一种印制电路的制备方法及装置与流程

本发明属于电子电路增材制造技术领域，尤其涉及一种印制电路的制备方法及装置。

背景技术

液态金属作为增材制造技术的新型材料，由于其远低于铜、铝、银等传统制造金属材料的熔点，使得制作设备的复杂程度、能耗、安全及环保配套设施被极大的简化，为电子电路的现场快速制造提供了基础。

液态金属打印机作为液态金属增材制造技术的载体设备，用户可以采用相应的打印设备对设计的矢量图文件进行现场快速制造。目前液态金属打印机中印制效果最佳的是液态金属直写式打印机，类似于书写笔的方式在印制基底上绘制液态金属电路。

目前，液态金属泛指熔点在300℃以下的低熔点金属，从最终打印效果来看，又具体分为常温固态的低熔点金属(是指熔点在常温以上的低熔点金属)和常温液态的低熔点金属；其中，通过常温固态的低熔点金属制备的印制电路与传统电路的效果相似，印制后线路结构稳定。通过常温液态的低熔点金属制备的印制电路在印制后仍然需要进行进一步的封装处理，该印制电路的柔性最佳。

然而，在软件中进行电路制图时，由于用户的设计习惯以及部分矢量图文件的矢量支持限制，设计的矢量图不可避免地会有重叠，这种重叠不仅会增加打印过程中额外的耗材和耗时，针对常温固态的低熔点金属打印而言，还会对在先印制固化的低熔点金属产生剐蹭、划痕等问题，严重影响印制电路整体的质量。

另一方面，出于绘制精度和出墨量便于控制的需求，液态金属直写打印头的笔尖直径一般设计的非常小，绘制图案则是通过逐步填充描绘的方式完成一个个图形的绘制，过程中一条液态金属线挨着一条液态金属线，打印头的偏移步长设定为其单笔线宽，理想状态下液态金属线和液态金属线会相互紧密连接，但实际过程中由于液态金属处于熔融态时的表面张力的影响，液态金属线之间经常存在细微间隙，无法相连成片。以及，液态金属直写打印头在实际印制时的抬起和下落，会拖动液态金属在竖直方向的变形，由于液态金属在基底上瞬间凝固，变形会一直保持下去，影响液态金属印制品的质量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种印制电路的打印制备方法,以解决现有技术中常温固态的低熔点金属的印制效果较差的问题。

在一些说明性实施例中，所述印制电路的制备方法，包括：获取矢量图形文件；识别所述矢量图形文件中包含的第一矢量图源；判断第一矢量图源之间是否存在重叠，并将重叠的所述第一矢量图源进行融合，得到至少一个第二矢量图源；根据至少一个所述第二矢量图源生成打印轨迹；根据所述打印轨迹将熔融态的低熔点金属印制在不高于所述低熔点金属的熔点的温度环境中的印制基底上，形成印制电路；将所述印制电路上附着的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平；再次固化所述低熔点金属，得到表面具有平整均匀的固态金属层的印制电路。

在一些可选地实施例中，所述印制电路上附着的固态金属层的厚度不超过80um。

在一些可选地实施例中，所述印制电路上附着的固态金属层的厚度不超过40um。

在一些可选地实施例中，所述印制电路上附着的固态金属层的厚度不低于30um。

在一些可选地实施例中，在将所述印制电路上附着的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中之前，还包括：利用弱酸对所述固态金属层进行清洗，去除位于固态金属层表面的氧化膜。

在一些可选地实施例中，所述低熔点金属的熔点不高于300℃。

在一些可选地实施例中，所述低熔点金属的熔点不高于100℃，所述低熔点金属的熔点不低于50℃。

在一些可选地实施例中，所述使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度至少比所述低熔点金属的熔点高5℃。

在一些可选地实施例中，所述制备方法应用于液态金属直写式打印机。

本发明的另一个目的在于提出一种液态金属打印机，该液态金属打印机执行上述任一项所述的制备方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明通过在生成打印轨迹前，重新整合矢量图源，从而消除其中重叠的区域，确保绘制过程中避免剐蹭金属的问题出现，并且通过二次加热的方式消除常温固态金属在印制时出现的断层、毛刺等问题。

附图说明

图1是现有技术中电路设计软件中由于中心连线导致的重叠示意图；

图2是现有技术中传统矢量图形文件中由基础矢量图源搭叠而成导致的重叠示意图；

图3是本发明实施例中制备方法的流程图；

图4是未经本发明的二次热处理制备的金属印制品的高倍显像图；

图5是经过本发明的二次热处理制备的金属印制品的高倍显像图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

目前，绘图厂商发布的电路图设计软件有很多款，如传统的altiumdesigner(protel99)、pads、cadenceorcad，以及微软的visio都可以满足电路图的制图设计，可导出具有矢量图形属性的文件。该文件可直接应用于传统pcb板的蚀刻工艺进行制作，又或者是传统的打印技术中进行打印制备。

