CN115996846A - 设计增强型3d打印支撑块 - Google Patents

Abstract

一种用于印刷电路板(PCB)和印刷电路板组件(PCBA)的支撑块，其中，该支撑块由3D打印工艺生成。该支撑块包括具有真空连接件的底表面；具有至少一个真空孔的顶表面；从该顶表面偏移的至少一个凹陷表面；以及至少一个真空通道，其从该真空连接件延伸到该至少一个真空孔。

Description

设计增强型3D打印支撑块

技术领域

本发明涉及用于丝网印刷电路板组件、测试夹具、通过-不通过夹具、波峰焊接托盘等的3D打印支撑块的领域。

背景技术

本节提供了与本发明相关的背景信息，其不一定是现有技术。印刷电路板组件(printed circuit board assembly，PCBA)包括印刷电路板(printed circuit board，PCB)，该印刷电路板包含将电子从一个位置传送到另一个位置的导电迹线。这些迹线通常由铜制成，允许电子从一个部件流向另一个部件。部件包括集成电路、电阻器、电容器、二极管等。表面贴装技术(Surface Mount Technology，SMT)描述了一种将电气部件直接安装到印刷电路板的表面上的方法。

在SMT过程中，丝网打印机可用于在PCB上的指定位置沉积焊膏。焊膏包含少量悬浮在焊剂中的导电金属。焊剂在加热回流步骤之前暂时允许部件粘附到电路板上，在加热回流步骤中加热以熔化金属，从而将部件熔合到电路板上。在将焊膏沉积到电路板上之后，将部件放置在湿焊膏上，并在回流过程中将组合的PCB、湿焊膏和部件(现在已就位)熔合在一起。回流过程加热湿焊料以熔化其中包含的金属。这将使部件与电路板熔合，并确保PCB与部件之间的良好接触。在回流步骤之后，PCBA以指定的速率冷却，焊料固化，从而将部件附接到PCBA上。

丝网打印机在PCB和PCBA上放置模板。该模板具有孔，可以将焊膏沉积在该孔中。焊膏在模板的第一侧上厚厚地铺开，然后使用刮板在模板上均匀地铺开焊膏。焊膏填充模板中的孔(孔洞)，并沉积在位于模板下方的PCB(或PCBA)上。在刮板将焊膏在PCB(或PCBA)上铺开之后，模板与PCB(或PCBA)分离，留下在指定位置带有湿焊膏的PCB(或PCBA)。然后将部件附接到这些指定位置。

当刮板在电路板上铺开焊膏时，刮板向电路板施加向下的力。因此，为了避免电路板弯曲，从而避免焊膏厚度不均匀，该电路板从下方被支撑。对于具有平坦底面的电路板，可以使用平坦支撑件。然而，对于两侧都有部件的电路板，由于部件的存在，不能使用平坦支撑件。电路板底侧上的部件可能会由于在平坦支撑件和电路板之间受到挤压而损坏。此外，当部件位于电路板的底部并且支撑件为平坦时，板的顶部可能会不均匀。对于两侧都有部件的电路板，通常使用不同高度的引脚或专用支撑块(也称为板或托盘)。专用支撑块通常包括两部分：顶部块和底部块。支撑块的结构材料通常为铝。顶块不是平坦的，而是具有切口以允许来自PCBA底侧的部件容纳在其中。底部块被附接在顶部块的下方，以便紧密密封顶部块和底部块的外边缘。底部块通常具有用于附接真空源的开口。当PCBA位于顶部块的顶部时，通过底部块中的开口抽真空以将PCBA固定到顶部块。在移除PCBA之前移除真空压力。

虽然上述支撑块在丝网打印过程中很有用，但它们不能提供最佳的表面平坦度。两块设计使这个问题更加复杂，因为每个块都有尺寸公差(变化)，而组合在一起的支撑块的总尺寸公差(变化)是每个单独公差的总和。当今的支撑块价格昂贵，通常需要在场外制造并运送至PCBA组装现场。支撑块通常通过减法制造(例如CNC加工)制造。在减法制造过程中，从固体材料初始件去除材料以获得所需的形状。因此，当通过减法制造生产PCBA支撑块时，随着PCBA上部件的数量增加，生产PCBA支持块的机器时间和成本增加。此外，当今的铝支撑块很重。这会导致更高的运输成本和潜在的人体工程学问题，甚至会导致搬运工人受伤。当今的PCBA支撑块在施加真空的方式上也是低效的。

至少出于这些原因，本领域需要一种改进的PCBA支撑块。

三维(three-dimensional，3D)打印是在计算机控制下将材料连接或固化以创建三维对象的各种过程。3D打印材料被“添加”到基底上，例如以添加的液体分子或粉末颗粒层或熔化的进料材料的形式，并且在打印材料连续熔合到基底上时，3D对象被形成。因此，3D打印是增材制造(additive manufacturing，AM)的一个子集。

3D打印的对象可以是几乎任何形状或几何形状，通常，监督3D对象生成的计算机控制根据数字数据模型或类似的增材制造文件(additive manufacturing file，AMF)文件(即“打印计划”)执行。通常，该AMF是在逐层的基础上形成的，并且可以包括用于形成层的其他硬件的控制，例如激光器或热源。虚拟地说，如本文所述，在打印计划中将生产的部件切成层，然后这些虚拟层成为实际层。

有许多不同的技术用于执行AMF。示例性技术可以包括：熔融沉积建模(fuseddeposition modeling，FDM)；立体光刻(SLA)；数字光处理(digital light processing，DLP)；选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)；选择性激光熔化(selectivelaser melting，SLM)；高速烧结(high speed sintering，HSS)；喷墨打印和/或颗粒喷射制造(IPM)；分层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)；电子束熔化(electronic beam melting，EBM)；以及直接能量沉积(direct energy deposition，DED)。

