CN108337826B - 一种多层pcb板制作工具及制作方法 - Google Patents

一种多层pcb板制作工具及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种多层PCB板制作工具及制作方法，基于三轴运动平台，采用压电微孔喷印技术将导电浆料和绝缘浆料按照先后顺序喷涂于金属基板上，其中在基板上配置有加热棒，可以对基板进行控温实现导电浆料和绝缘浆料的加热固化。每打印一层进行升温固化后，再次进行下一层打印，通过多层叠加而实现多层PCB板的制作。传统PCB的制作需要通过钻孔、镀铜、蚀刻、层压等多道工序完成，流程多且繁杂、周期长，适用于大批量生产。而在PCB手板模型制作过程中，初步设计模型则需要经过反复验证，通过传统的制作方法则显得周期较长影响研发进度。应用本发明流程简单且可快速实现多层PCB的手板模型制作，缩短研发周期，提高PCB在制作初期的迭代效率。

Description

一种多层PCB板制作工具及制作方法
技术领域
本发明涉及多层PCB板的制作技术领域，具体为一种多层PCB板制作工具及制作方法。
背景技术
PCB印制板从单层发展到双面、多层和挠性，并且仍旧保持着各自的发展趋势。由于不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展，不断缩小体积、减少成本、提高性能，使得印制板在未来电子设备的发展工程中，仍然保持着强大的生命力。国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高密度，高精度，细孔径，细导线，细间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量，薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率，降低成本，减少污染，适应多品种、小批量生产方向发展。
常规的印制电路板(PCB)的制作需要经过掩膜制作、内层显影、多层压合、钻孔、镀铜、蚀刻等多道工序来完成，采用蚀刻法工艺来制造导电线路。这种蚀刻法工艺存在材料消耗高、生产工序多、废液排放大、环保压力重等诸多缺点。通过上述过程可以了解到整个PCB生产过程的繁琐，且整个过程周期较长。在PCB手板模型制作初期，需要经过反复的设计修改优化达到最终的定型状态，而PCB板的制作周期较长，则相对于延长了新型产品的研发研发周期。因此对于PCB手板模型的制作急需开发一种新型的制作方法，解决目前常规PCB板的制作方式，适应新型产品的快速开发，加速迭代，缩短整个产品的研发周期。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种多层PCB板制作工具及制作方法，可应用于多层PCB手板模型的制备，方便初期设计模型的快速验证，缩短研发周期。也可使用本发明方法中的某一项功能，如单独喷印绝缘胶或导电浆料，从而能够应用在PET、PI等薄膜上的柔性电线线路制备。本发明也可衍生应用于其他方向，如喷涂UV固化胶、防护型油墨等。
本发明的技术方案为：
所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：包括三轴运动平台、绝缘浆料压电微孔喷印机构、导电浆料压电微孔喷印机构、金属基板、加热系统、测温系统和中央控制系统；
绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构安装在三轴运动平台上，三轴运动平台在中央控制系统控制下能够带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板上方受控移动；绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构能够在中央控制系统控制下将绝缘浆料和导电浆料交叠喷印在金属基板上；
所述加热系统能够在中央控制系统控制下加热金属基板，所述测温系统能够测量金属基板表面温度和/或金属基板表面上已固化的浆料表面温度，并反馈至中央控制系统；
所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度范围相互交叠；所述中央控制系统能够控制加热系统使金属基板表面温度和/或金属基板表面上已固化的浆料表面温度为所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度，使所述绝缘浆料和所述导电浆料同时固化。
进一步的优选方案，所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述加热系统采用多根加热棒，多根加热棒均匀部分在金属基板内部。
进一步的优选方案，所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述绝缘浆料采用环氧树脂胶，所述导电浆料采用导电纳米银浆。
进一步的优选方案，所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述环氧树脂胶采用固化温度为60～110℃的低粘度环氧树脂胶；所述导电纳米银浆采用固化温度为80～100℃导电纳米银浆。
进一步的优选方案，所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述测温系统采用非接触式红外测温传感器。
采用上述工具进行多层PCB板制作的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在金属基板表面涂脱模剂；根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构运动至金属基板表面，并控制喷印头与金属基板距离满足喷印要求；
步骤2：中央控制系统根据测温系统反馈的金属基板表面温度，控制加热系统将金属基板表面温度加热至设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度并保持；
步骤3：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板表面上方移动，将导电浆料和绝缘浆料交叠喷印于金属基板表面；保温设定时间后，导电浆料和绝缘浆料固化后形成单层结构；其中设定的保温时间与设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度对应；
