CN110476493B - 使用增材制造按需制备印刷电路板托盘的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备印刷电路板托盘的方法。制备托盘的方法说明性地包括以下步骤：提供聚合物片料形式的基底；将流体施加到基底上将以三维形式构建托盘的选定位置处；将聚合物粉末沉积到基底上施加有流体的选定位置处；除去任何过量的未粘附到流体上的聚合物粉末；以及，加热托盘以将聚合物粉末熔融在一起并熔融至基底上。

Description

使用增材制造按需制备印刷电路板托盘的方法
技术领域
本公开涉及印刷电路板托盘，特别地，涉及制备用于制造印刷电路板的按需印刷电路板托盘的材料和方法。
背景技术
托盘例如选择性波峰焊接托盘用于构建印刷电路板(PCB)。这些PCB托盘提供模板以帮助在组装期间通过PCB上的孔组件安装。另外，PCB托盘可保护表面安装部件，并提供用于波峰焊接的未遮盖区域。这些PCB托盘通常通过手工铺叠工艺制得，该工艺从玻璃纤维嵌入式热固性片开始。将一个片堆叠在另一个上以形成盘。然后将该盘置于压力和高温下以固化热固性聚合物。通常，可能需要使用计算机数控(CNC)切割系统来切割托盘的盘以制备特定PCB布局所需的所有孔和槽。
作为电路设计的模板，PCB托盘承受来自焊接的循环热量，以及来自部件安装的冲击和化学品。由于这种相对恶劣的环境，PCB托盘往往会相对较快地磨损并需要更换。
更具体地，在使用时，将托盘和PCB放在焊料浴中，焊料通过托盘中的孔和槽粘附到PCB上。然后将各种清洁剂和其他化学品在托盘上施加到PCB上。因此，很容易看出这些托盘如何随着时间的推移而磨损并需要更换。然而，因为这些托盘造价昂贵并且需要相对长的时间来制备，更换成为问题。手工制造并需要大量的CNC时间来创建托盘的最终设计导致周转时间长达数周。这样的PCB托盘对于每个特定的PCB都是高度专业化的，因此等待根据当前方法制得的托盘可能会停止或延迟表面贴装技术PCB制造线。
发明内容
本公开包括通过按需增材制造工艺而不是使用传统的手工铺叠或其他工艺来构建PCB托盘。说明性地，按需制备新型PCB托盘的方法可以包括提供用于基底的无机片料。使用印刷型工艺，在构建托盘的选定位置处将受控的流体喷射施加到基底上。在施加流体后，将聚合物粉末在喷射有流体的位置处沉积到片料上。除去多余的粉末并根据需要重复该过程以形成在托盘上创建PCB模板的堆叠。然后将托盘置于压力下并加热以熔融聚合物粉末从而形成完整的最终PCB托盘。
本公开的说明性实施方式提供了一种制备PCB托盘的方法。制备托盘的方法包括以下步骤：提供无机片料形式的基底；将流体施加到基底上将以三维形式构建托盘的选定位置处；将聚合物粉末沉积到基底上施加有流体的选定位置处；除去任何过量的未粘附到流体上的聚合物粉末；以及加热托盘以将聚合物粉末熔融在一起。
在上述和其他说明性实施方式中，制备印刷电路板托盘的方法可以进一步包括：无机片料，其包括由选自由玻璃和碳组成的组的材料制成的随机取向的纤维；流体为聚结剂；基于印刷电路板的设计在该选定位置处将流体印刷到无机片料上；流体为挥发性流体；流体选自由水、含有2-吡咯烷酮的水、乙二醇和油中的至少一种组成的组；使用选自由喷墨(inkjet)、喷嘴(spray nozzles)、辊(rollers)和印模(stamps)组成的组的方法完成施加流体的步骤；沉积到基底上施加有流体的选定位置处的聚合物粉末选自由热塑性粉末、热固性粉末、尼龙、聚乙烯、聚醚醚酮中的至少一种组成的组；通过选自由吹入压缩空气(blown compressed air)、真空、振动和搅拌组成的组的方式除去过量的聚合物粉末；进一步包括以下步骤：重复以无机片料形式提供另一个基底的步骤；在另一个基底上的选定位置处将另一种流体施加到基底上以构建三维的托盘；将另外的聚合物粉末沉积到另一个基底上施加有另一种流体的选定位置处；在加热托盘前，除去任何过量的未粘附到另一种流体上的另一种聚合物粉末；在加厚炉中加热托盘；以及，炉温约为250华氏度以上。
本公开的另一个说明性实施方式提供了一种制备印刷电路板托盘的方法。制备托盘的方法包括以下步骤：将热塑性片料挤出；以及，用聚合物材料套印热塑性片料以在托盘上形成三维特征。
在上述和其他说明性实施方式中，制备印刷电路板托盘的方法可以进一步包括：使用熔融沉积成型套印热塑性片料，并切割热塑性片料。
附图说明
下面将参考附图描述示例性装置、系统和方法，该附图仅作为非限制性例子给出，其中：
图1是描绘制备PCB托盘的说明性方法的简化流程图；
图2是描绘制备PCB托盘的可选说明性方法的另一个简化流程图；