上述方法中的一些熔化或软化打印材料以产生打印层。例如，在FDM中，通过挤压材料的小珠或流，这些小珠或者流硬化形成层，从而生成3D对象。热塑性材料、金属丝或其他材料的细丝被送入挤出喷嘴头，该喷嘴头通常加热材料并打开和关闭流动。

其他方法，例如激光或类似的基于束的或烧结技术，可以加热或以其他方式激活打印材料，例如打印粉末，以将粉末颗粒熔化成层。例如，这种方法可以使用高能激光熔化粉末，以产生具有与传统制造方法类似的机械性质的完全致密材料。例如，SLS使用激光将聚合物、金属或复合材料的颗粒固化并粘结成层，以产生3D对象。激光在粉末床中勾画出每一层切片的图案，然后该床下降，勾画另一层并粘结至前一层的顶部。

相比之下，其他类似方法，如IPM，可以通过在3D对象的横截面上铺开一层粉末并打印粘合剂，一次一层地生成3D对象。该粘合剂可以使用类似喷墨过程打印。

作为进一步的示例，正如本领域技术人员所理解的，高速烧结(high speedsintering，HSS)通过使用加热灯(例如红外(IR)灯)来形成部件。更具体地说，如上文所述，虚拟地讲，在打印计划中将生产的部件切成层，然后在通过打印过程将IR应用到打印床的被处理区域时这些虚拟层变成实际层。

也就是说，通常在使用粉末打印材料的“床”时出现HSS。打印计划可以选择粉末床内的一个或多个位置作为部件生成位置。使用吸热油墨将每个部件层“打印”到粉末床中的部件生成图案上。在典型的过程中，宽带IR灯然后将热量传递到整个打印床上。该热量被吸热油墨吸收，从而形成仅具有由放置在粉末床上的油墨图案所指示的形状特征的部件层，如上所述。

然后一层一层地重复上述过程，直到形成完整的部件。因此，HSS过程允许高度精细化的设计，即使在给定部件的内部方面之间，也允许内部移动和类似的交互。此外，为了允许这种精细的图案形成，还可以在给定层图案的打印边界周围的选定位置放置诸如水的防热剂，以防止这些层不期望地吸收热量以及由此导致的部件变形。

根据上述内容，HSS中的部件特性可能会逐层变化，甚至在层内变化，例如，基于所使用的油墨和/或所施加的热量水平。此外，利用IR灯在打印粉末床上的每一个通过，可以利用整个床为许多部件生成单独的层图案。

发明内容

所公开的示例性设备、系统和方法提供了一种可以用于丝网打印过程的3D打印支撑件，以实现焊膏在印刷电路板或印刷电路板组件(PCB或PCBA)上的更均匀涂覆。某些实施例涉及更轻(重量)、具有更好(更小)的尺寸公差、增强的平坦度、具有更具针对性的真空系统并且具有单件设计的3D打印PCBA支撑块。

在一个实施例中，3D打印支撑块包括：具有真空连接件的底表面；具有至少一个真空孔的顶表面；从该顶表面偏移的至少一个凹陷表面；以及至少一个从该真空连接件延伸到该至少一个真空孔的真空通道。例如，该支撑块可用于丝网印刷电路板组件、测试夹具、通过-不通过夹具、波峰焊接托盘等。

在生产3D打印支撑块的方法中，该方法包括：对支撑块进行3D打印，其中，该支撑块包括：具有真空连接件的底表面；具有至少一个真空孔的顶表面；从该顶表面偏移的至少一个凹陷表面；以及至少一个从该真空连接件延伸到该至少一个真空孔的真空通道。

根据本发明的一个实施例，还公开了一种用于在印刷电路板或印刷电路板组件等制品上进行丝网打印的丝网打印机。该丝网打印机包括：升降板；真空块，其设置在该升降板上；至少一个支撑杆，其可拆卸地设置在该升降板上；以及3D打印支撑块，其具有放置在真空板上和该至少一个支撑杆上的底表面，以及被配置为在该丝网打印过程中支撑制品的顶表面。

附图说明

结合本申请所附的构成本申请一部分的附图对所公开的非限制性实施例进行讨论，其中相同的数字表示相同的元件，其中：

图1是根据现有技术的印刷电路板组件的示意图。

图2是根据现有技术的丝网打印设备的示意图。

图3是根据本发明实施例的支撑块的示意透视图。

图4是根据本发明实施例的具有真空连接件的支撑块的示意透视图。

图5是支撑块的示意透视图，其一部分被切掉，以显示根据本发明实施例的真空分配系统。

图6是根据本发明实施例的支撑块的示意透视图。

图7是根据本发明的一个实施例的3D打印的插入保持器和磁体的分解透视图。

图8是根据本发明另一实施例的3D打印的插入保持器和磁体的分解透视图。

图9A是图4的支撑块的底部透视图。

图9B是图9A的支撑块的顶部透视图。

图10是根据本发明实施例的丝网打印设备的透视图，该丝网打印设备包括可移除支撑杆的阵列。

图11A是在升降板的活动区域内放置可移除支撑杆之前的丝网打印设备的透视图。

图11B是在升降板的活动区域内放置第一可移除支撑杆之后的丝网打印设备的透视图。

图11C是在升降板的活动区域内放置多个可移除支撑杆之后的丝网打印设备的透视图。

图12A是当升降板处于下降位置时丝网打印设备的正视图。

图12B是当升降板处于提升位置时丝网打印设备的正视图。

具体实施方式

以下详细说明和附图描述并说明了本发明的各种实施例。说明书和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明，而不旨在以任何方式限制本发明的范围。就所公开的方法而言，所呈现的步骤本质上是示例性的，因此，步骤的顺序不是必要的或关键的。

