CN113286441A - 一种三明治结构式金属线路成型方法和金属线路清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三明治结构式金属线路成型方法，包括以下步骤：S1在线路载板上涂覆微纳尺度金属颗粒或金属膏体；S2利用刷板在线路载板上方抚平微纳尺度金属颗粒或金属膏体，形成平整的涂层。S3将透光散热材料作为散热层覆盖在平整的涂层上，形成散热层‑金属层‑基板层三明治结构；S4使用激光从上方透过散热层，对金属层进行照射烧结并形成线路；S5移除散热层，对线路载板进行清洗；S6对线路载板进行表面处理，获得最终的成型线路。本发明还提供一种金属线路清洗方法。本发明优化线路成型过程中的散热条件和温度场，调节成型线路的宽度，使得成型金属线路的表面平整，提高线路成型质量，并有效地去除线路载板上残留的金属颗粒。
Description
技术领域
本发明涉及线路成型技术领域，更具体地，涉及一种三明治结构式金属线路成型方法和金属线路清洗方法。
背景技术
随着电子电器产品向超大规模集成化、数字化和批量化方向发展，传统的印制电路制作工艺方法包括化学法和模板(或丝网)漏印法，中国专利公开号 CN102271456A，公开日期2011年12月7日，该专利公开了一种导热陶瓷基印刷电路板及其制备方法，其中导热陶瓷基散热印刷电路板的制备方法为：电路图形编辑，金属粉涂覆，激光印刷烧结，涂覆导电银浆及热处理，印刷防焊油墨以及丝印文字；但是印制电路板过程中由于制造工序多，对高密度、高精度印制电路板易带来较大误差，其最小线宽和线间距受到很大限制，在腐蚀工艺过程中，常常会出现断线，尤其是在大型电机计算机中采用的高密度多层印制板，由于布线密度高，印制线条细，更易产生个别位置腐蚀断线，因而造成大量板材贵金属和工时的浪费。目前国内有部分企业开始使用电镀法进行断线成型，但是此法存在操作困难并且耗时长。为解决这一难题，国内外研究人员一直不断地努力开发各种技术进行断线成型，随着激光打印技术的快速发展，其应用的领域也越来越宽广，应用激光打印技术在断线待成型部位涂敷金属颗粒并进行激光成型，可以达到快速成型电路的目的，该方法操作简单，成本低，耗时短，被认为是目前最为有效的方法。
然而目前激光成型金属线路过程中，线路的线宽和表面质量难以得到有效的控制。烧结过程中的大的温度起伏，导致了成型线路上表面难以保持平整。激光成型过程中的光斑尺寸也限制的更小尺度线路的成型，金属材料的侧向传热导致了线路的宽度大于光斑尺寸。此外激光成型线路仍缺乏有效的线路清洗手段。在激光成形线路后，残余的未烧结纳米金属颗粒将会导致现有线路发生短路等故障。常规的超声清洗方法会使纳米金属颗粒分散到整个线路中，进一步增大短路等故障的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有激光成型金属线路中线宽难以控制，其表面难以保持统一平整的缺点，提供一种三明治结构式金属线路成型方法。本发明能够优化线路成型过程中的散热条件和温度场，调节成型线路的宽度，使得成型金属线路的表面平整，提高线路成型质量。
本发明还提供一种金属线路清洗方法。本发明能够有效地去除线路载板上残留的金属颗粒，降低线路在使用过程中短路的风险。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三明治结构式金属线路成型方法，包括以下具体步骤：
S1.在线路载板上涂覆微纳尺度金属颗粒或金属膏体；
S2.利用刷板在线路载板上方抚平微纳尺度金属颗粒或金属膏体，使得其在线路载板上形成平整的涂层；
