Nova tcnica fabrica circuitos 3D para eletrnica avanada

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 01/08/2024

Eletrnica 3D

Diferentemente das placas de circuito impresso tradicionais, que so planas, os circuitos eletrnicos 3D permitem que os componentes sejam empilhados e integrados verticalmente, facilitando drasticamente a miniaturizao e reduzindo a dissipao de calor.

Ento por que no fabricamos todos os circuitos eletrnicos em 3D? Porque complicado, exigindo mltiplos passos de deposio dos componentes e, mais importante, fazer furaes verticais para conectar uns aos outros, o que torna o processo muito caro.

Agora, criando uma nova vertente de circuitos eletrnicos impressos em 3D, pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura desenvolveram uma tcnica para fabricar circuitos eletrnicos tridimensionais (3D) autorreparveis. Essa nova tcnica permite a impresso 3D de estruturas metlicas autnomas e autoportantes, que dispensam materiais de suporte e mesmo a aplicao de presso no bico da impressora.

A equipe demonstrou o potencial de sua tcnica, batizada de CHARM3D, usando ligas metlicas para fabricar no apenas uma ampla gama de componentes eletrnicos, mas tambm metamateriais eletromagnticos, que permitem fazer a manipulao precisa de ondas eletromagnticas, ampliando uma diversidade de aplicaes para os componentes 3D, alm de projetos mais compactos em dispositivos como sensores vestveis, sistemas de comunicao sem fio etc.

“Ao oferecer uma abordagem mais rpida e simples para a impresso 3D de metal como uma soluo para a fabricao avanada de circuitos eletrnicos, o CHARM3D uma promessa imensa para a produo em escala industrial e ampla adoo de circuitos eletrnicos 3D complexos,” disse o professor Benjamin Tee.

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

Impresso 3D com metais

Uma das tcnicas mais usadas hoje para fabricar circuitos 3D chama-se “escrita direta a tinta”, que funciona, mas no perfeita. O ponto crucial est no uso de tintas compostas, que tm baixa condutividade eltrica e exigem materiais de suporte para auxiliar na solidificao aps a impresso. As tintas tambm so muito viscosas, limitando a velocidade de impresso.

A equipe ento resolveu lanar mo de um material da classe dos metais lquidos, neste caso ligas de Field, uma liga euttica de ndio, bismuto e estanho. Ligas eutticas derretem e congelam em uma nica temperatura menor do que os pontos de fuso de seus metais constituintes, oferecendo um material alternativo atraente para impresso 3D. Com um ponto de fuso de apenas 62 C, uma alta condutividade eltrica e baixa toxicidade, o metal de Field solidifica rapidamente, uma caracterstica crucial que permite que o processo de impresso dispense os materiais de suporte e a aplicao de presso no bico de sada.

A tcnica tira proveito da tenso entre o metal fundido em um bico e a borda principal da pea impressa, produzindo estruturas de microfios uniformes e suaves, com larguras ajustveis de 100 a 300 micrmetros. A tcnica faz isto rpido, com velocidades de impresso de at 100 milmetros por segundo, e bem feito, com resolues mais altas e sem frisos ou cantos vivos.

Um metamaterial e um circuito eletrnico construdos usando a nova tcnica de impresso 3D com metais lquidos.
[Imagem: National University of Singapore]

Aplicaes mltiplas

Os usos so inumerveis. Por exemplo, os pesquisadores imprimiram um circuito 3D para sensores de temperatura vestveis e sem bateria, antenas para monitoramento de sinais vitais sem fio e metamateriais para manipulao de ondas eletromagnticas.

Equipamentos mdicos tradicionais, como eletrocardiogramas e oxmetros de pulso, exigem contato com a pele, o que pode causar desconforto e risco de infeces. Por meio da impresso 3D, sensores sem contato podem ser integrados a roupas, enquanto antenas inteligentes podem viabilizar o monitoramento de sade contnuo e preciso distncia.

Alm disso, a tcnica permite construir conjuntos de antenas 3D, que funcionam como os meta-tomos de metamateriais eletromagnticos, que por si s tm uma ampla gama de usos e aplicaes.

A equipe tambm cita que suas antenas metlicas otimizadas alcanam melhores relaes sinal-rudo e maiores larguras de banda, abrindo a possibilidade de criar antenas especializadas para comunicao direcionada e at a gerao de imagens mdicas mais precisas, como imagens de mama por micro-ondas para deteco precoce de tumores.

O prximo passo da pesquisa ser aprimorar a tcnica para uso de outros tipos de metais e aplicaes estruturais.

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