图1示出了印刷电路板组件(PCBA)100。PCBA 100包含附接到印刷电路板(PCB)102的部件，在图1中表示为101a、101b、101c、101d、101e、101f和101g。迹线103用于将电子从一个位置传送到另一个位置。部件101a、101b、101c、101d、101e、101f和101g是三维的并且从PCB延伸。

图2示出了通常用于将焊膏丝网打印到PCB 102上的设备。模板200包含从模板200切出的孔201(以及图2中由正方形和矩形所示的其他孔)。PCB 102(图2中未示出)直接位于模板的下方，使得沉积进入孔201中的焊膏202沉积在PCB 102的表面上的指定位置。焊膏202沉积在模板200上，并且刮板203沿箭头204的方向移动，以使焊膏202均匀地铺开在模板200上并进入孔201中。在焊膏202均匀地铺开在模板200上之后，模板200与PCB分离。此时，PCB在适当的位置具有湿焊膏，并准备好将部件放置到PCB上，通常使用拾取和放置机器。

图3示出了根据本发明实施例的支撑块300。所示的支撑块300通过增材制造过程进行3D打印，并且可以具有如图3所示的单件设计。单件设计是有益的，因为它最小化支撑块300的尺寸公差并优化其平坦度。在两块设计中，底部块具有尺寸公差，顶部块具有尺寸公差。因此，两块支撑件系统的总尺寸公差等于底部块的尺寸公差和顶部块的尺寸公差之和。另一方面，对于单件设计，只有一个尺寸公差。由于存在单个公差，本发明的单件设计使得可以更容易地实现支撑块300的平坦度，特别是在保持PCBA(或PCB)的支撑块300的顶表面302上。尽管PCB在此被描述为示例，但是应当理解，支撑块可以被提供用于其他系统，例如测试夹具、通过-不通过夹具、波峰焊接托盘等。形成在支撑块300中的三角形支撑件301有效地将施加在支撑块300的顶表面302上的向下压力(例如，来自刮板)直接传递到支撑块300的底表面303。三角形支撑件301还可以用作真空通道，在下文对此进行更详细讨论。所示的支撑块300比现有技术的支撑块系统(例如铝系统)具有优势，其中z强度(在上下方向上的强度)是支撑块的顶表面的强度和厚度的函数(例如，当顶部水平定向的表面未从下方被支撑时)。图3还示出了磁体开口304、磁体通道305和凹陷区域306。在一个实施例中，磁体开口304和磁体通道305被配置为在其中接收磁体(未示出)。磁体可以具有期望的形状，例如球面形、冰球形、圆柱形或其他形状。可以选择磁体通道305的形状以匹配所使用的磁体的形状。例如，可以为球面形磁体提供圆形磁体通道，可以为立方体或方形磁体提供方形磁体通道等。在一个实施例中，凹陷区域306被构造为使得PCBA的部件装配在凹陷区域306内。在一个实施例中，提供真空孔307(以及形成在支撑块300内的相关真空通道)以帮助将PCB或PCBA固定到支撑块300。

根据本发明的3D打印支撑块300能够更有效地利用制造过程中使用的真空抽吸。由于单件设计和在指定位置产生具有指定几何形状的真空通道以获得最佳真空的能力，3D打印支撑块300允许仅在需要真空的指定位置施加真空。由于通过3D打印实现的独特几何形状，真空通道可以被包括在在指定位置提供真空的3D打印支撑块300中。这是一种更有效的真空过程，因为为了达到期望的真空压力，必须将(通过抽吸)抽真空的体积最小化。

图4示出了本发明的一个实施例，该实施例具有形成在支撑块404中的真空连接件401。真空源(未示出)，例如真空软管或真空管道，可以连接到真空连接件401，以在真空孔402和形成在支撑块404内的真空通道403上抽真空。根据需要，可以在支撑块404内形成多个真空孔402和多个真空通道403。在图4中，真空孔402形成在真空连接件401中。根据需要，真空孔402可以位于支撑块404的顶表面上或其他地方。所示的真空通道403围绕真空连接件401的周边设置，但是可以根据需要形成在其他地方。所示的真空通道403是通向支撑块404的顶表面上的指定位置的封闭通道。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，真空通道403可以具有其他构造。

图5示出了根据本发明实施例的支撑块500的剖视图。图5示出了剖视图以更好地使真空分配系统可视化。真空连接件501提供用于将真空源连接到支撑块500的连接点。真空连接件501可以3D打印为指定形状，该指定形状允许给定的真空管道或真空软管容易地连接到真空连接件(从图5中的底侧)。真空孔502位于支撑块500的顶表面中。真空被施加到真空连接件501并通过真空孔502抽真空。此外，真空通道503将真空连接件501连接到分布式真空位置505，以在分布式真空位置506处提供真空。因为真空连接件501流体连接到每个分布式真空位置505(示为真空通道503顶部的孔洞)，所以将真空施加到真空连接件501导致在每个分布式真空位置505处施加真空。以这种方式，PCB或PCBA可以通过分布式真空系统保持在适当位置，同时最小化必须被抽真空的(位于真空下)体积。支撑块500可以根据需要包括任意数量的真空孔502、真空通道503和分布式真空位置505。支撑块500可以包括一个或多个真空通道503。真空通道503可通过提供刚性结构以支撑该支撑块500的顶侧，该刚性结构直接连接到支撑块500的顶表面，并直接连接到支持块500的底表面。以此方式，真空通道503既可以用作真空分配通道，也可以用作结构支撑件。

