一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置及方法与流程

本发明涉及曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路技术领域，具体为一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置及方法。

背景技术：

目前随着电子工业的发展，在光伏、手机天线及微波天线等行业对于曲面电子线路的需求越来越明显。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，高绝缘性能，103赫下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，因此常作为微带天线及柔性电路的介质层使用。

传统微带天线的制作工艺是采用热压合的方式将铜箔与聚酰亚胺结合在一起，通过蚀刻的方式将不需要的区域剥离留下电子线路部分，最终根据产品需求将微带天线采用胶结的方式贴合于所需要的产品表面。部分手机天线和光伏行业的电子线路则是采用印刷的方式将电子线路印刷于所需要的区域。此外针对于曲面上的电子线路则采用的是在基材上整体喷镀含金属离子的特殊有机材料或整体喷镀金属层，再次经过紫外光的曝光活化将金属离子析出形成导电层或是用激光曝光蚀刻将喷镀金属非有效区域剥离而形成曲面线路。通过以上传统电子线路的加工工艺可以看出其制作工艺流程繁琐，复杂，且周期长。同时印刷于聚酰亚胺的微带天线或薄膜电路在最终赋形于产品时均受到产品外形形状限制，非展开曲面则无法进行赋形，规则曲面赋形也涉及到精度的问题。目前的制造工艺限制了曲面及异性基材上介质层及电子线路的应用，因此急需一种新的工艺方法来应对当前的加工制造难题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置及方法，可实现曲面上微带天线、手机天线及PCB线路的制备和修补等。该工艺方法可在曲面金属基材上实现聚酰亚胺介质层及电子线路的一次性制造，或者可单独实现其中的单项内容。此外该工艺方法可以衍生其他应用方向，如曲面点胶等。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，其特征在于：包括运动平台、顶座、加热装置、电机、喷印装置、测温装置和中央控制器；

所述顶座和电机安装在运动平台上；所述运动平台能够在中央控制器控制下移动；曲面的金属基材两端安装在顶座与电机之间，电机能够在中央控制器控制下带动曲面金属基材绕曲面的几何中心轴线旋转；所述加热装置安装在顶座上，能够在中央控制器控制下加热金属基材；所述测温装置能够测量金属基材的表面温度，并反馈至中央控制器；

所述喷印装置能够将PAA溶液涂布于金属基材曲面上，也能够将电子浆料打印在成型的PAA膜上或将电子浆料打印在成型的PI膜上；所述PAA溶液采用以下过程得到：PMDA与ODA配比后，以DMAc为溶剂配置成的0.3～0.35g/ml溶液，对溶液进行真空除泡处理后，将溶液放置0-5℃环境保存待单体反应完全；所述喷印装置的喷口内径尺寸为0.2-0.4mm。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，其特征在于：所述加热装置能够将金属基材表面温度预热至60℃±5℃，并能够在中央控制器控制下将金属基材表面温度从60℃以30～60℃/h的升温速率升温至100℃并保温，使PAA溶液中的溶剂挥发形成PAA膜。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，其特征在于：所述加热装置能够对金属基材表面的PAA膜升温固化，使PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，并将打印在PI膜上的电子浆料烧结。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，其特征在于：所述加热装置能够对金属基材表面的PAA膜以及打印在PAA膜上的电子浆料升温固化，使PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，并且同时实现电子浆料的烧结。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，其特征在于：还包括加热箱，将金属基材放置在加热箱中实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，并将打印在PI膜上的电子浆料烧结；或将金属基材放置在加热箱中实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜同时实现电子浆料的烧结。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，其特征在于：所述喷印装置包括储料管、针头、气路、减压阀和空气压缩机，空气压缩机产生高压气体通过减压阀和气路将储料管内的PAA溶液均匀涂布于金属基材曲面上，或将储料管内的电子浆料打印在成型的PAA模上或PI膜上。

利用上述装置实现曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将PMDA与ODA配比后，以DMAc为溶剂配置成的0.3～0.35g/ml溶液，对溶液进行真空除泡处理后，将溶液放置0-5℃环境保存待单体反应完全，得到PAA溶液；

步骤2：将PAA溶液装入喷印装置的储料管中；中央控制器控制运动平台移动，使喷印装置的喷口与金属基材表面距离满足设定要求；

步骤3：中央控制器根据测温装置的反馈，控制加热装置将金属基材表面温度预热至60℃±5℃；然后中央控制器控制喷印装置将PAA溶液挤出，并且中央控制器控制电机带动金属基体转动，实现将PAA溶液涂布于金属基材上；

