WO2016200222A1 - 3ｄ 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

3ｄ 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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WO2016200222A1
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resin
primary structure
forming
nickel
nozzle head
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PCT/KR2016/006217
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김기현
사진성
황석진
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(주)옵토라인
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an electronic module having a complex shape having a three-dimensional circuit pattern using a 3D printing technology, and an apparatus for manufacturing an electronic module having a complex shape.
  • 3D printing technology is a technology for manufacturing three-dimensional three-dimensional object by stacking a layer of material, such as resin, using pre-designed digital design data.
  • This 3D printing technology supplies Fused Deposition Molding (FDM), which melts a filament of a solid yarn filament in a nozzle, sprays it, and stacks it in a desired shape.
  • FDM Fused Deposition Molding
  • SLS Selective Laser Sintering
  • a photocurable resin method (SLA) is known in which a layer is formed by curing a laser by injecting a UV laser into a chemical resin, and a pedestal is lowered and stacked by a thickness each time a layer is formed.
  • MID Molded Interconnection Device
  • MID Molded Interconnection Device
  • a conductive circuit may be provided by double injection and electroless plating of a resin containing side-solvents, use of conductive resins, and embedding of rapid circuits.
  • LDS laser direct structuring
  • the laser direct structuring technology is capable of forming patterns and circuits in a simple process including laser activation and electroless plating on plastic moldings.
  • the computer controlled high energy laser has moved from the molding surface to activate the resin surface at the position where the conductive (conductive) path is to be placed.
  • the use of the laser direct structuring composition can form a small conductive path width in micrometers, and since the pattern is formed by the laser, it is possible to express a pattern corresponding to a detailed and complicated circuit design. By simply changing the program data related to the moving path of the irradiator, various patterns can be worked.
  • an object of the present invention is to solve the problems described above, and an object thereof is a 3D printing technique for shaping a structure in three dimensions, and a laser direct structuring technique and a seed layer for forming a fine patterning seed layer on the surface of the structure. It is an object of the present invention to provide an apparatus and a manufacturing method of a multi-stereoscopic electronic module using a 3D printing technology which can easily manufacture an electronic module having a three-dimensional complex shape by applying an inkjet technology that sprays a conductive conductive material in a complex manner.
  • the main body portion having a head portion including a nozzle for spraying resin injection nozzle head;
  • a first resin which is connected through the resin injection nozzle head and the first resin supply line to supply a first resin including a seed forming agent, and is sprayed through the resin injection nozzle head to cure the first resin
  • a primary pattern circuit forming unit having a laser irradiator for irradiating a laser onto the surface of the primary structure to form a seed layer on the surface of the primary structure according to a preset pattern circuit;
  • at least one conductive material feeder connected through the conductive material injection nozzle head and the conductive material supply line to supply the conductive conductive material to form a conductive layer for circuit formation by the conductive conductive material sprayed on the seed layer.
  • Secondary pattern circuit forming unit It includes a composite three-dimensional electronic module manufacturing apparatus using a 3D printing technology comprising a.
  • the main body portion and the laser irradiator may be moved relative to the XYZ axis by a programmed control signal of a computer in a state where the work table on which the primary structure is formed is fixed.
  • the work table on which the primary structure is formed may be relatively moved along the XYZ axis by a programmed control signal of a computer in a state where the main body portion and the laser irradiator are fixed.
  • the structure forming unit is connected to the resin injection nozzle head and the first resin supply line to supply a second resin that does not include the seed forming agent, and is mounted on a placement portion recessed in the primary structure.
  • a second resin feeder may be further formed to form a secondary structure stacked on the upper surface of the primary structure so as to cover the electronic component.
  • the first resin forming the primary structure is 60 to 90% by weight of a thermoplastic resin; 0.1 to 20% by weight of an additive for laser direct structuring; Seed former 0.1 to 10 wt%; And 0.001 to 15% by weight of a metal powder; wherein the metal powder comprises one or more selected from the group consisting of iron, manganese, cobalt, chromium, copper, vanadium, nickel, and mixtures thereof, wherein the metal powder Silver includes the nickel and iron in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75, or includes the nickel, iron and cobalt in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75: 0.75 to 2.25, or includes the nickel and chromium in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.35. Or may include nickel, chromium, and manganese in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.25: 0.35 to 0.85.
  • the first resin forming the primary structure is 80 to 95% by weight of a thermoplastic resin; 0.1 to 10% by weight of an additive for laser direct structuring; Seed former 0.1 to 5 wt%; And 0.001 to 10% by weight of a metal powder; wherein the metal powder comprises one or more selected from the group consisting of iron, manganese, cobalt, chromium, copper, vanadium, nickel, and mixtures thereof, wherein the metal powder Silver includes the nickel and iron in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75, or includes the nickel, iron and cobalt in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75: 0.75 to 2.25, or includes the nickel and chromium in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.35. Or may include nickel, chromium, and manganese in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.25: 0.35 to 0.85.
  • the resin injection nozzle head of the main body portion and the first resin feeder comprising a seed forming agent from the first resin feeder connected via the first resin supply line to the resin injection nozzle head And forming a primary structure by the first resin that is sprayed from the resin injection nozzle head and hardened to a work object; Irradiating a surface of the primary structure with a laser from a laser irradiator to externally expose a seed layer resulting from the seed forming agent to form a seed layer in the primary structure in accordance with a predetermined pattern circuit;
  • the conductive material is supplied to the conductive material injection nozzle head from the conductive material feeder connected through the conductive material injection nozzle head and the conductive material supply line through the main body, and the conductive material is sprayed from the conductive material feeder to the seed layer.
  • a second resin containing no seed forming agent is supplied to the resin injection nozzle head from a second resin feeder connected through the resin injection nozzle head and the second resin supply line, and sprayed from the resin injection nozzle head.
  • the step of forming the conductive layer for forming the circuit mounting and mounting the electronic component in the placement portion recessed in the primary structure; Bonding a cover member of a metal material or a resin material to the upper surface of the primary structure so as to cover the electronic component mounted on the disposition part;
  • the main structure or the laser irradiator is relatively moved along the XYZ axis by the programmed control signal of the computer to form the primary structure or the primary
  • a seed layer may be formed on the surface of the structure, or a conductive layer for circuit formation may be formed on the seed layer.
  • the work table on which the primary structure is formed along the XYZ axis is relatively moved by the programmed control signal of the computer to form the primary structure or the primary
  • a seed layer may be formed on the surface of the structure, or a conductive layer for circuit formation may be formed on the seed layer.
  • the first resin forming the primary structure is 60 to 90% by weight of a thermoplastic resin; 0.1 to 20% by weight of an additive for laser direct structuring; Seed former 0.1 to 10 wt%; And 0.001 to 15% by weight of a metal powder; wherein the metal powder comprises one or more selected from the group consisting of iron, manganese, cobalt, chromium, copper, vanadium, nickel, and mixtures thereof, wherein the metal powder Silver includes the nickel and iron in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75, or includes the nickel, iron and cobalt in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75: 0.75 to 2.25, or includes the nickel and chromium in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.35. Or may include nickel, chromium, and manganese in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.25: 0.35 to 0.85.
