基于熔融沉积成型3D打印工艺的电路板设计与制造方法与流程

本发明涉及一种基于熔融沉积成型3d打印工艺的电路板设计与制造方法，属于增材制造技术领域。

背景技术：

电路板是电子产品中的重要部件，它不但是各类电子元器件的支撑体，而且是电子元器件电气连接的载体。由于同类电路板的工艺一致性，避免了人工连线的失误，并可实现电子元器件自动安装、自动焊接、自动检测，保证了电子产品的质量，提高了生产率、降低了成本，便于后期维修。传统电路板制造工艺主要包括：开料、沉铜、图形转移、图形电镀、退膜、蚀刻、绿油、成型等步骤，工艺较为成熟，非常适合与大批量生产，但是生产工序繁多，生产周期长，前期投入成本较高。随着创新型经济的兴起，新型电子产品的迭代速度明显加快，企业普遍希望缩短产品设计开发周期，让产品尽快投入市场，抢占市场份额，另一方面，消费者对于个性化、定制化电子产品的需求不断扩大，这就要求企业从大批量的传统制造模式转向个性化快速生产。电路板作为电子产品中的重要部件也面临相应的市场要求，而传统制造工艺难以满足所有需求。新型电子产品的研发速度不断提高，同时消费者对于个性化、定制化电子产品的需求增长，使得传统的面向大规模生产的电路板制造工艺面临挑战。而3d打印技术虽然可以作为替代方法，但是目前普遍采用导电墨水形成电路结构，使得电路板机械强度偏低，导电性能有限。

3d打印技术是一种依据3d设计数据通过逐层材料累加的方法制造实体零件的新型制造技术。近年来，3d打印技术取得了长足的发展，实现了加工工艺和原材料的多样化和体系化。常见的增材制造工艺包括：选择性激光熔化成型、选择性激光烧结成型、熔融沉积成型、光固化成型等等。可加工材料涵盖了金属、热塑性塑料、光固化树脂、石膏、陶瓷、可食用材料等。该技术可以针对实际需求，设计和制造出定制化的产品，并可以实现小批量快速生产，非常适合应用于新产品原型试制与个性化产品制造。该技术目前已应用于电路板制造领域，主要应用3d打印技术制造电路板基底，再利用喷墨打印、气溶胶喷射、点胶工艺等方法在3d打印基底表面打印导电墨水形成电路。但是，导电墨水中所含的部分溶剂对3d打印基底有腐蚀性，且机械强度有限，易脱落或断裂；另外，导电墨水的电导率相对于传统印刷电路板上的金属导线有较大差距，这些都影响了3d打印电路板的性能。

技术实现要素：

本发明提出基于熔融沉积成型3d打印工艺的电路板设计与制造方法，应用化学镀工艺在熔融沉积成型工艺制造的基底上选择性沉积金属或合金层，形成了高机械强度、高导电性的电路结构。

本发明是基于熔融沉积成型3d打印工艺的电路板设计与制造方法，所述方法包括以下步骤：首先，用计算机辅助设计软件分别设计电路板基座及电路衬底的三维模型；其次，应用3d打印切片软件对于电路板基座及电路衬底模型进行组装，形成整个电路板的三维模型，并根据设置的打印温度、层厚、速度等参数对模型进行切片处理，获得驱动熔融沉积成型3d打印机的数控编程语言代码；之后，使用熔融沉积成型3d打印机制造电路板基板，其中基座部分采用非可镀塑料打印，而电路衬底则采用可镀塑料打印；然后，应用化学镀工艺在可镀塑料构成的电路衬底表面沉积金属或合金层形成导电电路；最后，利用导电胶或低温焊料在电路板上安装电子元器件，完成电路板制造。

本发明提出的基于熔融材料沉积3d打印工艺的电路板设计与制造技术的方法如下：

1）三维模型设计：应用计算机辅助设计软件分别设计电路板基座及电路衬底的三维模型；

2）模型切片：在3d打印切片软件中导入电路板基座和电路衬底的三维模型，并通过软件中的组装功能形成整个电路板基板的三维模型，设定的打印参数，对模型进行切片处理，获得驱动熔融沉积成型3d打印机的数控编程语言代码；

