CN111276296A - 一种导电银浆复合烧结方法及装置 - Google Patents

一种导电银浆复合烧结方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电银浆复合烧结方法及装置，所述导电银浆复合烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：1）向导电银浆中添加烧结剂，引发银颗粒的自烧结，所述烧结剂为能够实现导电银浆快速烧结的烧结剂，添加烧结剂的质量不超过银浆质量的5％；2）将添加了烧结剂的导电银浆按照预设的电路加工路径沉积到基体上，在沉积过程中通过在线辅助热源烧结导电银浆。本发明方法通过改进与在线烧结设备配合的导电浆料制备工艺，相较于现有的后处理烧结工艺，可实现浆料的原位快速烧结，相较于现有的在线烧结工艺，通过对成分的优化配置，可弥补其热量“由上而下”传递造成的烧结不完全问题，使烧结后获得内部结构致密、电阻率低的导电迹线。

Description

一种导电银浆复合烧结方法及装置
技术领域
本发明属于电子电路制造技术领域，涉及3D打印技术，具体为一种导电银浆复合烧结方法及装置。
背景技术
为将导电银浆从不导电的浆料转化为具备导电能力的导电迹线，目前已有多种导电银浆烧结方式。按其烧结时间，可将其分为两大类：后处理烧结、在线烧结。
后处理烧结主要包括热烧结、化学烧结、微波烧结、欧姆烧结。这类烧结方式的特点是，在导电银浆沉积完成后，使用热、烧结剂或微波烧结银浆。后处理烧结可以实现导电银浆的均匀烧结，获得低电阻率的导电迹线，缺点是无法实现快速烧结，降低生产效率。
在线烧结主要包括激光烧结、闪灯烧结、紫外固结。这类烧结方式的特点是，在沉积银浆的过程中，使用点激光、闪灯或紫外灯，在线烧结银浆。在线烧结可以实现导电银浆的快速烧结，缺点是由于热量传递“由上而下”，无法实现导电银浆的均匀烧结，导电迹线致密度低，电阻率高。
因此，亟需一种既可以快速烧结又可以均匀烧结的导电银浆烧结方式，以快速获得低电阻率的导电迹线。
发明内容
针对背景技术中所描述的技术改进需求，本发明提供了一种导电银浆复合烧结方法，以及可进一步提升该方法烧结效果的设有在线辅助热源的电路打印装置。
本发明的技术方案为：
一种导电银浆复合烧结方法，其特征在于，包括：
1)向导电银浆中添加烧结剂，引发银颗粒的自烧结，添加烧结剂的质量不超过银浆质量的5％；
2)将添加了烧结剂的导电银浆按照预设的电路加工路径沉积到基体上，在沉积过程中通过在线辅助热源烧结导电银浆。
所述导电银浆一般选择沸点在200摄氏度以下的溶剂。
作为优选，所述导电银浆中的银颗粒为纳米银颗粒。
作为优选，所述导电银浆的溶剂采用易挥发溶剂，导电颗粒为直径20纳米的纳米银颗粒，且纳米银颗粒表面被分散剂包覆，即导电银浆中含有分散剂。
一种用于如上所述复合烧结方法的设有在线辅助热源的电路打印装置，包括控制系统、在线辅助热源、导电浆料喷头和喷头运动执行机构，所述喷头运动执行机构包括一主轴，导电浆料喷头安装在所述主轴的底部，其特征在于：
所述3D打印装置还设有环绕跟随模块和自动调焦模块；
所述环绕跟随模块包括环绕臂、第一驱动设备和环绕传动机构，所述环绕臂水平设置，安装在主轴上，与主轴相垂直；所述第一驱动设备安装在环绕臂上，通过环绕传动机构控制环绕臂围绕主轴水平转动；
在线辅助热源通过所述自动调焦模块与环绕臂连接，所述自动调焦模块包括第二驱动设备和调焦传动机构，用于控制在线辅助热源相对环绕臂俯仰转动；