步骤4：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构移动，使喷印头与已固化浆料表面距离满足喷印要求；测温系统测量金属基板表面上已固化的浆料表面温度，中央控制系统根据测温系统反馈的已固化浆料表面温度，控制加热系统使已固化浆料表面温度达到设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度并保持；
步骤5：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板表面上方移动，将导电浆料和绝缘浆料交叠喷印于已固化浆料表面；保温设定时间后，导电浆料和绝缘浆料固化后形成单层结构；
步骤6：重复步骤4和步骤5，完成多层PCB板制作。
进一步的优选方案，所述一种多层PCB板的制作方法，其特征在于：当通过加热系统无法使已固化浆料表面温度达到设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度时，在绝缘浆料和导电浆料的固化温度交叠范围内重新设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度，并在喷印后采用对应的保温时间。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)该多层PCB板的制作方法相比传统制作工艺相比，整个制作过程简单，仅通过打印这一过程辅助温度固化即可完成多层PCB的制作，省去传统PCB中掩膜制作及蚀刻多道工序，制作周期短响应速度快，可以用手板模型的快速验证。
2)传统PCB的制作过程均为减材方式，即通过对铜箔的蚀刻完成电子线路的制作，被蚀刻掉的铜箔可能在所用电子线路的2～3倍。通过对比可以发现本发明的多层PCB制作工艺为增材过程，按需所用，可达到节省材料，减少制作成本。
3)本发明的多层PCB板制作方式，适应性强。通过对控制系统及基板进行改造，即可制作小曲率的曲面形状的PCB板，更加适用特殊情况下的PCB使用。此外该发明的多层PCB的制作工艺，可以衍生处其他方面的应用，如PET/PI膜上柔性电路、PCB补线、喷涂UV胶/绝缘油墨等。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：多层PCB板制作示意图；
其中：1、运动平台 2、加热棒 3、绝缘浆料压电微孔喷印机构 4、导电浆料压电微孔喷印机构 5、导电浆料墨滴 6、绝缘浆料墨滴 7、已固化的绝缘层 8、已固化的金属线路。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的基本原理是基于三轴运动平台结合压电微孔喷印技术，通过前后两个压电喷头将导电浆料和绝缘浆料按照先后顺序喷印于带有脱模剂的金属基板表面上，控制基板的温度实现导电浆料和绝缘浆料的同时固化，完成单层的打印。通过运动平台的配合，循环上述过程则可实现多层的叠加，完成多层PCB板的制作。
如图1所示，多层PCB板制作工具包括三轴运动平台、绝缘浆料压电微孔喷印机构、导电浆料压电微孔喷印机构、金属基板、加热系统、测温系统和中央控制系统。
绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构安装在三轴运动平台上，三轴运动平台在中央控制系统控制下能够带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板上方受控移动；绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构能够在中央控制系统控制下将绝缘浆料和导电浆料交叠喷印在金属基板上。
所述加热系统能够在中央控制系统控制下加热金属基板，所述测温系统能够测量金属基板表面温度和/或金属基板表面上已固化的浆料表面温度，并反馈至中央控制系统。本实施例中所述加热系统采用多根加热棒实现，多根加热棒均匀部分在金属基板内部。
所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度范围相互交叠；所述中央控制系统能够控制加热系统使金属基板表面温度和/或金属基板表面上已固化的浆料表面温度为所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度，使所述绝缘浆料和所述导电浆料同时固化。
本实施例中，绝缘浆料采用固化温度为60～110℃的低粘度环氧树脂胶，保温时间在25～60min，而导电浆料采用固化温度为80～100℃导电纳米银浆，保温时间在15～30min。这两种浆料的固化温度范围内有一定交叠区域，可以保证两种浆料在同一固化条件下实现固化，本实施例中设定的固化温度为100℃，对应设定的保温时间为30min。
利用上述装置进行多层PCB板制作的方法包括以下步骤：
步骤1：在金属基板表面涂脱模剂；根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构运动至金属基板表面，并控制喷印头与金属基板距离满足喷印要求。
步骤2：中央控制系统根据测温系统反馈的金属基板表面温度，控制加热系统将金属基板表面温度加热至设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度并保持。
步骤3：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板表面上方移动，将导电浆料和绝缘浆料交叠喷印于金属基板表面，之后打印动作暂停，进行保温，保温设定时间后，导电浆料和绝缘浆料固化后形成单层结构；其中设定的保温时间与设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度对应。由于所选用的绝缘浆料为热固性环氧树脂，导电浆料为低温固化纳米银浆，在保温期间环氧树脂发生交联反应热固化成型，纳米银浆中的有机溶剂在温度下挥发而实现连接导通，从而形成了PCB的单层制备。
步骤4：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构移动，使喷印头与已固化浆料表面距离满足喷印要求；测温系统测量金属基板表面上已固化的浆料表面温度，中央控制系统根据测温系统反馈的已固化浆料表面温度，控制加热系统使已固化浆料表面温度达到设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度并保持。