3）熔融沉积成型3d打印：使用熔融沉积成型3d打印机制造电路板基板，其中基座部分采用非可镀塑料打印，而电路衬底则采用可镀塑料打印；

4）清洗：将电路板基板浸入清洁液中超声清洗，取出后用去离子水清洗并擦干。

5）粗化：采用强氧化性腐蚀剂对电路板基板进行粗化处理，取出后用去离子水清洗。

6）还原：将经过步骤5)清洗后的电路板基板进行还原处理，取出后用去离子水清洗。

7)活化：将电路板基板浸入胶体钯活化液进行活化，取出后用去离子水清洗。

8)解胶：将经过步骤7)清洗后的电路板基板浸入解胶液，取出后用去离子水清洗。

9)化学镀：将经过解胶的电路板基板放入化学镀镀液中，在可镀塑料表面沉积了一层金属，取出后用去离子水清洗。

10）电子元器件安装：应用导电胶或低温焊料在电路板相应位置安装电子元器件，完成电路板制造。

相对于现有技术，本发明的优点如下，1）本发明所提出的基于熔融沉积成型3d打印工艺的电路板设计与制造方法简化了电路板设计制造流程，缩短了生产周期和投入，提升了电路导电性能和机械强度，非常适合于新产品原型试制和定制化产品的小批量制造；2）如步骤1）所述，本发明中电路板的几何结构和电路图形可根据实际需求运用计算机辅助设计软件设计，设计方法简便，并可以根据测试结果快速修改，设计自由度高；3）其次，如步骤3）所述，熔融沉积成型工艺可以依照三维模型直接制造出电路板基板，无需传统工艺中的开料切板、数控成型等步骤，双面及多层电路板中常用的导孔结构也可以由打印方式实现，省略了传统工艺中的打孔步骤；4）如步骤9）所述，电路板导线由化学镀工艺在可镀塑料表面沉积金属/合金镀层得到，且电路板表面导线和导孔中导线一起沉积获得，无需传统工艺中图形转移、图形电镀、退膜、蚀刻等复杂流程；5）如步骤9）所述，电路板导线由金属/合金镀层，其导电性能明显高于常用的导电墨水；6）金属或合金镀层自身机械强度高于导电墨水，其与电路板基底的结合力也明显优于导电墨水。

附图说明

图1为本发明基于熔融沉积成型3d打印技术的电路板设计与制造方法流程图，

图2为电路板的基座及电路衬底三维模型示例，

图3为经3d打印切片软件组装并切片后的电路板基板三维模型示例，

图4为安装有电子元器件的基于熔融沉积成型3d打印技术的电路板示例，

图中：1电路衬底，2导孔，3电路板基座，4沉积金属后的电路衬底，5贴片电阻，6贴片ic芯片，7贴片电容，8led。

具体实施方式

本发明是基于熔融沉积成型3d打印工艺的电路板设计与制造方法，包括以下步骤：首先，用计算机辅助设计软件分别设计电路板基座及电路衬底的三维模型；其次，应用3d打印切片软件对于电路板基座及电路衬底三维模型进行组装，形成整个电路板的三维模型，并根据设置的打印温度、层厚、速度等参数对模型进行切片处理，获得驱动熔融沉积成型3d打印机工作的数控编程语言代码；之后，使用熔融沉积成型3d打印机制造电路板基板，其中基座部分采用非可镀塑料打印，而电路衬底则采用可镀塑料打印；然后，应用选择性化学镀工艺在可镀塑料构成的电路衬底表面沉积金属或合金层形成导电电路；最后，利用导电胶或低温焊料在电路板上安装电子元器件，完成3d打印电路板制造，实现设计的电路功能。

实施例1：参见图1-图4，一种基于熔融材料沉积3d打印工艺的电路板设计与制造方法，,具体方法如下：

1）三维模型设计：应用计算机辅助设计软件分别设计电路板基座及电路衬底的三维模型，并导出为stl文件格式，该格式用三角形网格来表现物体外轮廓形状，是一种为3d打印制造技术服务的三维图形文件格式；

2）模型切片：在3d打印切片软件中导入电路板基座和电路衬底的三维模型，并通过软件中的组装功能形成整个电路板基板的三维模型，设定的打印材料、喷嘴温度、层厚、速度等打印参数，对模型进行切片处理，获得驱动熔融沉积成型3d打印机工作的数控编程语言代码，该代码为g-code格式，是3d打印机最常用的数控编程语言，该文件中的每一行语句都是3d打印机固件所能理解的命令，这些命令控制3d打印机制造相应的三维模型；