  • the first resin forming the primary structure is 80 to 95% by weight of a thermoplastic resin; 0.1 to 10% by weight of an additive for laser direct structuring; Seed former 0.1 to 5 wt%; And 0.001 to 10% by weight of a metal powder; wherein the metal powder comprises one or more selected from the group consisting of iron, manganese, cobalt, chromium, copper, vanadium, nickel, and mixtures thereof, wherein the metal powder Silver includes the nickel and iron in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75, or includes the nickel, iron and cobalt in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75: 0.75 to 2.25, or includes the nickel and chromium in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.35. Or may include nickel, chromium, and manganese in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.25: 0.35 to 0.85.
  • a pattern circuit which is a microcircuit, is formed on the surface of the primary structure shaped by 3D printing technology using laser direct structuring technology and inkjet printing technology, and then electronic components such as semiconductor devices and circuit parts are formed on the primary structure of resin
  • a pattern circuit is formed on the surface of the primary structure shaped by 3D printing technology using laser direct structuring technology and inkjet printing technology, and then electronic components such as semiconductor devices and circuit parts are formed on the primary structure of resin
  • 3D printing technology can realize a micro circuit pattern directly on the surface of a resin molded structure having high design freedom, it can be applied to various types of mobile antennas, automotive electronic modules, mobile sensors, electronic circuits, and display electronic modules. It is possible to reduce the thickness and weight of the finished product to which the product is applied, and to apply it to a case-integrated substrate and a multi-sensing sensor, thereby securing the competitiveness of next-generation products.
  • FIG. 1 is a schematic external view showing an apparatus for manufacturing an electronic module having a three-dimensional shape using a 3D printing technology according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an operational state diagram illustrating a process of forming a primary structure in an electronic module manufacturing apparatus of a multi-stereoscopic shape using 3D printing technology according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an operational state diagram illustrating a seed layer forming process by a primary pattern circuit forming unit in an apparatus for manufacturing a composite three-dimensional electronic module using 3D printing technology according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an operating state diagram showing a process of forming a pattern circuit by the secondary pattern circuit in the multi-dimensional electronic module manufacturing apparatus using a 3D printing technology according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B are operating state diagrams illustrating a process of mounting and mounting electronic components in an apparatus for manufacturing a multi-stereoscopic module using a 3D printing technology according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6A to 6C are diagrams illustrating an operation state in which a secondary structure is additionally formed in a multi-stereoscopic electronic module manufacturing apparatus using a 3D printing technology according to a preferred embodiment of the present invention to manufacture and complete an electronic module.
  • the apparatus for manufacturing a composite three-dimensional electronic module using 3D printing technology may include a main body 110, a structure forming unit 120, and a primary pattern circuit.
  • the unit 130 and the secondary pattern circuit forming unit 140 are included.
  • the main body 110 includes a head 111 formed of a resin injection nozzle head and a conductive ash injection nozzle head.
  • the main body 110 is formed by a control signal programmed by a control unit of a computer (not shown). It is a structure that moves precisely along the axis.
  • the resin injection nozzle head and the conductive material injection nozzle head provided in the head part 111 are independently installed in the lower part of the main body part facing the worktable 101 capable of moving up and down and left and right to meet the process conditions described below. It sprays liquid resin and a liquid conductive material, respectively.
  • the work bench 101 may be moved in position by the controller in conjunction with the main body.
  • the structure forming unit 120 is the number of the head portion 111 in accordance with the control signal is moved to the main body portion to form the primary structure (W1) is formed of a resin material on the work table 101 The first resin is sprayed through the equity nozzle head.
  • the structure forming unit 120 is connected to the resin injection nozzle head and the first resin supply line 121a provided in the main body to supply a first resin including a seed forming agent. And a feeder 121.
  • the first resin feeder 121 may be formed in a reel form in which a first resin made of a filament of a thread shape is wound in a predetermined amount on an outer surface in a roll form.
  • the main body 110 When the first resin feeder 111 is formed in a reel shape, the main body 110 includes a feeding roll which is rotationally driven to feed the first resin continuously through the first resin supply line 121a, and Since each heater must be provided separately to provide a heat source to change the phase of the resin into the liquid phase, the overall volume is increased and the structure is complicated, while the first resin supplied from the first resin feeder to the resin injection nozzle head Due to the slow feeding speed the productivity may be low.
  • the first resin feeder 111 is an external heating method for heating a solid first resin in a liquid state from the outside of the main body and a feeding method for feeding and extruding a liquid first resin at a high pressure from the outside of the main body.
  • This may be implemented as a hopper filled with a certain amount of the first resin on the pellet to be applied.
  • the hopper heats the first resin in a solid state and heats it into a liquid phase. It is provided outside of the main body, and the actuator such as a pump and cylinder member in which the liquid first resin is pumped or extruded to the resin injection nozzle head is provided on the outside of the main body so that the equipment maintenance can be easily managed and the maintenance cost can be reduced. have.
  • the first resin containing the seed forming agent 60 to 90% by weight of the thermoplastic resin, 0.1 to 20% by weight of the laser direct structuring additive, 0.1 to 10% by weight of the seed forming agent and 0.001 to 15% by weight of the metal powder It can be made, including.
  • thermoplastic resin included in the first resin 80 to 95 wt% of the thermoplastic resin included in the first resin, 0.1 to 10 wt% of the laser direct structuring additive, 0.1 to 5 wt% of the seed former, and 0.001 to 10 wt% of the metal powder.
  • thermoplastic resin is polypropylene, polyester, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyamide, polyamide, poly (arylene ether) )), ABS (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), polybutylene terephthalate (polybutylene terephthalate), polyethylene terephthalate (polyurethane), polyacryl (poly acryl) resin, PVC (poly vinyl chloride), It may include one or more selected from the group consisting of polyphthalamide (PPA), polyphenylene sulfide (PPS), liquid crystal polymer (LCP), polyamideimide and mixtures thereof.
  • PPA polyphthalamide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • LCP liquid crystal polymer
  • polyamideimide polyamideimide
  • the additive for laser direct structuring included in the first resin may include one or more selected from the group consisting of heavy metal complex oxide spinels, copper salts, and mixtures thereof.
  • the seed former included in the first resin may include one or more selected from the group consisting of copper salts and copper salt complexing agents.
  • the metal powder included in the first resin includes one or more selected from the group consisting of iron, manganese, cobalt, chromium, copper, vanadium, nickel, and mixtures thereof.
  • the metal powder may include the nickel and iron in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75 or the nickel, iron and cobalt in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75: 0.75 to 2.25.
  • the metal powder may include the nickel and chromium in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.35 or the nickel, chromium and manganese in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.25: 0.35 to 0.85.
  • the first resin which is supplied to the first resin feeder including the seed former, is 80 to 95 wt% of the thermoplastic resin, 0.1 to 10 wt% of the laser direct structuring additive, 0.1 to 5 wt% of the seed former, and metal powder It may comprise 0.001 to 10% by weight.
