CN110636692A - 一种pcb和电机以及pcb的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及印刷电路板(PCB)制造工艺技术领域，提供了一种PCB和一种电机以及一种PCB的制作方法。其中，所述PCB包括基材板和所述基材板表面的底层导电线丝，所述底层导电线丝添加石墨烯复合材料层，所述石墨烯复合材料层作为所述PCB的导电线路。所述PCB被应用于制造无刷电机定子，含所述电机定子即为本发明提供的电机。所述制作PCB的方法，主要包括将含有氧化石墨烯和金属离子的离子液作为电镀液，底层导电线丝作为阴极衬底，在阴极衬底上沉积形成石墨烯复合材料镀层。本发明提供的PCB对导电线路进行改进，可显著减小导电线路的总重，并提高导电线路的导电性能、导热性、走线电阻稳定性以及耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及印刷电路板(PCB)制造工艺技术领域，尤其涉及一种PCB和一种采用PCB做定子的电机的制作方法。
背景技术
PCB(Printed Circuit Board)，中文名称为印刷电路板，是重要的电子部件，作为电子元器件的支撑体。一块还没有封装电子元器件的PCB主要包括基材板和基材板表面的导电线路，其中基材板主要作为支撑体和绝缘层，需具有一定的机械强度和耐电压击穿能力，现有基材板一般选用纸基板、环氧玻纤布基板或酚醛树脂板等轻型板材。而基材板表面的导电线路多是经过内层蚀刻形成底铜和在底铜衬底上进行电镀形成二次铜，最终形成铜厚合适的铜质导电线路。整块PCB的总重中铜质导电线路所占的比重较大，当基材板材料已发展至极轻时，铜质导电线路的重量成为制约PCB进一步轻型化的短板。
此外，铜质导电线路具有走线电阻，而铜质导电线路的走线电阻会因为剧烈温升而明显变化，同时还会伴随使用时间的延长而发生氧化和锈蚀，导致走线电阻进一步变化，甚至出现铜质导电线路产生缺口或断裂，直接影响电信号传输。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种PCB，所述PCB对导电线路进行改进，可显著减小导电线路的总重，并提高导电线路的导电性能、导热性、走线电阻稳定性以及耐腐蚀性。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种PCB，包括基材板和所述基材板上的底层导电线丝，所述底层导电线丝有石墨烯复合材料层，所述石墨烯复合材料层作为所述PCB的导电线路。
优选的，所述底层导电线丝的基体为铜线丝，所述石墨烯复合材料层为铜-石墨烯复合材料镀层。
与现有技术相比，本发明所提供的PCB具有以下有益效果：
1、现有PCB的导电线路是经过内层蚀刻形成底铜和在底铜衬底上进行电镀形成二次铜，最终形成铜厚较厚的铜质导电线路，而总的铜质导电线路的总重较大，制约了PCB进一步轻型化。而本发明所提供的PCB在内层蚀刻形成的底铜(或其他金属)电镀石墨烯复合材料，相比铜质材料，石墨烯复合材料的密度低，且石墨烯复合材料的导电和导热性能高于铜质材料，因此石墨烯复合材料镀层的厚度即便远小于二次铜厚度，电阻也不会明显增大，因此本发明所提供的PCB的导电线路能降低金属用量仍保障标定电流承载，克服了制约PCB进一步轻型化和进一步提升电流承载的短板。
2、石墨烯复合材料具有很好的机械性能、导热性能和耐腐蚀性能，与现有的PCB相比，本发明提供的PCB更具有耐磨、抗机械破坏、散热以及耐腐蚀优势，在所述PCB使用期间或长期使用后，可避免导电线路的走线电阻因剧烈温升而明显变化，还可防止导电线路因氧化和锈蚀而产生缺口或断裂，避免影响电信号传输。
本发明的第二个目的在于提供一种电机，所述电机中运用到上述技术方案中提供的PCB。为了实现该目的，本发明提供以下技术方案：一种电机，包括电机定子，所述电机定子含以上任一技术方案中所提供的PCB。
本发明的第三个目的在于提供一种制备上述PCB的方法，具体包括：
制作覆铜板，所述覆铜板包括基材板和所述基材板表面的金属箔；
将所述金属箔蚀刻为底层导电线丝；
将氧化石墨烯分散于离子液中，所述离子液中含有金属离子；
将所述离子液作为电镀液，将所述基材板表面的底层导电线丝作为阴极衬底，由电流控制脉冲在阴极衬底上沉积得到石墨烯复合材料镀层，所述电流控制脉冲包括电流在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电流为零值的停顿时期；或者，
将所述离子液作为电镀液，将所述基材板表面的底层导电线丝作为阴极衬底，由电压控制脉冲在阴极衬底上沉积得到石墨烯复合材料镀层，所述电压控制脉冲包括电压在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电压为零值的停顿时期。
本技术方案中，在正向脉冲时期，离子液中的金属离子在阴极衬底上(即基材板表面的底层导电线丝表面)被还原，沉积形成超薄金属镀层。在停顿时期，中性氧化石墨烯以范德华力吸附在超薄金属镀层表面。在随后的又一个正向脉冲时期，吸附在超薄金属镀层表面的氧化石墨烯释放氧化官能团而首先被还原成石墨烯；之后离子液中的金属离子被还原，并覆盖上述还原形成的石墨烯，最终形成石墨烯复合材料镀层。
