CN105365223A - 一种利用3d打印技术制备线路板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用3D打印技术制备线路板的方法，包括以下步骤：(1)将绝缘材料粉末通过3D打印机高温制模并制备成特殊形状的绝缘基板；(2)3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射到所述绝缘基板上形成线路板。采用本发明的技术方案，由于采用3D打印技术制备绝缘基板，能够方便实现各种异形的线路板；同时，由于采用3D打印技术喷射导电介质直接形成电路图形，从而无需通过刻蚀工艺，大大减少了环境污染；进一步的，由于采用比容量高的导电聚合物PEDOT和纳米银制备导电介质，大大提高了导电性能并降低了成本且操作简单，易于实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于线路板制备领域，尤其涉及一种利用3D打印技术制备线路板的方法。
背景技术
传统的线路板制备工艺通常为将金属导电层和绝缘层压合形成单面、双面或者多层基板，在将线路图形转印至基板上，再通过蚀刻将非线路部位的铜层腐蚀后形成具有电路图形的线路板。传统的线路板制备工艺复杂，每步的工艺都需要配置高精度的专用设备，在蚀刻过程中污染严重；另外，传统的线路板制备工艺只能平面常规尺寸的线路板，不能很好的满足一些特殊形状的应用场合的应用要求。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种利用3D打印技术制备线路板的方法，能够优化工艺，制备过程减少环境污染，更好地满足一些特殊形状应用场合的需求。
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供以下技术方案：
一种利用3D打印技术制备线路板的方法，包括以下步骤：
(1)将绝缘材料粉末通过3D打印机高温制模制备成特殊形状的绝缘基板；
(2)3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射到所述绝缘基板上形成线路板。
优选地，所述步骤(1)中，3D打印机中产生200℃～350℃的高温将绝缘材料粉末熔化并根据模具设计图形制备所述绝缘基板。
优选地，在所述步骤(1)中，绝缘材料粉末在200℃～350℃的高温下制备绝缘基板的过程是在氩气条件下完成，并以每分钟2～6升的流量输入氩气。
优选地，还包括将所制备的绝缘基板进行分段冷却处理的步骤。
优选地，将所制备的绝缘基板进行分段冷却处理的步骤进一步包括以下步骤：
在3D打印机高温制模形成绝缘基板后，以每小时40～60℃冷却到150℃,保持1～1.5小时；
再以每小时30～50℃水冷却到100℃,保持2～3小时；
最后以每小时10～20℃空冷至常温。
优选地，所述绝缘材料粉末由85～95％(重量)的绝缘环氧粉末和5～15％(重量)的石墨粉末组成。
优选地，所述液态导电介质由质量比为以下的组分构成：50～70％的导电聚合物PEDOT(聚3,4-乙撑二氧噻吩)、10～30％的去离子水、1～8％的氧化剂、10～20％的纳米银粉导电填料以及0.2～1.2％的稳定剂，其中，所述氧化剂为次氯酸钙、次氯酸镁、次氯酸钠或次氯酸钾中的一种或者多种；所述稳定剂为十六烷基三甲基溴化铵、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、十二烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮中的的一种或多种。
优选地，在所述绝缘基板上根据线路图形形成线路凹槽，3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射并填满所述绝缘基板的线路凹槽从而形成线路板。
优选地，3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射到所述绝缘基板上形成线路板的过程中，首先将液态导电介质搅拌均匀并预热至65～90℃；然后3D打印机在氮气条件将液态导电介质喷射至所述绝缘基板，其中，氮气以每分钟2～6升的流量输入。
优选地，还包括对线路板上由液态导电介质形成的的电路图形进行紫外光固化的步骤。
与现有技术相比较，由于本发明的技术方案，采用3D打印技术制备绝缘基板，能够方便实现各种异形的线路板；同时，采用3D打印技术喷射导电介质直接形成电路图形，从而无需通过刻蚀工艺，大大减少了环境污染；进一步采用比容量高的导电聚合物PEDOT和纳米银制备导电介质，大大降低了成本且操作简单，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明一种利用3D打印技术制备线路板的方法的流程示意图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种环保、工艺简单且性能优良的线路板制备工艺，能够利用3D打印技术直接制备线路板。参见图1，所示为本发明利用3D打印技术制备线路板的方法的流程框图，具体包括以下步骤：
