3D打印技術(shù)在電子電路板制造中的應(yīng)用探究

張慧梅 馮淑瑩

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心材料工程發(fā)明審查部，廣東 廣州 510700)

0 引言

近年來(lái)，由于信息時(shí)代向智能時(shí)代的快速轉(zhuǎn)變，電子產(chǎn)品特別是消費(fèi)類電子產(chǎn)品的快速迭代已經(jīng)成為常態(tài)，其產(chǎn)品的研發(fā)周期從以前的幾年縮短到幾個(gè)月，與此同時(shí)，為滿足市場(chǎng)需求，電子產(chǎn)品的高性能、高集成度、微型化等趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。作為電子產(chǎn)品中不可缺少的基礎(chǔ)硬件，對(duì)PCB電路板的要求也隨之變得越來(lái)越高，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的多層PCB電路板制作，由于涉及原材料眾多以及工藝流程復(fù)雜，導(dǎo)致其加工周期短則幾周，長(zhǎng)則幾個(gè)月，已不能滿足電子產(chǎn)品的對(duì)研發(fā)周期的要求；另一方面，設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)也對(duì)傳統(tǒng)電路板制作工藝提出了挑戰(zhàn)，例如曲面結(jié)構(gòu)的PCB。而快速打印技術(shù)(3D打印技術(shù))由于其制造過(guò)程快速、結(jié)構(gòu)形體復(fù)雜性無(wú)限制等技術(shù)特性，能很好的滿足電子產(chǎn)品研發(fā)迭代周期短和復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求[1]。經(jīng)過(guò)近些年來(lái)的快速發(fā)展和技術(shù)沉淀，3D打印技術(shù)已具備了實(shí)現(xiàn)打印電路板的能力，其在電路板制造領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 3D打印在電路板PCB制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2014年新加坡南洋理工大學(xué)Joseph Chang團(tuán)隊(duì)通過(guò)一臺(tái)改裝的普通打印設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了電子電路的打印[2]。該電路采用銀納米粒子、碳和塑料等材料進(jìn)行增層材料逐層打印，并制作了數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器，以及射頻識(shí)別標(biāo)簽以及撓性電路等實(shí)際樣品，拓展了3D打印在PCB板中最初的應(yīng)用。

2015年，美國(guó)Voxel8公司推出的3D打印設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)熱塑性材料和導(dǎo)電性漿料的同時(shí)打印，其采用普通熔融沉積成型打印頭和氣動(dòng)直寫(xiě)針頭分別對(duì)塑料基材和導(dǎo)電銀油墨進(jìn)行增層打印，層分別率達(dá)到200微米，導(dǎo)電線路墨跡寬度250微米。

美國(guó)制造商O(píng)ptomee獲得“微型氣溶膠噴射和氣溶膠噴射”專利技術(shù)，該技術(shù)利用空氣動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)納米級(jí)材料的精確熔融沉積成型，能打印出線寬和電路結(jié)構(gòu)達(dá)到10微米級(jí)別的功能性電子芯片。該技術(shù)還可以利用陣列中的每個(gè)微型打印頭打印多種不同的材料，一次性制作更為復(fù)雜的多材料或多層電子元器件。

Nano Dimension(ND)公司是國(guó)際知名PCB 3D打印設(shè)備商，其先后分別在2015年推出的全球首款PCB專門(mén)打印機(jī)Dragon Fly 2020，和在2016年申請(qǐng)了可同時(shí)燒結(jié)和固化兩種3D打印油墨(導(dǎo)電金屬電漿和絕緣油墨)的專利。其打印設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)完整的多層PCB電路板的打印，實(shí)現(xiàn)電路板中所包含的層間互連和通孔結(jié)構(gòu)。其申請(qǐng)的打印材料則可有效降低了成本。2017年，該公司又推出升級(jí)版DragonFly 2020 Pro，其能構(gòu)建全系列多層PCB結(jié)構(gòu)，針對(duì)成型復(fù)雜的盲埋孔和金屬化通孔，而更精確的噴墨沉積系統(tǒng)可獲得打印高分辨、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PCB電路板制作。