  • the thermoplastic resin included in the first resin may be polypropylene, nylon, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polyamide, polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), liquid crystal polymer, poly It may include one or more selected from the group consisting of carbonate (PC), polyphthalateamide, polyphenylene oxide and mixtures thereof.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • PC carbonate
  • PC polyphthalateamide
  • polyphenylene oxide polyphenylene oxide
  • the metal powder may include one or more selected from the group consisting of iron, manganese, cobalt, chromium, copper, vanadium, nickel, and mixtures thereof.
  • the metal powder may include the nickel and iron in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75 or the nickel, iron and cobalt in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.75: 0.75 to 2.25.
  • the metal powder may include the nickel and chromium in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.35, or the nickel, chromium and manganese in a weight ratio of 1: 1.85 to 3.25: 0.35 to 0.85.
  • the operation of forming the primary structure W1 on the work table 101 is supplied from the first resin feeder 121 to the resin injection nozzle head side of the head portion 111.
  • the first resin is heated by a heater to be converted into the liquid phase, and then while the main body 110 is repeatedly controlled in the horizontal and vertical directions, the resin injection nozzle head is placed on the work table 101.
  • the primary structure is a three-dimensional structure in which at least one recessed portion C such as an arrangement groove is formed on the upper surface while vertical layers are stacked in multiple layers along the height direction. It is possible to shape (W1).
  • the placement portion (C) is shown and described as being recessed in a predetermined depth on the upper surface of the primary structure (W), but is not limited to this may be formed in a predetermined height protrusion.
  • the primary pattern circuit forming unit 130 includes at least one laser irradiator 131 irradiating a laser as a high energy source to the surface of the primary structure W1.
  • the laser irradiator 131 is moved along the XYZ axis by a programmed control signal of a computer and irradiates a laser of high energy to the surface of the primary structure W1 in accordance with a predetermined pattern circuit, thereby providing the primary structure.
  • the seed layer S which is externally exposed, is formed on the surface of the substrate W1 along a preset pattern circuit.
  • the laser irradiator 131 is illustrated and described as being independently provided in the main body part 110, but is not limited thereto.
  • the laser irradiator 131 may be provided integrally with the main body part.
  • irradiated by the laser irradiator 131 is moved along the XYZ axis by a programmed control signal of a computer
  • the laser of the laser irradiator is activated by activating the metal powder contained in the first resin forming the primary structure.
  • An externally exposed seed layer S is formed on the surface of the primary structure to be irradiated, and the seed layer S is formed in a pattern of a pattern circuit that matches the movement trajectory of the laser.
  • the additive for laser direct structuring included in the first resin forming the primary structure activates the metal atoms by being exposed to the laser and does not activate the metal atoms in the region not exposed by the laser. While drawing a pattern circuit by a laser on the surface of the metal element contained in the thermoplastic resin composition is released to form a seed layer (S) which is a rough surface in which the metal particles are embedded.
  • S seed layer
  • the seed layer S serves as a nucleus for crystal growth of the conductive material sprayed by the inkjet method during the final pattern circuit forming process by the secondary pattern circuit forming unit 140 to be described later.
  • the additive for laser direct structuring is to enable the laser etched portion to be treated to be conductive after exposure to the laser.
  • the secondary pattern circuit forming unit 140 is formed through a nozzle head for conductive redistribution of the head unit 111 while the main body unit 110 is moved along the XYZ axis by a preset control signal of a computer.
  • the conductive layer for forming a circuit is formed in the seed layer S of the primary structure W1 by the conductive conductive material injected.
  • the secondary pattern circuit forming unit 140 includes at least one conductive material feeder 140a connected to the conductive material injection nozzle head and the conductive material supply line 140b to supply a conductive conductive material.
  • the conductive conductive material may selectively use a highly conductive metal material made of gold, copper, nickel, aluminum, and mixtures thereof to form a series of pattern circuits.
  • the conductive material feeder 140a includes first and second cartridges 141 and 142 which are filled with different conductive materials in liquid form and are connected to the conductive material injection nozzle heads and the first and second conductive material supply lines 143 and 144, respectively. .
  • the first and second cartridges 141 and 142 may be detachably installed on the main body 110 to allow replacement.
  • the powder part 110 is positioned along the XYZ axis by a programmed control signal of a computer.
  • the first conductive material stored in the first cartridge 141 is supplied to the nozzle head of the conductive material injection nozzle of the head part and is injected, and the first conductive material to be injected is continuously sprayed and applied along the seed layer, the 1
  • the first conductive layer P1 is formed on the surface of the difference structure W1 to cover the seed layer with a predetermined thickness.
  • the primary structure may be formed.
  • the second conductive layer P2 is formed on the surface of the first conductive layer P1 to cover the first conductive layer P1 to a predetermined thickness, so that the first and second conductive layers P1 and P2 are formed on the entire surface of the primary structure W1.
  • the formed pattern circuit P is formed.
  • 5A and 5B show a process of mounting an electronic component such as a driving circuit in the disposition portion C of the primary structure W1 having the circuit patterning layer formed on the surface.
  • the operation means such as the gripper 151 which is operated to open and retract the robot arm 150 is performed.
  • the electronic component 103 picked up by the gripper 151 of the robot arm 150 disposed adjacent to the work bench 101 on which the primary structure W1 is placed is connected to the primary structure W11.
  • Mounting is mounted on the mounting portion (C), such as recessed formed groove.
  • the electronic component 103 gripped by the gripper 151 is precisely positioned at the upper portion of the placement part by the operation of the robot arm 150 operated to allow joint motion, and then seated on the bottom surface of the placement part. It will be put up.
  • the electronic component 103 mounted on the bottom surface of the mounting portion C so as to be in contact with the bottom surface includes a pattern circuit P of the primary structure extending up to the placing portion and an input / output terminal of the electronic component via a metal wire.
  • the wire bonding method may be electrically connected to each other.
  • the electronic component 103 may be a passive device or an active device selected according to the design of the final three-dimensional electronic module desired by the demand.
  • the second resin feeder 122 further includes a second resin injection nozzle connected to the resin injection nozzle head and the second resin supply line 122a through a resin injection nozzle similar to the first resin feeder. The resin is sprayed.
  • the second resin feeder 122 may be formed in a reel form in which a second resin, which is a filament in the form of a thread, is wound in a roll form, or in a hopper form in which a predetermined amount of the second resin in a pellet form is stored. .
  • the second resin supplied to the second resin feeder 122 is formed on the surface of the primary structure through the resin injection nozzle head of the head part 110.
  • the secondary layer covers and protects the primary structure W1 together with the electronic components mounted on the placement unit C while the vertical layers are stacked in multiple layers along the height direction on the surface of the primary structure.
  • the structure W2 is formed.
  • the electronic component 103 disposed between the primary structure W1 and the secondary structure W2 manufactures and completes the three-dimensional composite electronic module W which is a final product electrically connected to the pattern circuit formed on the primary structure. do.
