CN105744748A - 一种雕刻式液态金属线路制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路制造技术领域，尤其涉及一种雕刻式液态金属线路制作方法及装置。本发明的雕刻式液态金属线路制作装置的控制机与移动机构连接，用于控制移动机构的移动；移动机构上分别安装有雕刻刀头和打印笔头，雕刻刀头和打印笔头的下方对应设置有打印基底；移动机构在打印基底的上方分别沿三维坐标系中的X轴、Y轴和Z轴移动，以带动雕刻刀头和打印笔头分别在打印基底上雕刻线路凹槽、和向线路凹槽内注射液态金属。该制作方法能避免液态金属流动带来的短路等问题，产品制造速度快、成本低且稳定实用；对应装置结构简单，能有效实现本发明的目标，具有组装方便，加工量大、加工效率高等优点，有效改善了打印稳定性，还提高了线路均匀性。

Description

一种雕刻式液态金属线路制作方法及装置

技术领域

本发明涉及电子电路制造技术领域，尤其涉及一种雕刻式液态金属线路制作方法及装置。

背景技术

近年来，制造业快速化、个性化、低成本的要求越来越高，催动了印刷线路技术的发展，其中液态金属直写和打印技术是非常重要的一部分。通过液态金属直写和打印得到的线路具有许多优秀的性能，这种线路制造方式极大地降低了线路制造的时间和成本，亦使得个性化制造成为可能。且液态金属直写和打印技术既可制造传统刚性线路，也可以制造柔性线路。现有的液态金属直写和打印方法中，液态金属墨水是直接打印在打印基底上的，由于液态金属的流动性，线路打印过程中液态金属线路会有轻微变形，虽然在大部分情况下不会影响线路性能，但是当制造精度要求很高，如存在间距非常近的一系列导线时，可能会导致短路。这一问题严重限制了液态金属印刷线路的适用范围。

鉴于上述背景技术的缺陷，本发明提供了一种雕刻式液态金属线路制作方法及装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种雕刻式液态金属线路制作方法及装置，能有效避免液态金属流动可能带来的问题，易于涂覆封装，使得液态金属线路制造更加稳定和实用，使得液态金属印刷电路的制造速度快、制造成本低。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种雕刻式液态金属线路制作装置，包括控制机和移动机构，所述控制机与移动机构连接，用于控制所述移动机构的移动；所述移动机构上分别安装有雕刻刀头和打印笔头，所述雕刻刀头和打印笔头的下方对应设置有打印基底；所述移动机构在打印基底的上方分别沿三维坐标系中的X轴、Y轴和Z轴移动，以带动所述雕刻刀头和打印笔头分别在所述打印基底上雕刻线路凹槽、和向所述线路凹槽内注射液态金属。

进一步的，所述移动机构包括：

平面移动单元，与控制机连接，用于带动所述雕刻刀头和打印笔头沿三维坐标系中的X轴和Y轴移动；

纵向移动单元，安装在所述平面移动单元上，且与控制机连接，用于带动所述雕刻刀头和打印笔头，沿所述三维坐标系中的Z轴移动；

液态金属储液管，一端与所述平面移动单元固定连接，另一端通过转换台分别与所述雕刻刀头和打印笔头连通，所述转换台与控制机连接；所述液态金属储液管内设有液态金属。

进一步的，所述转换台上分别可转换的安装有多个雕刻刀头和多个打印笔头，所述转换台通过转动、平移或伸缩方式中的一种或几种方式的组合，能使多个所述雕刻刀头或多个所述打印笔头中的一个处于竖直朝向所述打印基底的上表面的位置。

进一步的，还包括用于分别固定安装移动机构和打印基底的固定机构，所述固定机构包括：

固定支架，安装于所述移动机构的周围，所述固定支架上设有多个滑轨，所述移动机构能沿滑轨移动；

基底固定单元，用于固定所述打印基底，所述基底固定单元通过嵌入、压紧、胶黏或负压吸附的方式固定所述打印基底。

进一步的，所述基底固定单元的一侧通过鼓风口连接有清洁机构，所述鼓风口朝向打印基底的下方设置，以通过所述清洁机构清洁所述打印基底的表面和下方空间。

进一步的，所述打印笔头上还设有加热机构。

进一步的，所述液态金属导线的成分为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、铝、铁、钴、镍、锰、钛或钒中的一种或多种混合；所述液态金属导线的形式为熔融态的单质金属、或熔融态的金属合金、或金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。