S3.将透光散热材料作为散热层覆盖在平整的涂层上，压紧涂层，并保持涂层上方的平整，形成散热层-金属层-基板层三明治结构；
S4.使用激光从上方透过散热层，对金属层进行照射，使得微纳尺度金属颗粒或金属膏体烧结并形成线路；
S5.移除散热层，对线路载板进行清洗，去除残余微纳尺度金属颗粒或金属膏体；
S6.对线路载板进行表面处理，获得最终的成型线路。
进一步的，所述刷板采用的材料为刚性玻璃/刚性金属，所述刷板与微纳尺度金属颗粒或金属膏体的接触面涂覆有石墨层，所述接触面上设有平滑倒角。刷板上的石墨层使得刷板在抚平微纳尺度金属颗粒或金属膏体时并不会与其发生粘连。
优选的，所述刷板采用的材料为刚性玻璃/刚性金属，所述刷板与微纳尺度金属颗粒或金属膏体的接触面进行光滑化或钝化处理，所述接触面上设有平滑倒角。将刷板接触面进行光滑化或钝化处理、平滑倒角的设置均是为了刷板在抚平微纳尺度金属颗粒或金属膏体时，不会与其发生粘连。
进一步的，所述透光散热材料采用的材料为玻璃/石英玻璃/透明陶瓷，所述散热层与金属层接触的一面为平面，另一面被激光照射的区域设有若干个圆弧状凸槽。本技术方案中，工作人员可以通过调节散热层的厚度和散热层上表面的圆弧状凸槽的形状和尺寸，配合激光器的功率和扫描速率，从而调节激光成型线路的过程中的散热条件和光板尺寸，完成对成型线路的最终宽度的调整；例如，使用大厚度、高传热系数的散热层，配合更大的圆弧状凸槽，可以缩小成型线路的最终宽度。
进一步的，所述散热层远离金属层的另一面不被激光照射的区域为镂空结构，步骤S5调整为，先对线路载板进行清洗，去除线路载板上不被激光照射的区域的微纳尺度金属颗粒或金属膏体，然后移除散热层。
进一步的，所述步骤S6中的表面处理是将线路载板放入铬酸盐溶液中进钝化处理/在线路载板上涂敷保护涂层。
进一步的，所述微纳尺度金属颗粒为纳米级、微米级的金、银、铜、锡颗粒或其混合颗粒及其合金，所述金属膏体为以上金属颗粒与有机醇类和助焊剂所组成的混合物。
一种金属线路清洗方法，步骤S5中的清洗过程包括以下具体步骤，
S51.移除散热层，将气体气流对准线路载板上没有受到激光照射区域，将未烧结微纳尺度金属颗粒或金属膏体吹离线路载板；
S52.使用室温或高温氧化性气流对准线路载板，将残余微纳尺度金属颗粒或金属膏体氧化；
S53.利用酸溶液去除氧化后的微纳尺度金属颗粒或金属膏体；
S54.通过水溶液或有机溶液清除残余酸溶液。
进一步的，所述高温氧化性气流的温度范围为室温至300℃，氧化性气体为空气/氧气/臭氧/二氧化氮/二氧化硫/三氧化硫/二氧化氮；所述酸溶液为浓度为 0.1％～10％质量比的稀硫酸/稀硝酸/稀盐酸。
进一步的，所述步骤S52中使用双氧水/高锰酸钾/高氯酸钾氧化性溶液代替氧化性气进行氧化处理，所述氧化性溶液的成分和浓度可以在0.1％～100％质量比之间自由调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用了散热层-金属层-基板层三明治结构的设计，不仅仅能够优化线路成型过程中的散热条件和温度场，且散热层上圆弧凸槽设计，能够将激光汇聚于圆弧状突槽正下方，进一步调整光斑大小，从而调节成型线路的宽度。本发明通过氧化-酸洗对线路载板进行清洗，能够有效地清洗掉残余的金属颗粒，降低线路在使用过程中短路的风险。
附图说明
图1为实施例一中涂抹PI膜铜膏的过程示意图；
图2为实施例一中激光烧结的过程示意图；
图3为图2中A方向的正投影视图；
图4为实施例二中激光烧结的过程示意图；
图5为图4中B方向的正投影视图；
图示标记说明如下：
