立體電路的制作方法及改性激光燒結(jié)粉末材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立體電路的制作方法，包括以下步驟：通過選擇性激光燒結(jié)方法生成原型件，用于所述原型件的原料為含有適合激光表面活化的成分的改性激光燒結(jié)粉末材料；用激光對所述原型件的表面進(jìn)行預(yù)定的選擇性掃描以形成表面活化區(qū)域；通過化學(xué)鍍在所述表面活化區(qū)域形成導(dǎo)電線路。還公開了一種用于所述的立體電路的制作方法的改性激光燒結(jié)粉末材料。本發(fā)明在克服傳統(tǒng)SLS加工材料對應(yīng)用帶來的限制的同時實現(xiàn)表面復(fù)雜的基體成型,有效滿足激光活化及導(dǎo)電線路快速制作成型的要求。
【專利說明】立體電路的制作方法及改性激光燒結(jié)粉末材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電路制作領(lǐng)域，特別是涉及一種立體電路的制作方法及改性激光燒結(jié) 粉末材料。

【背景技術(shù)】
[0002] 對于電子電器和機(jī)電產(chǎn)品制造工藝和相應(yīng)的材料技術(shù)，追求的方向為柔性、環(huán)保、 快速、節(jié)能。業(yè)界開發(fā)出稱為 3D-MID(Three_dimensional moulded interconnect device or electronic assemblies)的技術(shù)，該技術(shù)在塑膠表面成型精密和緊密的導(dǎo)電圖案，電子 元器件可以直接焊接在塑膠外殼或者內(nèi)殼上，形成無印刷電路板的電子電器和機(jī)電一體化 產(chǎn)品。該技術(shù)應(yīng)用于立體電路的制作，為電子電器產(chǎn)品及機(jī)電產(chǎn)品節(jié)省電路空間，實現(xiàn)電路 的柔性化制造。其主要領(lǐng)域為：通訊器材天線、消費(fèi)電子、醫(yī)療器械等對空間需求、精密性有 較高要求的領(lǐng)域。
[0003] 傳統(tǒng)3D-MID的工藝流程主要包括三步：步驟一，采用一種激光塑膠原料注塑或者 壓鑄成塑膠件；步驟二，激光設(shè)備按用戶設(shè)計好的CAD文件，掃描塑膠件，形成導(dǎo)電圖案，此 步驟成為激光處理或激光活化；步驟三，經(jīng)過激光處理的塑膠件化學(xué)鍍增厚金屬層。
[0004] 傳統(tǒng)3D-MID技術(shù)采用注塑的方式制造電路載體，受到載體外形的限制，同時注塑 件成型時間較長，不利于快速M(fèi)ID器件的快速加工與測試。
[0005]另一種成型工藝，傳統(tǒng)選擇性激光燒結(jié)（SLS)技術(shù)主要包括：基體模型通過切片 處理導(dǎo)入設(shè)備中進(jìn)行加工，激光選擇性燒結(jié)設(shè)備分層制造切片模型并在熱熔狀態(tài)下完成層 之間的結(jié)合，依次疊加完成整個原型件的制作。
[0006] SLS技術(shù)的應(yīng)用使得復(fù)雜模型可以實現(xiàn)快速成型，且各方面性能達(dá)到注塑件標(biāo)準(zhǔn)， 成型件可以直接使用。
[0007] 然而，傳統(tǒng)SLS制件不能滿足激光表面活化的要求，同時也沒有能夠有效融合SLS 工藝的激光設(shè)備，所以無法通過傳統(tǒng)SLS技術(shù)制造塑膠件內(nèi)部含電路的產(chǎn)品。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的立體電路的制作方 法。
[0009]另一目的是提供一種用于所述立體電路的制作方法能獲得優(yōu)異效果的改性激光 燒結(jié)粉末材料。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0011] -種立體電路的制作方法，包括以下步驟：