  • the secondary structure (W2) covering and protecting the primary structure (W1) together with the electronic components mounted on the placement portion (C) is made of a resin material that is sprayed from the resin injection nozzle head and cured.
  • the present invention is not limited thereto, and may be formed of a cover member of a metal or resin material which is preformed and bonded and bonded to the upper surface of the primary structure.
  • first resin feeder and the second resin feeder are provided in the form of a hopper, and the first resin and the second resin do not each contain a seed forming agent, a solid first resin is provided in the hopper.
  • the seed hopper may be provided in the hopper so that a predetermined amount of the seed forming agent may be added to and mixed with the first resin and the second resin in the liquid phase.
  • the hopper is preferably further provided with a stirrer so that the liquid first and second resins and the seed forming agent as an additive can be more smoothly mixed.
  • the main body portion 110 or the laser irradiator 120 is relatively formed by the process along the XYZ axis by the programmed control signal of the computer with the work table facing the main body portion fixed.
  • the first resin on the surface of the worktable 101 is fixed by moving the position to form a three-dimensional primary structure (W1) or by irradiating a laser on the surface of the primary structure (W1) seed layer ( Forming S) or spraying a conductive material on the seed layer S to form and explain a circuit forming conductive layer
  • the present invention is not limited thereto, and the main body 110 or the laser irradiator 120 is fixed in position.
  • the work table 101 may be relatively moved to form a primary structure, a seed layer, or a circuit forming conductive layer. .
  • the main body 110 or the laser irradiator 120 is sprayed to the work target by relatively moving the work table 101 along the XYZ axis by the programmed control signal of the computer in a fixed position
  • the process of forming a formation conductive layer can be performed.

Abstract

3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치를 제공한다. 본 발명은 수지수지분사용 노즐헤드와 도전재 분사용 노즐헤드를 포함하는 헤드부를 갖는 본체부; 상기 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결되어 시드형성제를 포함하는 제1수지를 공급하는 제1수지피더를 갖추어 상기 수지분사용 노즐헤드를 통해 분사되어 경화되는 제1수지에 의해 1차 구조체를 형성하는 구조체 형성부; 상기 1차 구조체의 표면에 레이저를 조사하는 레이저조사기를 갖추어 사전에 설정된 패턴회로를 따라 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하는 1차 패턴회로형성부; 및 상기 도전재분사용 노즐헤드와 도전재공급라인을 매개로 연결되어 전도성 도전재를 공급하는 적어도 하나의 도전재피더를 갖추어 상기 시드층에 분사되는 전도성 도전재에 의해서 회로형성용 도전층을 형성하는 2차 패턴회로 형성부; 를 포함한다.

Description

3Ｄ 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법 및 제조장치
본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용하여 입체적인 회로패턴을 갖는 복합적인 형상의 전자모듈을 제조하는 방법 및 복합적인 형상의 전자모듈을 제조하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 3D 프린팅 기술은 사전에 주문 설계된 디지털 디자인 데이터를 이용하여 수지와 같은 소재를 층층이 쌓아 올려 3차원의 입체적인 물체를 제조하는 기술이다.
이러한 3D 프린팅 기술은 고체의 실형태를 갖는 필라멘트의 열가소성 플라스틱을 노즐안에서 녹인 후 분사하여 원하는 형상으로 쌓아 올리는 압출 적층성형방(Fused Deposition Molding ; FDM), 기능성 고분자나 금속 파우더 원료를 조형판에 공급하고 레이저로 경화시켜 레이어를 형성하고, 레이어가 형성되면 그 위에 파우더를 얇게 뿌린 다음 레이저로 새로운 막을 형성하여 쌓아 올리는 선택적인 레이저 소결 방식(Selective Laser Sintering ; SLS) 및 빛을 받으면 고체로 변화하는 광경화성 수지에 UV 레이저를 주사함으로서 경화시켜 레이어를 형성하고, 레이어가 형성될 때마다 받침대가 한층씩 두께만큼 하강하며 쌓아 올리는 광경화수지 방식(Stereo Lithographic Apparatus ; SLA) 등이 알려져 있다.
또한, MID(Molded Interconnection Device) 기술은 도전성 회로와 함께 성형한 플라스틱 수지 성형품으로 제조하는 것으로서, 기계적 및 전기적 기능을 동시에 갖는 2차원 또는 3차원 형상의 부품을 만드는 것이다.
이러한 MID 기술에서 도전성 회로를 부여하는 방법으로는 측매를 넣은 수지의 이중사줄(Double Injection)과 무전해 도금, 도전성 수지의 사용, 급속 회로의 매립 등으로 구현될 수 있다.
그리고, 성형된 수지물에 도전성 패턴회로를 형성하는 방법으로는 최근에 레이저 처리와 도금으로 정확한 패턴과 회로를 형성하는 레이저 직접 구조화(Laser Direct Structuring, LDS)기술이 제안되고 있다.
이러한 레이저 직접 구조화 기술은 플라스틱 성형물에 레이저 활성화(Laser Activation) 및 무전해 도금 처리를 하는 공정을 포함하는 간단한 공정으로 패턴과 회로를 형성할 수 있는 것이다.
구체적으로, 컴퓨터로 제어된 고에너지의 레이저가 성형물 표면에서 이동하여 전도성(도전성) 경로를 배치하고자 하는 위치에서 수지 표면을 활성화한 후. 레이저 직접 구조화용 조성물을 사용하면 마이크로미터 단위의 작은 전도성 경로 폭을 형성할 수 있으며, 레이저에 의해서 패턴이 형성되기 때문에 세밀하고 복잡한 회로설계에 부응하는 패턴을 표현하는 것이 가능하다는 장점이 있으며, 레이저 조사기의 이동 경로와 관련된 프로그램 데이터를 간단히 변경함으로써 다양한 패턴 작업이 가능하다는 장점이 있다.
현재, 상기한 3D 프린팅기술, MID 기술 및 레이저 직접구조화 기술을 각각 적용하여 수요가가 원하는 제품을 제조하는 것이 가능하지만 이러한 기술들의 장점을 복합적으로 갖는 복합기술을 이용하여 입체적인 복합형상의 전자모듈을 제조하는 것이 곤란하였다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 입체적으로 구조체를 형상화하는 3D 프린팅기술과, 구조체의 표면에 미세 패턴형성 시드층을 형성하는 레이저 직접 구조화기술 및 시드층에 전도성 도전재를 분사하는 잉크젯 기술을 복합적으로 적용하여 입체적으로 복잡한 형상을 갖는 전자모듈을 간편하게 제조할 수 있는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치 및 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 수지분사용 노즐헤드와 도전재 분사용 노즐헤드를 포함하는 헤드부를 갖는 본체부 ; 상기 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결되어 시드형성제를 포함하는 제1수지를 공급하는 제1수지피더를 갖추어 상기 수지분사용 노즐헤드를 통해 분사되어 경화되는 제1수지에 의해 1차 구조체를 형성하는 구조체 형성부 ; 상기 1차 구조체의 표면에 레이저를 조사하는 레이저조사기를 갖추어 사전에 설정된 패턴회로를 따라 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하는 1차 패턴회로형성부 ; 및 상기 도전재분사용 노즐헤드와 도전재공급라인을 매개로 연결되어 전도성 도전재를 공급하는 적어도 하나의 도전재피더를 갖추어 상기 시드층에 분사되는 전도성 도전재에 의해서 회로형성용 도전층을 형성하는 2차 패턴회로 형성부 ; 를 포함하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치를 포함한다.