当使用减材制造工艺(如CNC加工)时，随着开放面积的增加，浪费材料的量也随之增加。随着PCBA上部件数量的增加，需要更多的开放面积。因此，当使用减材制造工艺时，用于制造具有大量部件的PCBA的支撑块的加工时间长于用于制造具有少量部件的PCBA的支撑件的加工时间。当使用增材制造过程(例如3D打印(例如，熔丝制造(fused filamentfabrication，FFF)打印等)时，用于制造支撑块的材料量和生成支撑块所需的机器时间与PCBA板上的部件数量负相关。换言之，与为具有更少数量的部件的PCBA设计的支撑块相比，用于具有大量部件的PCBA的3D打印PCBA支撑块需要更少的材料并且制造更快。随着PCBA包含的部件越来越多，3D打印支撑块变得越来越有吸引力。

3D打印PCBA支撑块的重量也可以比标准铝支撑块更轻。3D打印支撑块(由熔丝制造(FFF)生成)没有实芯。相反，3D打印的(使用FFF)支撑块用填充物填充空白区域，这是一种重复结构，部分填充空白空间，并为3D打印对象提供结构。例如，3D打印支撑块，如图6所示的支撑块600，可以用20％的填充物(即20％的填充密度)产生，以产生比铝支撑块轻得多的支撑块。填充密度可为体积百分比的20％。可以改变填充量以获得期望的强度和/或重量。通过使用聚合物/复合材料以及通过使用小于100％的填充物，PCB/PCBA支撑块的重量显著减少。例如，铝加工块可以重达10磅或更重，而填充20％的3D打印块可以重达不到2磅。这有助于提高人体工程学，降低搬运时的人身伤害风险，降低运输成本。重量减轻的3D打印支撑块也更容易在丝网打印机中定位，并且操作员在更换支撑块时更容易处理。应当理解，可以使用任何丝网打印机，例如MPM品牌或DEK品牌丝网打印机而不脱离本发明的范围。

除了出于重量考虑选择3D可打印材料外，还可以由于其他特性而选择材料。例如，静电放电保护的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG-ESD)是一种理想的材料，因为它不会腐蚀并且具有耗散性，不像铝是导电的。碳填充尼龙可用于3D打印具有高杨氏模量的PCBA支撑块(刚性支撑块)。ESD安全丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS ESD)、ESD安全聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯苯乙烯(PC-ABS ESD)和/或ESD安全聚碳酸酯也可用于制造3D打印PCBA支撑块。

此外，可以利用多种材料来制造3D打印支撑块。例如，第一材料可用于3D打印PCBA支撑块的主体，第二材料可用于在真空孔周围形成周向密封，以改善对PCBA或PCB的真空密封。在该示例中，第一材料可以是PETG-ESD，第二材料可以是热塑性弹性体，例如苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)(以改善对PCBA或PCB的真空密封和/或在PCBA或PCB与支撑块之间提供缓冲)。另外，可以使用第二材料来形成真空通道。例如，可以选择具有低气体渗透性的材料，并使用该材料来形成真空通道，以实现更好的(更低压)真空。这些多种材料很容易用于3D打印过程中。

在另一个实施例中，第一材料可用于3D打印PCBA支撑块的主体，第二种材料可被用于支撑块的顶表面。在该示例中，第一材料可以是PETG-ESD，第二材料可以是热塑性弹性体，例如苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)(以改善对PCBA或PCB的真空密封和/或在PCBA或PCB与支撑块之间提供缓冲)。

还可以利用多种材料打印支撑块，该支撑块具有使用刚性/刚性材料打印的基底和使用弹性材料打印的上层。在本示例中，弹性材料可为PCBA提供缓冲，或提供“抽吸特征”，以在施加真空时更好地保持PCBA。在实施例中，可以围绕真空孔的周边添加弹性材料。在实施例中，弹性材料可用于构造3D打印支撑块的顶表面。

此外，多材料打印可提供3D打印支撑块，该支撑块包括由选择用于实现良好平坦度的材料制成的顶层和底层，而3D打印支撑件的中间层由选择用于另一性质(例如：成本、强度、重量、密度等)的材料制成。

使用磁体可以进一步提高3D打印支撑块的平坦度。如图6所示，3D打印支撑块600可以与磁体保持器位置601一起制造。磁体602可以插入磁体保持器位置601中，以提高支撑块的平坦度。磁体602可以压配到磁体保持器位置601中。也就是说，磁体602可以紧密地配合在磁体保持器位置601内，以将磁体602保持在磁体保持位置601中。磁体602可以被磁性地吸引到位于3D打印支撑块600下方的金属表面。因为3D打印的PCBA支撑块600具有一定的柔性，所以磁体可以弯曲/曲折3D打印的PCB支撑块600以改善平坦度。非常硬的PCBA支撑块，例如由铝制成的支撑块，不具有磁体弯曲所需的柔性。

图7示出了各种实施例中可能包括的3D打印的插入保持器。例如，插入保持器700可以被3D打印为3D打印支撑块的整体部分。插入保持器700包括顶部701和至少一个支撑架702。支撑架702可以是材料的柱或股，以将顶部701保持在期望的朝向或位置。磁体通道703由外周边704限定。磁体705可被定位或滑动到顶部701下方并进入磁体通道703中，其中磁体705在磁体通道703中向下下落。磁体705的定位如图7中的箭头所示。如图7所示，当支撑块倒置(磁体通道703的顶部开口朝向地球表面)时，3D打印的插入保持器700(具体地，其顶部701)防止磁体705从支撑块中脱落

图8示出了为冰球形磁体设计的3D打印的插入保持器800。插入保持器800包括顶部801、至少一个支撑架802和磁体通道803。可以选择顶部801和磁体通道803的顶部之间的距离，使得磁体804可以在顶部801和磁体通道803的顶部之间范围受限地滑动，从而最小化插入保持器800的轮廓。磁铁804的定位如图8中的箭头所示。如图7和图8所示，3D打印的插入保持器可设计为适应不同形状和尺寸的磁体。