矢量图形文件中往往包含了若干个线路、焊盘等矢量图源，设计时由于软件的自动布线和/或用户的习惯，矢量图源之间基本上都会存在重叠，如图1；另一方面，不同类型的矢量图形文件定义了不同的基本矢量图源，每一个基本矢量图源都是独立完整的，对于未定义或复杂的矢量图源而言，会通过若干基本矢量图源进行搭叠形成，这也会造成重叠现象，如gerber文件不支持圆角矩形矢量图，altiumdesigner软件会用4个圆和2个垂直的矩形表示该矢量图，ultiboard会用4条外围导线和中心矩形表示。如图2。

对于蚀刻工艺制备传统pcb板，由于其属于剪裁制造，是通过识别电路图中的空白处，然后对镀铜进行指定位置的蚀刻、光刻，形成印制pcb板，上述重叠不会对形成的铜板电路造成影响。

而针对属于增材制造的液态金属直写式打印机而言，重叠区域会造成打印机的二次或更多次的打印，从而造成重叠部位的二次打印会对在先形成的金属层产生剐蹭问题。

现在参照图3，图3示出了本发明实施例中的印制电路的打印制备方法的流程图，如该流程图所示，本发明公开了一种印制电路的打印制备方法，包括：

步骤s11.获取矢量图形文件；

步骤s12.识别所述矢量图形文件中包含的第一矢量图源；

步骤s13.判断所述第一矢量图源之间是否存在重叠，并将重叠的所述第一矢量图源进行融合，得到至少一个第二矢量图源；

步骤s14.根据至少一个所述第二矢量图源生成打印轨迹；

步骤s15.根据所述打印轨迹将熔融态的低熔点金属印制在不高于所述低熔点金属的熔点的温度环境中的印制基底上，形成印制电路；

步骤s16.将所述印制电路上附着的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平；

步骤s17.再次固化所述低熔点金属，得到表面具有平整均匀的固态金属层的印制电路。

该实施例中的矢量图源属性包括：其图形、具体坐标、以及具体长度属性，其中，第一矢量图源是指解析矢量图形文件获得的原始矢量图源，第二矢量图源是指第一矢量图源经过融合后得到的矢量图源，该矢量图源中可包括融合矢量图源，以及原本无重叠的第一矢量图源。

本发明通过在生成打印轨迹前，重新整合矢量图源，从而消除其中重叠的区域，确保绘制过程中避免剐蹭金属的问题出现，并且通过二次加热的方式消除常温固态金属在印制时出现的断层、毛刺等问题。

在一些实施例中，步骤s13中判定图源之间的重叠，可利用坐标信息进行分析，从而判定得出2个及2个以上的矢量图源之间是否存在重叠关系，步骤s13中将矢量图源进行融合的方式，可通过沿边识别、数字快照、或计算覆盖图形的方式，重新规划新的矢量图源。

在一些实施例中，步骤s14中生成打印轨迹的方式可采用现有技术中的轨迹生成算法，如缩边填充、单项填充等。

具体的，经过步骤s15和经过步骤s16的印制电路的表面如图4和图5所示，图4是未实施步骤s16制备的金属印制品的高倍显像图，图5是实施步骤s16后的制备的金属印制品的高倍显像图，可明显发现图4中的金属层存在波峰、波谷等褶皱缺陷，图5则明显平整均匀。

上述实施例中，可以通过将步骤s16中形成的整个金属印制品进行整体加热，也可以针对金属印制品中的局部位置进行局部加热。如可通过扫描步骤s16中形成的固态金属层，判断所述固态金属层中是否存在金属线与金属线之间的空隙和/或固态金属层的表面波峰波谷(褶皱现象)达到一定程度(如过于厚、过于薄或薄厚差异较大)，将其判定为金属图案的缺陷，记录并提取缺陷位置，通过控制热源的移动，对缺陷位置进行热化处理，实现对固态金属层的局部的完善。

其中，步骤s17中可通过停止对固态金属层进行加温或通过对固态金属进行冷却降温实现。

低熔点金属在熔融状态下，其表面张力较大，容易产生缩线、缩球的现象，另一方面，低熔点金属的厚度超过一定范围时，固态金属层的硬度会提升，降低柔性金属印制品的柔性，多次弯折易发生于金属与基底脱离的现象，这都与单位面积上的液态金属含量相关，经过反复试验验证发现，通过控制打印头在基底表面绘制的金属层的层厚不超过80um的情况下，可降低步骤s16中通过升温使低熔点金属处于熔融态下导致的缩线、缩球问题，以及不耐弯折的问题。优选地，金属层的层厚控制可通过打印头对于基底表面施加的压力，以及出墨量进行调整控制，又或者采用现有技术中其它方式调整金属层的厚度。