[0012]步驟一、通過選擇性激光燒結(jié)方法生成原型件，用于所述原型件的原料為含有適 合激光表面活化的成分的改性激光燒結(jié)粉末材料；
[0013]步驟二、用激光對所述原型件的表面進(jìn)行預(yù)定的選擇性掃描以形成表面活化區(qū) 域；
[0014] 步驟三、通過化學(xué)鍍在所述表面活化區(qū)域形成導(dǎo)電線路。
[0015] 優(yōu)選地，所述改性激光燒結(jié)粉末材料含有塑料基材粉末和用二氧化硅包覆的金屬 絡(luò)合物，按總質(zhì)量100份計，所述塑料基材粉末占50?95份，所述金屬絡(luò)合物及二氧化硅 占3?45份，余量包括潤滑劑、色母、相容劑和無機(jī)功能填料中的一種或多種，更優(yōu)選地，所 述塑料基材為聚酰胺。
[0016] 優(yōu)選地，所述金屬絡(luò)合物為銅、鋁、鋅或鎳的絡(luò)合物，所述塑料基材粉末顆粒直徑 為20 μ m?120 μ m，所述二氧化硅包裹的金屬絡(luò)合物粉末顆粒的平均直徑為1. 2 μ m。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟一中，采用波長為10. 6 μ m、功率為30W的二氧化碳紅外激光器 進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)，其中激光掃描速率5m/s，光斑直徑0. 5mm，X、Y、Z軸加工收縮補(bǔ)償率X 為2.85?3.82%、丫為2_85~3_82%、2(0)為2_10?3_22%、2(300)為1_47?2.44%， 其中Ζ (0)指在Ζ軸坐標(biāo)0圓位置的收縮補(bǔ)償率，Ζ (300)指在Ζ軸坐標(biāo)300mm位置的收縮 補(bǔ)償率，Z方向其余層收縮率根據(jù)Z(0)、Z (300)值呈線性規(guī)律分布，激光光斑補(bǔ)償參數(shù)為 0. 15 ?0. 35mm。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟二中，采用功率為10?40W、波長為1060?1064nm的近紅外激 光設(shè)備或功率為3?10W、波長為 355nm的紫外激光設(shè)備進(jìn)行激光掃描，掃描線寬為〇. 08? 0· lanrn ;最小間距為0· 15?0· 25臟，表面激光活化對所述原型件表面的燒蝕厚度保持在 20 ?25 μ m。。
[0019] 優(yōu)選地，所述激光設(shè)備具有X/Y掃描振鏡且設(shè)置成在垂直于待活化表面的Z軸上 可變焦。
[0020] 優(yōu)選地，所述步驟三中，在進(jìn)行化學(xué)鍍之前還包括對所述原型件的表面進(jìn)行除油 和浸泡穩(wěn)定處理，更優(yōu)選地，所述浸泡穩(wěn)定處理采用含10%甲醛的水溶液，在室溫下浸泡 lmin〇
[0021] 優(yōu)選地，所述除油采用以下去油配方，其中氫氧化鈉 l〇〇g/L，磷酸三鈉166. 6g/L， 碳酸鈉 l〇〇g/L，以及洗滌劑16. 6g/L。
[0022] 優(yōu)選地，化學(xué)鍍采用以下鍍液配方，其中含有硫酸銅10g/L，酒石酸鈉鉀5〇g/L，氫 氧化鈉10?12g/L，碳酸鈉5g/L，氯化鎳lg/L，以及甲醛10?15ml/L。
[0023] 一種用于所述的立體電路的制作方法的改性激光燒結(jié)粉末材料，所述改性激光 燒結(jié)粉末材料含有塑料基材粉末和用二氧化硅包覆的金屬絡(luò)合物，按總質(zhì)量100份計，所 述塑料基材粉末占50? 95份，所述金屬絡(luò)合物及二氧化硅占3?45份，余量包括潤滑劑、 色母、相容劑和無機(jī)功能填料中的一種或多種。
[0024] 本發(fā)明的有益效果：