바람직하게, 상기 본체부 및 레이저 조사기는 상기 1차 구조체가 형성되는 작업대가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상대적으로 위치이동될 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 구조체가 형성되는 작업대는 상기 본체부 및 레이저 조사기가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상대적으로 위치이동될 수 있다.
바람직하게, 상기 구조체 형성부는 상기 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결되어 상기 시드형성제를 포함하지 않은 제2수지를 공급하여 상기 1차 구조체에 함몰형성된 배치부에 실장된 전자부품을 덮도록 상기 1차 구조체의 상부면에 적층되는 2차 구조체를 형성하는 제2수지피더를 추가 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는 열가소성 수지 60 ~ 90 중량%; 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 20 중량%; 시드 형성제 0.1 ~ 10 중량%; 및 금속 분말0.001 ~ 15 중량%;를 포함하고, 상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는 열가소성 수지 80 ~ 95 중량%; 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 10 중량%; 시드 형성제 0.1 ~ 5 중량%; 및 금속 분말 0.001 ~ 10 중량%;을 포함하고, 상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 본체부의 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결된 제1수지피더로부터 시드 형성제를 포함하는 제1수지를 상기 수지분사용 노즐헤드에 공급하고, 상기 수지분사용 노즐헤드로부터 분사되어 작업대상에 경화되는 제1수지에 의해 1차 구조체를 형성하는 단계 ; 상기 1차 구조체의 표면에 레이저조사기로부터 레이저를 조사하여 상기 시드 형성제에 기인하는 시드층을 외부노출시켜 사전에 설정된 패턴회로에 맞추어 상기 1차 구조체에 시드층을 형성하는 단계 ; 상기 본체부의 도전재분사용 노즐헤드와 도전재공급라인을 매개로 연결된 도전재 피더로부터 전도성 도전재를 상기 도전재분사용 노즐헤드에 공급하고, 상기 도전재 피더로부터 상기 시드층에 분사되는 도전재에 의해서 회로형성용 도전층을 형성하는 단계 ; 를 포함하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 회로형성용 도전층을 형성하는 단계 이후에, 상기 1차 구조체에 함몰형성된 배치부에 전자부품을 탑재하여 실장하는 단계 ; 상기 수지분사용 노즐헤드와 제2수지공급라인을 매개로 연결된 제2수지피더로부터 시드 형성제를 포함하지 않는 제2수지를 상기 수지분사용 노즐헤드에 공급하고, 상기 수지분사용 노즐헤드로부터 분사되어 상기 배치부에 실장된 전자부품을 덮도록 경화되는 제2수지에 의해 2차 구조체를 형성하는 단계 ; 를 추가 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 회로형성용 도전층을 형성하는 단계 이후에, 상기 1차 구조체에 함몰형성된 배치부에 전자부품을 탑재하여 실장하는 단계 ; 상기 배치부에 실장된 전자부품을 덮도록 금속소재 또는 수지소재의 덮개부재를 상기 1차 구조체의 상부면에 본딩접착하는 단계;를 추가 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 구조체가 형성되는 작업대가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상기 본체부 또는 레이저 조사기를 상대적으로 위치이동시켜 상기 1차 구조체를 형성하거나 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하거나 상기 시드층에 회로형성용 도전층을 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 본체부 또는 레이저 조사기가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상기 1차 구조체가 형성되는 작업대를 상대적으로 위치이동시켜 상기 1차 구조체를 형성하거나 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하거나 상기 시드층에 회로형성용 도전층을 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는 열가소성 수지 60 ~ 90 중량%; 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 20 중량%; 시드 형성제 0.1 ~ 10 중량%; 및 금속 분말0.001 ~ 15 중량%;를 포함하고, 상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는 열가소성 수지 80 ~ 95 중량%; 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 10 중량%; 시드 형성제 0.1 ~ 5 중량%; 및 금속 분말 0.001 ~ 10 중량%;을 포함하고, 상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 3D 프린팅 기술로 형상화된 1차 구조체의 표면에 레이저 직접 구조화 기술 및 잉크젯 프린팅기술로 미세회로인 패턴회로를 형성한 다음, 반도체 소자, 회로부품과 같은 전자부품을 수지소재의 1차 구조체에 일체화되도록 탑재함으로써, FPCB와 같은 부품의 적용을 배제할 수 있어 모듈의 전체 구성 부품수를 줄여 제조원가를 절감할 수 있다.
(2) 수요가가 원하는 복잡한 구조의 시스템 모듈을 더욱 컴팩트하게 구현하여 소형화 설계가 가능하며, 전자모듈이 탑재되는 메인기판과의 전기적인 접속작업도 간편하게 수행할 수 있어 작업생산성을 향상시킬 수 있다.
(3) 3D 프린팅 기술에 의해서 설계 자유도가 높은 수지성형 구조체의 표면에 직접 미세회로패턴을 구현할 수 있기 때문에 모바일 안테나, 자동차용 전자모듈, 모바일 센서, 전자회로 및 디스플레이 전자모듈 등에 다양하게 적용하여 모듈제품이 적용되는 완제품의 박형화 및 경량화를 도모하는 한편, 케이스 일체형 기판과 멀티 센싱 센서 등에 적용하여 차세대 제품의 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치를 도시한 개략적인 외관도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치에서 1차 구조체를 형성하는 공정을 도시한 작동 상태도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치에서 1차 패턴회로 형성부에 의한 시드층 형성공정을 도시한 작동 상태도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치에서 2차 패턴회로에 의한 패턴회로를 형성하는 공정을 도시한 작동 상태도이다.
도 5a 와 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치에서 전자부품을 탑재하여 실장하는 공정을 도시한 작동 상태도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치에서 2차 구조체를 추가로 형성하여 전자모듈을 제조완성하는 공정을 도시한 작동 상태도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 구조 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직 실시 예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상의 전자모듈 제조장치(100)는 도 1에 도시한 바와 같이, 본체부(110), 구조체 형성부(120), 1차 패턴회로 형성부(130), 2차 패턴회로 형성부(140)를 포함한다.
상기 본체부(110)는 수지분사용 노즐헤드와 도전재분사용 노즐헤드로 이루어지는 헤드부(111)를 포함하고, 이러한 본체부(110)는 미도시된 컴퓨터의 제어부에서 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 정밀하게 위치 이동되는 구조물이다.
상기 헤드부(111)에 구비되는 수지분사용 노즐헤드와 도전재분사용 노즐헤드는 상하이동 및 좌우이동이 가능한 작업대(101)와 마주하는 본체부의 하부에 각각 독립적으로 설치되어 후술하는 공정조건에 맞추어 액상의 수지 및 액상의 도전재를 각각 분사하는 것이다.