2017年，英國(guó)諾丁漢大學(xué)依托于光固化成型技術(shù)，研發(fā)出一種利用噴墨打印和UV固化相結(jié)合的電路打印技術(shù)，采用UV光固化的導(dǎo)電油墨代替了傳統(tǒng)的熱固化導(dǎo)電油墨，極大的縮短了打印時(shí)間。由于該技術(shù)也可同時(shí)打印和固化導(dǎo)電和絕緣部分，縮短了電路板打印制作周期，有助于快速設(shè)計(jì)和制造。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2013年中科院理化技術(shù)研究所首次研發(fā)出液態(tài)金屬桌面式3D打印機(jī)。該技術(shù)采用低熔點(diǎn)金屬及其合金、含少量氧化物和磁性納米顆粒的液態(tài)金屬導(dǎo)電墨水、以及P型或N型半導(dǎo)體性墨水等直接打印在基板上，常溫下自固化成電子電路，打印出的金屬線路具有良好的導(dǎo)電性，且無(wú)需熱處理，還能與基材進(jìn)行彎曲拉伸共形。

2015年華中科技大學(xué)魏青松等人提出了一種具有空間立體電路的電路板3D打印方法，其利用雙噴頭的FDM打印設(shè)備，其中一個(gè)噴頭打印三維電路基板，基板打印材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物(ABS P400)、尼龍(PA)等熱塑性材料，另一噴頭在基板上打印線路，導(dǎo)電材料為銀鍍銅、銀鍍鋁、銀鍍鎳、純銀等填充物導(dǎo)電橡膠，在打印電路板三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程中同時(shí)打印電路，一體化成型具有空間立體復(fù)雜電路的電路板結(jié)構(gòu)。

華東科技大學(xué)高玉樂(lè)等人[3]提出撓性電子電路的打印和雙層電路板打印的技術(shù)，其中撓性電子電路是對(duì)FDM打印機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)多材料打印包括導(dǎo)電銀漿絕緣膠、導(dǎo)電銀漿的打??；雙層電路的打印，首先通過(guò)導(dǎo)電銀漿擠出結(jié)構(gòu)在基底上打印第一層電子電路，再利用熔融擠出結(jié)構(gòu)打印聚乳酸(PLA)絕緣層，然后經(jīng)過(guò)紅外固化，最后再通過(guò)導(dǎo)電銀漿擠出結(jié)構(gòu)打印第二層電子電路。

聶剛等人研究了多層電路板利用快速成型制造的方法，第一層為熱絕緣層，利用激光選區(qū)燒結(jié)(SLS，Selective Laser Sintering)在基板上打印，第二層為錫粉末電路層，利用激光燒結(jié)成型方法(DMLS，Direct Metal Laser Sintering)進(jìn)行打印，重復(fù)多次可打印出多層電路板。福州大學(xué)葉蕓等人提出一種多層柔性電路板的3D打印方法，使用3D噴射技術(shù)打印基板，采用激光近凈成形(LENS，Laser Engineered Net Shaping)在基板上打印金屬線路?；宀牧嫌蠵I、滌綸粉末和亞克力UV無(wú)影膠水組成，線路材料為銅粉、鈷鉻合金粉、金粉和銀粉。

1.3 3D打印PCB電路板存在的主要問(wèn)題

目前3D打印在PCB電路板的領(lǐng)域基本處于初期探索階段，雖然國(guó)外已有具備3D打印PCB的功能產(chǎn)品，但距離現(xiàn)有的PCB的傳統(tǒng)加工仍具有較大差距，主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

1)3D打印PCB電路板的機(jī)械強(qiáng)度較低。相比于傳統(tǒng)的FR4樹(shù)脂基材復(fù)合材料板，3D打印的電路板由于基材材料的特性限制，導(dǎo)致剛性支撐強(qiáng)度較差；

2)分辨率低遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到精細(xì)線路的要求。目前的3D打印導(dǎo)電材料基本上以液態(tài)導(dǎo)電漿為主，其液態(tài)擴(kuò)散屬性導(dǎo)致打印的導(dǎo)電線路不能很好成型，只能制作初級(jí)的線路。如果不能很好控制導(dǎo)電線路的成型，未來(lái)對(duì)高速高頻電信號(hào)的應(yīng)用將受到極大的限制。

2 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，3D打印在PCB電路板制作領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)嶄露頭角，其快速制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度大等特點(diǎn)能很好滿足電子產(chǎn)品研制的快速試錯(cuò)迭代的需求。目前由于自身特性和技術(shù)發(fā)展所限，對(duì)更好的打印材料和更高的3D打印制備技術(shù)等方面仍然需要研發(fā)和突破。但3D打印PCB電路板的發(fā)展還是十分有價(jià)值，其應(yīng)用前景仍然看好。