1-PI线路载板，2-铜膏，3-玻璃板，4-不锈钢刷板，5-预烧结区域，6-激光， 7-成型线路，8-FR-4线路载板，9-柔性塑料刷板，10-纳米铜-银混合颗粒，11-镂空区域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1至图3所示为本发明一种三明治结构式金属线路成型方法的实施例。一种三明治结构式金属线路成型方法，包括以下具体步骤：
S1.在一块10x10mm的PI线路载板1上涂覆铜膏2；铜膏2内含有的铜颗粒的粒径为50nm；
S2.利用不锈钢刷板4在PI线路载板1上方抚平铜膏2，使得其在PI线路载板1上形成厚度为25μm的纳米铜颗粒涂层；
S3.将石英制成的玻璃板3作为散热层覆盖在抚平的纳米铜颗粒涂层上，压紧纳米铜颗粒涂层，并保持纳米铜颗粒涂层上方的平整，形成散热层-金属层-基板层三明治结构；玻璃板3上方待激光照射的位置具有曲率0.5mm的圆弧状凸槽；
S4.使用355nm紫外激光6透过玻璃板3的圆弧状凸槽，对金属层进行照射，使预烧结区域的纳米铜颗粒涂层烧结并形成线路；
S5.移除玻璃板3，对PI线路载板1进行清洗，去除残余纳米铜颗粒；
S6.对PI线路载板1进行表面处理即放入铬酸盐溶液中进钝化处理，得到成型线路7。
实施例二
如图4至图5所示为本发明一种三明治结构式金属线路成型方法的实施例。一种三明治结构式金属线路成型方法，包括以下具体步骤：
S1.在一块10x10mm的FR-4线路载板8上涂覆纳米铜-银混合颗粒10；纳米铜-银混合颗粒10的粒径为50nm；
S2.利用柔性塑料刷板9在FR-4线路载板8上方刷过抚平纳米铜-银混合颗粒10，使得其在FR-4线路载板8形成厚度为25μm的纳米铜-银混合颗粒10涂层；
S3.将石英制成的玻璃板3作为散热层覆盖在抚平的纳米铜-银混合颗粒10 涂层上，压紧纳米铜-银混合颗粒10涂层，并保持纳米铜-银混合颗粒10涂层上方的平整，形成散热层-金属层-基板层三明治结构；玻璃板3上方待激光照射的位置具有曲率0.5mm的圆弧状凸槽，而不被激光照射的区域进行镂空处理，形成镂空区域11；
S4.使用1064nm红外激光6透过玻璃板3圆弧状凸槽，对金属层进行照射，使预烧结区域的纳米铜-银混合颗粒10涂层烧结并形成线路；
S5.对FR-4线路载板8进行清洗，去除FR-4线路载板8上没有受到激光照射区域残余的纳米铜-银混合颗粒10，然后移除散热层；
S6.对FR-4线路载板8进行表面处理即放入铬酸盐溶液中进钝化处理，得到成型线路7。
实施例三
本发明一种金属线路清洗方法的实施例。一种金属线路清洗方法，包括以下具体步骤：
S1.将实施例一中通过355nm紫外激光6照射，完成烧结成型的PI线路载板 1放置在高速空气气流处，吹除未烧结的纳米铜颗粒；
S2.将PI线路载板1置于180℃氧气的气体环境中30分钟，将残余纳米铜颗粒氧化；
S3.将PI线路载板1浸泡于5％质量分数稀硫酸溶液中5秒，去除氧化后的纳米铜颗粒；
S4.再将PI线路载板1浸泡于乙醇溶液中5秒；清除残余酸溶液。
实施例四
本发明一种金属线路清洗方法的实施例。一种金属线路清洗方法，包括以下具体步骤：
S1.将实施例二中通过1064nm红外激光6照射，完成烧结成型的FR-4线路载板8放置在高速空气气流处，吹除未烧结的纳米铜-银混合颗粒10，移除玻璃板3；
S2.将FR-4线路载板8置于150℃氧气的气体环境中30分钟，将残余纳米铜 -银混合颗粒10氧化；
S3.将FR-4线路载板8浸泡于5％质量分数稀硫酸溶液中5秒，去除氧化后的纳米铜颗粒；
S4.再将FR-4线路载板8浸泡于乙醇溶液中5秒；清除残余酸溶液。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：包括以下具体步骤，
