 3D, pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura desenvolveram uma técnica para fabricar circuitos eletrônicos tridimensionais (3D) autorreparáveis. Essa nova técnica permite a impressão 3D de estruturas metálicas autônomas e autoportantes, que dispensam materiais de suporte e mesmo a aplicação de pressão no bico da impressora.

A equipe demonstrou o potencial de sua técnica, batizada de CHARM3D, usando ligas metálicas para fabricar não apenas uma ampla gama de componentes eletrônicos, mas também metamateriais eletromagnéticos, que permitem fazer a manipulação precisa de ondas eletromagnéticas, ampliando uma diversidade de aplicações para os componentes 3D, além de projetos mais compactos em dispositivos como sensores vestíveis, sistemas de comunicação sem fio etc.

"Ao oferecer uma abordagem mais rápida e simples para a impressão 3D de metal como uma solução para a fabricação avançada de circuitos eletrônicos, o CHARM3D é uma promessa imensa para a produção em escala industrial e ampla adoção de circuitos eletrônicos 3D complexos," disse o professor Benjamin Tee.

Circuitos eletroeletrônicos 3D feitos com a nova técnica.
[Imagem: Shaohua Ling et al. - 10.1038/s41928-024-01207-y]

Impressão 3D com metais

Uma das técnicas mais usadas hoje para fabricar circuitos 3D chama-se "escrita direta a tinta", que funciona, mas não é perfeita. O ponto crucial está no uso de tintas compostas, que têm baixa condutividade elétrica e exigem materiais de suporte para auxiliar na solidificação após a impressão. As tintas também são muito viscosas, limitando a velocidade de impressão.

A equipe então resolveu lançar mão de um material da classe dos metais líquidos, neste caso ligas de Field, uma liga eutética de índio, bismuto e estanho. Ligas eutéticas derretem e congelam em uma única temperatura menor do que os pontos de fusão de seus metais constituintes, oferecendo um material alternativo atraente para impressão 3D. Com um ponto de fusão de apenas 62 ºC, uma alta condutividade elétrica e baixa toxicidade, o metal de Field solidifica rapidamente, uma característica crucial que permite que o processo de impressão dispense os materiais de suporte e a aplicação de pressão no bico de saída.

A técnica tira proveito da tensão entre o metal fundido em um bico e a borda principal da peça impressa, produzindo estruturas de microfios uniformes e suaves, com larguras ajustáveis de 100 a 300 micrômetros. A técnica faz isto rápido, com velocidades de impressão de até 100 milímetros por segundo, e bem feito, com resoluções mais altas e sem frisos ou cantos vivos.

Um metamaterial e um circuito eletrônico construídos usando a nova técnica de impressão 3D com metais líquidos.
[Imagem: National University of Singapore]

Aplicações múltiplas

Os usos são inumeráveis. Por exemplo, os pesquisadores imprimiram um circuito 3D para sensores de temperatura vestíveis e sem bateria, antenas para monitoramento de sinais vitais sem fio e metamateriais para manipulação de ondas eletromagnéticas.

Equipamentos médicos tradicionais, como eletrocardiogramas e oxímetros de pulso, exigem contato com a pele, o que pode causar desconforto e risco de infecções. Por meio da impressão 3D, sensores sem contato podem ser integrados a roupas, enquanto antenas inteligentes podem viabilizar o monitoramento de saúde contínuo e preciso à distância.

Além disso, a técnica permite construir conjuntos de antenas 3D, que funcionam como os meta-átomos de metamateriais eletromagnéticos, que por si só têm uma ampla gama de usos e aplicações.

A equipe também cita que suas antenas metálicas otimizadas alcançam melhores relações sinal-ruído e maiores larguras de banda, abrindo a possibilidade de criar antenas especializadas para comunicação direcionada e até a geração de imagens médicas mais precisas, como imagens de mama por micro-ondas para detecção precoce de tumores.

O próximo passo da pesquisa será aprimorar a técnica para uso de outros tipos de metais e aplicações estruturais.

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