CN108010711A - 一种3d打印pcb平面变压器的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于平面变压器的制备技术领域，具体涉及一种3D打印PCB平面变压器的工艺方法。本发明依托平面变压器的结构特点，针对其核心部件PCB绕组层，结合金属3D打印技术，设计出适用于平面变压器一体化3D打印的工艺路线。将绕组金属材料作为3D打印的原料，结合CAD绕线设计和3D打印设备，实现PCB平面变压器绕组层的打印制备，替代PCB复杂的传统工艺；3D打印可通过程序控制单元严格控制绕线的线宽和间距来完成高精度的绕组层制备。从生产效率，产品质量以及产品的灵活可定制性三个方面对平面变压器的生产工艺进行全面的优化。

Description

一种3D打印PCB平面变压器的工艺方法
技术领域
本发明属于平面变压器的制备技术领域，具体涉及一种3D打印PCB平面变压器的工艺方法。
背景技术
近年来，越来越多的人关注研究电子信息领域中电子装置的小型化和平面化，为了减小磁性元件的体积和重量，提高电子电路开关的频率，把磁性元件的高频化设计成为电子技术研究的主攻方向。当前普通功率开关变压器的开关频率不高，提高开关频率会使铁芯和绕组损耗急剧增加，对铁芯体积的减小造成困难，解决这一矛盾的办法是采用平面化结构：平面化结构是将磁芯结构变成低截面的平面化结构，这种结构不但会降低铁芯和磁件的高度，而且能提高功率密度、增加磁件的表面散热面积、改善与其它电子元器件的配合度。平面化结构可形成各种绕组结构和造型，因为它是利用多层柔性电路制造技术或多层印制板制造技术制造，这样，可以使绕组的各项参数得以准确控制，在制造上有很好的一致性。
目前PCB平面变压器主要采用印制板的制造工艺，其结构主要包括扁平状磁芯和PCB板(Printed Circuit Board)(附图1所示)，在PCB板上布上螺旋式线圈形成变压器绕组，印制板中间留下孔隙用来安装磁芯。制备PCB平面变压器即主要合成具有优良性能的磁芯和PCB绕组层。针对磁芯部分，一般选用的是MnZn、NiZn、MgMnZn系铁氧体。根据它们不同的磁性能使用在不同类型的PCB平面变压器中。而针对PCB绕组层的制备流程，传统的PCB制备工艺多采用加成法或者减成法，需要在PCB基底上附着一定厚度的金属箔，然后进行切割或者蚀刻，工艺程序繁复且精度难以控制，并且一次成型时间较长，且蚀刻过程需要用到强酸强碱，增大了工艺后续的污水处理难度。
2015年，来自加拿大Waterloo大学的一个学生组成的团队开发出来一款名为Voltera V-OnePCB的3D打印机可以直接设计打印PCB，3D打印具备了效率高、可定制、精度高、环境友好等诸多特点，因此受到各领域的广泛关注。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决目前PCB平面变压器制造工艺存在的工艺程序繁复且精度难以控制、一次成型时间较长以及对环境不友好的问题，本发明提供了一种3D打印PCB平面变压器的工艺方法。
该3D打印PCB平面变压器的工艺方法，包括以下步骤：
步骤1、采用无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉装备(附图3所示)，根据需要将铜、银或者铜银的合金置于无坩埚感应熔炼系统，通过调节系统电极棒转速与进给速率、电极棒尺寸、气体循环时间、气体压力与流量等参数控制金属粉末的粒度、缺陷和杂质含量。最终制得粒径0.5-1微米的金属粉末，作为3D打印的原材料。
