CN112074090B - 一种电路板3d打印制备方法及制备的电路板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液体介质环境下电路板3D打印制备方法及其制备的电路板。本发明的方法包括：建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场，打印过程均在该液体环境中进行；在承载板表面打印绝缘材料1制备电路基板；在基板表面打印绝缘材料1和材料2制备第一层电路板，获得单层电路板；在第一层电路板表面打印绝缘材料1和材料2/材料2’制备贯通孔层；在贯通孔层表面打印绝缘材料1和材料2/材料2’形成第二层电路板。此外，可通过重复打印电路板层和贯通孔层获得多层电路板。本发明结合限域电化学金属沉积技术和打印湿度敏感聚合物成型技术，可用于单层电路板、双层电路板和多层电路板的制备。
Description
技术领域
本发明涉及电路板增材制造技术领域，具体涉及在液体介质环境下多层电路板3D打印制备技术。
背景技术
电路板是电子行业中最重要的电子部件，几乎我们能见到的电子设备都离不开电路板，小到电子手表、计算器、通用电脑、电视，大到巨型计算机、机器人、通讯电子设备、军用武器系统，它们之间电气互连都要用到电路板。它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接。
传统的电路板制造工艺是铜箔蚀刻法，也称减成制造法。它是用覆铜箔层压板为基板，经网版印刷或光致成像形成抗蚀线路图形，由化学蚀刻得到电路；若是双层或多层电路板还要进行孔金属化与电镀，实现层间电路互连。因此，传统电路板制造过程复杂、工序多，耗用大量的水与电，并产生大量的废水和污染物。
基于3D打印增材制造工艺制备多层电路板成为当前研究和技术开发的热点。魏青松等人（一种具有空间立体电路的电路板3D打印方法， CN105282981A）基于双头FDM工艺，通过交替挤出聚合物绝缘丝和“外壳-内芯”结构的导电橡胶丝材制备空间立体电路；胡军辉等人（3D打印线路板的方法， CN108495474A）通过打印绝缘层、制备凹槽，并采用液态导电介质填满凹槽的方式制备线路板，其液态导电介质为具有纳米颗粒的纳米导电墨水。
无论采用导电丝材亦或是导电油墨的方案，由于制备导电丝材或导电油墨过程中，加入了树脂粘结剂、各种助剂等，使得上述方案无法制备得到当前电路板晶体铜的电导率，导电性能的弊端极大限制了其应用场景，无法替代传统蚀刻法制备的电路板。
因此，如何基于3D打印增材制造工艺制备晶体铜电导率级别的电路板成为极大的技术挑战。
在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：电化学沉积可以实现晶体级金属的制备，通过打印头控制限域范围内的金属离子输入，可以实现金属材料在限域范围内的沉积；但是电化学沉积发生在液体电解液中，在液体电解液中如何实现绝缘层的制备成为难题，发明人通过引入湿度敏感的聚合物材料，通过打印头打印的湿度敏感的聚合物材料，在电解液湿度环境下逐渐固化成型，从而形成绝缘层，因此，发明人结合限域电化学金属沉积技术和打印湿度敏感聚合物成型技术实现了多层电路板的制备。
发明内容
本发明提供一种电路板3D打印制备方法，旨在解决当前基于导电油墨3D打印电路板形成的电路电阻大，应用范围窄的问题。
为解决上述问题，本发明3D打印制备的电路板电路部分能够实现晶体级金属的导电性能。本发明开发的在液体介质环境中打印制备电路板的方法，为开发下一代电路板提供了新思路。
本发明包括如下步骤：
S10:建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场。
S20:打印制备电路基板。在所述承载板表面打印绝缘材料1，形成电路板的基板。
S30:打印制备电路板的第一层。所述基板表面打印绝缘材料1形成电路板第一层的绝缘部分，打印材料2形成电路板第一层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第一层。
S40:获得单层电路板。
若要打印双层电路板，在步骤S40后还包括：
S50:打印制备贯通孔层。在电路板的第一层表面打印绝缘材料1形成该贯通孔层的绝缘部分，在电路板的第一层表面打印材料2/材料2’形成实心圆柱结构的导电贯通孔，所述贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔共同构成贯通孔层。
S60:在所述贯通孔层表面打印绝缘材料1形成电路板第二层的绝缘部分，打印材料2/材料2’形成电路板第二层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第二层，获得双层电路板。
若要打印多层电路板，在步骤S60后还包括：
S70:根据电路板层数，重复N-2次（N≥3）步骤S50和S60，形成N层电路板。
S20-S70所述的打印过程均在S10所述液体介质环境中进行。
所述绝缘材料1是一种湿度敏感材料。
所述材料2和材料2’是两种不同的金属离子溶液，可通过限域电化学反应沉积形成导电层。
绝缘材料1与材料2/材料2’可以根据预制的电路多次打印，以达到所需的厚度，每层电路板的绝缘部分与导电部分的打印厚度相同，每层贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔的打印厚度相同。
步骤S30、S50和步骤S60中所述的绝缘材料1与材料2/材料2’没有打印先后顺序的限制，可以先打印绝缘材料1，也可以先打印材料2。
所述的液体介质为一种电解液，所述电解液中含有水，能够与所述材料2/材料2’互溶。
所述的湿度敏感材料在所述液体介质环境中打印后，在湿度环境下逐渐固化成型。
所述湿度敏感材料为环氧树脂复合材料，包含一种或多种环氧树脂材料、湿度敏感固化剂和助剂。