优选的，所述离子液中含有的金属离子为铜离子，所述底层导电线丝为铜线丝。
优选的，所述离子液中包括氯化胆碱和乙二醇，氯化胆碱与乙二醇之间的摩尔比为1:2。
优选的，所述电流控制脉冲的正向脉冲时期的持续时间为10～100ms，电流密度为-1.5～-0.1ASD；所述电流控制脉冲的停顿时期的持续时间为10～100ms。
优选的，所述电压控制脉冲的正向脉冲时期的持续时间为10～100ms，电压为-4.5～-1.3V；所述电压控制脉冲的停顿时期的持续时间为10～100ms。
优选的，所述氧化石墨烯在所述离子液中的浓度为0.2～1.0g/L，所述铜离子在所述离子液中的浓度为1～60mM。
进一步地，所述方法还包括在脉冲电镀期间，利用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌转速为50～200r/min。通过搅拌可促进离子液中的传质过程，及时为阴极补充金属离子和氧化石墨烯，可提高电镀效率，同时使整段底层导电线丝表面的石墨烯复合材料镀层厚度均匀。
本发明提供的上述方法选用离子液作为氧化石墨烯的溶剂，使氧化石墨烯更易溶解与分散均匀，确保足量的氧化石墨烯可以因范德华力吸附于阴极衬底的超薄金属镀层表面；离子液中不含水，其作为电镀液，可避免电沉积中产生氢气，所以可避免镀层发生氢脆现象，也无废水排放。离子液几乎无蒸汽产生，并且离子液容易再生，能循环使用，可以真正实现绿色环保生产。并且上述方法成本较低，工艺简单，不需要高温高真空等制备环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。
图1所示为实施例1提供的PCB的截面示意图。
图2所示为电流密度为-0.5ASD时的脉冲电流密度变化图。
图3所示为电流密度为-0.5ASD时相应的电压变化图。
图4所示为电流密度为-0.75ASD时的脉冲电流密度变化图。
图5所示为电流密度为-0.75ASD时相应的电压变化图。
图6所示为电流密度为-1.5ASD时的脉冲电流密度变化图。
图7所示为电流密度为-1.5ASD时相应的电压变化图。
图8所示为实验组1的石墨烯复合材料镀层图。
图9所示为实验组1的石墨烯复合材料拉曼光谱图。
图10所示为实验组2的石墨烯复合材料拉曼光谱图。
图11所示为实验组3的石墨烯复合材料拉曼光谱图。
图12所示为实验组4的石墨烯复合材料拉曼光谱图。
图13所示为实验组5的石墨烯复合材料拉曼光谱图。
图14所示为实验组6的石墨烯复合材料拉曼光谱图。
图中标号说明：
10-基材板；20-底层导电线丝；30-石墨烯复合材料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1：
请参阅图1所示，本实施例提供了一种PCB，所述PCB包括基材板10和基材板10上的底层导电线丝20。其中，所述底层导电线丝20有石墨烯复合材料层30，所述石墨烯复合材料层30作为所述PCB的导电线路。
作为举例，所述底层导电线丝20的基体可选用金属线丝，例如铜线丝、铝线丝、银线丝等等，其中优选为现常用的铜线丝。
作为举例，所述石墨烯复合材料层30可选用铜-石墨烯复合材料镀层、铝-石墨烯复合材料镀层、银石墨烯复合材料镀层等等，其中优选为铜-石墨烯复合材料镀层。
本实施例还可将所述PCB应用于电机，例如本实施例还提供一种电机，所述电机包括电机定子，所述电机定子含本实施例所提供的PCB。
实施例2：
本实施例提供了一种制备实施例1所述PCB的方法，所述方法具体包括：
S1制作覆铜板，所述覆铜板包括基材板和所述基材板表面的金属箔；
S2将所述金属箔蚀刻为底层导电线丝；
S3将氧化石墨烯分散于离子液中，所述离子液中含有金属离子；
S4将所述离子液作为电镀液，将所述基材板表面的底层导电线丝作为阴极衬底，由电流控制脉冲在阴极衬底上沉积得到石墨烯复合材料镀层，所述电流控制脉冲包括电流在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电流为零值的停顿时期；或者，
将所述离子液作为电镀液，将所述基材板表面的底层导电线丝作为阴极衬底，由电压控制脉冲在阴极衬底上沉积得到石墨烯复合材料镀层，所述电压控制脉冲包括电压在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电压为零值的停顿时期。
应当理解的，上述步骤S3可提至步骤S 1或S2之前，由于步骤S1、S2和S3为现有技术，本领域普通技术人员可毫无疑义地确定该部分技术内容，因此本实施例不再对步骤S1、S2和S3作进一步详细介绍。
基于上述四个步骤，本实施例具体给出六个实验组，六个实验组中，离子液中的金属离子均选用铜离子。六个实验组用于证明在阴极衬底上可以沉积形成石墨烯复合材料镀层，以进一步证明实施例1提供的PCB可实现，具有实用性。
实验组1：选用摩尔比为1:1的氯化胆碱和乙二醇作为离子液；该离子液中含有氧化石墨烯，氧化石墨烯的浓度为0.2g/L；该离子液中含有铜离子，铜离子的浓度为1mM。