进一步的，所述基底的材质为高分子聚合物、玻璃、陶瓷、木材、纸张、固体单质金属或固体金属合金中的一种或几种；所述高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶或橡胶中的一种或几种混合。

本发明还提供了一种雕刻式液态金属线路制作方法，是基于如上所述的装置提出的，包括以下步骤：

S1、通过控制机获取待打印的液态金属印刷电路的结构数据；

S2、通过所述控制机控制转换台将雕刻刀头切换至与打印基底对应的位置；

S3、依据所述液态金属印刷电路的结构数据，通过所述控制机控制移动机构移动，以带动所述雕刻刀头在打印基底上雕刻，从而得到具有线路凹槽的打印基底；

S4、通过所述控制机控制转换台将打印笔头切换至与打印基底对应的位置；

S5、依据所述液态金属印刷电路的结构数据，通过所述控制机控制移动机构移动，以带动所述打印笔头向线路凹槽内填注液态金属，即得液态金属线路。

进一步的，在所述步骤S3和步骤S4之间还进一步包括：

S301、通过清洁机构清洁所述具有线路凹槽的打印基底6的表面和下方的空间；

在所述步骤S5之后，还进一步包括：

S6、通过封装机构将封装材料封装在所述液态金属线路上。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的雕刻式液态金属线路制作装置的控制机与移动机构连接，用于控制移动机构的移动；移动机构上分别安装有雕刻刀头和打印笔头，雕刻刀头和打印笔头的下方对应设置有打印基底；移动机构在打印基底的上方分别沿三维坐标系中的X轴、Y轴和Z轴移动，以带动雕刻刀头和打印笔头分别在打印基底上雕刻线路凹槽、和向线路凹槽内注射液态金属。该雕刻式液态金属线路制作方法在填注液态金属前先雕刻出线路凹槽，雕刻刀头可以准确控制精度，液态金属由于内嵌入线路凹槽内，因而有效避免了流动可能带来的问题，易于涂覆封装，使得液态金属线路制造更加稳定和实用，且没有过多的额外步骤，保留了液态金属印刷线路制造速度快、成本低的优势；对应装置结构简单，能有效实现本发明的目标，具有组装方便，加工量大、加工效率高等优点，有效改善了打印稳定性，还提高了线路均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例的雕刻式液态金属线路制作装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的雕刻式液态金属线路制作方法的流程框架图。

其中，1、雕刻刀头；2、打印笔头；3、转换台；4、固定机构；5、移动机构；6、打印基底；7、控制机；8、液态金属储液管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的雕刻式液态金属线路制作装置的控制机7与移动机构5连接，用于控制移动机构5的移动；移动机构5上分别安装有雕刻刀头1和打印笔头2，在雕刻刀头1和打印笔头2的下方对应设置有打印基底6，打印基底6固定设置，保证雕刻刀头1和打印笔头2能够在打印基底6的上表面的上方移动，并保证雕刻刀头1能在移动机构5的带动下，插入到打印基底6内进行雕刻即可；移动机构5在打印基底6的上方分别沿三维坐标系中的X轴、Y轴和Z轴移动，以带动雕刻刀头1和打印笔头2分别在打印基底6上雕刻线路凹槽、和向线路凹槽内注射液态金属。

该雕刻式液态金属线路制作方法在填注液态金属前先雕刻出线路凹槽，雕刻刀头1可以准确控制精度，液态金属由于内嵌入线路凹槽内，因而有效避免了流动可能带来的问题，易于涂覆封装，使得液态金属线路制造更加稳定和实用，且没有过多的额外步骤，保留了液态金属印刷线路制造速度快、成本低的优势；对应装置结构简单，能有效实现本发明的目标，具有组装方便，加工量大、加工效率高等优点，有效改善了打印稳定性，还提高了线路均匀性。