3）熔融沉积成型3d打印：使用熔融沉积成型3d打印机制造电路板基板，其中基座部分采用非可镀聚碳酸酯塑料打印，而电路衬底则采用可镀abs塑料打印；

4）清洗：将电路板基板浸入分析纯的异丙醇中，室温下超声清洗10分钟，取出后用去离子水清洗并擦干；

5）粗化：采用铬酸溶液(氧化铬：410g/l，98%硫酸：400g/l)对电路板基板进行粗化处理中，溶液温度为65°c，浸泡时间10分钟。取出后用去离子水清洗；

6）还原：将经过步骤5)清洗后的电路板基板进行还原处理（10ml/l水合肼，20ml/l盐酸)，室温下浸泡时间30秒。取出后用去离子水清洗；

7)活化：将电路板基板浸入胶体钯活化液，活化液的温度为25°c，浸泡时间为3分钟。取出后用去离子水清洗；

8)解胶：将经过步骤7)清洗后的电路板基板进行解胶（100ml/l盐酸溶液），溶液温度为45°c，浸泡时间2分钟。取出后用去离子水清洗；

9)化学镀：将经过解胶的电路板基板放入化学镀镍液（化学镍a液30ml/l,b液28ml/l,c液45ml/l）中，温度为35℃，ph值为8，化学镀时间为30分钟。取出后用去离子水清洗，基板上所有abs材料表面沉积了一层镍磷合金，包括连接电路板正反面的导孔内壁也沉积了镍磷合金，形成导线；

10）电子元器件安装：应用导电胶或低温焊料在电路板相应位置安装贴片电阻，电容，led，贴片芯片等电子元器件，完成电路板制造。

实施例2：参见图1—图4，一种基于熔融材料沉积3d打印工艺的电路板设计与制造技术的方法，具体方法如下：

1）三维模型设计：应用计算机辅助设计软件分别设计电路板基座及电路衬底的三维模型，并导出为stl文件格式，该格式用三角形网格来表现物体外轮廓形状，是一种为3d打印制造技术服务的三维图形文件格式。

2）模型切片：在3d打印切片软件中导入电路板基座和电路衬底的三维模型，并通过软件中的组装功能形成整个电路板基板的三维模型，设定的打印材料、喷嘴温度、层厚、速度等打印参数，对模型进行切片处理，获得驱动熔融沉积成型3d打印机工作的数控编程语言代码，该代码为g-code格式，是3d打印机最常用的数控编程语言，该文件中的每一行语句都是3d打印机固件所能理解的命令，这些命令控制3d打印机制造相应的三维模型。；

3）熔融沉积成型3d打印：使用熔融沉积成型3d打印机制造电路板基板，其中基座部分采用非可镀聚碳酸酯塑料打印，而电路衬底则采用可镀abs塑料打印；

4）清洗：将电路板基板浸入分析纯的酒精中，室温下超声清洗10分钟，取出后用去离子水清洗并擦干。

5）粗化：采用硫酸-双氧水溶液（190ml/l50%双氧水,160ml/l98%硫酸）对电路板基板进行粗化处理中，室温下浸泡时间10分钟。取出后用去离子水清洗。

6）还原：将经过步骤5)清洗后的电路板基板进行还原处理（10ml/l盐酸)，室温下浸泡时间30秒。取出后用去离子水清洗。

7)活化：将电路板基板浸入胶体钯活化液，活化液的温度为25°c，浸泡时间为3分钟。取出后用去离子水清洗。

8)解胶：将经过步骤7)清洗后的电路板基板进行解胶（33ml/l98%硫酸），溶液温度为55°c，浸泡时间2分钟。取出后用去离子水清洗。

9)化学镀：将经过解胶的电路板基板放入化学镀铜液（8g/l硫酸铜，30g/l酒石酸钾钠,3g/l乙二胺四乙酸，3g/l柠檬酸钠，12ml/l福尔马林，150ml/l甲醇），，温度为50℃，ph值为12.5，化学镀时间为30分钟。取出后用去离子水清洗，基板上所有abs材料表面沉积了一层铜，包括连接电路板正反面的导孔内壁也沉积了铜层，形成导线。

10）电子元器件安装：应用导电胶或低温焊料在电路板相应位置安装贴片电阻，电容，led，贴片芯片等电子元器件，完成电路板制造。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案技术上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。