在一些优选地实施例中，控制金属层的层厚不超过40um的情况下，可明显避免步骤s16中通过升温使低熔点金属处于熔融态下导致的缩线、缩球问题。

液态金属打印机使用低熔点金属(液态金属)作为打印油墨使用，由于低熔点金属具有良好的导电性，可用于制备印制电路使用。众所周知，电阻的计算公式为r＝ρl/s，其中r是电阻值，ρ为材料的电阻率，l为材料的长度，s为材料的横截面积。

通过本发明上述实施例，可使低熔点金属线连成一体，使低熔点金属的横截面积s增大，从而使电阻值r降低。

在一些优选地实施例中，作为导电材料使用的低熔点金属的层厚过少(过于薄)的情况下，低熔点金属非常容易受到氧化、高温、及其它杂质的影响，导致线路导电性能失效，因此，本发明实施例中的打印头还控制金属层的层厚不过于薄。优选地，控制金属层的层厚不低于30um，即使金属层的表面发生一定的氧化反应，其内部还具有一定量的低熔点金属可满足正常的导电连接。

在一些优选地实施例中，金属层的层厚被控制在30um–40um之间，即不影响金属层的正常导电，还可避免金属层受热导致的缩线问题。

在另一些实施例中，由于低熔点金属表面在空气中容易产生一定程度的氧化，在表面形成很薄的一层熔点高于低熔点金属的氧化膜，虽然氧化膜很薄，但也容易对步骤s16中的低熔点金属的均匀流平起到限制作用。因此，本发明实施例中，还可以在步骤s16的在所述将附着有所述固态金属层的基底置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中之前，利用弱酸对附着于所述基底表层上的固态金属层进行清洗，去除位于固态金属层表面的氧化膜。优选地，弱酸可采用浓度为1％的稀盐酸。

本发明实施例中的低熔点金属可采用熔点不高于300℃的低熔点金属单质或合金，其中，低熔点金属的熔点温度可选择12±2℃、17±2℃、29±2℃、65±2℃、80±℃、98±2℃、120±2℃、180±2℃、220±2℃、232±2℃、260±2℃、288±2℃、298±2℃。例如汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。其中，上述合金的熔点可根据其合金相图中的比例进行相应熔点的配比选择。例如镓铟合金，根据其合金相图，随着镓的含量从100％-0％不断减少、铟的含量从0％-100％不断升高的过程中，合金熔点从29℃开始逐渐下降，直至达到镓铟合金的低共熔点，此时镓铟合金的熔点最低(15℃左右)，镓铟合金的比例79.6的镓，21.4的铟，此后，镓铟合金的熔点逐步向铟的熔点靠近，最终可达到158℃左右。

进一步的，为了降低液态金属打印机的设备要求和能耗，低熔点金属可选用熔点不高于200℃，乃至是不高于100℃的低熔点金属单质或合金。其中，低熔点金属的熔点温度可选择12±2℃、17±2℃、25±2℃、29±2℃、45±2℃、50±2℃、65±2℃、72±2℃、80±℃、98±2℃。符合该熔点的金属单质或合金可根据其相图进行选择。

进一步的，低熔点金属的熔点不低于50℃或不低于常温(室温)下，可减免后续的对低熔点金属的封胶程序，该熔点下的低熔点金属在常温下即可稳定存在。

在一些实施例中，步骤s15中所述温度环境的温度至少低于所述低熔点金属的熔点5℃。保证低熔点金属在印制基底上可以从熔融态迅速凝固成固态。优选地，所述温度环境的温度在25℃-35℃之间。

在一些说明性实施例中，步骤s12中所述使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度至少比所述低熔点金属的熔点高5℃。在一些实施例中，所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度也不应过高，过高的温度会使低熔点金属的活跃性提升，液相属相增强，导致缩线、缩球的问题。温度上限与采用的低熔点金属的成分相关。

本发明实施例公开了一种具体的低熔点金属，低熔点金属可采用58℃熔点的铋铟锡合金，其温度上限为120℃，满足此要求下，使用58℃熔点的铋铟锡合金绘制的金属印制品的成品率在98％以上。

本发明实施例中还公开了另一种具体的低熔点金属，低熔点金属可采用75℃熔点的铋铟锡合金，其温度上限为100℃，满足此要求下，使用75℃熔点的铋铟锡合金绘制的金属印制品的成品率在98％以上。

本发明的另一个目的在于提出一种金属印制品，该金属印制品由上述任一项制备方法制成，包括：基底、以及附着在所述基底表层上、表面平整均匀的固态金属层；其中，所述固态金属层构成导电性金属图案和/或装饰性金属图案。

本发明的再一个目的在于提出一种液态金属打印机，该液态金属打印机执行上述任一项所述的制备方法。

该实施例中的液态金属打印机适用于上述方法中对于低熔点金属材料、熔点、以及环境温度的限定。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。