所述第一驱动设备和第二驱动设备的控制信号输入端分别与所述控制系统连接，通过控制系统根据设定好的加工路径，规划在线辅助热源的水平旋转角度和俯仰转动角度，以此控制第一驱动设备和第二驱动设备的动作，在导电浆料喷头的运动过程中，使激光束的光斑始终落在导电浆料喷头在加工路径中的后方上游位置，固化刚沉积在基体上的导电银浆。
进一步的，所述环绕传动机构包括固定安装在主轴上的锥面齿圈，所述锥面齿圈与主轴同心同轴；所述第一驱动设备采用电机，电机的旋转输出轴与主轴垂直，电机旋转输出轴上安装有与所述锥面齿圈啮合的锥面齿轮，电机输出轴旋转时，驱使锥面齿轮在锥面齿圈的斜面上沿其圆周方向滚动，进而带动环绕臂以主轴为中心在水平方向上转动。
所述调焦传动机构包括一底座和一安装座，所述底座的内侧一端与环绕臂固定连接，外部设有两个平行的支撑板，一水平设置的转轴设置在两支撑板之间，转轴两端安装在所述两支撑板上；
所述第二驱动设备采用电机，电机安装在所述底座上，其旋转输出轴上安装有传动齿轮，所述传动齿轮亦处于两支撑板之间，位于所述转轴的内侧，电机的旋转输出轴与转轴平行，所述安装座安装在所述转轴上，且背面设有与所述传动齿轮相啮合的齿轮结构，所述齿轮结构的中心落在所述转轴上，则电机旋转输出轴转动时，可带动安装座和在线辅助热源以所述转轴为中心俯仰转动。
所述安装座的外侧面设有电动滑台导轨，所述在线辅助热源安装在所述电动滑台导轨的滑块上，沿导轨做直线运动，设所述导轨的运动方向为X轴，X轴的延伸方向处于竖直面上，其下方向靠近导电浆料喷头的一侧倾斜；所述电动滑台导轨滑块的驱动设备与控制系统连接，控制系统通过对在线辅助热源俯仰转动和直线运动的合成，控制激光束光斑精确照射到需要固化的电路位置上。
本发明所述复合烧结过程的原理为：在导电银浆沉积过程中，导电银浆中低沸点溶剂自发快速挥发，烧结剂浓度快速增加，将银颗粒表面的有机物从银颗粒上脱离，为使得表面能减少，银颗粒快速聚结，完成自烧结；同时，使用在线辅助热源烧结，一方面可加速溶剂挥发和自烧结过程，一方面直接熔融银颗粒，达到进一步烧结的目的。
有益效果：
1)本发明方法通过改进与在线烧结设备配合的导电浆料制备工艺，相较于现有的后处理烧结工艺，可实现原位快速烧结，相较于现有的在线烧结工艺，通过对成分的优化配置，可弥补其热量“由上而下”传递造成的烧结不完全问题，烧结后可获得内部结构致密、电阻率低的导电迹线；
2)本发明电路打印装置通过优化在线辅助热源的结构设计，可确保在线辅助热源的作用点始终落在导电浆料喷头运动路径的上游，使电路的每一位置都实现良好的原位烧结固化效果，避免相对固定的喷头和激光头等在线辅助热源在经过转向位置和曲线部位时，容易出现热源作用点短暂偏离电路迹线的情况，进一步提升电路加工质量，避免工艺短板。
附图说明
图1为导电银浆复合烧结方法原理示意图；
图2为未添加烧结剂时导电银浆内部成分状态的示意图；
图3为添加烧结剂后导电银浆内部成分状态的示意图；
图4为自烧结发生时导电银浆内部状态转变过程的示意图；
图5为自烧结后导电迹线内部成分的状态示意图；
图6为复杂加工路径的示意图；
图7为本发明装置的结构示意图；
图8为具体实施例中环绕跟随模块的内部结构示意图；
图9为具体实施例中自动调焦模块的爆炸结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和技术原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做具体的介绍。
