CN111542172B - 基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，该装置包含的部件及连接情况为：Y轴步进电机丝杠安装于支架，X轴步进电机丝杠安装在Y轴步进电机丝杠的滑块上，Z轴固定零件安装在X轴步进电机丝杠的滑块上，直线导轨与Z轴固定零件连接，Z轴滑块安装在直线导轨上，两者之间设有Z轴弹簧，万向球行走单元通过滑块连接件安装在Z轴滑块上，Y和X轴步进电机丝杠均与电机驱动装置连接；外部设备与电机驱动装置连接；激光输出机构通过底座安装在万向球行走单元上；该装置的结构简单，降低了操作和维护成本，能稳定的在较大起伏度的曲面上直写出电路。

Description

基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置

技术领域

本发明涉及微型印刷电路制造工艺技术领域，特别涉及一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置。

背景技术

微型印刷电路电子元器件的直写制造是近年来兴起的一种微型电路制造工艺；相比于传统制造工艺(光刻，化学蚀刻等)制作的微电子元器件，通过直写技术制造的应变片、薄膜电阻、薄膜电感、薄膜电容等器件拥有更小的体积和更好的性能；同时，相比传统制造工艺，微电子电路的直写制造工艺污染更小，浪费原材料更少，环境友好度更高；此外，直写在柔性基底上的微型印刷电路电子元器件还拥有一定程度的弯折能力。

但是目前为止，微电子元器件的直写工艺仍然局限在平面基底上。在平面基底上，通常的直写制造工艺是将平面基底放置在水平度很高的置物台上，通过微笔在平面基底上按设定程序移动并喷出导电油墨，经过后续处理得到得到平面基底上的直写电路成品；而在曲面基底上，一般的做法是利用扫描建模，先获得曲面基底的参数，然后通过多轴平台操纵微笔直写等装置获得在曲面上直写电路以及电子元件的能力；或通过高精度距离传感器实时调整直写笔头与基板间距，实现曲面上直写电路及电子元件的能力；虽然上述方式较为成熟，但可惜的是，附加过多的多轴平台、精确扫描设备、传感器等装置会造成成本过高，维护保养困难，操作复杂等问题。

因此，如何提出能够简化曲面共形电路直写装置的结构，降低操作和维护成本，稳定的在较大起伏度的曲面上直写出电路是目前该技术领域研究人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于，提出的一种至少解决上述部分技术问题的基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置,包括：曲面共形行走机构和激光输出机构；