图3是包括损坏部分的PCB托盘的立体图。
具体实施方式
本文提供的附图和描述可以被简化以说明与清楚理解本文所述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚的目的，省略可以在典型的类似设备、系统和方法中找到的其他方面。因此，普通技术人员可以认识到，其他元件和/或操作可以是实现本文所述的设备、系统和方法所期望和/或必需的。但是因为这些元件和操作在本领域中是已知的，并且不利于更好地理解本公开，所以为了简洁起见，本文可能不提供对这些元件和操作的讨论。然而，本公开被认为仍然包括对于本领域普通技术人员已知方面的所有这些元件、变型和修饰。
贯穿全文提供实施方式使得本公开充分彻底并且将所公开的实施方式的范围完全传达给本领域技术人员。并阐述许多特定细节(例如特定组件、设备和方法的例子)以提供对本公开的实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用某些特定公开的细节，并且实施方式可以以不同的形式体现。因此，实施方式不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施方式中，可能未详细描述众所周知的工艺、众所周知的设备结构和众所周知的技术。
本文所用的术语仅用于描述特别实施方式的目的，而不是限制性的。例如，如本文所用的，单数形式“一(a)”，“一(an)”和“该/所述(the)”也可意在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。术语“包含(comprises)”、“含有(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包括性的，具体说明所述特点、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特点、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。除非明确指出是优选或需要的操作顺序，否则本文所述的步骤、工艺和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或说明的特定顺序的实施。还应理解的是，可以采用附加或替代步骤代替所公开的方面或与所公开的方面结合。
当元件或层被称为“在......上(on)”、“在......上(upon)”、“连接至(connectedto)”或“耦合至(coupled to)”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上、连接或耦合至另一个元件或层，除非另有明确说明，否则可以存在中间元件或层。相反地，当元件或层被称为“直接在......上(directly on)”、“直接在......上(directly upon)”上、“直接连接至(directly connected to)”或“直接耦合至(directly coupled to)”另一个元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。进一步地，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
进一步地，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。除非上下文明确说明，否则当在本文中使用时，例如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语不暗示次序或顺序。因此，在不脱离实施方式教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
本公开涉及使用增材制造而不是使用传统的手工铺叠或其他工艺来按需构建PCB托盘。按需制备新型PCB托盘的方法可以包括为基底提供聚合物片料。使用印刷型工艺，将受控的流体喷射施加到基底上将构建托盘的选定位置处。在施加流体后，将聚合物粉末在喷射有流体的位置处沉积到片料上。除去任何多余的粉末并根据需要重复该过程以形成堆叠。这些堆叠在托盘上形成PCB模板。然后将托盘加热并冷却以将聚合物粉末熔融在一起而形成完整的PCB托盘。在说明性实施方式中，可以通过酸蚀刻、喷砂或其他类似方式化学或物理地除去无机基底。
