CN106817846A - 基于3d打印工艺的液态金属立体电路及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，包括以下步骤：S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。通过本发明所提供的制造方法不仅能够大幅降低立体电路的制作成本，而且简化了安装、制作流程，在常温常压下就可以实现立体电路的自由、快速、经济的个性化设计、制造。在充分利用液态金属和3D打印制造工艺以及发展新型柔性立体电路制备技术上具有较大优势。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路制造领域，具体涉及一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路及其制造方法。
背景技术
随着电子信息产业的迅猛发展，作为电子信息产业基础的电子电路正进入以可承受拉伸、压缩、弯曲等大变形的柔性电子(FlexibleElectronics)和直接在三维塑料载体表面贴装电子元器件的立体电路(Three-dimensional Moulded Interconnect Devices：三维模塑互连器件)为发展主体的新时代。此类可延展、弯曲的柔性电子器件和设计自由、结构复杂的立体电路在太阳能电池、动态传感器、健康监测系统、可穿戴设备等领域具有非常广泛和良好的应用前景。
与传统集成电路制造技术一样，基体材料与制备工艺是这些新兴电子技术发展的主要驱动力。随着材料学、力学以及制造工艺水平的不断进步，要求突破传统硅电子器件的制造工艺和方法，采用节能环保和柔性智能的新型材料与制造工艺来制造可变形、易加工、能定制的新一代个性化电子产品。
传统的化学减成法电路制作工艺主要通过基材制备、线路刻蚀、元件焊接与绝缘封装等加工过程制备电路。这类加工工艺主要适用于平面电路的成形，可用于制备柔性电子电路，但无法实现三维立体电路的制备，且操作流程繁琐复杂，需要制作专用的电路掩膜，金属材料浪费严重，需要使用多种化学药剂和专用原料，刻蚀后生成的化学污水、重金属废液对环境污染严重。
目前以喷印、激光直接成型为代表的加成制造工艺是一类非接触、无压力、无印版的电路复制技术，可实现复杂三维电路结构的快速设计与加工。其工艺流程为借助注塑或压铸工艺首先成形三维结构载体，通过喷印导电墨水或激光活化处理在载体表面形成导电线路，然后经过电镀或化学镀增加导电线路的金属层厚度，最后在三维结构表面贴装电子元件，形成将三维空间和电子功能结合在一起的立体电路。由于需要使用特殊的材料制备三维结构载体，并且需要进行电镀或化学镀，制造成本高昂；载体的注塑成型和线路图案的生成需要专用的模具和设备以及严格的环境条件，能耗高且设备造价和维护费用不菲；此外激光活化和金属镀覆过程会对电路精度产生影响，从而造成产品的合格率低下。
无论是“减成法”还是“加成法”，在设备投资、材料选择、节能环保等方面都存在一定缺陷，无法在常温、常压的环境条件下实现低成本、易操作、兼具柔性电路与立体电路特征的个性化电路定制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在常温常压下实现立体电路的制造。
为此目的，本发明提供了一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，包括以下步骤：
S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；
S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；
S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。
优选地，在所述步骤S3之后还包括：
S4：将电子元器件管脚插入所述步骤S3得到的三维实体的对应位置。
优选地，所述步骤S1还包括：根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型表面设置电子元器件管脚插口。
优选地，所述步骤S1还包括：在所述中空流道的交点和/或拐角设置所述液态金属的灌注口和/或排气口。
优选地，在所述步骤S4之后还包括：对所述电子元器件管脚插口、所述液态金属的灌注口和/或排气口进行封堵。
优选地，所述步骤S2包括：
根据所述三维模型的STL格式文件对所述三维模型进行分层、切片处理；
对打印喷头和成形基板进行预热；
控制打印喷头逐层将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体。
优选地，所述步骤S3包括：使用微量注射系统将所述液态金属注满所述中空流道。