步骤4：中央控制器根据测温装置的反馈，控制加热装置将金属基材表面温度以30～60℃/h的升温速率升温至100℃并保温，使PAA溶液中的溶剂挥发形成PAA膜；

步骤5：在喷印装置的储料管中换装电子浆料，所述电子浆料的烧结固化温度不高于PI膜的耐用温度；中央控制器根据设定模型控制运动平台移动以及电机转动，并控制喷印装置将电子浆料挤出，实现用电子浆料在PAA膜上打印电子线路图形；

步骤6：中央控制器根据测温装置的反馈，控制加热装置将金属基材表面温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜同时实现电子浆料的烧结；所述设定的PAA膜脱水固化升温曲线为：升温至120℃±5℃后保温2-3h，再升温至200℃±5℃后保温1-2h，最后升温至280℃±5℃后保温0.5-1h。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的方法，其特征在于：步骤6中将金属基材放置在加热箱中，控制加热箱温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜同时实现电子浆料的烧结。

进一步的优选方案，所述一种曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的方法，其特征在于：步骤5为：金属基材表面形成PAA膜之后，通过中央控制器控制加热装置配合测温装置将金属基材表面温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，或将金属基材放置在加热箱中，控制加热箱温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜；

步骤6：在喷印装置的储料管中换装电子浆料，所述电子浆料的烧结固化温度不高于PI膜的耐用温度；中央控制器根据设定模型控制运动平台移动以及电机转动，并控制喷印装置将电子浆料挤出，实现用电子浆料在PI薄膜上打印电子线路图形；

步骤7：通过中央控制器控制加热装置配合测温装置升高金属基材表面温度至电子浆料的烧结固化温度，实现电子浆料的烧结；或将金属基材放置在加热箱中，控制加热箱温度升高至电子浆料的烧结固化温度，实现电子浆料的烧结。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)本发明通过打印的方式将PAA溶液涂布于曲面金属基材选定区域上，辅助加热装置及后续固化工艺可在曲面上形成PI薄膜。解决了聚酰亚胺薄膜(PI薄膜)面上赋形精度差及非展开曲面上无法赋形的问题。

2)本发明可以在已成形的PAA膜上制备电子线路，具备了薄膜与线路一体化成型的功能，大大简化制造工序流程，方便设计阶段手板模型的验证工作，并使其在曲面金属基材上制备微带天线成为可能。

3)本发明可以衍生出其他应用功能，如将运动平台配平面加热台则可制备平面及曲面薄膜，也可以用于曲面点胶、PCB补线等。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明一种基于曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的工艺制作示意图；

其中：1、运动平台 2、电机 3、运动控制器 4、计算机 5、空气压缩机 6、三爪卡盘 7、减压阀 8、气路 9、储料管 10、针头 11、顶座 12、CCD相机 13、金属基材 14、金属线路 15、PAA溶液膜 16、加热装置；

图2：PAA膜脱水亚胺化工艺曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的基本原理是应用打印的方式将聚酰亚胺的前躯体溶液PAA溶液涂布于金属基材上，并形成PAA膜，再次打印电子线路于PAA膜上，或打印电子线路于PAA膜脱水生成的PI薄膜上，过程中辅助加热装置，一次性成型。

如图1所示，本实施例中的曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的装置，包括运动平台、顶座、加热装置、电机、喷印装置、测温装置和中央控制器。

所述顶座和电机安装在运动平台上；所述运动平台能够在中央控制器控制下移动；曲面的金属基材两端安装在顶座与电机之间，电机能够在中央控制器控制下带动曲面金属基材绕曲面的几何中心轴线旋转；所述加热装置安装在顶座上，能够在中央控制器控制下加热金属基材；所述测温装置能够测量金属基材的表面温度，并反馈至中央控制器。

所述喷印装置能够将PAA溶液涂布于金属基材曲面上，也能够将电子浆料打印在成型的PAA膜上或将电子浆料打印在成型的PI膜上；所述PAA溶液采用以下过程得到：PMDA与ODA配比后，以DMAc为溶剂配置成的0.3～0.35g/ml溶液，对溶液进行真空除泡处理后，将溶液放置0-5℃环境保存待单体反应完全；所述喷印装置的喷口内径尺寸为0.2-0.4mm。这里溶液浓度的选择非常重要范围，0.3～0.35g/ml的浓度是具有特定效果的筛选结果值，其与0.2-0.4mm的喷口内径尺寸配合，实现保证溶液装入喷印装置后，在喷口处不至于在重力作用下自然流出或挂液，同时又保证其可打印性及打印后的流平效果。浓度过大，打印性差且溶液流平效果不好容易出现凹坑、未挥发的气泡，固化后膜厚不均匀；而浓度过小则在打印头容易挂液影响打印效果，且在曲面上打印难以控制。

所述喷印装置包括储料管、针头、气路、减压阀和空气压缩机，空气压缩机产生高压气体通过减压阀和气路将储料管内的PAA溶液均匀涂布于金属基材曲面上，或将储料管内的电子浆料打印在成型的PAA模上。