[0025] 本發(fā)明以含有適合激光表面活化的成分的改性激光燒結(jié)粉末材料的為原料，通過 選擇性激光燒結(jié)方法生成原型件，并通過激光對原型件表面活化，經(jīng)化學(xué)鍍，完成立體電 路制作，該制作方法有效改善了傳統(tǒng)MID及SLS工藝的不足。利用這種改性SLS粉末材料為 原料實現(xiàn)在SLS原型件表面以激光活化，克服傳統(tǒng)SLS加工材料對應(yīng)用帶來的限制，有效滿 足激光活化及導(dǎo)電線路成型要求，滿足零件對于導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的需求。特別是，本發(fā)明在 SLS工藝形成原型件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)激光活化，擴(kuò)展了現(xiàn)有SLS技術(shù)的應(yīng)用范圍，既克服SLS 技術(shù)在材料上的限制，又克服傳統(tǒng)MID技術(shù)在加工外形上和成型速度上的限制。一方面，本 發(fā)明可以SLS工藝取代傳統(tǒng)MID注塑工藝并取得更好的快速加工成型效果，另一方面，本發(fā) 明通過改變傳統(tǒng)SLS加工材料，克服傳統(tǒng)SLS技術(shù)材料受限及MID注塑的缺點(diǎn)，使得立體電 路應(yīng)用于更廣泛，且實現(xiàn)快速的原型件的表面金屬化。本發(fā)明工藝的優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在：（1) 立體電路的快速制作，制作周期短；（2)實現(xiàn)表面復(fù)雜的基體成型，不受外形限制。
[0026]本發(fā)明制作立體電路具有傳統(tǒng)MID技術(shù)與SLS快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但又消除了 各自的缺陷，能夠降低產(chǎn)業(yè)普及成本，并使得立體電路制造工藝的最終產(chǎn)品質(zhì)量能夠最優(yōu) 化且具有性價比優(yōu)勢，將極大促進(jìn)激光快速成型技術(shù)的發(fā)展。作為新的立體電路制作工藝， 本發(fā)明為光機(jī)電一體化廣品提供環(huán)保、環(huán)境友好、柔性智能的制造方法，可廣泛適用于汽 車、航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域的電子電路產(chǎn)品制作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明立體電路的制作方法實施例的流程圖。

【具體實施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示 例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0029] 在一些實施例里，一種立體電路的制作方法如圖1所示，包括以下步驟。
[0030] 步驟一、通過選擇性激光燒結(jié)(SLS)方法生成原型件。
[0031] 采用適合激光表面活化的改性SLS粉末原料，其中塑料基材可選用聚酰胺 (Polyamide)(即尼龍），具體可用PA66、PA12等市面上常用的尼龍基材，上述基材中添加有 金屬絡(luò)合物，同時金屬絡(luò)化合物采用二氧化硅包覆。在優(yōu)選的實施例中，改性SLS粉末原料 總量按100質(zhì)量份計算，塑料基材占 50?95,金屬絡(luò)合物及二氧化硅占 3?45,余下比例 為潤滑劑、色母、相容劑和無機(jī)功能填料等助劑。在此范圍內(nèi)，可根據(jù)改性粉末具體用途和 性能要求選用不同的合成配比。在后續(xù)過程中，通過激光表面活化去除包裹金屬絡(luò)合物的 材料可使金屬離子成游離態(tài)，再與化學(xué)鍍?nèi)芤荷杀砻鎸?dǎo)電層。金屬絡(luò)合物采用上述優(yōu)選 含量，可優(yōu)化化學(xué)鍍過程中金屬沉積速率（含量更高將使金屬沉積速率變慢）。