优选地，所述液态金属包括：镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金。
优选地，所述液态金属为镓铟二元合金，镓铟质量比例范围为75.5％∶24.5％～90％∶10％。
另一方面，本发明还提供了一种采用上述任意一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路的制造方法制成的液态金属立体电路。
本发明与现有技术相比，其主要区别及有益效果在于：
本发明可以以热塑性聚氨酯弹性体为加工对象，利用3D打印工艺制备柔性三维结构实体以及与预定导电线路相符的中空流道，无需使用模具、注塑机等专用设备，能够自由设计、制造个性化的三维结构实体以及走向复杂的导电线路；另外，本发明通过向三维结构载体内的中空流道里灌注液态金属的方式构成立体导电线路，不需要采用含有特定催化剂或激光活化金属等特殊成分的改性材料，进而省去了表面改性、激光活化和金属镀覆等工艺流程；由于导电线路在三维结构载体内部构成，可以免去绝缘封装步骤；通过管脚插装的方式在三维结构实体表面安置电子元器件并对管脚接口进行灌胶封装，无需焊接或粘贴操作。
与现有制备工艺相比，不仅能够大幅降低立体电路的制作成本，而且简化了安装、制作流程，在常温常压下就可以实现立体电路的自由、快速、经济的个性化设计、制造。在充分利用液态金属和3D打印制造工艺以及发展新型柔性立体电路制备技术上具有较大优势。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明基于3D打印工艺的液态金属立体电路的制造方法的流程示意图；
图2示出了实施例2提供的采用本发明的制造方法制造的多面LED柔性立体灯座的结构示意图；
图3示出了实施例3提供的采用本发明的制造方法制造的含内置天线的柔性手机壳的结构示意图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，包括以下步骤：
S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；
S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；
S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属；
具体地，步骤S1：根据立体电路的设计要求，采用UG NX、Solidworks、ProE Wildfire等计算机三维建模软件建立与待制造立体电路的三维结构相对应三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道，输出一个STL个文件用于指导3D打印系统打印该三维模型。其中，中空流道的截面形状可以为正方形或圆形，截面正方形边长或圆形直径范围在0.5～1.5mm较优。其中较优的，如果采用的是刚性打印材料，可以根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型表面设置电子元器件管脚插口，如果采用的是柔性打印材料，则可以不用设置电子元器件管脚插口，直接将电子元器件插入经过3D打印的三维实体上。另外，可以在所述中空流道的交点和/或拐角设置所述液态金属的灌注口和/或排气口。所述液态金属的灌注口和/或排气口以及电子元器件管脚插口的直接优选为2mm。其中，为避免流道间距过小可能导致灌注的液态金属导线之间发生渗透、短路，所以相邻的中空流道之间的距离应大于2mm。
具体地，步骤S2：将步骤S1得到的立体电路三维模型的STL格式文件导入3D打印控制系统Repetier-Host中，设定层高参数范围为0.25～0.4mm，根据所述三维模型的STL格式文件对所述三维模型进行分层、切片处理，具体的，通过3D打印控制系统中专用的切片软件Slic3r对三维模型进行分层、切片处理，并将每层的数据转换成为运动轨迹代码，从而指导后续三维实体的打印成形。
其中较优的，可以使用熔融沉积3D打印系统以及采用热塑性聚氨酯弹性体为材料，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体。具体的，可以使用打印碰头直径为0.5mm的熔融沉积3D打印系统以及采用直径1.75mm的透明热塑性聚氨酯弹性体为材料，设定打印速度为10～15mm/s。
对打印喷头和成形基板进行预热，具体的，通过温控系统将打印喷头预热到220～250℃,成形基板预热到60～80℃，随后根据生成的运动轨迹代码控制打印喷头逐层将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体。具体的，在第一层的打印过程中，打印速度为设定值的80％以保证首层打印材料能够与成形基板之间形成有效粘接。完成第一层结构的打印后，喷头按照层高设定值上升0.25～0.4mm，然后进行第二层结构的打印，逐层重复打印直至完成整个立体电路三维结构载体的制造。