本实施例中，所述加热装置能够将金属基材表面温度预热至60℃±5℃，并能够在中央控制器控制下将金属基材表面温度从60℃以30～60℃/h的升温速率升温至100℃并保温，使PAA溶液中的溶剂挥发形成PAA膜。此外，加热装置也能够对金属基材表面的PAA膜升温固化，使PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，并将打印在PI膜上的电子浆料烧结。或者对金属基材表面的PAA膜以及打印在PAA膜上的电子浆料升温固化，使PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，并且同时实现电子浆料的烧结。

当然，如果加热装置功率本身受到约束，可以额外增加加热箱，将金属基材放置在加热箱中实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，并将打印在PI膜上的电子浆料烧结；或将金属基材放置在加热箱中实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜同时实现电子浆料的烧结。

利用上述装置实现曲面上制备聚酰亚胺介质层及电子线路的方法，包括以下步骤：

步骤1：将均苯四甲酸二酐(PMDA，g)与4,4-二氨基二苯醚(ODA，g)按摩尔比1.02:1配比后，以N,N-2甲基乙酰胺(DMAc，ml)为溶剂配置成的0.3～0.35g/ml溶液，其中先将ODA与DMAc配置成溶液，待ODA完全溶解于DMAc溶液后将其置于冰浴超声波中，分批加入PMDA，辅助搅拌1h左右。再将溶液进行真空除泡处理后，将处理好的溶液装入储料管密封放置0-5℃冰箱环境中保存24h，待单体反应完全得到PAA溶液。

步骤2：中央控制器控制运动平台移动，使喷印装置的喷口与金属基材表面距离满足设定要求。

步骤3：中央控制器根据测温装置的反馈，控制加热装置将金属基材表面温度预热至60℃±5℃；然后中央控制器控制喷印装置将PAA溶液挤出，并且中央控制器控制电机带动金属基体转动，实现将PAA溶液涂布于金属基材上。其中喷印装置采用的高压气体作为挤压源，挤压源压力0.1-0.4Mpa。

步骤4：中央控制器根据测温装置的反馈，控制加热装置将金属基材表面温度以30～60℃/h的升温速率升温至100℃并保温，使PAA溶液中的溶剂挥发形成PAA膜。这里的升温速率过快会致使溶液出现溶剂挥发过快致使膜开裂，升温速率过慢则固化效率变低，且溶液由于重力原因流动而致使膜厚不均匀。

步骤5：在喷印装置的储料管中换装粘度范围为10Pa.s～300Pa.s的电子浆料，且所述电子浆料的烧结固化温度不高于PI膜的耐用温度。中央控制器根据设定模型控制运动平台移动以及电机转动，并控制喷印装置将电子浆料挤出，实现用电子浆料在PAA膜上打印电子线路图形。

步骤6：中央控制器根据测温装置的反馈，控制加热装置将金属基材表面温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜同时实现电子浆料的烧结；所述设定的PAA膜脱水固化升温曲线为：升温至120℃±5℃后保温2-3h，再升温至200℃±5℃后保温1-2h，最后升温至280℃±5℃后保温0.5-1h

当然，步骤6中，若加热装置功率不足，也可将金属基材放置在加热箱中，控制加热箱温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜同时实现电子浆料的烧结。

此外，根据匹配的电子浆料的不同，也可采用先将PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，在PI薄膜上打印电子线路图形，再烧结电子浆料的方式，即

步骤5为：金属基材表面形成PAA膜之后，通过中央控制器控制加热装置配合测温装置将金属基材表面温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜，或将金属基材放置在加热箱中，控制加热箱温度按照设定的PAA膜脱水固化升温曲线变化，实现PAA膜脱水缩聚形成PI薄膜；

步骤6：在喷印装置的储料管中换装电子浆料，所述电子浆料的烧结固化温度不高于PI膜的耐用温度；中央控制器根据设定模型控制运动平台移动以及电机转动，并控制喷印装置将电子浆料挤出，实现用电子浆料在PI薄膜上打印电子线路图形；

步骤7：通过中央控制器控制加热装置配合测温装置升高金属基材表面温度至电子浆料的烧结固化温度，实现电子浆料的烧结；或将金属基材放置在加热箱中，控制加热箱温度升高至电子浆料的烧结固化温度，实现电子浆料的烧结。

如图1所示，本实施例中金属基体为铝合金喷砂圆棒固定于三爪卡盘上，旋转轴转速为12r/min，喷口内径尺寸为0.31mm。预热铝合金基材温度为60℃，打印完成后按照图2固化工艺执行。

表1 PAA溶液打印参数

备注：粘附力参考ASTM3359-09《Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test》

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。