CN109548301B - 一种基于fr-4基板的电子电路3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FR‑4基板的电子电路3D打印方法，包括如下步骤：(1)设计PCB文件；(2)将PCB文件输出转换为CAD图形文件；(3)确定打印方案；(4)在打印设备控制软件中设置设备使用参数；(5)将配兑好的导电浆料装入打印针头，再将装好银浆料和银钯浆料的针头装入打印设备；(6)固定基板；(7)启动设备，打印针头挤压出导电浆料在FR‑4基板上，并按设置路径移动；(8)初步加热干燥后，激光烧结。本发明打印形成的电子电路更有推广价值，满足电子产品快速验证需要；能够形成各种复杂电路图形；采用激光烧结方式固化导电浆料形成的电子电路板，结合力好，满足对热应力、粘合强度、温度冲击等试验考核，经过回流焊测试安装焊盘可焊性好。

Description

一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法。
背景技术
电子制造行业市场竞争日益加剧，实现产品快速制造与功能指标快速验证已成为抢占市场的利器。以3D打印为代表的快速成型技术已经在制造行业得到大量应用，由于其材料利用率高、响应速度快、复杂零件制造性好等优点，大幅降低了研制风险和缩短研制时间。就整机电子产品快速制造而言，相关金属与非金属3D打印技术已比较成熟，并在产品中得到广泛应用。而电子电路作为电子产品的核心部件，其3D打印技术发展较晚，技术成熟度较低，因此在产品中应用较少。综观目前电子电路3D打印技术情况，采用的技术有喷墨技术、FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型)技术，加热固化或UV光固化、红外光固化、常温自固化等，采用的基板材料有绝缘油墨、纸张、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物(ABS P400)、尼龙(PA)、聚乳酸(PLA)等；采用的导电材料有导电金属油墨、液态金属、导电胶等。上述打印方法都以打印挠性电路为主，而且导电线路与非金属基板结合力较差，因此亟需提出一种新的电子电路3D打印方法，满足刚性电子电路的快速成型，并且导电线路与非金属基板应具有较好的结合力，可满足GB/T 4677-2002《印制板测试方法》给出的镀层最小附着力和满足相关标准对热应力、温度冲击的要求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题或至少提供一种可行的技术选择途径。为此，本发明的目的在于提出一种可制造刚性电子电路的3D打印方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据设计要求，采用EDA设计软件设计电子电路图形；
(2)将采用步骤(1)所用软件设计的PCB文件输出转换为CAD图形文件；
(3)确定打印方案；
(4)在打印设备控制软件中设置设备使用参数，设置针头与基板间距离20μm，设置打印气压0.2MPa，设置打印速度3mm/s；
(5)将配兑好的导电浆料装入打印针头，导电浆料包括银浆料和银钯浆料；
银浆料和银钯浆料分别装入针头内径0.23mm的打印针头，再将装好银浆料和银钯浆料的针头装入打印设备；
(6)将FR-4基板固定在工作台上；
(7)启动设备，打印针头挤压出导电浆料在FR-4基板上，并按设置路径移动；
(8)不同的打印针头挤压出不同的导电浆料，银浆料打印导电线路，银钯浆料打印焊盘；
(9)初步加热干燥后，激光头沿着打印路径移动，激光烧结导电浆料，使其固化；最终形成所需的电子电路。
作为优选方式，EDA设计软件包括Altium Designer、Cadence、protel。
作为优选方式，确定打印方案：在AutoCAD软件中打开步骤(2)输出的CAD图形文件，根据线路图形需求，选择不同浆料，确定打印方案，然后在AutoCAD软件中设置打印路径，再转换成可打印CAD图形文件。
作为优选方式，打印方案包括打印针头选择、路径规划、打印速度。
作为优选方式，干燥温度为100℃-150℃，干燥时间为15分钟。
作为优选方式，银浆料组成包括：银粉末粒度小于5μm，金属含量80％，其他成分含量20％，稀释剂为松油醇，黏度240-360Pa·S。
作为优选方式，所述打印银浆料的制备方法为：稀释比例(重量)2:100，混合后充分搅拌，获得打印用银浆料。
作为优选方式，银钯浆料组成包括：银钯粉末粒度小于5μm，银钯含量80％，其他成分20％，稀释剂为松油醇，黏度150-300Pa·S。
作为优选方式，银钯浆料的制备方法为：稀释比例(重量)2:100，混合后充分搅拌，获得银钯浆料。
作为优选方式，银浆料激光烧结的工艺参数如下：激光斑径10μm、激光功率0.2W、激光扫描速率3mm/s、离焦距离0mm、扫描中心间距50μm；
所述银钯浆料激光烧结的工艺参数如下：激光斑径11μm、激光功率1W、激光扫描速率8mm/s、离焦距离4mm、扫描中心间距80μm。
本发明的有益效果是：
1.采用常用的普通的FR-4材料作基板，在此基板上打印形成的电子电路更有推广价值，满足电子产品快速验证需要；
2.采用挤压导电浆料直接形成电路图形速度快，能够形成各种复杂电路图形；
3.采用激光烧结方式固化导电浆料形成的电子电路板，导电线路与基板的结合力好，可满足对热应力、粘合强度、温度冲击等试验考核，经过回流焊测试安装焊盘可焊性好。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，包括如下步骤：
(1)根据设计要求，采用EDA设计软件设计电子电路图形(即图1中的在计算机上设计电子电路的线路图PCB文件)；
(2)将采用步骤(1)所用软件设计的PCB文件输出转换为CAD图形文件，如DWG、DXF等；
(3)确定打印方案；