当回收支撑块时，希望在回收之前移除磁体。有利的是，图7和图8的插入保持器可以被设计成使得顶部和/或支架可以从支撑块上折断(移除)，从而在支撑块翻转(倒置)时为磁体提供不受限制的开口，供磁体脱落。在移除插入保持器(即，移除顶部和/或支架)后，可以简单地将支撑块倒置，以使磁体从支撑块中脱落。磁体可以重复使用，无磁体支撑块可以被回收。

在另一个实施例中，改进的PCBA支撑块可包括3D打印支撑块(具有用于PCBA部件装配的开口)，该支撑块附接在平坦金属块的顶部。3D打印支撑块可使用螺栓或其他合适的紧固件(例如，螺钉、夹具、磁体、结、粘合剂等)附接到平坦的金属块。该设计允许经由3D打印实现定制细节，并通过将3D打印的部分螺栓连接到平坦的金属(或其他刚性材料)底部块上，从而提高平坦度。此外，这种设计允许较短的3D打印支撑块与第二零件结合，以形成可用于高支撑块几何形状的支撑块。在其他实施例中，平行支撑块可以与3D打印支撑块结合使用。平行支撑块可以放置在丝网打印机中的3D打印支撑块下方。3D打印支撑块的尺寸将决定要使用的平行支撑块的数量。平行支撑块将具有金属顶表面，从而可以利用磁体将3D打印支撑块附接到平行支撑块的顶表面。

与铝支撑块相比，聚合物3D打印支撑块还降低了其刮擦支撑的PCBA的风险。

3D打印的PCBA支撑块便于使用嵌入式条形码进行防错和/或库存控制。在生产PCBA支撑块时，可以很容易地将3D打印的条形码直接添加到PCBA支撑块上。或者，在3D打印过程中，可以将RFID标签插入3D打印的PCBA支撑块内，以消除丢失标签的风险并添加远程可追踪性特征。

3D打印的PCBA支撑块简化了物流并可回收。3D打印的PCBA支撑块可以在使用它们的PCBA组装现场被制造，而不是在场外制造PCBA框架并将其运送到使用点。与使用切削油和产生金属屑的CNC加工不同，大多数3D打印技术本质上是清洁的，这使得可以在PCBA生产线旁进行3D打印。例如，3D打印可以在ISO 14644-1洁净室标准定义的ISO1、ISO2、ISO3、ISO4、ISO5、ISO6、ISO7、ISO8或ISO9级洁净室中进行。这将大大缩短支撑框架设计和支撑框架使用之间的时间。可回收聚合物可用于制造PCBA支撑块。这将允许之前使用的支撑块被熔化、被重新打印(3D打印)并再次被使用。由于PCBA支撑块是为给定的PCBA定制设计的，因此在组装PCBA的现场进行3D打印PCBA支撑块将节省大量时间和材料。通过回收之前使用的3D打印的PCBA支撑块(在单独的位置或在PCBA组装现场)，可以实现更大的节约。当回收之前使用的3D打印支撑块时，之前使用的3D打印支撑块可以用作3D打印的新支撑块的原料。

3D打印支撑块的另一个优点是能够根据最终用户的要求调节打印速度(生产率)。例如，当PCBA具有小节距部件时，支撑块需要更严格的公差(平坦度)。在这种情况下，可以使用较慢的3D打印速度来获得最佳打印质量。另一方面，使用标准节距部件的PCBA将不需要如此严格的公差，并且可能实现更快的打印速度。可以在软件中调节最佳速度。例如，当为PCBA具有小节距部件的应用打印支撑块时，用户可以选择“精密打印模式”，或者当为PCBA具有标准节距部件的应用打印支撑块时，用户可以选择“快速打印模式”。

本申请中公开的3D打印支撑块还可用于丝网打印以外的领域。例如，3D打印支撑块可用于x光机中，该x光机用于检查PCBA。

现在转到图9A所示的实施例，示出了支撑块900的底视图。支撑块900具有顶侧901和底侧902。还示出了真空孔903和真空通道904。真空连接件905也用于将真空源连接到支撑块900。

图9B示出了支撑块900的俯视图。支撑块900具有顶侧901和底侧902。支撑块900包括真空孔903、磁体开口904和凹陷区域905。凹陷区域905可以容纳PCBA部件，从而允许PCBA平放在顶侧901上。

图10示出了根据本发明实施例的设备1000。设备1000包括支撑块1001、升降板1020、真空块1030、传送器1040和至少一个支撑杆1050。设备1000被配置为在针对制品1100执行的制造过程中使用，制品1100在制造过程中被支撑在支撑块1001上。制品1100可以是如本文先前所述的PCB或PCBA。

针对制品1100执行的制造过程可以是丝网打印过程，因此设备1000可以是丝网打印机或丝网打印机的机构。丝网打印过程可以包括将焊膏沉积在将制品1100覆盖的模板(未示出)上，模版具有形成在其中的孔，其中通过刮板(未示出)或类似物铺开焊膏导致焊膏被均匀地铺开在模板上并进入与制品1100的表面连通的相应孔中。丝网打印过程包括在朝向下面的支撑块1001的方向上向制品1100施加压力，因此期望包括在丝网打印过程期间制品1100放置在支撑块1001上的顶表面1002的最小尺寸公差。除了所描述的丝网打印过程之外，设备1000可用于针对制品1100和支撑块1001执行的任何制造过程，其中支撑块1001的顶表面1002的平坦度与优化针对制品1100执行的制造过程相关。尽管PCB或PCBA在本文中被描述为形成与设备1000一起使用的制品1100的示例，但是可以为其他系统提供支撑块1001，例如测试夹具、通过-不通过夹具、波峰焊接托盘等。

支撑块1001可以通过增材制造过程进行3D打印，以使支撑块1001具有单件设计。支撑块1001的单件设计有利于使支撑块1001的尺寸公差最小化并优化其平坦度，特别是支撑块1001的顶表面1002的平坦度，在制造过程中制品1100放置在支撑块1001的顶表面1002上。