实施例一：
一种导电银浆复合烧结方法，具体实施过程如下：
1)制备导电银浆
以蒸馏水为溶剂，将直径20纳米的纳米银颗粒溶在蒸馏水中，并添加分散剂，使纳米银颗粒表面被分散剂包覆，此时导电银浆内部组分的状态如图2所示。
2)向步骤1)制备的导电银浆中添加烧结剂，制备包含低浓度烧结剂的导电银浆
所述烧结剂为NaCl，添加质量为原银浆质量的0.1％，此时导电银浆内部组分的状态如图3所示；
3)制备电路
采用喷射沉积的方式，将添加了烧结剂的导电银浆按照预设的电路加工路径沉积到基体上，在沉积过程中通过在线辅助热源烧结导电银浆。
沉积导电银浆到基板上后，银浆溶剂快速挥发，烧结剂浓度快速升高，银颗粒自烧结，在线辅助热源加速了溶剂的挥发，且提供热量直接烧结银颗粒。图4示出了自烧结发生时导电银浆内部状态转变过程，在此过程中，溶剂挥发，烧结剂将包覆在银颗粒表面的分散剂锚定基团取代，银颗粒为减少表面能快速聚结，形成导电。图5示出了自烧结完成后导电迹线内部状态，此状态下银颗粒紧密排布，形成致密度高的导电迹线。
上述步骤中：
所述导电银浆也可为其它任意满足需求的商用或自制导电银浆，但需其溶剂沸点在200摄氏度以下，且将导电颗粒制备成纳米银颗粒；
所述烧结剂可为NaCl、NaOH或HCl等能使分散剂从纳米银颗粒表面脱离的物质，添加的质量不超过原银浆质量的5％，使导电银浆内仅包含低浓度烧结剂；
步骤1)中，导电银浆的溶剂也可以采用酒精(乙醇)等其它易挥发溶剂；
所述线热源可选择热电阻、热气流、激光、红外灯等可以在线对沉积的导电银浆施加热量的加热方式，本实施例优选采用激光作为辅助烧结的在线辅助热源。
实施例二：
如图6至图9所示的一种设有在线辅助热源的电路打印装置，包括控制系统、激光器1、导电浆料喷头2、喷头运动执行机构、环绕跟随模块3与自动调焦模块等组成部分。
所述喷头运动执行机构、环绕跟随模块3、自动调焦模块、激光器1和喷头的驱动电路分别与所述控制系统连接，由控制系统根据预设的程序对装置的运行统一调控。
所述喷头运动执行机构包括多自由度机械臂4和通过支架安装在其末端的主轴7。所述支架与多自由度机械臂4之间通过和主轴7垂直的转轴铰接，使附着在主轴7上的组件在驱动设备的带动下，可相对多自由度机械臂4本体转动。导电浆料喷头2安装在所述主轴7的底部，所述喷头运动执行机构用于带动导电浆料喷头2及其它相关组件在三维空间内运动，机械臂关节的运动可以实现非水平摆放基体材料上的导电线路成型与原位固化过程，通过多自由度机械臂4可以实现空间立体电路的成型，成型范围大、加工角度局限小。
所述环绕跟随模块3包括环绕臂9、第一驱动设备和环绕传动机构，所述环绕臂9安装在主轴7上，初始状态下主轴7竖向设置，环绕臂9与主轴7相垂直，水平设置。所述第一驱动设备安装在环绕臂9上，通过环绕传动机构控制环绕臂9围绕主轴7水平转动。
本实施例中，所述第一驱动设备采用电机5，电机5通过连接件固定于环绕臂9前端的电机座中，电机5水平摆放，其旋转输出轴与主轴7垂直。所述环绕传动机构包括固定安装在主轴9上的锥面齿圈8(其锥面的水平角为45°)，所述锥面齿圈8与主轴9同心同轴，二者之间不发生位移，电机旋转输出轴上安装有与锥面齿圈适配锥面齿轮6。环绕臂9的中部设有用于容纳锥面齿圈8的安装孔，主轴9从安装孔中通过，与安装孔间通过轴承连接，使得二者间可以相对转动。