为了保证移动机构5的定位移动的快速精准，优选移动机构5包括平面移动单元、纵向移动单元和液态金属储液管8，平面移动单元与控制机7连接，用于带动雕刻刀头1和打印笔头2沿三维坐标系中的X轴和Y轴移动；纵向移动单元安装在平面移动单元上，且与控制机7连接，用于带动雕刻刀头1和打印笔头2沿所述三维坐标系中的Z轴移动；液态金属储液管8的一端与平面移动单元固定连接，另一端通过转换台3分别与雕刻刀头1和打印笔头2连通，转换台3与控制机7连接；液态金属储液管8内设有液态金属，液态金属能够自液态金属储液管8流入打印笔头2中。

雕刻刀头1包括各种形状和材质的雕刻刀具，也包括任何可在打印基底6上制造出凹槽的器具，其数量可以为一个或多个；打印笔头2包括圆珠笔头、点胶针头、喷墨打印头或其他任意可填注液态金属的器具，其数量可以为一个或多个。

为了保证雕刻刀头1和打印笔头2的切换准确，且具有更多的可选择性，优选转换台3上分别可转换的安装有多个雕刻刀头1和多个打印笔头2，转换台3通过转动、平移或伸缩方式中的一种或几种方式的组合，能使多个雕刻刀头1或多个打印笔头2中的一个处于竖直朝向打印基底6的上表面的位置，即该雕刻刀头1或打印笔头2的端部处于上述位置，以该位置为工作位置。

优选移动机构5能在控制机7的控制下，通过电机驱动或其他任意驱动方式将雕刻刀头1或打印笔头2移动到打印基底6上的工作位置。

该装置中还包括固定机构4，固定机构4用于分别固定安装移动机构5和打印基底6，防止在装置工作时移动机构5的定位精准度不足及打印基底6发生意外移动等情况。

该固定机构4包括但不限于固定支架和基底固定单元，固定支架安装于移动机构5的周围，优选在固定支架上设有多个滑轨，移动机构5能沿滑轨移动，除了通过设置滑轨以便于移动机构5的定位移动外，还可以通过设置可控机械手等其他结构实现移动机构5的定位移动；基底固定单元用于固定打印基底6，该基底固定单元通过嵌入、压紧、胶黏或负压吸附的方式固定打印基底6。

为了保证打印基底6被雕刻后，雕刻碎屑不会影响到后续的填注工作，优选在基底固定单元的一侧通过鼓风口连接有清洁机构，鼓风口朝向打印基底6的下方设置，以通过清洁机构清洁打印基底6的表面和下方空间，特别需要防止雕刻碎屑进入雕刻好的线路凹槽内，以免影响填注后的液态金属线路的线路均匀性。

为了保证经过打印笔头2射出的液态金属处于熔融状态，优选在打印笔头2上还设有加热机构，加热机构可设置于打印笔头2的内壁或外壁上，优选为加热丝或加热片，可以使得液态金属的温度恒定，处于稳定的熔融液体状态。

该装置中的控制机7能够打开和解析线路文件，从而获取液态金属线路结构数据，该控制机7可以为专用工控机、个人电脑、平板电脑、手机或其他任何可打开并解析线路文件、控制转换台3和移动机构5工作的设备。

为了保证液态金属线路的线路均匀性，优选液态金属导线的成分为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、铝、铁、钴、镍、锰、钛或钒中的一种或多种混合；所述液态金属导线的形式为熔融态的单质金属、或熔融态的金属合金、或金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。

为了保证液态金属线路的印刷质量，优选本实施例的基底的材质可以为高分子聚合物、玻璃、陶瓷、木材、纸张、固体单质金属或固体金属合金中的一种或几种；所述高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶或橡胶中的一种或几种混合。