具体地，步骤S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属；其中较优的，使用微量注射系统将所述液态金属注满所述中空流道。具体的，可以使用由微量注射泵、20ml一次性注射器、内径1.65mm点胶针头(外径2.1mm)、1.6mm鲁尔接头与内径1.5mm的PVC透明软管组成的流量可控的微量注射系统通过灌注口将液态金属注入三维结构实体中的中空流道。其中，灌注的所述液态金属包括：镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金。其中优选的，所述液态金属为镓铟二元合金，镓铟质量比例范围为75.5％∶24.5％～90％∶10％。灌注过程中，可根据流道结构的复杂程度和实际的灌注效果，将元器件管脚插口、排气口转化为排气口或灌注口使用，确保液态金属注满所有流道空间。待液态金属注满整个流道系统后清理溢出的液态金属。注入的液态金属可以按流体电路状态工作。视需要，也可将其固化后再使用，此时，只需采用冷空气对打印充填件进行冷却，即可获得固化后的立体电路。
优选地，还可以包括步骤S4：将电子元器件管脚插入所述步骤S3得到的三维实体的对应位置。其中较优的，根据电路设计要求，将各独立电子元器件管脚插入三维结构实体中指定的安装连接孔，使用705硅橡胶对所有管脚插口、灌注口和/或排气口进行封堵和电子元器件的固定。
实施例2
另一方面，本发明还提供了一种采用实施例1的制造方法制作的立体电路，例如：如图2所示的多面LED柔性立体灯座
其中，采用实施例1的制造方法制作多面LED柔性立体灯座的步骤如下：
步骤1：根据多面LED柔性立体灯座的设计要求，使用计算机三维建模软件UG NX10.0构建与图2所示的多面LED柔性灯座2A三维结构相对应的立体模型，并按照灯座内部导电线路的设计走向在模型内部创建截面形状为圆形，截面直径为1mm的中空流道，同时在流道的两端点分别设置直径为2mm的灌注口和LED灯珠管脚插口，得到与预定立体电路图案及实体形状相对应的三维模型并输出STL格式文件，用于指导3D打印系统制备柔性液态金属立体电路。
步骤2：将STL文件导入3D打印控制系统Repetier-Host中，设定层高参数为0.3mm，通过控制系统中专用的切片软件Slic3r对三维模型进行分层、切片处理，并将每层的数据转换成为运动轨迹代码，从而指导后续三维实体的打印成形。
步骤3：启动喷头直径为0.4mm的熔融沉积3D打印系统，以直径1.75mm的透明热塑性聚氨酯丝材为打印材料，设定打印速度为10mm/s，通过温控系统将打印喷头预热到250℃，成形基板预热到60℃，随后根据生成的运动轨迹代码进行三维实体的打印。在第一层的打印过程中，打印速度为设定值的80％以保证首层打印材料能够与成形基板之间形成有效粘接。完成第一层结构的打印后，喷头按照层高设定值上升0.3mm，然后进行第二层结构的打印，逐层重复打印直至完成整个立体电路三维结构载体的制造。
步骤4：使用由微量注射泵、20ml一次性注射器、内径1.65mm点胶针头(外径2.1mm)、1.6mm鲁尔接头与内径1.5mm的PVC透明软管组成的流量可控的微量注射系统通过灌注口2E将液态金属GaIn10注入中空流道形成导电线路2D。灌注过程中，可根据流道结构的复杂程度和实际的灌注效果，将元器件管脚插口转化为排气口或灌注口使用，确保液态金属注满所有流道空间。待液态金属注满整个流道系统后清理溢出的液态金属。
步骤5：根据多面LED柔性立体灯座的设计要求，将LED灯珠2B管脚插入灯座表面的管脚插口2C，使用705硅橡胶封堵所有的灌注口2E和管脚插口2C，完成所有操作步骤。
实施例3
本发明还提供了一种采用实施例1的制造方法制作的立体电路，例如：如图3所示，含有内置天线的柔性手机壳。
其中，采用实施例1的制造方法制作含有内置天线的柔性手机壳的步骤如下：
步骤1：根据含有内置天线的柔性手机壳的设计要求，使用计算机三维建模软件UG NX10.0构建与图3所示含内置天线的柔性手机外壳3A三维结构相对应的立体三维模型，并按照内置天线的线路设计走向在模型内部创建截面形状为正方形，截面尺寸为1mm的中空流道，同时在流道的两端点分别设置直径为2mm的灌注口和排气口，得到与预定立体电路图案及实体形状相对应的三维模型并输出STL格式文件，用于指导3D打印系统制备柔性液态金属立体电路。
步骤2：将STL文件导入3D打印控制系统Repetier-Host中，设定层高参数为0.25mm，通过控制系统中专用的切片软件Slic3r对三维模型进行分层、切片处理，并将每层的数据转换成为运动轨迹代码，从而指导后续三维实体的打印成形。