所述湿度敏感固化剂为酮亚胺、变性的酮亚胺或席夫碱。
所述变性的酮亚胺是指酮亚胺分子结构中含有羟基，结构式为
，R1、R2、R3为不同的有机链。
所述席夫碱结构式为，n=3~11。
所述助剂为促进剂、表面活性剂中的一种。
所述促进剂为三乙胺、三正丁胺、N,N-二甲基苯胺、三甲基苄基氢氧化铵中的一种或几种。
所述表面活性剂为聚丙烯酸酯、含丙烯酸酯官能团的聚醚改性聚二甲基硅氧烷中的一种。
根据预制电路板绝缘部分的形状控制打印头的移动，环氧树脂复合材料从打印头释放出后，接触到电解液中的水，在湿度敏感固化剂的引发下固化成型，形成电路板的基板或绝缘部分。
打印头与承载板之间施加的电场不对绝缘材料1产生影响，仅作用于材料2/材料2’。
所述的金属离子包括但不限于铜离子、银离子、镍离子、金离子、铂离子、铝离子中的一种或多种。
所述的限域电化学反应是指金属离子通过打印头的限制释放，被释放到液体介质中，金属离子在外加电场的驱动下进行定向移动，并在液体介质中发生电化学反应，还原成金属进行沉积，从而形成金属导电层。
利用所述金属离子的限域电化学反应，并根据预制电路的形状控制打印头的移动路线和速度，能够实现电路的可控图案化制备。
所述限域电化学反应能够制备晶体金属级别的导电层。 不同于采用导电油墨3D打印制备电路板，由于导电油墨中不可避免的含有树脂助剂等高分子材料，因此，固化后无法实现晶体级金属导电性能。
根据本发明所述的一种电路板3D打印制备方法，可用于单层电路板、双层电路板以及多层电路板的制备。
上述技术方案可以看出，本发明提供的在液体介质环境下3D打印制备电路板的方法的有益效果在于：利用湿度敏感固化环氧树脂材料和液体介质中金属离子限域电化学反应，因此既能够利用高性能环氧树脂材料，实现高性能电路板基板及绝缘部分的制备，又能够实现晶体级金属材料的沉积，实现高性能电路板的3D打印制备。与现有技术相比，本发明的技术方案开拓了电路板3D打印制备的新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明电路板3D打印制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，根据预制电路板绝缘部分的形状控制打印头的移动路线和速度，环氧树脂复合材料从打印头释放出后，接触到电解液中的水，在湿度敏感固化剂的引发下固化成型，形成电路板的基板或绝缘部分。根据预制电路板导电部分或导电贯通孔的形状控制打印头的移动路线和速度，金属离子溶液从打印头释放后，在外加电场的驱动下进行定向移动，并在液体介质中发生限域电化学反应，还原成金属进行沉积，从而形成金属导电层，形成电路板的导电部分或导电贯通孔。
所述限域电化学反应能够制备晶体金属级别的导电层，导电层完全为金属离子沉积形成，不含有树脂助剂等高分子材料，导电性能够达到晶体级金属导电性能。
实施例1
S10:建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场。
S20:打印制备电路基板。在所述承载板表面打印绝缘材料1，形成电路板的基板。
S30:打印制备电路板的第一层。所述基板表面打印绝缘材料1形成电路板第一层的绝缘部分，打印铜离子溶液形成电路板第一层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第一层。
S40:获得单层铜电路板。
在步骤S10中液体介质为一种电解液，电解液中含有水，能够与铜离子溶液互溶。S20-S40所述的打印过程均在电解液中进行。
实施例2
S10:建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场。
S20:打印制备电路基板。在所述承载板表面打印绝缘材料1，形成电路板的基板。
S30:打印制备电路板的第一层。所述基板表面打印绝缘材料1形成电路板第一层的绝缘部分，打印铝离子溶液形成电路板第一层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第一层。
S40:获得单层电路板。
S50:打印制备贯通孔层。在电路板的第一层表面打印绝缘材料1形成该贯通孔层的绝缘部分，在电路板的第一层表面打印铝离子溶液形成实心圆柱结构的导电贯通孔，所述贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔共同构成贯通孔层。
S60:在所述贯通孔层表面打印绝缘材料1形成电路板第二层的绝缘部分，打印铝离子溶液形成电路板第二层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第二层，获得双层铝电路板。
在步骤S10中液体介质为一种电解液，电解液中含有水，能够与铝离子溶液互溶。S20-S60所述的打印过程均在电解液中进行。
实施例3
S10:建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场。
S20:打印制备电路基板。在所述承载板表面打印绝缘材料1，形成电路板的基板。
S30:打印制备电路板的第一层。所述基板表面打印绝缘材料1形成电路板第一层的绝缘部分，打印金离子溶液形成电路板第一层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第一层。
S40:获得单层电路板。
S50:打印制备贯通孔层。在电路板的第一层表面打印绝缘材料1形成该贯通孔层的绝缘部分，在电路板的第一层表面打印金离子溶液形成实心圆柱结构的导电贯通孔，所述贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔共同构成贯通孔层。
S60:在所述贯通孔层表面打印绝缘材料1形成电路板第二层的绝缘部分，打印铜离子溶液形成电路板第二层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第二层，获得双层金-铜电路板。