S1.在线路载板上涂覆微纳尺度金属颗粒或金属膏体；
S2.利用刷板在线路载板上方抚平微纳尺度金属颗粒或金属膏体，使得其在线路载板上形成平整的涂层；
S3.将透光散热材料作为散热层覆盖在平整的涂层上，压紧涂层，并保持涂层上方的平整，形成散热层-金属层-基板层三明治结构；
S4.使用激光从上方透过散热层，对金属层进行照射，使得微纳尺度金属颗粒或金属膏体烧结并形成线路；
S5.移除散热层，对线路载板进行清洗，去除残余微纳尺度金属颗粒或金属膏体；
S6.对线路载板进行表面处理，获得最终的成型线路。
2.根据权利要求1所述的一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：所述刷板采用的材料为刚性玻璃/刚性金属，所述刷板与微纳尺度金属颗粒或金属膏体的接触面涂覆有石墨层，所述接触面上设有平滑倒角。
3.根据权利要求1所述的一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：所述刷板采用的材料为刚性玻璃/刚性金属，所述刷板与微纳尺度金属颗粒或金属膏体的接触面进行光滑化或钝化处理，所述接触面上设有平滑倒角。
4.根据权利要求1所述的一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：所述透光散热材料采用的材料为玻璃/石英玻璃/透明陶瓷，所述散热层与金属层接触的一面为平面，另一面被激光照射的区域设有若干个圆弧状凸槽。
5.根据权利要求4所述的一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：所述散热层远离金属层的另一面不被激光照射的区域为镂空结构，步骤S5调整为，先对线路载板进行清洗，去除线路载板上不被激光照射的区域的微纳尺度金属颗粒或金属膏体，然后移除散热层。
6.根据权利要求1所述的一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：所述步骤S6中的表面处理是将线路载板放入铬酸盐溶液中进钝化处理/在线路载板上涂敷保护涂层。
7.根据权利要求1所述的一种三明治结构式金属线路成型方法，其特征在于：所述微纳尺度金属颗粒为纳米级、微米级的金、银、铜、锡颗粒或其混合颗粒及其合金，所述金属膏体为以上金属颗粒与有机醇类和助焊剂所组成的混合物。
8.一种金属线路清洗方法，其特征在于：权利要求1中步骤S5中的清洗过程包括以下具体步骤，
S51.移除散热层，将气体气流对准线路载板上没有受到激光照射区域，将未烧结微纳尺度金属颗粒或金属膏体吹离线路载板；
S52.使用室温或高温氧化性气流对准线路载板，将残余微纳尺度金属颗粒或金属膏体氧化；
S53.利用酸溶液去除氧化后的微纳尺度金属颗粒或金属膏体；
S54.通过水溶液或有机溶液清除残余酸溶液。
9.根据权利要求8所述的一种金属线路清洗方法，其特征在于：所述高温氧化性气流的温度范围为室温至300℃，氧化性气体为空气/氧气/臭氧/二氧化氮/二氧化硫/三氧化硫/二氧化氮；所述酸溶液为浓度为0.1％～10％质量比的稀硫酸/稀硝酸/稀盐酸。
10.根据权利要求8所述的一种金属线路清洗方法，其特征在于：所述步骤S52中使用双氧水/高锰酸钾/高氯酸钾氧化性溶液代替氧化性气进行氧化处理，所述氧化性溶液的成分和浓度在0.1％～100％质量比之间自由调节。
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