所述曲面共形行走机构包括支架、X轴步进电机丝杠、Y轴步进电机丝杠、Z轴固定零件、直线导轨、Z轴弹簧、Z轴滑块、滑块连接件、万向球行走单元和电机驱动装置；

所述Y轴步进电机丝杠安装于所述支架上，所述X轴步进电机丝杠安装在所述Y轴步进电机丝杠的滑块上；

所述Z轴固定零件安装在X轴步进电机丝杠的滑块上，所述直线导轨安装在Z轴固定零件上，所述Z轴滑块配合安装在直线导轨上，所述Z轴弹簧连接在直线导轨和Z轴滑块之间；

所述万向球行走单元通过所述滑块连接件安装在Z轴滑块上；

所述Y轴步进电机丝杠和所述X轴步进电机丝杠均与所述电机驱动装置连接；所述电机驱动装置与外部设备连接，所述电机驱动装置接收所述外部设备的驱动指令；

所述激光输出机构通过底座固定安装在所述万向球行走单元上，所述曲面共形行走机构带动所述激光输出机构运动

在一个实施例中，所述万向球行走单元包括万向球支撑杆和万向球；所述万向球支撑杆通过所述滑块连接件安装在Z轴滑块上；

所述万向球通过螺纹连接在所述万向球支撑杆底端，所述底座固定安装在所述万向球支撑杆上。

在一个实施例中，所述支架的材质为铝合金和不锈钢中的一种。

在一个实施例中，所述万向球的材质为尼龙，塑料和橡胶中的一种。

在一个实施例中，所述激光输出机构包括镜头组、镜头组夹具、调焦单元、光纤和激光器；

所述激光器和所述镜头组之间通过所述光纤连接；

所述镜头组安装在所述镜头组夹具上，所述镜头组夹具固定安装在所述调焦单元上，所述调焦单元固定安装在所述底座上。

在一个实施例中，所述调焦单元包括：精密螺纹副、精密螺纹副座、浮动调焦平台、调焦平台连接件、调焦弹簧和限位器；

所述精密螺纹副座通过所述调焦平台连接件连接在所述底座上，所述浮动调焦平台通过所述调焦弹簧连接在所述底座上，所述精密螺纹副安装在精密螺纹副座上，所述精密螺纹副与所述浮动调焦平台连接；

所述镜头组夹具安装在浮动调焦平台上，所述限位器安装在底座上并与镜头组夹具配合，通过调节所述精密螺纹副使所述浮动调焦平台带动所述镜头组沿光路轴线前后运动。

在一个实施例中，所述底座包括三角形支架和连接座，所述连接座与所述三角形支架固定连接，所述连接座安装在所述万向球支撑杆上；

所述调焦平台连接件和所述调焦弹簧均与所述三角形支架连接，所述限位器安装在所述三角形支架上，所述三角形支架的形状为等腰直角三角形。

在一个实施例中，所述镜头组由光纤扩束镜头和聚焦镜头组成。

在一个实施例中，所述万向球支撑杆的主体形状为圆柱形，所述万向球支撑杆上设有一个直角凹槽，所述镜头组抵接在所述直角凹槽上。

本发明提供了一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其优点如下：

(1)本发明的曲面共形行走机构通过Y轴步进电机丝杠、X轴步进电机丝杠实现了激光输出机构在X、Y两个方向上的运动，步进电机丝杠的移动精度更高，直写出的电路更加准确，在Z轴方向通过设置弹簧实现激光输出机构在Z轴方向的移动，直写过程中万向球可通过Z轴弹簧施加的弹力紧贴曲面基板，结构简单，且可以实现激光输出机构在Z轴方向的任意移动，能够稳定的在较大起伏度的曲面上直写出电路，且该装置无需使用昂贵的传感器、多轴机械臂等零部件，装置结构较为简单，操作及维护难度和成本均较低，在微电子电路制造领域具有较佳应用前景。

(2)本发明中的激光输出机构可以通过调节精密螺纹副可以使浮动调焦平台带动镜头组沿光路轴线前后运动，从而调节在待直写曲面基板上激光光斑大小，其调节精度更高，实现电路直写过程对光斑大小的要求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置的正视图。

图3为本发明实施例提供的曲面共形行走机构的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的激光输出机构示意图。

图5为本发明实施例提供的基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置的逻辑控制图。

附图中：Ⅰ-曲面共形行走机构、Ⅱ-激光输出机构、1-支架、2-X轴步进电机丝杠、3-Y轴步进电机丝杠、4-Z轴固定零件、5-直线导轨、6-Z轴弹簧、7-Z轴滑块、8-滑块连接件、9-外部设备、10-底座、11-万向球支撑杆、12-万向球、13-镜头组、14-镜头组夹具、15-光纤、16-激光器、17-精密螺纹副、18-精密螺纹副座、19-浮动调焦平台、20-调焦平台连接件、21-调焦弹簧、22-限位器、23-三角形支架、24-连接座、25-直角凹槽、26-曲面基板、27-真空吸盘。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

具体实施例一

如图1-3所示，本发明实施例提供一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，该装置包括：曲面共形行走机构Ⅰ和激光输出机构Ⅱ；

曲面共形行走机构Ⅰ包括支架1、X轴步进电机丝杠2、Y轴步进电机丝杠3、Z轴固定零件4、直线导轨5、Z轴弹簧6、Z轴滑块7、滑块连接件8、万向球行走单元和电机驱动装置；