激光器1通过所述自动调焦模块与环绕臂9连接，设置在导电浆料喷头2的后方。所述自动调焦模块包括第二驱动设备和调焦传动机构，用于控制激光器1相对环绕臂9俯仰转动。
所述调焦传动机构包括一底座10和一激光器安装座13。所述底座10的内侧一端与环绕臂9固定连接，外部设有两个平行的支撑板，构成轴座结构。一水平设置的转轴12设置在两支撑板之间，转轴12两端安装在所述两支撑板上。
所述第二驱动设备也采用电机，其电机安装在所述底座10上，其旋转输出轴上安装有传动齿轮11，所述传动齿轮11亦处于两支撑板之间，位于所述转轴12的内侧。电机的旋转输出轴与转轴12平行，所述激光器安装座13固定安装在所述转轴12上，且背面设有与所述传动齿轮11相啮合的扇形齿轮结构，且所述扇形齿轮结构的旋转中心落在所述转轴12的中心轴上。则第二驱动设备电机旋转输出轴转动时，可带动激光器安装13和激光器1以所述转轴12为中心俯仰转动。
所述第一驱动设备、第二驱动设备可通过有线或无线传输的方式与所述控制系统进行数据交换，控制系统根据设定好的加工路径，规划环绕跟随动作和自动调焦动作的数据参数，计算出在导电浆料喷头2运动方向发生改变时激光器1的最优转动方向，并以此为基础控制第一驱动设备、第二驱动设备动作，在导电浆料喷头2的运动过程中，使激光束的光斑始终落导电浆料喷头2运动轨迹的后方上游位置。
所述自动调焦模块与所述第一驱动设备分别设置在主轴7的两侧，以平衡装置配重。
具体工作原理：
当加工路径以及工艺参数被导入控制系统后，控制系统开始对相关参数进行自动处理。控制系统根据工艺参数(导电浆料喷头与基体材料位置参数、激光离焦量等)驱动自动调焦模块动作，使激光光斑可以按照设定的离焦量参数准确的照射到需要进行原位烧结固化的位置。与此同时，控制系统也根据加工路径进行环绕跟随动作的数据处理，并计算出在导电浆料喷头运动方向发生改变时激光器的最优转动方向。
如图6所示，当导电浆料喷头直线轨迹AB移动到轨迹BC和CD时，激光器1所发出的加热光斑在激光器自动环绕跟随模块和自动调焦模块的带动下，始终保持在紧挨导电浆料喷头2的后方路径位置上，使得导电银浆液滴从喷头喷出接触基体成形后立即被激光光斑照射固化。
实施例三：
在实施例二的基础上，所述激光器安装座13的外侧面还设有电动滑台导轨，所述激光器1通过夹具14可拆卸的安装在电动滑台导轨的滑台上，沿导轨做直线运动。所述电动滑台导轨滑块的驱动设备与控制系统连接，当电动滑台导轨的滑台动作时，激光器1即可实现沿图4所示的X轴方向运动。
本实施例中，导电浆料喷头2与基体距离发生变化时，控制系统根据工艺参数驱动激光器自动调焦模块动作时，通过合成激光器1的俯仰转动和沿X轴的运动，使激光光斑可以更精确的照射到需要烧结固化的电路位置。
文中所使用的“水平”“竖直”为装置处于某一状态下的方位描述，本领域人员可知，根据装置整体或局部方位的变化，上述方位描述会产生相应的变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种导电银浆复合烧结方法，其特征在于，包括：
1)向导电银浆中添加烧结剂，引发银颗粒的自烧结，添加烧结剂的质量不超过银浆质量的5％；
2)将添加了烧结剂的导电银浆按照预设的电路加工路径沉积到基体上，在沉积过程中通过在线辅助热源烧结导电银浆。
2.根据权利要求1所述的一种导电银浆复合烧结方法，其特征在于：
所述导电银浆的溶剂沸点在200摄氏度以下。