[0032] 在優(yōu)選的實施例中，改性粉末原料中的尼龍粉末顆粒直徑優(yōu)選為20?120 μ m,平 均直徑可以為60 μ m，二氧化硅包裹的金屬絡(luò)合物粉末顆粒直徑1. 2 μ m。金屬絡(luò)合物可以 為銅、錯、鋅、鎳等的絡(luò)合物。
[0033] 在優(yōu)選的實施例中，使用混合機(jī)先將金屬絡(luò)合物及助劑與等量尼龍基材混合，再 與剩余尼龍基材混合，可以提高粉末金屬絡(luò)合物分布均勻性。
[0034] 燒結(jié)過程中，采用激光選擇性燒結(jié)（SLS)設(shè)備燒結(jié)加工原型件基體，形成原型件 的切片文件，根據(jù)切片路徑通過激光熔融選定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)逐層制造，最后層與層之間疊加融 合完成任任意形狀的基體制造。
[0035] 在優(yōu)選的實施例中，激光選擇性燒結(jié)制備原型件的工藝參數(shù)如下：
[0036] 采用波長為10.6 μ m、功率為30W的二氧化碳紅外激光器進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)，其 中激光掃描速率5m/s,光斑直徑0· 5mm，X、Y、Z軸加工收縮補(bǔ)償率X為2· 85?3. 82%、Y為 2.85?3.82%、2(0)為2.10?3.22%、2(300)為1.47?2.44%，其中2(0)指在2軸坐 標(biāo)0mm位置的收縮補(bǔ)償率，Ζ (300)指在Ζ軸坐標(biāo)300圓位置的收縮補(bǔ)償率，Ζ方向其余層收 縮率根據(jù)Z(0)、Z (300)值呈線性規(guī)律分布，激光光斑補(bǔ)償參數(shù)為0. 15?0· 35mm。SLS設(shè)備 在該加工參數(shù)下，加工誤差可達(dá)到±0. 1mm，有效提高原型件的加工尺寸精度，提高原型件 與MID加工模型的一致性。
[0037] 原型件加工完成后，可通過噴砂、水磨等后處理方式清理原型件表面附著的粉末。
[0038] 步驟二、用激光對原型件表面進(jìn)行預(yù)定的選擇性掃描以形成表面活化區(qū)域。
[0039] 激光設(shè)備和激光掃描原型件的工藝參數(shù)如下：
[0040] 可采用近紅外激光設(shè)備或者紫外激光設(shè)備，優(yōu)選功率10?40W、波長1060? 1064nm的近紅外激光機(jī)，或功率3?10W、波長355nm的紫外激光機(jī)。優(yōu)選地，掃描線寬 0. 08?0· 12,最小間距0. 15?0. 25ram。表面激光活化對原型件表面的燒蝕深度保持在 20?25 μ m。按此配置，激光瞬時能量高于表面層中金屬絡(luò)合物熱解閾值時，使得金屬絡(luò)合 物分解并產(chǎn)生金屬離子，作為后續(xù)化學(xué)鍍銅時的還原劑。同時產(chǎn)生微觀粗糙表面，使化鍍時 金屬化的銅能嵌入，保證良好的鍍層結(jié)合力。
[0041] 優(yōu)選地，激光機(jī)具備Z軸變焦功能，適應(yīng)塑膠表面凹凸不平的特點(diǎn)，自動調(diào)整，使 得光斑大小和圓度不變。
[0042] 在較佳的實施例中，激光化學(xué)設(shè)備采用X/Y振鏡掃描，具有可轉(zhuǎn)動平臺基座，具有 激光Z軸變焦功能，快速準(zhǔn)確地完成對三維原型件的選擇性區(qū)域表面活化。
[0043] 通過激光表面活化處理后，原型件表面完成了粗化，在原型件表面出現(xiàn)金屬絡(luò)合 物薄層。
[0044] 步蘧1、通過化學(xué)鍍線路成型工藝，在所述表面活化區(qū)域形成導(dǎo)電線路。
[0045] 通過化鍍工藝產(chǎn)生導(dǎo)電銅層，經(jīng)過除油、穩(wěn)定、化學(xué)鍍過程，最終形成10?20μηι 厚度的導(dǎo)電銅層。對銅層厚度有特殊要求的情況，可以根據(jù)實際調(diào)整化鍍的時長，或后續(xù)通 過電鍍的方式加厚導(dǎo)電層。