(4)在打印设备控制软件中设置设备使用参数，设置针头与基板(FR-4基板)间距离20μm，设置打印气压0.2MPa，设置打印速度3mm/s；
(5)将配兑好的导电浆料装入打印针头，导电浆料包括银浆料和银钯浆料；
银浆料和银钯浆料分别装入针头内径0.23mm的打印针头，再将装好银浆料和银钯浆料的针头装入打印设备；
(6)将FR-4基板固定在工作台上；
(7)启动设备，打印针头挤压出导电浆料在FR-4基板上，并按设置路径移动；
(8)不同的打印针头挤压出不同的导电浆料，银浆料打印导电线路，银钯浆料打印焊盘；
(9)初步加热干燥后，激光头沿着打印路径移动，激光烧结导电浆料，使其固化；最终形成所需的电子电路。
在一个优选实施例中，EDA设计软件包括Altium Designer、Cadence、protel。
在一个优选实施例中，确定打印方案：在AutoCAD软件中打开步骤(2)输出的CAD图形文件，根据线路图形需求，选择不同浆料，导电线路选择银浆料，焊盘选择银钯浆料，确定打印方案(包括打印针头选择、路径规划、打印速度等)，然后在AutoCAD软件中设置打印路径，再转换成可打印CAD图形文件。
在一个优选实施例中，打印方案包括打印针头选择、路径规划、打印速度。
在一个优选实施例中，干燥温度为100℃-150℃，干燥时间为15分钟。
在一个优选实施例中，银浆料组成包括：银粉末粒度小于5μm，金属(即银粉)含量80％，其他成分含量20％(其他成分包括玻璃粉、氧化铝、氧化硅、氧化铋和氧化铜)，稀释剂为松油醇(分析纯)，黏度240-360Pa·S。
在一个优选实施例中，打印银浆料的制备方法为：稀释比例(重量)2:100，即银浆材料2份、松油醇(分析纯)100份，混合后充分搅拌，获得打印用银浆料。
在一个优选实施例中，银钯浆料组成包括：银钯粉末粒度小于5μm，银钯含量80％，其他成分20％(其他成分包括玻璃粉、氧化铝、氧化硅、氧化铋和氧化铜)，稀释剂为松油醇(分析纯)，黏度150-300Pa·S。
在一个优选实施例中，打印用银钯浆料的制备方法为：稀释比例(重量)2:100，即银钯浆料2份、松油醇(分析纯)100份，混合后充分搅拌，获得银钯浆料。
在一个优选实施例中，银浆料激光烧结的工艺参数如下：激光斑径10μm、激光功率0.2W、激光扫描速率3mm/s、离焦距离0mm、扫描中心间距50μm；
所述银钯浆料激光烧结的工艺参数如下：激光斑径11μm、激光功率1W、激光扫描速率8mm/s、离焦距离4mm、扫描中心间距80μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据设计要求，采用EDA设计软件设计电子电路图形；
(2)将采用步骤(1)所用软件设计的PCB文件输出转换为CAD图形文件；
(3)确定打印方案；
(4)在打印设备控制软件中设置设备使用参数，设置针头与基板间距离20μm，设置打印气压0.2MPa，设置打印速度3mm/s；
(5)将配兑好的导电浆料装入打印针头，导电浆料包括银浆料和银钯浆料；
银浆料和银钯浆料分别装入针头内径0.23mm的打印针头，再将装好银浆料和银钯浆料的针头装入打印设备；
(6)将FR-4基板固定在工作台上；
(7)启动设备，打印针头挤压出导电浆料在FR-4基板上，并按设置路径移动；
(8)不同的打印针头挤压出不同的导电浆料，银浆料打印导电线路，银钯浆料打印焊盘；
(9)初步加热干燥后，激光头沿着打印路径移动，激光烧结导电浆料，使其固化；最终形成所需的电子电路；
所述银浆料激光烧结的工艺参数如下：激光斑径10μm、激光功率0.2W、激光扫描速率3mm/s、离焦距离0mm、扫描中心间距50μm；
所述银钯浆料激光烧结的工艺参数如下：激光斑径11μm、激光功率1W、激光扫描速率8mm/s、离焦距离4mm、扫描中心间距80μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：EDA设计软件包括Altium Designer、Cadence、protel。
3.根据权利要求1所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：确定打印方案：在AutoCAD软件中打开步骤(2)输出的CAD图形文件，根据线路图形需求，选择不同浆料，确定打印方案，然后在AutoCAD软件中设置打印路径，再转换成可打印CAD图形文件。
4.根据权利要求3所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：打印方案包括打印针头选择、路径规划、打印速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：干燥温度为100℃-150℃，干燥时间为15分钟。
6.根据权利要求1所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：银浆料组成包括：银浆料组成包括：银粉、其他成分、稀释剂；其中，银粉末粒度小于5μm，银粉含量80％，其他成分含量20％，稀释剂为松油醇，黏度240-360Pa·S。
7.根据权利要求6所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：所述银浆料的制备方法为：稀释比例重量计2:100，混合后充分搅拌，获得打印用银浆料。
8.根据权利要求1所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：所述银钯浆料组成包括：银钯粉、其他成分、稀释剂；其中，银钯粉末粒度小于5μm，银钯含量80％，其他成分20％，稀释剂为松油醇，黏度150-300Pa·S。
9.根据权利要求8所述的一种基于FR-4基板的电子电路3D打印方法，其特征在于：所述银钯浆料的制备方法为：稀释比例重量计2:100，混合后充分搅拌，获得银钯浆料。
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