需要说明的是，打印基底6不能选用与液态金属附着力差的材料，防止线路无法正常打印或造成打印后线路损坏。

本实施例的雕刻式液态金属线路制作方法是基于如上所述的装置提出的，其包括以下步骤：

S1、通过控制机7获取待打印的液态金属印刷电路的结构数据；

S2、通过控制机7控制转换台3将雕刻刀头1切换至与打印基底6对应的位置；

S3、依据液态金属印刷电路的结构数据，通过控制机7控制移动机构5移动，以带动雕刻刀头1在打印基底6上雕刻，从而得到具有线路凹槽的打印基底6；

S4、通过控制机7控制转换台3将打印笔头2切换至与打印基底6对应的位置；

S5、依据液态金属印刷电路的结构数据，通过控制机7控制移动机构5移动，以带动打印笔头2向线路凹槽内填注液态金属，即得填注好液态金属的打印基底6，该填注好液态金属的打印基底6即为制作而成的液态金属线路。

为了避免雕刻时，碎屑过多而影响后续的液态金属填注过程，优选在步骤S3和步骤S4之间还进一步包括：

S301、通过清洁机构清洁具有线路凹槽的打印基底6的表面和下方的空间。

为了便于对填注好液态金属的打印基底6进行更好的后续封装保护，优选在步骤S5之后，还进一步包括：

S6、通过封装机构将封装材料封装在液态金属线路上。

以下以两个实施例具体说明该雕刻式液态金属线路制作方法及装置效果。

实施例一

本实施例一为本发明的一个典型实施例。本实施例一所使用的雕刻刀头1为钢制平刀，所使用的打印笔头2为圆珠笔头，所使用的转换台3为旋转台，所使用的导电流体材料为镓铟合金，所使用的打印基底6为聚二甲基硅氧烷，所使用的控制机7为个人电脑。

本实施例一制作的线路为单层线路，具体为：将材质为聚二甲基硅氧烷的打印基底6固定在固定机构4上，利用个人电脑打开目标线路文件，运行打印软件，控制钢制平刀切换到工作位置，控制移动机构5按照线路图在打印基底6上刻出线路凹槽，线路凹槽的深度为1mm，利用鼓风口吹走雕刻碎屑，将圆珠笔头切换到工作位置，再次控制移动机构5移动，通过圆珠笔头在线路凹槽中填注镓铟合金，即得到制成的液态金属线路。最后，在所形成的液态金属线路表面涂覆封装材料，即可获得封装好的液态金属线路产品，继而可与其他元器件组成功能器件。

实施例二

本实施例二为本发明的一个典型实施例。与实施例一的步骤基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例二所使用的雕刻刀头1为木板雕刻用斜口刀，所使用的打印笔头2为点胶针头，所使用的转换台3为伸缩台，所使用的导电流体材料为纳米银浆，所使用的打印基底6为实木板，所使用的控制机7为专用工控机。

本实施例二制作的线路为单层图形线路，具体为：将实木板固定在固定机构4上，利用专用工控机打开线路文件，控制伸缩台伸出斜口刀，控制移动机构5在实木板上按照线路图刻出线路凹槽，线路凹槽的深度为1mm，利用鼓风口吹走雕刻碎屑，缩回斜口刀，伸出点胶针头，控制移动机构5移动，通过点胶针头在线路凹槽中填注纳米银浆，即得制成的液态金属线路。

结合上述两个实施例，该雕刻式液态金属线路制作装置工作过程如下：将打印基底6固定在固定机构4上，控制机7控制转换台3将雕刻刀头1切换到工作位置，控制机7控制移动装置移动，从而通过雕刻刀头1在打印基底6上雕刻线路凹槽，利用鼓风口吹走雕刻碎屑，再通过转换台3将打印笔头2切换到工作位置，控制机7控制移动机构5移动，从而带动打印笔头2在线路凹槽中填注液态金属即得制成的液态金属线路。