步骤5：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板表面上方移动，将导电浆料和绝缘浆料交叠喷印于已固化浆料表面，之后打印动作暂停，进行保温，保温设定时间后，导电浆料和绝缘浆料固化后形成单层结构。
步骤6：重复步骤4和步骤5，完成多层PCB板制作。
考虑到金属基板上附着的绝缘层致使导热性变差，随着打印厚度的增加会影响已固化浆料表面温度，，从而影响固化效果。因此，测温系统测量金属基板表面上已固化的浆料表面温度，而在实际使用中我们发现，基本上在每打印下一层之前，金属基板温度提高2～3℃，才能保证金属基板表面上已固化的浆料表面温度达到设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度。需考虑所用绝缘和导电材料的耐温性，打印一定层厚后已无法提高基板温度，否则会影响下层已固化材料性质，所以当通过加热系统无法使已固化浆料表面温度达到设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度时，就在绝缘浆料和导电浆料的固化温度交叠范围内重新设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度，并在喷印后采用对应的保温时间，实际上就是降低设定温度，延长保温时间，以保证多层叠加后的固化效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种多层PCB板制作工具，其特征在于：包括三轴运动平台、绝缘浆料压电微孔喷印机构、导电浆料压电微孔喷印机构、金属基板、加热系统、测温系统和中央控制系统；
绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构安装在三轴运动平台上，三轴运动平台在中央控制系统控制下能够带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板上方受控移动；绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构能够在中央控制系统控制下将绝缘浆料和导电浆料交叠喷印在金属基板上；
所述加热系统采用多根加热棒，多根加热棒均匀部分在金属基板内部；所述加热系统能够在中央控制系统控制下加热金属基板，所述测温系统能够测量金属基板表面温度和/或金属基板表面上已固化的浆料表面温度，并反馈至中央控制系统；
所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度范围相互交叠；所述中央控制系统能够控制加热系统使金属基板表面温度和/或金属基板表面上已固化的浆料表面温度为所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度，使所述绝缘浆料和所述导电浆料同时固化；其中所述中央控制系统控制加热系统提高金属基板温度，使金属基板表面上已固化的浆料表面温度为所述绝缘浆料和所述导电浆料的固化温度；当考虑绝缘浆料和导电浆料的耐温性，而无法提高金属基板温度时，通过在绝缘浆料和导电浆料的固化温度交叠范围内降低设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度，延长喷印后的保温时间，保证多层叠加后的固化效果。
2.根据权利要求1所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述绝缘浆料采用环氧树脂胶，所述导电浆料采用导电纳米银浆。
3.根据权利要求2所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述环氧树脂胶采用固化温度为60～110℃的低粘度环氧树脂胶；所述导电纳米银浆采用固化温度为80～100℃导电纳米银浆。
4.根据权利要求1所述一种多层PCB板制作工具，其特征在于：所述测温系统采用非接触式红外测温传感器。
5.利用权利要求1所述工具进行多层PCB板制作的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在金属基板表面涂脱模剂；根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构运动至金属基板表面，并控制喷印头与金属基板距离满足喷印要求；
步骤2：中央控制系统根据测温系统反馈的金属基板表面温度，控制加热系统将金属基板表面温度加热至设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度并保持；
步骤3：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板表面上方移动，将导电浆料和绝缘浆料交叠喷印于金属基板表面；保温设定时间后，导电浆料和绝缘浆料固化后形成单层结构；其中设定的保温时间与设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度对应；
步骤4：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构移动，使喷印头与已固化浆料表面距离满足喷印要求；测温系统测量金属基板表面上已固化的浆料表面温度，中央控制系统根据测温系统反馈的已固化浆料表面温度，控制加热系统提高金属基板温度，使已固化浆料表面温度达到设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度并保持；当考虑绝缘浆料和导电浆料的耐温性，而无法提高金属基板温度时，通过在绝缘浆料和导电浆料的固化温度交叠范围内降低设定的绝缘浆料和导电浆料固化温度，延长喷印后的保温时间，保证多层叠加后的固化效果；
步骤5：根据设定的分层打印模型，中央控制系统控制三轴运动平台带动绝缘浆料压电微孔喷印机构和导电浆料压电微孔喷印机构在金属基板表面上方移动，将导电浆料和绝缘浆料交叠喷印于已固化浆料表面；保温设定时间后，导电浆料和绝缘浆料固化后形成单层结构；
步骤6：重复步骤4和步骤5，完成多层PCB板制作。
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