步骤2、采用电子束熔化(EBM)(附图4所示)或激光熔化金属沉积(FMD)3D打印技术(附图5所示)，根据CAD提前设计好的绕组参数，包括(绕组金属的厚度、外形、内径、外径、金属孔直径、匝数)在玻璃纤维布层压板上进行绕组的打印。所述绕组的打印是在初级绕组板和次级绕组板分别打印初级绕组和次级绕组。
步骤3、根据选取好的磁芯材料，结合步骤2打印的绕组板层进行组装得到PCB平面变压器。
进一步的，还包括一个步骤4、对步骤3打印的PCB平面变压器进行电学性能进行测试，若步骤3的测试结果符合要求，完成制备；若步骤3的测试结果不符合要求，返回步骤2进行反馈优化再制作，直至符合参数要求。
本发明依托平面变压器的结构特点，针对其核心部件PCB绕组层，结合金属3D打印技术(电子束熔化EBM和激光熔化金属沉积FMD)，设计出适用于平面变压器一体化3D打印的新的工艺路线。将绕组金属材料作为3D打印的原料，结合CAD绕线设计和3D打印设备，实现PCB平面变压器绕组层的打印制备，替代PCB复杂的传统工艺；3D打印可通过程序控制单元严格控制绕线的线宽和间距来完成高精度的绕组层制备。从生产效率，产品质量以及产品的灵活可定制性三个方面对平面变压器的生产工艺进行全面的优化。
与传统的PCB平面变压器制备工艺相比，本发明具有以下几个优势：(1)3D打印在PCB绕阻打印过程中具备更高的精度，能够设计并实现高精度的平面变压器PCB绕组；(2)3D打印工艺具有灵活的可定制性，解决了传统制造工艺中单一的生产模式，通过3D打印程序的设计与编辑，实现面向用户的可定制化生产打印；(3)3D打印工艺便于规模化放大，且能够保证各产线工艺高度一致化和标准化；(4)3D打印工艺能够显著提升制造效率，极大的节约了材料成本，人力成本和时间成本，从根本上颠覆了传统的平面变压器生产工艺，属于技术与工艺的全面革新。
附图说明
图1为平面变压器的结构示意图；
图2为实施例PCB平面变压器绕组层结构示意图；
图3为3D打印制备平面变压器的工艺流程示意图；
图4基于EBM的3D打印平面变压器流程；
图5为FMB-3D打印结构示意图。
具体的技术方案如下
结合附图和实施例对本发明做进一步的详述。
步骤1、采用无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉装备，以金属铜为原料，制备出平均直径为500nm的金属铜颗粒，作为3D打印的原材料。选取两块外形为同心圆环的绕组层打印基板，内径为9mm，外径为16mm，并在基板的两翼做一组6个金属化的通孔。金属孔的孔径为0.4mm(如附图2所示)。其中一组用于初级绕组层间的连接，另一组用于次级绕组的层间连接。
步骤2、采用电子束熔化(EBM)(附图4所示)或激光熔化金属沉积(FMD)3D打印技术(附图5所示)，以纳米铜颗粒为原料打印PCB平面变压器绕组层。初级绕组层每层3匝，匝间距0.3mm，线宽0.6mm；次级绕组层每层5匝，匝间距0.2mm，线宽0.2mm。任意相邻两层绕组线圈之间的旋转方向相同，整个初(次)级绕组线圈构成螺旋形。线圈绕组匝与匝之间保持较线宽大的距离能够有利于减小导线之间的电流排挤效应。
步骤3、根据选取好锰锌磁芯材料，结合步骤2打印的绕组板层进行组装得到PCB平面变压器。
综上可见，本发明首次将3D打印技术引入到PCB平面变压器的制造工艺流程中，结合金属增材制造的材料制备工艺单元，全面优化了平面变压器的生产和制造工艺流程。极大的节约了时间成本和人力成本，以CAD工程设计为基础，提升了产品的工艺精度，并且可实现小型零部件的可定制化设计与制造，充分发挥了金属3D打印的技术优势。

Claims (3)