其中，支架1由数控机床加工，材质包括但不限于铝合金、不锈钢等金属材料，支架1可通过真空吸盘27结构固定于某个平面上(将待直写的曲面基板26设置于万向球行走单元的下方)，使得支架1与曲面基板26之间的拆卸更加的方便，且真空吸盘27可以对任何材料进行吸附，真空吸盘27是由橡胶材料制成的，不会对被吸附的平面造成损坏。

Y轴步进电机丝杠3安装于支架1上，X轴步进电机丝杠2安装在Y轴步进电机丝杠3的滑块上；X轴步进电机丝杠2和Y轴步进电机丝杠3由两根精密丝杠直线导轨5组成，提供直写动作的X、Y轴运动，X和Y轴步进电机丝杠尺寸等参数满足曲面共形电路直写装置的运行要求。

所述Z轴固定零件4安装在X轴步进电机丝杠2的滑块上，所述直线导轨5安装在Z轴固定零件4上，所述Z轴滑块7配合安装在直线导轨5上，所述Z轴弹簧6连接在直线导轨5和Z轴滑块7之间；

其中，Z轴固定零件4由数控机床加工得到，材质包括但不限于铝合金、不锈钢等金属，固定单元通过螺栓结构固定在X轴步进电机丝杠2的滑块上；

Y轴步进电机丝杠3和X轴步进电机丝杠2均与电机驱动装置连接；电机驱动装置与外部设备9连接，电机驱动装置接收外部设备9的驱动指令；激光输出机构Ⅱ通过底座10固定安装在万向球行走单元上，曲面共形行走机构Ⅰ带动激光输出机构Ⅱ运动。

在本实施例中，通过外部设备9对Y轴步进电机丝杠3和X轴步进电机丝杠2进行控制，实现了激光输出机构Ⅱ在X、Y两个方向上的运动，而步进电机丝杠的移动精度高，直写出的电路更加准确，在Z轴方向通过设置弹簧实现激光输出机构Ⅱ在Z轴方向的移动，且能够稳定的在较大起伏度的曲面上直写出电路，且该装置无需使用昂贵的传感器、多轴机械臂等零部件，装置结构较为简单，操作及维护难度和成本均较低，在微电子电路制造领域具有较佳应用前景。

如图3所示，在本实施例中，万向球行走单元包括万向球支撑杆11和万向球12；万向球支撑杆11通过滑块连接件8安装在Z轴滑块7上；万向球12通过螺纹连接至万向球支撑杆11底端，底座10固定安装在万向球支撑杆11上；

进一步地，万向球12可采用包括但不限于尼龙，塑料，橡胶等具有一定缓冲作用的材质，以保护待直写的曲面基板26；在直写过程中万向球12可通过Z轴弹簧6施加的弹力紧贴曲面基板26，通过X轴步进电机丝杠2和Y轴步进电机丝杠3的二维运动带动万向球支撑杆11的Z轴仿形运动。

如图4所示，在本实施例中，激光输出机构Ⅱ包括镜头组13、镜头组夹具14、调焦单元、光纤15和激光器16；激光器16和镜头组13之间通过光纤15连接；镜头组13安装在镜头组夹具14上，镜头组夹具14固定安装在调焦单元上，调焦单元固定安装在底座10上；镜头组13由光纤扩束镜头和聚焦镜头组成，对光纤15中的激光束在合适焦距上有良好的聚焦作用。

进一步地，调焦单元包括：精密螺纹副17、精密螺纹副座18、浮动调焦平台19、调焦平台连接件20、调焦弹簧21和限位器22；

精密螺纹副座18通过调焦平台连接件20连接在底座10上，浮动调焦平台19通过调焦弹簧21连接在底座10上，精密螺纹副17安装在精密螺纹副座18上，精密螺纹副17与浮动调焦平台19连接；其中，精密螺纹副17参数为行程6mm，螺距0.25mm；调焦弹簧21参数为行程3～6.5mm内可调；