상기 작업대(101)는 상기 본체부와 연동하여 제어부에 의해서 위치이동이 제어될 수 있다.
상기 구조체 형성부(120)는 상기 작업대(101)상에 수지재로 이루어지는 1차 성형물인 1차 구조체(W1)를 형성하도록 상기 본체부가 위치이동되는 제어신호에 맞추어 상기 헤드부(111)의 수지분사용 노즐헤드를 통해 제1수지를 분사하는 것이다.
이러한 구조체 형성부(120)는 상기 본체부에 구비되는 상기 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인(121a)을 매개로 하여 연결되어 시드 형성제를 포함하는 제1수지를 공급하는 제1수지피더(121)를 포함한다.
상기 제1수지피더(121)는 실형태의 필라멘트로 이루어지는 제1수지가 두루마리형태로 외부면에 일정량 권선되는 릴형태로 이루어질 수 있다.
이러한 제1수지피더(111)가 릴형태로 이루어지는 경우, 상기 본체부(110)에는 제1수지가 제1수지공급라인(121a)을 통해 연속하여 피딩되도록 회전구동되는 피딩롤과, 고체상의 제1수지를 액체상으로 상변화시키도록 열원을 제공하는 가열기를 별도로 각각 구비해야만 하기 때문에 전체적인 부피가 커지고, 구조가 복잡해지는 한편, 상기 제1수지피더에서 수지분사용 노즐헤드로 공급되는 제1수지의 느린 피딩속도에 기인하여 생산성이 저조해질 수 있다.
이에 따라, 상기 제1수지피더(111)는 상기 본체부의 외부에서 고체상의 제1수지를 액상으로 가열하는 외부가열방식 및 상기 본체부의 외부에서 액상의 제1수지를 고압으로 압송 및 압출하는 피딩방식이 적용될 수 있도록 펠릿상의 제1수지가 일정량 채워지는 호퍼로 구현될 수 있다.
즉, 상기 제1수지피더(111)가 펠릿 형태의 제1수지가 일정량 채워지는 호퍼형태로 이루어지는 경우, 상기 호퍼에는 고체상의 제1수지를 가열하여 액체상으로 상변화시키는 가열기를 본체부(110)의 외부에 구비하고, 액체상의 제1수지가 수지분사용 노즐헤드로 압송 또는 압출하는 펌프 및 실린더부재와 같은 엑추에이터를 본체부의 외부에 구비하게 됨으로써 설비유지 관리가 용이하고, 관리유지비를 절감할 수 있다.
또한, 상기 시드 형성제를 포함하는 제1수지는 열가소성 수지 60 ~ 90 중량%와, 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 20 중량%, 시드 형성제 0.1 ~ 10 중량% 및 금속 분말 0.001 ~ 15 중량%를 포함하여 이루어질 수 있다.
이러한 제1수지에 포함되는 열가소성 수지 80 ~ 95 중량%, 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 10 중량%, 시드 형성제 0.1 ~ 5 중량% 및 금속 분말 0.001 ~ 10 중량%을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에스테르(polyester), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리아미드(polyamide), 폴리(아릴렌 에테르)(poly (arylene ether)), ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아크릴(poly acryl) 수지, PVC(poly vinyl chloride), PPA(polyphthalamide), PPS(polyphenylene sulfide), LCP(liquid crystalpolymer), 폴리아미드이미드(polyamideimide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로 부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1수지에 포함되는 레이저 직접 구조화용 첨가제는 중금속 복합 산화물 스피넬, 구리 염 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1수지에 포함되는 시드 형성제는 구리염 및 구리염 착화제(complexing agent)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1수지에 포함되는 금속분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.
여기서, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75 : 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함할 수 있다.
한편, 상기 시드 형성제를 포함하여 제1수지피더로 공급되는 제1수지는 열가소성 수지 80 ~ 95 중량%, 레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 10 중량%, 시드 형성제 0.1 ~ 5 중량% 및 금속 분말 0.001 ~ 10 중량%을 포함할 수 있다.
이러한 제1수지에 포함되는 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 나일론, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 액정 폴리머, 폴리카보네이트(PC), 폴리프탈레이트아미드, 폴리페닐렌 옥사이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75 : 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 금속분말은 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 작업대(101)상에 1차 구조체(W1)를 형성하는 작업은, 상기 제1수지피더(121)에서 상기 헤드부(111)의 수지분사용 노즐헤드측으로 공급되는 제1수지는 가열기에 의해서 가열되어 액체상으로 전환된 다음, 상기 본체부(110)가 수평방향 및 수직방향으로 위치이동이 반복적으로 제어되는 동안, 수지분사용 노즐헤드를 통해 상기 작업대(101)상에 분사된 제1수지가 경화되면, 상기 작업대상에 수직레이어가 높이방향을 따라 다층으로 적층되면서 배치홈과 같은 배치부(C)를 상부면에 적어도 하나 이상 함몰형성한 입체구조물인 1차 구조체(W1)를 형상화할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 배치부(C)는 1차 구조체(W)의 상부면에 일정깊이 함몰형성되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 일정높이 돌출형성될 수 있다.
상기 1차 패턴회로 형성부(130)는 상기 1차 구조체(W1)의 표면에 고에너지원인 레이저를 조사하는 적어도 하나의 레이저조사기(131)를 포함한다.
이러한 레어저조사기(131)는 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 위치이동되면서 사전에 설정된 패턴회로에 맞추어 상기 1차 구조체(W1)의 표면에 고에너지의 레이저를 조사함으로써 상기 1차 구조체(W1)의 표면에 사전에 설정된 패턴회로를 따라 외부노출되는 시드층(S)을 형성하게 되는 것이다.
여기서, 상기 레이저조사기(131)는 상기 본체부(110)에 별도로 구비되어 독립적으로 구현되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 본체부에 일체로 구비될 수도 있다.
상기 1차 구조체(W1)의 표면에 시드층(S)을 형성하는 공정은, 도 3에 도시한 바와 같이, 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 위치이동되는 레이저조사기(131)에서 조사되는 레이저가 상기 1차 구조체(W1)의 표면에 조사됨과 동시에 사전에 설정된 패턴회로를 따라 이동되면, 상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지에 포함된 금속분말을 활성화시켜 상기 레이저조사기의 레이저가 조사되는 1차 구조체의 표면에 외부노출되는 시드층(S)을 형성하게되며, 이러한 시드층(S)은 상기 레이저의 이동궤적과 일치하는 패턴회로의 패턴으로 형성하게 된다.
즉, 상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지에 포함된 레이저 직접 구조화용 첨가제는 레이저에 노출되어 금속원자를 활성화시키고, 레이저에 의해 노출되지 않은 영역에서는 금속 원자를 활성화시키지 않기 때문에 상기 1차 구조체의 표면에는 레이저에 의해서 패턴회로를 그리면서 열가소성 수지 조성물 내에 포함된 금속 원소가 방출되어 금속 입자가 매립된 거친 표면인 시드층(S)을 형성하게 된다.