3.根据权利要求1或2所述的一种导电银浆复合烧结方法，其特征在于：
所述导电银浆中的银颗粒为纳米银颗粒。
4.根据权利要求3所述的一种导电银浆复合烧结方法，其特征在于：
所述导电银浆的溶剂为易挥发溶剂，导电颗粒为直径20纳米的纳米银颗粒，纳米银颗粒表面被分散剂包覆。
5.一种用于如权利要求1-4中任一项所述复合烧结方法的设有在线辅助热源的电路打印装置，包括控制系统、在线辅助热源、导电浆料喷头(2)和喷头运动执行机构，所述喷头运动执行机构包括一主轴(7)，导电浆料喷头(2)安装在所述主轴(7)的底部，其特征在于：
所述打印装置还设有环绕跟随模块(3)和自动调焦模块；
所述环绕跟随模块(3)包括环绕臂(9)、第一驱动设备和环绕传动机构，所述环绕臂(9)水平设置，安装在主轴(7)上，与主轴(7)相垂直；所述第一驱动设备安装在环绕臂(9)上，通过环绕传动机构控制环绕臂(9)围绕主轴(7)水平转动；
在线辅助热源通过所述自动调焦模块与环绕臂(9)连接，所述自动调焦模块包括第二驱动设备和调焦传动机构，用于控制在线辅助热源相对环绕臂(9)俯仰转动；
所述第一驱动设备和第二驱动设备的控制信号输入端分别与所述控制系统连接，通过控制系统根据设定好的加工路径，规划在线辅助热源的水平旋转角度和俯仰转动角度，以此控制第一驱动设备和第二驱动设备的动作，在导电浆料喷头(2)的运动过程中，使在线辅助热源的作用点始终落在导电浆料喷头(2)在加工路径中的后方上游位置，固化刚沉积在基体上的导电银浆。
6.根据权利要求5所述的设有在线辅助热源的电路打印装置，其特征在于：
所述环绕传动机构包括固定安装在主轴(7)上的锥面齿圈(8)，所述锥面齿圈(8)与主轴(7)同心同轴；所述第一驱动设备采用电机(5)，电机(5)的旋转输出轴与主轴(7)垂直，电机旋转输出轴上安装有与所述锥面齿圈(8)啮合的锥面齿轮(6)，电机输出轴旋转时，驱使锥面齿轮(6)在锥面齿圈(8)的斜面上沿其圆周方向滚动，进而带动环绕臂(9)以主轴(7)为中心在水平方向上转动。
7.根据权利要求5所述的设有在线辅助热源的电路打印装置，其特征在于：
所述调焦传动机构包括一底座(10)和一安装座(13)，所述底座(10)的内侧一端与环绕臂(9)固定连接，外部设有两个平行的支撑板，一水平设置的转轴(12)设置在两支撑板之间，转轴(12)两端安装在所述两支撑板上；
所述第二驱动设备采用电机，电机安装在所述底座(10)上，其旋转输出轴上安装有传动齿轮(11)，所述传动齿轮(11)亦处于两支撑板之间，位于所述转轴(12)的内侧，电机的旋转输出轴与转轴(12)平行，所述安装座(13)安装在所述转轴(12)上，且背面设有与所述传动齿轮(11)相啮合的齿轮结构，所述齿轮结构的中心落在所述转轴(12)上，则电机旋转输出轴转动时，可带动安装座(13)和在线辅助热源以所述转轴(12)为中心俯仰转动。
8.根据权利要求5所述的设有在线辅助热源的电路打印装置，其特征在于：
所述安装座(13)的外侧面设有电动滑台导轨，所述在线辅助热源安装在所述电动滑台导轨的滑块上，沿导轨做直线运动，设所述导轨的运动方向为X轴，X轴的延伸方向处于竖直面上，其下方向靠近导电浆料喷头(2)的一侧倾斜；所述电动滑台导轨滑块的驱动设备与控制系统连接，控制系统通过对在线辅助热源俯仰转动和直线运动的合成，控制激光束光斑精确照射到需要固化的电路位置上。
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