镜头组夹具14安装在浮动调焦平台19上，限位器22安装在底座10上并与镜头组夹具14配合，通过调节精密螺纹副17使浮动调焦平台19带动镜头组13沿光路轴线前后运动，从而调节在待直写曲面基板26上激光光斑大小，精密螺纹副17的调节精度较高，可以满足电路直写对不同光斑大小的要求。

如图2所示，在本实施例中，底座包括三角形支架23和连接座24，连接座24与三角形支架23固定连接，连接座24安装在万向球支撑杆11上；

调焦平台连接件20和调焦弹簧21均与三角形支架23连接，限位器22安装在三角形支架23上，三角形支架23的形状为等腰直角三角形。

如图3所示，在本实施例中，万向球支撑杆11的主体形状为圆柱形，万向球支撑杆11上设有一个直角凹槽25，镜头组13抵接在直角凹槽25上，对镜头组13起到固定的作用。

具体实施例二

如图5所示，在本实施例中，使用具体实施例一中的电路直写装置和硝酸铜前驱体溶液进行电路直写，其过程为：

步骤一、称取12.08g的三水合硝酸铜(Cu(NO3)₂·3H2O)，溶解于10ml去离子水中，超声震荡至溶解充分；聚乙烯吡络烷酮水溶液的配置方法为：称取2.5g聚乙烯吡络烷酮(PVP，K23～K27)，溶解于10ml去离子水中，超声震荡至溶解充分；聚乙二醇水溶液的配制方法为：称取2.5g聚乙二醇(PEG-6000)，溶解于10ml去离子水中，超声震荡至溶解充分；

步骤二、取的硝酸铜水溶液200μl、取的聚乙烯吡络烷酮水溶液150μl、取的聚乙二醇水溶液150μl混合，即硝酸铜水溶液，聚乙烯吡络烷酮水溶液和聚乙二醇水溶液体积比例为2：1.5：1.5，得到前驱体溶液；

步骤三、曲面基板预先使用酒精擦洗，再使用等离子清洗机处理2～3min，以提高曲面基板的亲水性；取配置的前驱体溶液200μl，涂覆于亲水处理后的曲面基板上，涂覆面积约为15cm²；带有涂好前驱体溶液的曲面基板的烘干标准为：涂覆区域表面溶剂蒸发充分，用手触摸不发黏，所得干燥的前驱体薄膜有一定强度；

步骤四、将电路直写装置安装至待直写的曲面基板上方并使用真空吸盘固定，并将激光器的光纤连接至镜头组光纤接口处；

步骤五、启动上述程序，同时开启激光器，参数为3W，移动速度10mm/s；

步骤六、程序运行结束后，关闭激光器，释放真空吸盘并从曲面基板上取下电路直写装置，在流水下清洗曲面基板去除多余的前驱体薄膜，即可得所需的曲面导线。

本发明提供了一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其优点如下：

(1)本发明的曲面共形行走机构通过Y轴步进电机丝杠、X轴步进电机丝杠实现了激光输出机构在X、Y两个方向上的运动，步进电机丝杠的移动精度更高，直写出的电路更加准确，在Z轴方向通过设置弹簧实现激光输出机构在Z轴方向的移动，直写过程中万向球可通过Z轴弹簧施加的弹力紧贴曲面基板，结构简单，从而可以实现万向球在Z轴方向的任意移动，能够稳定的在较大起伏度的曲面上直写出电路，且该装置无需使用昂贵的传感器、多轴机械臂等零部件，装置结构较为简单，操作及维护难度和成本均较低，在微电子电路制造领域具有较佳应用前景。

(2)本发明中的激光输出机构可以通过调节精密螺纹副可以使浮动调焦平台带动镜头组沿光路轴线前后运动，从而调节在待直写曲面基板上激光光斑大小，实现电路直写过程对光斑大小的要求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，该装置包括：曲面共形行走机构(Ⅰ)和激光输出机构(Ⅱ)；