在步骤S10中液体介质为一种电解液，电解液中含有水，能够与金离子溶液、铜离子溶液互溶。S20-S60所述的打印过程均在电解液中进行。
实施例4
S10:建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场。
S20:打印制备电路基板。在所述承载板表面打印绝缘材料1，形成电路板的基板。
S30:打印制备电路板的第一层。所述基板表面打印绝缘材料1形成电路板第一层的绝缘部分，打印银离子溶液形成电路板第一层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第一层。
S40:获得单层电路板。
S50:打印制备贯通孔层。在电路板的第一层表面打印绝缘材料1形成该贯通孔层的绝缘部分，在电路板的第一层表面打印铜离子溶液形成实心圆柱结构的导电贯通孔，所述贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔共同构成贯通孔层。
S60:在所述贯通孔层表面打印绝缘材料1形成电路板第二层的绝缘部分，打印铜离子溶液形成电路板第二层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第二层。
S70:重复1次步骤S50和S60，S50中的金属离子溶液选择使用铜离子溶液，S60中的金属离子溶液选择使用银离子溶液，形成银-铜-银结构的3层电路板。
在步骤S10中液体介质为一种电解液，电解液中含有水，能够与铜离子溶液、银离子溶液互溶。S20-S70所述的打印过程均在电解液中进行。
实施例1-4中所述的绝缘材料1为环氧树脂复合材料，包含一种或多种环氧树脂材料、湿度敏感固化剂和助剂。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种电路板3D打印制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S10:建立液体介质环境，将承载板置于液体介质环境中，且在打印头与承载板之间施加外加电场；
S20:在所述承载板表面打印绝缘材料1，形成电路板的基板；
S30:在所述基板表面打印绝缘材料1形成电路板第一层的绝缘部分，打印材料2形成电路板第一层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第一层；
S40:获得单层电路板；
打印双层电路板，在步骤S40后还包括：
S50:在电路板的第一层表面打印绝缘材料1形成贯通孔层的绝缘部分，在电路板的第一层表面打印材料2/材料2’形成实心圆柱结构的导电贯通孔，所述贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔共同构成贯通孔层；
S60:在所述贯通孔层表面打印绝缘材料1形成电路板第二层的绝缘部分，打印材料2/材料2’形成电路板第二层的导电部分，所述绝缘部分和导电部分共同构成电路板的第二层，获得双层电路板；
打印多层电路板，在步骤S60后还包括：
S70:根据电路板层数，重复N-2次（N≥3）步骤S50和S60，形成N层电路板；
S20-S70所述的打印过程均在S10所述液体介质环境中进行；
所述绝缘材料1是一种湿度敏感材料，所述材料2和材料2’是两种不同的金属离子溶液，可通过限域电化学反应沉积形成导电层。
2.根据权利要求1所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：绝缘材料1与材料2/材料2’可以根据预制的电路多次打印，以达到所需的厚度，每层电路板的绝缘部分与导电部分的打印厚度相同，每层贯通孔层的绝缘部分与导电贯通孔的打印厚度相同。
3.根据权利要求2所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：步骤S30、S50和步骤S60中所述的绝缘材料1与材料2/材料2’没有打印先后顺序的限制。
4.根据权利要求1所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：所述的液体介质为一种电解液，所述电解液中含有水，能够与所述材料2/材料2’互溶。
5.根据权利要求4所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：所述的湿度敏感材料在所述液体介质环境中打印后，在湿度环境下逐渐固化成型。
6.根据权利要求5所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：所述湿度敏感材料为环氧树脂复合材料，包含一种或多种环氧树脂材料、湿度敏感固化剂和助剂。
7.根据权利要求1所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：所述的金属离子包括但不限于铜离子、银离子、镍离子、金离子、铂离子、铝离子中的一种。
8.根据权利要求7所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：所述的限域电化学反应是指金属离子通过打印头的限制释放，被释放到液体介质中，金属离子在外加电场的驱动下进行定向移动，并在液体介质中发生电化学反应，还原成金属进行沉积，从而形成金属导电层。
9.根据权利要求8所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：所述金属离子的限域电化学反应能够实现电路的可控图案化制备。
10.根据权利要求1所述的电路板3D打印制备方法，其特征在于：可用于单层电路板、双层电路板以及多层电路板的制备。
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