이러한 시드층(S)은 후술하는 2차 패턴회로 형성부(140)에 의한 최종적인 패턴회로 형성공정시 잉크젯 방식으로 분사되는 도전재의 결정 성장을 위한 핵으로서 작용한다.
이를 통해, 레이저 직접 구조화용 첨가제는 레이저에 노출된 후에 레이저로 식각된 부분이 전도성을 갖도록 처리될 수 있게 하는 것이다.
상기 2차 패턴회로 형성부(140)는 사전에 설정된 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 본체부(110)가 위치이동되는 동안, 상기 헤드부(111)의 도전재분사용 노즐헤드를 통해 분사되는 전도성 도전재에 의해서 상기 1차 구조체(W1)의 시드층(S)에 회로형성용 도전층을 형성하는 것이다.
이러한 2차 패턴회로 형성부(140)는 상기 도전재분사용 노즐헤드와 도전재공급라인(140b)을 매개로 연결되어 전도성 도전재를 공급하는 적어도 하나의 도전재피더(140a)를 포함한다.
상기 전도성 도전재는 일련의 패턴회로를 형성하기 위한 금, 구리, 니켈, 알루미늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 전기전도성이 높은 금속재를 선택적으로 사용할 수 있다.
이러한 도전재피더(140a)는 액체상의 서로 다른 도전재가 채워져 상기 도전재분사용 노즐헤드와 제1,2도전재공급라인(143,144)을 매개로 각각 연결되는 제1,2카트리지(141,142)를 포함한다.
상기 제1,2카트리지(141,142)는 교체사용이 가능하도록 상기 본체부(110)에 착탈가능하게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 1차 구조체(W1)의 시드층(S)에 회로형성용 도전층을 형성하는 공정은 도 4에 도시한 바와 같이, 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 분체부(110)가 위치이동되는 동안, 상기 헤드부의 도전재분사용 노즐헤드에 상기 제1카트리지(141)에 저장된 제1도전재가 공급되어 분사되고, 분사되는 제1도전재가 시드층을 따라 연속하여 분사되어 도포되면, 상기 1차 구조체(W1)의 표면에는 시드층을 일정두께로 덮는 제1도전층(P1)을 형성하게 된다.
이어서, 상기 본체부(110)의 도전재분사용 노즐헤드에서 상기 제2카트리지(142)에 저장된 제1도전재가 상기 제1도전층(P1)을 따라 연속하여 분사되어 도포되면, 상기 1차 구조체의 표면에는 상기 제1도전층(P1)을 일정두께로 덮는 제2도전층(P2)을 형성하게 됨으로써, 상기 1차 구조체(W1)의 표면 전체에는 제1,2도전층(P1,P2)으로 이루어진 패턴회로(P)를 형성하게 된다.
그리고, 상기 패턴회로(P)인 회로형성용 패턴층을 표면에 형성한 1차 구조체(W1)의 배치부(C)에 구동회로와 같은 전자부품을 탑재하는 공정은, 도 5a 와 도 5b에 도시한 바와 같이, 벌림 및 오므림이 가능하도록 작동되는 그리퍼(151)와 같은 작동수단을 로봇암(150)을 이용하여 수행하게 된다.
즉, 상기 1차 구조체(W1)가 올려진 작업대(101)에 인접하여 배치된 로봇암(150)의 그러퍼(151)에 의해서 픽업된 전자부품(103)은 상기 1차 구조체(W11)에 함몰형성된 배치홈과 같은 배치부(C)에 탑재하여 실장하게 된다.
상기 그리퍼(151)에 의해서 파지된 전자부품(103)은 관절운동이 가능하도록 작동되는 로봇암(150)의 작동에 의해 상기 배치부의 직상부에 정확히 위치시킨 다음, 상기 배치부의 바닥면에 안착되도록 올려놓게 된다.
그리고 상기 배치부(C)의 바닥면에 하부면이 접하도록 올려진 전자부품(103)은 상기 배치부까지 연장된 1차 구조체의 패턴회로(P)와 전자부품의 입출력단자가 금속와이어를 매개로 하여 연결되는 와이어본딩방식으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 전자부품(103)은 수요가가 원하는 최종적인 입체적인 전자모듈의 설계에 맞추어 선택되는 수동소자 또는 능동소자일 수 있다.
또한, 상기 구조체 형성부(120)에는 시드 형성제가 일정량 포함된 제1수지를 공급하는 제1수지피더(121)와 더불어 시드 형성제가 포함되지 않는 제2수지를 공급하는 제2수지피더(122)를 추가 포함하고, 이러한 제2수지피더(122)는 제1수지피더와 마찬가지로 상기 수지분사용 노즐헤드와 제2수지공급라인(122a)을 매개로 하여 연결되는 상기 수지분사용 노즐을 통해 제2수지를 분사하게 된다.
이러한 제2수지피더(122)는 제1수지피더와 마찬가지로 실형태의 필라멘트인 제2수지가 두루마리형태로 권선된 릴형태로 이루어지거나 펠릿형태의 제2수지가 일정량 저장되는 호퍼형태로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 도 6a 내지 도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 제2수지피더(122)에 공급되는 제2수지가 상기 헤드부(110)의 수지분사용 노즐헤드를 통해 상기 1차 구조체의 표면에 분사되어 경화되면, 상기 1차 구조체의 표면상에 수직레이어가 높이방향을 따라 다층으로 적층되면서 상기 배치부(C)에 탑재된 전자부품과 더불어 상기 1차 구조체(W1)를 덮어 보호하는 2차 구조체(W2)를 형성하게 된다.
상기 1차 구조체(W1)와 2차 구조체(W2)사이에 배치된 전자부품(103)이 1차 구조체에 형성된 패턴회로와 전기적으로 연결된 최종제품인 입체 복합형상의 전자모듈(W)을 제조완성하게 된다.
여기서, 상기 배치부(C)에 탑재된 전자부품과 더불어 상기 1차 구조체(W1)를 덮어 보호하는 2차 구조체(W2)는 상기 수지분사용 노즐헤드로부터 분사되어 경화되는 수지재로 이루어지는 것을 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 기성형되어 상기 1차 구조체의 상부면에 본딩접착되는 금속 또는 수지소재의 덮개부재로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제1수지피더와 제2수지피더가 호퍼형태로 구비되고, 상기 제1수지와 제2수지에 각각 시드형성제가 포함되지 않은 경우, 고체상의 제1수지가 상기 호퍼에 구비되는 가열기에 의해서 액체상으로 전환된 상태에서 액체상의 제1수지와 제2수지에 일정량의 시드 형성제를 각각 첨가하여 혼합시킬 수 있도록 시드형성제 공급기를 상기 호퍼에 구비할 수 있다.