将上述离子液作为电镀液，选用基材板的底层导电线丝作为阴极衬底，选用铂片作为阳极，利用一台可提供脉冲的电源施加由电流控制的脉冲，其中正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-0.5ASD，停顿时期的持续时间为60ms。电镀期间不使用搅拌器对离子液进行搅拌。
脉冲电镀期间，电流密度及相应电压变化，请参阅图2和图3所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的宏观图片，请参阅图8所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的拉曼光谱图，请参阅图9所示，用于表征石墨烯。
实验组2：选用摩尔比为1:2的氯化胆碱和乙二醇作为离子液；该离子液中含有氧化石墨烯，氧化石墨烯的浓度为0.4g/L；该离子液中含有铜离子，铜离子的浓度为10mM。
将上述离子液作为电镀液，选用基材板的底层导电线丝作为阴极衬底，选用铂片作为阳极，利用一台可提供脉冲的电源施加由电流控制的脉冲，其中正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-0.75ASD，停顿时期的持续时间为60ms。电镀期间使用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌的转速为50r/min。
脉冲电镀期间，电流密度及相应电压变化，请参阅图4和图5所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的拉曼光谱图，请参阅图10所示，用于表征石墨烯。
实验组3：选用摩尔比为1:2的氯化胆碱和乙二醇作为离子液；该离子液中含有氧化石墨烯，氧化石墨烯的浓度为0.6g/L；该离子液中含有铜离子，铜离子的浓度为20mM。
将上述离子液作为电镀液，选用基材板的底层导电线丝作为阴极衬底，选用铂片作为阳极，利用一台可提供脉冲的电源施加由电流控制的脉冲，其中正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-0.75ASD，停顿时期的持续时间为60ms。电镀期间使用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌的转速为50r/min。
脉冲电镀期间，电流密度及相应电压变化，请参阅图4和图5所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的拉曼光谱图，请参阅图11所示，用于表征石墨烯。
实验组4：选用摩尔比为1:1的氯化胆碱和乙二醇作为离子液；该离子液中含有氧化石墨烯，氧化石墨烯的浓度为0.6g/L；该离子液中含有铜离子，铜离子的浓度为20mM。
将上述离子液作为电镀液，选用基材板的底层导电线丝作为阴极衬底，选用铂片作为阳极，利用一台可提供脉冲的电源施加由电流控制的脉冲，其中正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-1.5ASD，停顿时期的持续时间为60ms。电镀期间使用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌的转速为200r/min。
脉冲电镀期间，电流密度及相应电压变化，请参阅图6和图7所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的拉曼光谱图，请参阅图12所示，用于表征石墨烯。
实验组5：选用摩尔比为2:1的氯化胆碱和乙二醇作为离子液；该离子液中含有氧化石墨烯，氧化石墨烯的浓度为1.0g/L；该离子液中含有铜离子，铜离子的浓度为60mM。
将上述离子液作为电镀液，选用基材板的底层导电线丝作为阴极衬底，选用铂片作为阳极，利用一台可提供脉冲的电源施加由电流控制的脉冲，其中正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-1.5ASD，停顿时期的持续时间为60ms。电镀期间使用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌的转速为200r/min。
脉冲电镀期间，电流密度及相应电压变化，请参阅图6和图7所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的拉曼光谱图，请参阅图13所示，用于表征石墨烯。
实验组6：选用摩尔比为2:1的氯化胆碱和乙二醇作为离子液；该离子液中含有氧化石墨烯，氧化石墨烯的浓度为1.0g/L；该离子液中含有铜离子，铜离子的浓度为60mM。
将上述离子液作为电镀液，选用基材板的底层导电线丝作为阴极衬底，选用铂片作为阳极，利用一台可提供脉冲的电源施加由电流控制的脉冲，其中正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-0.5ASD，停顿时期的持续时间为60ms。电镀期间使用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌的转速为100r/min。
脉冲电镀期间，电流密度及相应电压变化，请参阅图2和图3所示。本实施例所制备的石墨烯复合材料镀层的拉曼光谱图，请参阅图14所示，用于表征石墨烯。