步骤3：启动喷头直径为0.5mm的熔融沉积3D打印系统，以直径1.75mm的透明热塑性聚氨酯丝材为打印材料，设定打印速度为12mm/s，通过温控系统将打印喷头预热到250℃，成形基板预热到60℃，随后根据生成的运动轨迹代码进行三维实体的打印。在第一层的打印过程中，打印速度为设定值的80％以保证首层打印材料能够与成形基板之间形成有效粘接。完成第一层结构的打印后，喷头按照层高设定值上升0.25mm，然后进行第二层结构的打印，逐层重复打印直至完成整个立体电路三维结构载体的制造。
步骤4：使用由微量注射泵、20ml一次性注射器、内径1.65mm点胶针头(外径2.1mm)、1.6mm鲁尔接头与内径1.5mm的PVC透明软管组成的流量可控的微量注射系统通过灌注口3C将液态金属GaIn24.5注入中空流道形成内置天线3B。待液态金属注满整个流道系统后清理溢出的液态金属，使用705硅橡胶封堵所有的灌注口3C和排气口3D，完成所有操作步骤。
本发明可以以热塑性聚氨酯弹性体为加工对象，利用3D打印工艺制备柔性三维结构实体以及与预定导电线路相符的中空流道，无需使用模具、注塑机等专用设备，能够自由设计、制造个性化的三维结构实体以及走向复杂的导电线路；另外，本发明通过向三维结构载体内的中空流道里灌注液态金属的方式构成立体导电线路，不需要采用含有特定催化剂或激光活化金属等特殊成分的改性材料，进而省去了表面改性、激光活化和金属镀覆等工艺流程；由于导电线路在三维结构载体内部构成，可以免去绝缘封装步骤；通过管脚插装的方式在三维结构实体表面安置电子元器件并对管脚接口进行灌胶封装，无需焊接或粘贴操作。
与现有制备工艺相比，不仅能够大幅降低立体电路的制作成本，而且简化了安装、制作流程，在常温常压下就可以实现立体电路的自由、快速、经济的个性化设计、制造。在充分利用液态金属和3D打印制造工艺以及发展新型柔性立体电路制备技术上具有较大优势。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；
S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；
S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，在所述步骤S3之后还包括：
S4：将电子元器件管脚插入所述步骤S3得到的三维实体的对应位置。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型表面设置电子元器件管脚插口。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：在所述中空流道的交点和/或拐角设置所述液态金属的灌注口和/或排气口。
5.根据权利要求4所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，在所述步骤S4之后还包括：对所述电子元器件管脚插口、所述液态金属的灌注口和/或排气口进行封堵。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
根据所述三维模型的STL格式文件对所述三维模型进行分层、切片处理；
对打印喷头和成形基板进行预热；
控制打印喷头逐层将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体。
7.根据权利要求1-5所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：使用微量注射系统将所述液态金属注满所述中空流道。
8.根据权利要求1-5所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述液态金属包括：镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金。
9.根据权利要求8所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述液态金属为镓铟二元合金，镓铟质量比例范围为75.5％∶24.5％～90％∶10％。
10.一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路，其特征在于，通过权利要求1～9中任意一项所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法制成。
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