支撑块1001如图10所示，包括与支撑块1001的顶表面1002平行并相对的底表面1003。支撑块1001还包括至少一个磁体开口1004，每个磁体开口1004通向对应的磁体通道1005、至少一个凹陷区域1006和至少一个真空孔1007。每一个磁体开口1004被示出为形成在凹陷区域1006中的一个内，但是磁体开口1004中的一些或全部可以替代地形成在顶表面1002中。每个磁体通道1005可以被构造为在其中容纳磁体(未示出)或在其中封装磁体的插入保持器(未示出)。作为一个示例，每一个凹陷区域1006可以被构造为容纳制品1100的部件，该部件从制品1100的面向支撑块1001的顶表面1002的表面突出。在制品1100是PCB或PCBA的情况下，部件可以是诸如集成电路、电阻器、电容器、二极管等的电气部件。每个凹陷区域1006可以相应地包括与从制品1100突出的对准部件的形状和深度相对应的周边形状和深度。每个真空孔1007可以与形成在支撑块1001内的一个或多个对应的真空通道(未示出)连通。每个真空通道又可以与和支撑块1001的底表面1003相交的一个或多个对应的真空连接件(未示出)连通。每个真空连接件可以定位在底表面1003上，以与真空块1030的相应部分连通，在下文描述真空块1030及其操作时更详细地解释。

因此，与设备1000一起使用的支撑块1001本质上仅是示例性的，并且可以代表本文公开的支撑块300、404、500、600、900中的任何一个以及其特征的任何所描述的变型或组合。支撑块1001还可以被构造为与任何独立提供的部件一起使用，例如所公开的用于承载容纳在一个磁体通道1005中的磁体的插入保持器700、800中的一个。

升降板1020包括用于支撑真空块1030和每个支撑杆1050的支撑表面1021。升降板1020被构造为在垂直于支撑表面1021布置的第一方向上平移，如图10中的轴1070所示。第一方向可以是平行于重力方向布置的竖向方向。升降板1020可操作地耦合到致动器，该致动器使升降板1020的线性平移，同时保持如图10所示的相同朝向。

传送器1040包括具有第一接合表面1042的第一传送元件1041和相对布置的具有第二接合表面1044的第二传送元件1043。传送元件1041、1043和相应的接合表面1042、1044沿第二方向纵向延伸，该第二方向平行于升降板1020的支撑表面1021并垂直于第一方向。第二方向由图10中的轴1080表示。第二方向可以是垂直于重力方向布置的水平方向。接合表面1042、1044布置在平行于支撑表面1021的平面布置的平面上，并且被构造为支撑制品1100的相对两侧。接合表面1042、1044可以由传送带、滑动托架等形成，其被配置为相对于下面的升降板1020沿第二方向选择性地平移制品1100，如图10中的箭头1045所示。

第一传送元件1041和第二传送元件1043相对于第三方向彼此间隔开，第三方向布置得平行于支撑表面1021并分别垂直于第一方向和第二方向。第三方向由图10中的轴1090表示。在设备1000的一个实施例中，第一传送元件1041和第二传送元件1043之间相对于第三方向的空间可以是可调节的，以容纳不同尺寸的制品1100。例如，第二传送元件1043可在邻近真空块1030的位置处保持基本静止，而第一传送元件1041可被配置为相对于第三方向朝向或远离第二传送元件1043平移。第一传送元件1041和第二传送元件1043之间的间隔也可以被选择为等于或大于支撑块1001在第三方向上的尺寸，以允许支撑块1001在升降板1020朝向传送元件1041、1043的垂直平移期间在相对的传送元件1042、1043之间通过，如下文所述。

真空块1030设置在升降板1020的支撑表面1021上，位于偏置朝向第二传送元件1043的位置。真空块1030被固定在升降板1020上的适当位置，以使得支撑杆1050和支撑块1001可以相对于真空块1030的固定位置定位在升降板1030上。

真空块1030包括平行于支撑表面1021布置的顶表面1031，顶表面1031被构造为接合朝向第二传送元件1043设置的支撑块1001的底表面1003的一部分。顶表面1031被设置为是平坦的以适当地支撑该支撑块1001，以避免在诸如所描述的丝网打印过程的制造期间支撑块1001的乱取向或错位。顶表面1031与支撑表面1021隔开真空块1030沿第一方向延伸的高度尺寸。

在所示实施例中，真空块1030的形状基本上为长方体，并沿第二方向纵向延伸。其顶表面1031类似地在第二方向上延伸，该顶表面1032相对于第三方向定位在第一传送元件和第二传送元件1041、1043之间，并且朝向第二传送元件1043偏置。

真空块1030如图11A最佳所示，图11A示出了放置在制造过程中使用的支撑块1001和支撑杆1050之前的设备1000。真空块1030包括通向真空歧管1033的真空联接器1032。真空联接器1032将真空块1030流体连接到真空源(未示出)，该真空源被配置为在真空歧管1033内产生抽吸压力。真空歧管1033流体连接到设置在真空块1030的顶表面1031中的至少一个真空端口1034。至少一个真空端口1034被构造为与形成在支撑块1001的底表面1003上的真空连接件中的至少一个流体连通。在本发明的一个实施例中，支撑块1001可以包括形成在其底表面1003中的一个细长的真空连接件，其用作歧管开口，每个真空端口1034与单个真空连接件流体连通。在其他实施例中，支撑块1001可以包括多个真空连接件，每个真空连接件流体连接到一个或多个真空端口1034。真空块1030被示出为包括多个真空端口1034，这些真空端口1034被布置成在第二方向上延伸的直线阵列，但是可以使用真空端口1034的替代布置，只要真空端口1034被定位成对应于在支撑块1001中形成的真空连接件的每个位置。