综上所述，本发明各实施例的雕刻式液态金属线路制作装置的控制机7与移动机构5连接，用于控制移动机构5的移动；移动机构5上分别安装有雕刻刀头1和打印笔头2，雕刻刀头1和打印笔头2的下方对应设置有打印基底6；移动机构5在打印基底6的上方分别沿三维坐标系中的X轴、Y轴和Z轴移动，以带动雕刻刀头1和打印笔头2分别在打印基底6上雕刻线路凹槽、和向线路凹槽内注射液态金属。该雕刻式液态金属线路制作方法在填注液态金属前先雕刻出线路凹槽，雕刻刀头1可以准确控制精度，液态金属由于内嵌入线路凹槽内，因而有效避免了流动可能带来的问题，易于涂覆封装，使得液态金属线路制造更加稳定和实用，且没有过多的额外步骤，保留了液态金属印刷线路制造速度快、成本低的优势；对应装置结构简单，能有效实现本发明的目标，具有组装方便，加工量大、加工效率高等优点，有效改善了打印稳定性，还提高了线路均匀性。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种雕刻式液态金属线路制作装置，其特征在于，包括控制机和移动机构，所述控制机与移动机构连接，用于控制所述移动机构的移动；所述移动机构上分别安装有雕刻刀头和打印笔头，所述雕刻刀头和打印笔头的下方对应设置有打印基底；所述移动机构在打印基底的上方分别沿三维坐标系中的X轴、Y轴和Z轴移动，以带动所述雕刻刀头和打印笔头分别在所述打印基底上雕刻线路凹槽、和向所述线路凹槽内注射液态金属。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动机构包括：

平面移动单元，与控制机连接，用于带动所述雕刻刀头和打印笔头沿三维坐标系中的X轴和Y轴移动；

纵向移动单元，安装在所述平面移动单元上，且与控制机连接，用于带动所述雕刻刀头和打印笔头，沿所述三维坐标系中的Z轴移动；

液态金属储液管，一端与所述平面移动单元固定连接，另一端通过转换台分别与所述雕刻刀头和打印笔头连通，所述转换台与控制机连接；所述液态金属储液管内设有液态金属。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述转换台上分别可转换的安装有多个雕刻刀头和多个打印笔头，所述转换台通过转动、平移或伸缩方式中的一种或几种方式的组合，能使多个所述雕刻刀头或多个所述打印笔头中的一个处于竖直朝向所述打印基底的上表面的位置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于分别固定安装移动机构和打印基底的固定机构，所述固定机构包括：

固定支架，安装于所述移动机构的周围，所述固定支架上设有多个滑轨，所述移动机构能沿滑轨移动；

基底固定单元，用于固定所述打印基底，所述基底固定单元通过嵌入、压紧、胶黏或负压吸附的方式固定所述打印基底。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述基底固定单元的一侧通过鼓风口连接有清洁机构，所述鼓风口朝向打印基底的下方设置，以通过所述清洁机构清洁所述打印基底的表面和下方空间。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述打印笔头上还设有加热机构。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述液态金属导线的成分为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、铝、铁、钴、镍、锰、钛或钒中的一种或多种混合；所述液态金属导线的形式为熔融态的单质金属、或熔融态的金属合金、或金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。

8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述基底的材质为高分子聚合物、玻璃、陶瓷、木材、纸张、固体单质金属或固体金属合金中的一种或几种；所述高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、硅胶或橡胶中的一种或几种混合。

9.一种雕刻式液态金属线路制作方法，其特征在于，是基于如权利要求1-8任一项所述的装置提出的，包括以下步骤：

S1、通过控制机获取待打印的液态金属印刷电路的结构数据；

S2、通过所述控制机控制转换台将雕刻刀头切换至与打印基底对应的位置；

S3、依据所述液态金属印刷电路的结构数据，通过所述控制机控制移动机构移动，以带动所述雕刻刀头在打印基底上雕刻，从而得到具有线路凹槽的打印基底；

S4、通过所述控制机控制转换台将打印笔头切换至与打印基底对应的位置；

S5、依据所述液态金属印刷电路的结构数据，通过所述控制机控制移动机构移动，以带动所述打印笔头向线路凹槽内填注液态金属，即得液态金属线路。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3和步骤S4之间还进一步包括：

S301、通过清洁机构清洁所述具有线路凹槽的打印基底6的表面和下方的空间；

在所述步骤S5之后，还进一步包括：

S6、通过封装机构将封装材料封装在所述液态金属线路上。