将每个实验组所得的拉曼光谱图与典型的石墨烯拉曼光谱图进行比较，以表征石墨烯，并判断每个实验组所制得的石墨烯复合材料镀层的质量。上述6个实验组中，实验组2和实验组3的拉曼光谱图中具有明显的G峰、G′峰和D峰等特征峰，与典型的石墨烯拉曼光谱图更吻合。由上述6个实验组可知，当离子液中氯化胆碱与乙二醇之间的摩尔比为1～4:2，氧化石墨烯在离子液中的浓度为0.2～1.0g/L，铜离子在离子液中的浓度为1～60mM，铜片或不锈钢片作为阴极衬底，由电流控制脉冲，且正向脉冲时期的持续时间为40ms，电流密度为-1.5～-0.5ASD，停顿时期的持续时间为60ms时，能制备得到石墨烯复合材料镀层。如果在脉冲电镀期间同时利用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌速度控制位50～200r/min时，可促进离子液中的传质过程，及时为阴极补充金属离子和氧化石墨烯，进而制备得到质量更优质的石墨烯复合材料镀层。
上述6个实验组仅给出了本发明的一些较优的工艺参数条件，应当理解的，在上述6个实验组以外的工艺参数条件也应落入本发明的保护范围。例如发明人在实验中证实正向脉冲时期的持续时间控制为10～100ms，电流密度控制为-1.5～-0.1ASD，停顿时期的持续时间控制为10～100ms，均能制备出石墨烯。
本领域普通技术人员容易理解的，上述6个实验组中，电流控制脉冲还可由电压控制脉冲替换，当采用电压控制脉冲时，电压控制脉冲包括电压在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电压为零值的停顿时期。其中，发明人经过实验证实，电压控制脉冲的正向脉冲时期的持续时间优选为10～100ms，电压优选为-4.5～-1.3V；所述电压控制脉冲的停顿时期的持续时间优选为10～100ms。
通过上述六个实验组并结合附图，显而易见的，在阴极衬底上可沉积形成石墨烯复合材料镀层。在工业生产应用中，可简单地将实验组1、3、4、6的铜片或不锈钢片替换为PCB的基材板，并将基材板表面的底层导电线丝与电源连接，作为阴极衬底，再按照上述实验组设定工业参数，即可在底层导电线丝沉积形成石墨烯复合材料镀层。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种PCB，包括基材板和所述基材板上的底层导电线丝，其特征在于，所述底层导电线丝有石墨烯复合材料层，所述石墨烯复合材料层作为所述PCB的导电线路。
2.根据权利要求1所述的PCB，其特征在于，所述底层导电线丝的基体为铜线丝，所述石墨烯复合材料层为铜-石墨烯复合材料镀层。
3.一种电机，包括电机定子，其特征在于，所述电机定子含权利要求1或2所述的PCB。
4.一种PCB的制作方法，其特征在于，包括：
制作覆铜板，所述覆铜板包括基材板和所述基材板表面的金属箔；
将所述金属箔蚀刻为底层导电线丝；
将氧化石墨烯分散于离子液中，所述离子液中含有金属离子；
将所述离子液作为电镀液，将所述基材板表面的底层导电线丝作为阴极衬底，由电流控制脉冲在阴极衬底上沉积得到石墨烯复合材料镀层，所述电流控制脉冲包括电流在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电流为零值的停顿时期；或者，
将所述离子液作为电镀液，将所述基材板表面的底层导电线丝作为阴极衬底，由电压控制脉冲在阴极衬底上沉积得到石墨烯复合材料镀层，所述电压控制脉冲包括电压在沉积表面为负值的正向脉冲时期，和电压为零值的停顿时期。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述离子液中含有的金属离子为铜离子，所述底层导电线丝的基体为铜线丝。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述离子液中包括氯化胆碱和乙二醇，氯化胆碱与乙二醇之间的摩尔比为1:2。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电流控制脉冲的正向脉冲时期的持续时间为10～100ms，电流密度为-1.5～-0.1ASD；所述电流控制脉冲的停顿时期的持续时间为10～100ms。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电压控制脉冲的正向脉冲时期的持续时间为10～100ms，电压为-4.5～-1.3V；所述电压控制脉冲的停顿时期的持续时间为10～100ms。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯在所述离子液中的浓度为0.2～1.0g/L，所述铜离子在所述离子液中的浓度为1～60mM。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在脉冲电镀期间，利用搅拌器对离子液进行搅拌，搅拌转速为50～200r/min。
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