1.一种3D打印PCB平面变压器的工艺方法，包括以下步骤：
步骤1、采用无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉装备，根据需要将铜、银或者铜银的合金置于无坩埚感应熔炼系统，制备粒径0.5-1微米的金属粉末，作为3D打印的原材料；
步骤2、采用3D打印技术，根据CAD提前设计好的绕组参数，在玻璃纤维布层压板上进行绕组的打印；所述绕组的打印是在初级绕组板和次级绕组板分别打印初级绕组和次级绕组，绕组参数包括绕组金属的厚度、外形、内径、外径、金属孔直径、匝数；
步骤3、根据选取好的磁芯材料，结合步骤2打印的绕组板层进行组装得到PCB平面变压器。
2.如权利要求1所述3D打印PCB平面变压器的工艺方法，其特征在于：
还包括一个步骤4、对步骤3打印的PCB平面变压器进行电学性能进行测试，若步骤3的测试结果符合要求，完成制备；若步骤3的测试结果不符合要求，返回步骤2进行反馈优化再制作，直至符合参数要求。
3.如权利要求1所述3D打印PCB平面变压器的工艺方法，其特征在于：所述步骤2中3D打印技术为电子束熔化EBM或激光熔化金属沉积FMD。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109246939A (zh) * 2018-09-26 2019-01-18 有研粉末新材料（北京）有限公司 一种增材制造铜线路板图案的方法
DE102018118551A1 (de) * 2018-07-31 2020-02-06 Tdk Electronics Ag Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements und induktives Bauelement
EP3671777A1 (en) * 2018-12-20 2020-06-24 ABB Schweiz AG Method of producing parts of a transformer
CN111984156A (zh) * 2019-05-22 2020-11-24 江苏触宇科技有限公司 一种大尺寸电容触控屏边缘走线工艺

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105282981A (zh) * 2015-11-11 2016-01-27 华中科技大学 一种具有空间立体电路的电路板3d打印方法
CN105981217A (zh) * 2014-01-24 2016-09-28 安提纳国际有限公司 天线模块、天线以及包括该天线模块的移动设备
US20160368218A1 (en) * 2015-03-31 2016-12-22 Josue Cruz 3D Printers, 3D Printing Systems and Methods of Use and Manufacture
CN206215921U (zh) * 2016-12-03 2017-06-06 东北大学 一种激光3d打印用球形合金粉末制备装置
CN206421898U (zh) * 2017-01-16 2017-08-18 科博达技术股份有限公司 带有抽头的pcb平板变压器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105981217A (zh) * 2014-01-24 2016-09-28 安提纳国际有限公司 天线模块、天线以及包括该天线模块的移动设备
US20160368218A1 (en) * 2015-03-31 2016-12-22 Josue Cruz 3D Printers, 3D Printing Systems and Methods of Use and Manufacture
CN105282981A (zh) * 2015-11-11 2016-01-27 华中科技大学 一种具有空间立体电路的电路板3d打印方法
CN206215921U (zh) * 2016-12-03 2017-06-06 东北大学 一种激光3d打印用球形合金粉末制备装置
CN206421898U (zh) * 2017-01-16 2017-08-18 科博达技术股份有限公司 带有抽头的pcb平板变压器

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018118551A1 (de) * 2018-07-31 2020-02-06 Tdk Electronics Ag Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements und induktives Bauelement
CN112514010A (zh) * 2018-07-31 2021-03-16 Tdk电子股份有限公司 用于制造感应式结构元件的方法和感应式结构元件
CN109246939A (zh) * 2018-09-26 2019-01-18 有研粉末新材料（北京）有限公司 一种增材制造铜线路板图案的方法
CN109246939B (zh) * 2018-09-26 2020-08-11 有研粉末新材料（北京）有限公司 一种增材制造铜线路板图案的方法
EP3671777A1 (en) * 2018-12-20 2020-06-24 ABB Schweiz AG Method of producing parts of a transformer
CN111984156A (zh) * 2019-05-22 2020-11-24 江苏触宇科技有限公司 一种大尺寸电容触控屏边缘走线工艺

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