将绝缘材料粉末通过3D打印机高温制模制备成特殊形状的绝缘基板；其中，在3D打印机中产生200℃～350℃的高温将绝缘材料粉末熔化并根据模具设计图形制备所述绝缘基板。由于采用3D打印技术直接制备绝缘基板，因此，可以根据客户需求形成各种异形的绝缘基板，从而满足各种不同场合的线路板应用需求。
进一步的，为了提高绝缘基板的绝缘性能，在氩气条件下完成绝缘基板的制备，绝缘材料粉末在200℃～350℃的高温下融化为液体，3D打印机在高温制模过程中以每分钟2～6升的流量输入氩气，使绝缘基板中融入微量的氩元素，从而进一步优化绝缘基板的绝缘性能。
进一步的，为了提高绝缘基板的硬度和强度，还包括将所制备的绝缘基板进行分段冷却处理的步骤，包括以下步骤：
在3D打印机高温制模形成绝缘基板后，以每小时40～60℃冷却到150℃,保持1～1.5小时；
再以每小时30～50℃水冷却到100℃,保持2～3小时；
最后以每小时10～20℃空冷至常温。
采用分段冷却法的目的有利于绝缘基板微观结构的均匀形成，同时提高了致密度,防止变形开裂，同时能得到更好的强塑性匹配。
进一步的，为了提高绝缘基板的耐腐蚀性，绝缘材料粉末由85～95％(重量)的绝缘环氧粉末和5～15％(重量)的石墨粉末组成。石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个六边形，每层间有微弱的范德华引力。石墨是其中一种最软的矿物，不透明且触感油腻，具有耐腐蚀性。在绝缘基板中加入适量的石墨，能够极大改善绝缘基板的耐腐蚀性。
在绝缘基板形成后，3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射到所述绝缘基板上形成线路板。由于采用3D打印技术喷射导电介质直接形成电路图形，从而无需通过刻蚀工艺，大大减少了环境污染。
现有技术中，液态导电介质一般采用打印导电墨水，但导电墨水所形成的电阻无法满足电子线路17.5um厚度的要求，同时，现有技术的导电墨水导电性能欠佳，很难真正在实际中使用。
为了克服上述技术问题，在本发明的一种优选实施方式中，在绝缘基板制备时，根据线路图形直接在绝缘基板上形成线路凹槽，该线路凹槽的深度至少为17.5um；3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射并填满绝缘基板的线路凹槽从而形成线路板。在该过程中，首先将液态导电介质搅拌均匀并预热至65～90℃；然后3D打印机在氮气条件将液态导电介质喷射至所述绝缘基板，其中，氮气以每分钟2～6升的流量输入。为了提高液态导电介质的导电性能，通常在液态导电介质中添加金属粉末，然而在喷涂过程中，金属粉末容易发生氧化，从而使导电性能不佳。为了防止金属粉末发生氧化，本发明技术方案中，3D打印机在氮气条件将液态导电介质喷射至绝缘基板，金属粉末在氮气条件不会发生氧化，从而保证了其导电性能。
采用上述技术方案，由于在绝缘基板中形成线路图形的线路凹槽，使导电介质的厚度达到电子线路的应用要求，同时进一步提升了导电性能。
进一步的，还包括对线路板上由液态导电介质形成的的电路图形进行紫外光固化的步骤。通过紫外光固化，使导电介质能够具有稳定的结构，保持稳定的导电性能。
为了进一步提高线路板的导电性能，液态导电介质由质量比为以下的组分构成：50～70％的导电聚合物PEDOT(聚3,4-乙撑二氧噻吩)、10～30％的去离子水、1～8％的氧化剂、10～20％的纳米银粉导电填料以及0.2～1.2％的稳定剂，其中，所述氧化剂为次氯酸钙、次氯酸镁、次氯酸钠或次氯酸钾中的一种或者多种；所述稳定剂为十六烷基三甲基溴化铵、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、十二烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮中的的一种或多种。
其中，导电聚合物为PEDOT(聚3,4-乙撑二氧噻吩)，价格相对低廉、比容量高的特点。导电聚合物是决定线路板导电性能的关键。导电聚合物PEDOT是EDOT(3,4-乙撑二氧噻吩单体)的聚合物，具有特殊的电学、光学性质，其分子结构简单、能隙小、电导率高(600S/cm)等特点。
由于PEDOT本身为不溶性聚合物，不能直接利用其特殊的导电性能。但在试验中发现，加入氧化剂进行氧化反应后能使PEDOT形成水溶性聚合物，并具有高导电性。氧化剂为次氯酸钙、次氯酸镁、次氯酸钠或次氯酸钾中的一种或者多种，用于和PEDOT发生化学反应生成具有高导电率的聚合物水溶液。
在多次试验中，发现次氯酸钙(Ca(ClO)2)与PEDOT发生氧化反应后，聚合物水溶液的导电性能得到大大提升，具体反应过程如下：