每个支撑杆1050包括底表面1051、顶表面1052、第一侧表面1053以及第二侧表面1054，底表面1051被构造为搁置在升降板1020的支撑表面1021上，顶表面1052与支撑表面1021间隔开，第一侧表面1053在相应支撑杆1050的第一侧连接底表面和顶表面1051、1052，以及第二侧表面1054在相应支撑杆1050的相对的第二侧面处连接底表面和顶表面1051、1052。每个支撑杆1050包括大致矩形的长方体形状，其中每个支撑杆1050在纵向上沿平行于真空块1030的延伸方向的第二方向延伸。每一个支撑杆1050可以是中空的，具有从每个支撑杆1050的相对两端穿过支撑杆1050形成的纵向延伸开口1055。可以选择每个支撑杆1050的中空度，以最小化用于形成每个支撑杆1050的材料的量，从而最小化每个支撑杆1050的重量和成本。

在一个实施例中，所有支撑杆1050可以以支撑杆1050彼此可互换的方式提供，包括相同的形状和相同的尺寸。每个支撑杆1050的长度尺寸可以被选择为对应于真空块1030或支撑块1001在第二方向上测量的长度尺寸。可以选择在相对侧表面1053、1054之间测量的每个支撑杆1050的宽度尺寸，以允许期望数量的支撑杆1050设置在支撑块1001下方并且在相对的传送元件1041、1043之间。在一些实施例中，支撑杆1050中的至少一些可以包括不同的宽度尺寸，以允许支撑杆1050的组合以容纳不同宽度的制品1100，这些制品基本上不对应于给定数量的均匀支撑杆1050。

选择每个支撑杆1050的高度尺寸等于真空块1030的高度尺寸。此外，即使一些支撑杆1050包括不同的宽度尺寸或长度尺寸，所有支撑杆1050都被设置为包括共同的高度尺寸。结果，支撑杆1050的所有顶表面1052和真空块1030的顶表面1031被布置在与支撑表面1021平行布置的公共平面上，并且与支撑杆1050和真空块1040中的每一个的高度尺寸间隔开。所有顶表面1031、1052的共面布置提供了平坦表面，支撑块1001的底表面1003的相应部分可以放置在该平坦表面上，以帮助建立支撑块1001的平坦度。

每个支撑杆1050可以由磁吸材料形成，该磁吸材料被配置为磁性地吸引被配置为容纳在支撑块1001的磁体通道1005内的磁体。磁吸材料可以是铁材料，例如钢或其各种合金。

升降板1020的支撑表面1021被细分为保持区域1022和活动区域1023。保持区域1022被配置为支撑支撑杆1050中的没有被瞬时布置在传送元件1041、1043之间适于支撑支撑块1001的位置处的支撑杆。相反，活动区域1023被配置为支撑支撑杆1050中的定位为与真空快1030一起协作支撑支撑块1001的支撑杆。因此，当设备1000执行制造过程时，活动区域1023相对于第三方向设置在传送元件1041、1043之间，并且位于支撑块1001的位置下方。

如图11A-11C所示，可通过首先在保持区域1022上设置一个或多个支撑杆1050来实现适合于随后支撑支撑块1001的支撑杆1050阵列的布置。升降板1020相对于第一方向移动到支撑表面1021和第一传送元件1041之间的空间大于每个支撑杆1050的高度尺寸的位置。然后，如图11B中箭头1057所示，通过将相应的支撑杆1050滑动到第一传送元件1041下方，每个支撑杆1050能够从保持区域1022平移到活动区域1023并相对于第三方向朝向真空块1030。重复该过程，直到所需数量的支撑杆1050位于活动区域1023内，如图11C所示。然后定位真空块1030和所需数量的支撑杆1050，以提供一系列平坦的表面，支撑块1001的底表面1003可以在开始制造过程之前搁置在该表面上。

虽然未示出，但支撑杆1050和升降板1020的支撑表面1021可以包括沿第三方向延伸的互补结构，以允许期望的放置，然后将支撑杆1050滑动到适合于在其上接收支撑块1001的位置。例如，支撑表面1021和每一个支撑杆1050的底表面1051可以包括互补的轨道、凹槽、凹陷、突出部等，或其他滑动连接特征，该特征规定每个支撑杆1050从保持区域1022滑动到活动区域1023，同时保持每个支撑杆1050的期望朝向和相对定位。

图12A和12B示出了在活动区域1023内放置所需数量的支撑杆1050以及将支撑块1001放置在协作支撑杆1050和真空块1030上之后设备1000的操作方法。支撑块1001定位在真空块1030上，以允许存在于支撑块1001的底表面1003上的任何真空连接件与存在于真空块1030的顶表面1031上的对应真空端口1034流体连通。制品1100还相对于第二方向定位在支撑杆1050、真空块1030和支撑块1001上方的传送器1040的接合表面1042、1044上。

图12A示出了当升降板1020处于下降位置时，支撑块1001位于传送器1040下方。当升降板1020处于下降位置时，制品1100可以被传送到支撑块1001上方的位置。图12B示出了升降板1020在相对于第一方向向上平移到提升位置之后，支撑块1001的顶表面1002接合制品1100的下侧。从制品1100的下侧突出的任何部件被容纳在形成于支撑块1001中的凹陷区域1006内。

容纳在支撑块1001的磁体通道1005内的任何磁体被磁性地吸引到下面的支撑杆1050，以帮助支撑块1001变平坦。例如，可以最小化支撑块1001的任何翘曲，以促进支撑块1001的顶表面1002和底表面1003的平坦度。真空歧管1033还被放置成与真空源连通，以通过真空孔1007、真空通道、真空连接件和真空端口1034向真空源抽吸空气，这又有助于在制造过程中将制品1100固定到支撑块1001的顶表面1002。然后能够在制品1100的暴露表面上执行诸如所述丝网打印过程的制造过程，同时保持制品1100的平坦度规格。