更特别地，图1中示出了如附图标记2所示的用于按需构建PCB托盘的工艺的说明性实施方式。该工艺从提供用作PCB托盘基底的片料开始，如附图标记4所示。然后，基于PCB的最终设计和结构，将聚结剂印刷到片料上的选定位置处，如附图标记6所示。在聚结剂后，将粉末状聚合物施加到聚结剂处的片料上，如附图标记8所示。然后，可以从片料中除去多余的聚合物粉末，如附图标记10所示。本领域技术人员可以理解，存在于在6中未印刷有聚结剂的位置的多余的聚合物被除去。在除去多余的聚合物的情况下，可以重复该多个片的堆叠可以彼此叠置的过程，如附图标记12所示。该工序在PCB模板所需的托盘上建立三维形状。完成后，将堆叠的片放入加厚炉中并加热，如附图标记14所示。该工序使所施加的聚合物粉末熔融。然后，从炉中取出托盘，如附图标记16所示。然后可以除去任何另外的松散聚合物并根据需要修整托盘以完成按需构建过程。
如所指出的，该说明性实施方式中的起点是提供将用作构建PCB托盘设计基础的片料基底。说明性地，片料可以是玻璃纤维垫或碳纤维垫，其可以根据需要的托盘被切割成所需的尺寸和形状。
关于根据附图标记6表示的步骤施加液体，可以将聚结剂施加到片料上。应理解的是，该流体可以是待施加到片料上的任何聚结流体，例如聚合物粉末的单体或低聚物。可选地，所施加的液体可以是挥发性流体，例如水、含有2-吡咯烷酮的水、乙二醇、油、表面活性剂或其组合。进一步应理解的是，施加液体可以通过各种印刷或沉积机制完成，例如喷墨和喷嘴、辊、印模等。关键是基于最终PCB托盘所需的结构特征根据预定义的设计沉积流体。
关于由图1中的附图标记8表示的聚合物粉末施加步骤，将粉末聚合物施加在由流体施加所定义位置处的片料上。因此，将粉末粘附到片料上的液体上。应理解的是，合适的聚合物粉末可以包括热塑性粉末或热固性粉末、尼龙、聚乙烯、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(polyaryl ether ketone)可以包括聚酮、聚醚酮、聚醚酮酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯砜、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺或其共聚物及其合金。进一步应理解的是，使用这些和其他类似聚合物，粒径和分布可以用于控制在片料上形成的所得凸起层的特征。
为了创建聚合物要制备的所需形状，需要根据图1的附图标记10所示的步骤除去任何多余的粉末聚合物。应理解的是，可以通过各种方式除去粉末，例如吹入压缩空气、真空、振动、搅拌等。目的是从没有特别沉积有流体的片料上的位置除去所有松散粉末。
在施加聚合物并除去多余的聚合物后，可以根据PCB模板的设计重复该过程至所需的程度。在片料上添加层的关键是在创建PCB所需的结构中创建三维体。因此，重复上述过程，将聚合物和片彼此堆叠以达到制备适当的三维形状所需的程度。
从12中的步骤构建堆叠后，可以将其放入炉中以熔融粉末而形成最终结构。在此，加热粉末并将颗粒彼此以及颗粒与片料熔融。另外，所施加的聚结剂或其他液体在该加热步骤期间蒸发。进一步应理解的是，根据所用液体的类型、所施加的聚合物和固化方式，也可以通过其他方式除去液体。此外，如本领域技术人员所预期的，炉中的温度和持续时间将依赖于用于粉末和片料的聚合物。说明性温度可以高于约250华氏度。
将托盘固化并从炉中取出后，可以通过本领域技术人员已知的方式修整或除去任何剩余的聚合物粉末或多余的熔融粉末。并且，除去无机片料。在该清理步骤后，托盘应该完全形成并准备好用于生产，即按需PCB托盘。
使用该按需增材工艺，制备替换托盘所需的时间可以从3-7天缩短到同一天。创建PCB托盘不再需要耗时的手工构建工艺。并且减少，在某些情况下可能取消CNC时间。也可以更便宜并且提供对托盘构建过程的直接控制。这意味着制备任何PCB的交付时间更短，可以降低表面贴装技术PCB制造线关闭以等待新托盘的风险。
另一个说明性实施方式可以包括将热塑性片料挤出，然后使用熔融沉积成型(FDM)方式打印机套印必需的特征以制备PCB托盘。在图2中示出了描绘制备PCB托盘的这种可选方法的简化流程图，如附图标记20所示。说明性地，将多个片料以约100密尔的标称片厚度挤出，如附图标记22所示。然后，将纸张通过FDM打印机以打印选择性构建位置，如附图标记24所示。FDM打印机本质上对托盘上的拦挡结构(damming features)进行二次成型(over-mold)。这使焊接材料远离PCB的非焊接部分。应理解的是，该过程可以用于CNC打印机以使所有切口进入用于焊接位置的托盘基底，如附图标记26所示。