所述曲面共形行走机构(Ⅰ)包括支架(1)、X轴步进电机丝杠(2)、Y轴步进电机丝杠(3)、Z轴固定零件(4)、直线导轨(5)、Z轴弹簧(6)、Z轴滑块(7)、滑块连接件(8)、万向球行走单元和电机驱动装置；

所述Y轴步进电机丝杠(3)安装于所述支架(1)上，所述X轴步进电机丝杠(2)安装在所述Y轴步进电机丝杠(3)的滑块上；

所述Z轴固定零件(4)安装在X轴步进电机丝杠(2)的滑块上，所述直线导轨(5)安装在Z轴固定零件(4)上，所述Z轴滑块(7)配合安装在直线导轨(5)上，所述Z轴弹簧(6)连接在直线导轨(5)和Z轴滑块(7)之间；

所述万向球行走单元通过所述滑块连接件(8)安装在Z轴滑块(7)上；

所述Y轴步进电机丝杠(3)和所述X轴步进电机丝杠(2)均与所述电机驱动装置连接；所述电机驱动装置与外部设备(9)连接，所述电机驱动装置接收所述外部设备(9)的驱动指令；

所述激光输出机构(Ⅱ)通过底座(10)固定安装在所述万向球行走单元上，所述曲面共形行走机构(Ⅰ)带动所述激光输出机构(Ⅱ)运动；

所述激光输出机构(Ⅱ)包括镜头组(13)、镜头组夹具(14)、调焦单元、光纤(15)和激光器(16)；

所述调焦单元包括：精密螺纹副(17)、精密螺纹副座(18)、浮动调焦平台(19)、调焦平台连接件(20)、调焦弹簧(21)和限位器(22)；

所述精密螺纹副座(18)通过所述调焦平台连接件(20)连接在所述底座(10)上，所述浮动调焦平台(19)通过所述调焦弹簧(21)连接在所述底座(10)上，所述精密螺纹副(17)安装在精密螺纹副座(18)上，所述精密螺纹副(17)与所述浮动调焦平台(19)连接；

所述镜头组夹具(14)安装在浮动调焦平台(19)上，所述限位器(22)安装在底座(10)上并与镜头组夹具(14)配合，通过调节所述精密螺纹副(17)使所述浮动调焦平台(19)带动所述镜头组(13)沿光路轴线前后运动。

2.如权利要求1所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述万向球行走单元包括万向球支撑杆(11)和万向球(12)；所述万向球支撑杆(11)通过所述滑块连接件(8)安装在Z轴滑块(7)上；

所述万向球(12)通过螺纹连接在所述万向球支撑杆(11)底端，所述底座(10)固定安装在所述万向球支撑杆(11)上。

3.如权利要求1所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述支架(1)的材质为铝合金和不锈钢中的一种。

4.如权利要求2所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述万向球(12)的材质为尼龙，塑料和橡胶中的一种。

5.如权利要求2所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述激光器(16)和所述镜头组(13)之间通过所述光纤(15)连接；

所述镜头组(13)安装在所述镜头组夹具(14)上，所述镜头组夹具(14)固定安装在所述调焦单元上，所述调焦单元固定安装在所述底座(10)上。

6.如权利要求5所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述底座(10)包括三角形支架(23)和连接座(24)，所述连接座(24)与所述三角形支架(23)固定连接，所述连接座(24)安装在所述万向球支撑杆(11)上；

所述调焦平台连接件(20)和所述调焦弹簧(21)均与所述三角形支架(23)连接，所述限位器(22)安装在所述三角形支架(23)上，所述三角形支架(23)的形状为等腰直角三角形。

7.如权利要求5所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述镜头组(13)由光纤扩束镜头和聚焦镜头组成。

8.如权利要求5所述的一种基于激光烧结原理的曲面共形电路直写装置，其特征在于，所述万向球支撑杆(11)的主体形状为圆柱形，所述万向球支撑杆(11)上设有一个直角凹槽(25)，所述镜头组(13)抵接在所述直角凹槽(25)上。

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