PEDOT是EDOT(3，4-乙撑二氧噻吩单体)的聚合物，PEDOT(3,4-乙撑二氧噻吩聚合物)在次氯酸钙Ca(ClO)2下氧化反应机理：其中OCl-(次氯酸)是氧化剂，它将PEDOT(3,4-乙撑二氧噻吩聚合物)中的噻吩(a)氧化成其相应的噻吩-1-氧化物(b)。同理，噻吩-1-氧化物(b)被氧化成其相应的噻吩-1,1-二氧化物(c)。在此反应中，噻吩-1-氧化物(b)被假定为噻吩-1,1-二氧化物(c)中的一个反应中间体。最终，噻吩-1,1-二氧化物(c)更进一步的氧化去除了化合物中的SO2，并通过水的亲核反应，让羟基附着到噻吩-1,1-二氧化物(c),由此形成了具有高导电率的聚合物水溶液。
上述形成的高分子导电聚合物虽然在水溶状态导电性能不错，但在其固化后，导电性能会大大降低。在上述导电聚合物中加入纳米银粉导电填料，从而极大提升导电介质的导电性能。
优选地，纳米银粉的颗粒直径小于50nm，纯度大于99.9％，从而使纳米银粉能够均匀混合在导电介质中。
纳米银粉在常温下容易氧化，氧化后的纳米银粉的导电性能大大降低。因此本发明配方中加入稳定剂防止纳米银粉的氧化，进一步的，稳定剂为十六烷基三甲基溴化铵、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、十二烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将绝缘材料粉末通过3D打印机高温制模并制备成特殊形状的绝缘基板；
(2)3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射到所述绝缘基板上形成线路板。
2.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，3D打印机中产生200℃～350℃的高温将绝缘材料粉末熔化并根据模具设计图形制备出所述绝缘基板。
3.根据权利要求2所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，绝缘材料粉末在200℃～350℃的高温下制备绝缘基板的过程是在氩气条件下完成，其中，以每分钟2～6升的流量输入氩气。
4.根据权利要求3所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，还包括将所制备的绝缘基板进行分段冷却处理的步骤。
5.根据权利要求3所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，将所制备的绝缘基板进行分段冷却处理的步骤进一步包括以下步骤：
在3D打印机高温制模形成绝缘基板后，以每小时40～60℃冷却到150℃,保持1～1.5小时；
再以每小时30～50℃水冷却到100℃,保持2～3小时；
最后以每小时10～20℃空冷至常温。
6.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，所述绝缘材料粉末由85～95％(重量)的绝缘环氧粉末和5～15％(重量)的石墨粉末组成。
7.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，所述液态导电介质由质量比为以下的组分构成：50～70％的导电聚合物PEDOT(聚3,4-乙撑二氧噻吩)、10～30％的去离子水、1～8％的氧化剂、10～20％的纳米银粉导电填料以及0.2～1.2％的稳定剂，其中，所述氧化剂为次氯酸钙、次氯酸镁、次氯酸钠或次氯酸钾中的一种或者多种；所述稳定剂为十六烷基三甲基溴化铵、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、十二烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮中的的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在所述绝缘基板上根据线路图形形成线路凹槽，3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射并填满所述绝缘基板的线路凹槽从而形成线路板。
9.根据权利要求1或8所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，3D打印机接收电路图形并根据该电路图形将液态导电介质喷射到所述绝缘基板上形成线路板的过程中，首先将液态导电介质搅拌均匀并预热至65～90℃；然后3D打印机在氮气条件将液态导电介质喷射至所述绝缘基板，其中，氮气以每分钟2～6升的流量输入。
10.根据权利要求1或8所述的利用3D打印技术制备线路板的方法，其特征在于，还包括对线路板上由液态导电介质形成的的电路图形进行紫外光固化的步骤。
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