이러한 호퍼에는 액체상의 제1,2수지와 첨가제인 시드 형성제가 보다 원활하게 혼합될 수 있도록 교반기를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 본체부와 마주하는 작업대가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 공정별로 상기 본체부(110) 또는 레이저 조사기(120)를 상대적으로 위치이동시킴으로써 위치고정된 작업대(101)의 표면상에 제1수지를 분사하여 경화시킴으로써 입체형상의 1차 구조체(W1)를 형성하거나 상기 1차 구조체(W1)의 표면에 레이저를 조사하여 시드층(S)을 형성하거나 상기 시드층(S)에 도전재를 분사하여 회로형성용 도전층을 형성하는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 본체부(110) 또는 레이저 조사기(120)가 위치고정된 상태에서 상기 작업대(101)를 상대이동시켜 1차 구조체를 형성하거나 시드층을 형성하거나 회로형성용 도전층을 형성하는 공정을 수행할 수 있다.
즉, 상기 본체부(110) 또는 레이저 조사기(120)가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상기 작업대(101)를 상대적으로 위치이동시킴으로써, 상기 작업대상으로 분사되어 경화되는 제1수지에 의해서 1차 구조체(W1)를 형성하거나 상기 1차 구조체에 레이저를 조사하여 그 표면에 시드층(S)을 형성하거나 상기 1차 구조체의 시드층에 도전재를 분사하여 이에 회로형성용 도전층을 형성하는 공정을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (13)

  1. 수지수지분사용 노즐헤드와 도전재 분사용 노즐헤드를 포함하는 헤드부를 갖는 본체부 ;
    상기 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결되어 시드형성제를 포함하는 제1수지를 공급하는 제1수지피더를 갖추어 상기 수지분사용 노즐헤드를 통해 분사되어 경화되는 제1수지에 의해 1차 구조체를 형성하는 구조체 형성부 ;
    상기 1차 구조체의 표면에 레이저를 조사하는 레이저조사기를 갖추어 사전에 설정된 패턴회로를 따라 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하는 1차 패턴회로형성부 ; 및
    상기 도전재분사용 노즐헤드와 도전재공급라인을 매개로 연결되어 전도성 도전재를 공급하는 적어도 하나의 도전재피더를 갖추어 상기 시드층에 분사되는 전도성 도전재에 의해서 회로형성용 도전층을 형성하는 2차 패턴회로 형성부 ; 를 포함하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체부 및 레이저 조사기는 상기 1차 구조체가 형성되는 작업대가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상대적으로 위치이동되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 구조체가 형성되는 작업대는 상기 본체부 및 레이저 조사기가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상대적으로 위치이동되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구조체 형성부는 상기 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결되어 상기 시드형성제를 포함하지 않은 제2수지를 공급하여 상기 1차 구조체에 함몰형성된 배치부에 실장된 전자부품을 덮도록 상기 1차 구조체의 상부면에 적층되는 2차 구조체를 형성하는 제2수지피더를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는
    열가소성 수지 60 ~ 90 중량%;
    레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 20 중량%;
    시드 형성제 0.1 ~ 10 중량%; 및
    금속 분말0.001 ~ 15 중량%;를 포함하고,
    상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고,
    상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는
    열가소성 수지 80 ~ 95 중량%;
    레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 10 중량%;
    시드 형성제 0.1 ~ 5 중량%; 및
    금속 분말 0.001 ~ 10 중량%;을 포함하고,
    상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며,
    상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조장치.
  7. 본체부의 수지분사용 노즐헤드와 제1수지공급라인을 매개로 연결된 제1수지피더로부터 시드 형성제를 포함하는 제1수지를 상기 수지분사용 노즐헤드에 공급하고, 상기 수지분사용 노즐헤드로부터 분사되어 작업대상에 경화되는 제1수지에 의해 1차 구조체를 형성하는 단계 ;
    상기 1차 구조체의 표면에 레이저조사기로부터 레이저를 조사하여 상기 시드 형성제에 기인하는 시드층을 외부노출시켜 사전에 설정된 패턴회로에 맞추어 상기 1차 구조체에 시드층을 형성하는 단계 ;
    상기 본체부의 도전재분사용 노즐헤드와 도전재공급라인을 매개로 연결된 도전재 피더로부터 전도성 도전재를 상기 도전재분사용 노즐헤드에 공급하고, 상기 도전재 피더로부터 상기 시드층에 분사되는 도전재에 의해서 회로형성용 도전층을 형성하는 단계 ; 를 포함하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회로형성용 도전층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 1차 구조체에 함몰형성된 배치부에 전자부품을 탑재하여 실장하는 단계 ;
    상기 수지분사용 노즐헤드와 제2수지공급라인을 매개로 연결된 제2수지피더로부터 시드 형성제를 포함하지 않는 제2수지를 상기 수지분사용 노즐헤드에 공급하고, 상기 수지분사용 노즐헤드로부터 분사되어 상기 배치부에 실장된 전자부품을 덮도록 경화되는 제2수지에 의해 2차 구조체를 형성하는 단계 ; 를추가 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 회로형성용 도전층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 1차 구조체에 함몰형성된 배치부에 전자부품을 탑재하여 실장하는 단계 ;
    상기 배치부에 실장된 전자부품을 덮도록 금속소재 또는 수지소재의 덮개부재를 상기 1차 구조체의 상부면에 본딩접착하는 단계 ; 를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 1차 구조체가 형성되는 작업대가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상기 본체부 또는 레이저 조사기를 상대적으로 위치이동시켜 상기 1차 구조체를 형성하거나 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하거나 상기 시드층에 회로형성용 도전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 본체부 또는 레이저 조사기가 위치고정된 상태에서 컴퓨터의 프로그램밍된 제어신호에 의해서 XYZ축을 따라 상기 1차 구조체가 형성되는 작업대를 상대적으로 위치이동시켜 상기 1차 구조체를 형성하거나 상기 1차 구조체의 표면에 시드층을 형성하거나 상기 시드층에 회로형성용 도전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는
    열가소성 수지 60 ~ 90 중량%;
    레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 20 중량%;
    시드 형성제 0.1 ~ 10 중량%; 및
    금속 분말0.001 ~ 15 중량%;를 포함하고,
    상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고,
    상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
  13. 제7항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 1차 구조체를 형성하는 제1수지는
    열가소성 수지 80 ~ 95 중량%;
    레이저 직접 구조화용 첨가제 0.1 ~ 10 중량%;
    시드 형성제 0.1 ~ 5 중량%; 및
    금속 분말 0.001 ~ 10 중량%;을 포함하고,
    상기 금속 분말은 철, 망간, 코발트, 크롬, 구리, 바나듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 상기 금속분말은 상기 니켈 및 철을 1: 0.85 ~ 1.75 의 중량비로 포함하거나상기 니켈, 철 및 코발트를 1: 0.85 ~ 1.75: 0.75 ~ 2.25의 중량비로 포함하거나 상기 니켈 및 크롬을 1: 1.85 ~ 3.35의 중량비로 포함하거나 상기 니켈, 크롬 및 망간을 1: 1.85 ~ 3.25: 0.35 ~ 0.85의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 복합입체형상 전자모듈 제조방법.
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