设备1000提供了许多有利的特征。由于在形成支撑杆1050时使用材料的最小化，支撑杆1050易于制造并且成本低。支撑杆1050的模块化构造还允许定制支撑杆1050阵列，以便容纳不同尺寸和构造的制品1100，因为更少或更多的支撑杆1050可以容易地滑动到升降板1020的活动区域1023内的位置。支撑杆1050和真空块1030的配合提供了相对较大的平坦区域，支撑块1001可以可靠地安装在该平坦区域上。用于形成支撑杆1050的磁性材料允许支撑杆1050通过存在于支撑杆1050和设置在支撑块1001内的任何磁体之间的磁性吸引力来帮助使支撑块1001平坦化。真空块1030的歧管构造允许将抽吸压力更好地分配给形成在支撑块1001内的任何真空连接件，这又促进了在每个真空孔1007处产生均衡的抽吸。鉴于上述每一个优点，制品1100能够在尺寸公差内相对于支撑块1001被平坦化，以确保以期望的方式执行制造过程，例如确保在充当制品1100的PCB或PCBA的暴露表面上均匀地执行丝网打印过程。

在上述详细描述中，为了本发明的简洁性，可能在各个实施例中将各种特征分组在一起。本发明的方法不应被解释为反映任何随后要求保护的实施例需要比明确列举实施例更多特征的意图。

此外，提供本发明的描述是为了使本领域技术人员能够制作或使用所公开的实施例。对本领域技术人员来说，对本发明的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文所定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本发明不旨在局限于本文所述的示例和设计，而是要给予与本文所公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (23)

1.一种3D打印支撑块，其包括：

具有真空连接件的底表面；

具有至少一个真空孔的顶表面；

从所述顶表面偏移的至少一个凹陷表面；以及

至少一个真空通道，其从所述真空连接件延伸到所述至少一个真空孔。

2.根据权利要求1所述的3D打印支撑块，其中，所述3D打印支撑块由挤出聚合物的连续片材产生。

3.根据权利要求1所述的3D打印支撑块，其中，所述3D打印支撑块的至少一部分由静电放电保护的聚对苯二甲酸乙二醇酯生成。

4.根据权利要求3所述的3D打印支撑块，其中，所述3D打印支撑块的一部分由热塑性弹性体生成。

5.根据权利要求3所述的3D打印支撑块，其中，所述3D打印支撑块的一部分由苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯生成。

6.根据权利要求1所述的3D打印支撑块，还包括磁体通道，所述磁体通道从所述顶表面或所述至少一个凹陷表面朝向所述底表面延伸。

7.根据权利要求6所述的3D打印支撑块，其中，所述磁体通道包括开口和保持器，所述开口邻近所述磁体通道的顶侧，所述插入保持器设置在所述开口中。

8.根据权利要求6所述的3D打印支撑块，其中，至少一个磁体设置在所述磁体通道内。

9.根据权利要求1所述的3D打印支撑块，其中，所述3D打印支撑块机械地或磁性地紧固到邻近所述3D打印支撑块定位的至少一个平行支撑块。

10.根据权利要求1所述的3D打印支撑块，其中，沉积第一材料以形成所述3D打印支撑块的一部分，并且围绕所述至少一个真空孔周向地沉积第二材料。

11.一种用于生成3D打印支撑块的方法，所述方法包括：

对支撑块进行3D打印，其中，所述支撑块包括：

具有真空连接件的底表面；

具有至少一个真空孔的顶表面；

从所述顶表面偏移的至少一个凹陷表面；以及

至少一个真空通道，其从所述真空连接件延伸到所述至少一个真空孔。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述3D打印支撑块在由ISO14644-1洁净室标准定义的洁净室中被打印。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，用于3D打印的原材料由液化回收3D打印支撑块产生。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述3D打印支撑块将印刷电路板或印刷电路板组件保持在丝网打印机中。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述3D打印支撑块将印刷电路板或印刷电路板组件保持在x光机中。

16.根据权利要求11所述的3D打印支撑块，其中，所述3D打印支撑块还包括磁体通道，所述磁体通道从所述顶表面或所述至少一个凹陷表面朝向所述底表面延伸。

17.根据权利要求16所述的3D打印支撑块，其中，所述磁体通道具有开口和保持器，所述开口邻近所述磁体通道的顶侧形成，所述插入保持器设置在所述开口中。

18.根据权利要求16所述的3D打印支撑块，其中，至少一个磁体设置在所述磁体通道内。

19.根据权利要求17所述的3D打印支撑块，其中，支撑块设置在丝网印刷电路板组件、测试夹具、通过-不通过夹具或波峰焊接托盘之一中。

20.根据权利要求11所述的3D打印支撑块，其中，所述顶表面由第一材料产生，并且所述3D打印支撑块的剩余部分由第二材料产生。

21.一种用于在制品上丝网打印的丝网打印机，所述丝网打印机包括：

升降板；

真空块，其设置在所述升降板上；

至少一个支撑杆，其可拆卸地设置在所述升降板上；

3D打印支撑块，其具有放置在真空板上和所述至少一个支撑杆上的底表面，以及被配置为在所述丝网打印期间支撑所述制品的顶表面。

22.根据权利要求21所述的丝网打印机，其中，所述3D打印支撑块包括设置在其中的至少一个磁体，并且所述至少一个支撑杆由磁吸材料形成，并且其中，所述至少一个支撑杆被配置为磁性地吸引设置在所述3D打印支撑块内的所述至少一个磁体。

23.根据权利要求21所述的丝网打印机，其中，所述3D打印支撑块的底表面包括真空连接件，所述真空连接件与形成在所述真空块的顶表面中的真空端口流体连通。

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