在另一个说明性实施方式中，可以采用图1和2中所公开的方法来修复损坏的PCB托盘。图3中所示的PCB托盘30的立体图包括损坏部分32。采用方法2的步骤可以用于修复它。这包括在基于基底34上的损坏区域处施加聚结剂(如图2中的附图标记6所示)。然后，将粉末状聚合物施加到聚结剂上(如附图标记8最初所示)。然后，可以从PCB托盘上除去多余的聚合物粉末。可以重复这些步骤，直到将足够的聚合物添加到基底34上。因此，可以将损坏部分构建回其最初结构。进一步应理解的是，图2中所公开的可选工艺20也可以应用于PCB托盘30。
进一步地，提供本公开的描述是为了使本领域任何技术人员都能制备或使用所公开的实施方式。本公开的各种修饰对本领域技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围下，本文所定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文所述的例子和设计，而是应符合与本文所公开的原理和新颖性特征一致的最宽范围。

Claims (13)

1.一种制备印刷电路板托盘的方法，该方法包括以下步骤：
提供无机片料形式的基底；
将流体施加到所述基底上将以三维形式构建托盘的选定位置处；
将聚合物粉末沉积到所述基底上施加有所述流体的选定位置处；
除去任何过量的未粘附到所述流体上的聚合物粉末；以及
加热托盘以将所述聚合物粉末熔融在一起并熔融至所述基底上；
其中，所述流体为挥发性流体，所述流体选自由水、含有2-吡咯烷酮的水、乙二醇和油中的至少一种组成的组。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物片料包括由选自由玻璃和碳组成的组的材料制成的随机取向的纤维。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体为聚结剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，基于印刷电路板的设计，将流体印刷到所述聚合物片料上的选定位置处。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用选自由喷墨、喷嘴、辊和印模组成的组的方法完成施加所述流体的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积到所述基底上施加有所述流体的选定位置处的聚合物粉末选自由热塑性粉末、热固性粉末、尼龙、聚乙烯、聚芳醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜中的至少一种组成的组。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，过量的聚合物粉末通过选自由吹入压缩空气、真空、振动和搅拌组成的组的方式除去。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：重复以无机片料形式提供另一个基底的步骤；在另一个基底上的选定位置处将另一种流体施加到所述基底上以构建三维的托盘；将另外的聚合物粉末沉积到另一个基底上施加有另一种流体的选定位置处；以及，在加热所述托盘前，除去任何过量的未粘附到另一种流体上的另一种聚合物粉末。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在炉中加热所述托盘。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，炉温为250华氏度以上。
11.一种修复印刷电路板托盘的方法，该方法包括以下步骤：
提供已存在但损坏的印刷电路板托盘；
将流体施加到所述损坏的印刷电路板托盘上将构建损坏的印刷电路板托盘的选定位置处；
将聚合物粉末沉积到所述损坏的印刷电路板托盘上施加有所述流体的选定位置处；
除去任何过量的未粘附到所述流体上的聚合物粉末；以及
加热所述损坏的印刷电路板托盘以将所述聚合物粉末熔融在一起并熔融至所述托盘的无机片料形式的基底上；
其中，所述流体为挥发性流体，所述流体选自由水、含有2-吡咯烷酮的水、乙二醇和油中的至少一种组成的组。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述流体为聚结剂。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，使用选自由喷墨、喷嘴、辊和印模组成的组的方法完成施加所述流体的步骤。
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