[0046] ⑴除油：優(yōu)選以表1所示去油配方脫去原型件表面油脂，降低其表面張力，賦予 其表面親水性；
[0047] 表1原型件表面堿性去油配方
[0048]

【權(quán)利要求】
1. 一種立體電路的制作方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、通過選擇性激光燒結(jié)方法生成原型件，用于所述原型件的原料為含有適合激 光表面活化的成分的改性激光燒結(jié)粉末材料； 步驟二、用激光對所述原型件的表面進(jìn)行預(yù)定的選擇性掃描以形成表面活化區(qū)域； 步驟三、通過化學(xué)鍍在所述表面活化區(qū)域形成導(dǎo)電線路。
2. 如權(quán)利要求1所述的立體電路的制作方法，其特征在于，所述改性激光燒結(jié)粉末材 料含有塑料基材粉末和用二氧化硅包覆的金屬絡(luò)合物，按總質(zhì)量1〇〇份計，所述塑料基材 粉末占50?95份，所述金屬絡(luò)合物及二氧化硅占3?45份，余量包括潤滑劑、色母、相容 劑和無機(jī)功能填料中的一種或多種，優(yōu)選地，所述塑料基材為聚酰胺。
3. 如權(quán)利要求1所述的立體電路的制作方法，其特征在于，所述金屬絡(luò)合物為銅、鋁、 鋅或鎳的絡(luò)合物，所述塑料基材粉末顆粒直徑為20?120 μ m，所述二氧化硅包裹的金屬絡(luò) 合物粉末顆粒的平均直徑為1. 2 μ m。
4. 如權(quán)利要求1至3任一項所述的制作方法，其特征在于，所述步驟一中，采用波長 為10. 6 μ m、功率為30W的二氧化碳紅外激光器進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)，其中激光掃描速率 5m/s，光斑直徑0· 5mm，X、Y、Z軸加工收縮補(bǔ)償率X為2. 85?3· 82%、Y為2. 85?3. 82%、 Ζ(0)為2. 10?3. 22%、Ζ (300)為1. 47?2. 44%，其中Ζ(0)指在Ζ軸坐標(biāo)0mm位置的收 縮補(bǔ)償率，Z (300)指在Z軸坐標(biāo)300mm位置的收縮補(bǔ)償率，Z方向其余層收縮率根據(jù)Z (0)、 Z(300)值呈線性規(guī)律分布，激光光斑補(bǔ)償參數(shù)為0. 15?0. 35mm。
5. 如權(quán)利要求1至3任一項所述的制作方法，其特征在于，所述步驟二中，采用功率為 10?40W、波長為1060?1064nm的近紅外激光設(shè)備或功率為3?10W、波長為355nm的紫 外激光設(shè)備進(jìn)行激光掃描，掃描線寬為0. 08?0. 12mm ;最小間距為0. 15?0. 25mm，表面激 光活化對所述原型件表面的燒蝕厚度保持在20?25 μ m。
6. 如權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步驟二中，所述激光設(shè)備具有X/Y 掃描振鏡且設(shè)置成在垂直于待活化表面的Ζ軸上可變焦。
7. 如權(quán)利要求1至6任一項所述的制作方法，其特征在于，所述步驟三中，在進(jìn)行化學(xué) 鍍之前還包括對所述原型件的表面進(jìn)行除油和浸泡穩(wěn)定處理，優(yōu)選地，所述浸泡穩(wěn)定處理 采用含10%甲醒的水溶液，在室溫下浸泡lmin。
8. 如權(quán)利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述除油采用以下去油配方，其中氫氧 化鈉 l〇〇g/L，磷酸三鈉166. 6g/L，碳酸鈉100g/L，以及洗滌劑16. 6g/L。
9. 如權(quán)利要求1至6任一項所述的制作方法，其特征在于，化學(xué)鍍采用以下鍍液配方， 其中含有硫酸銅l〇g/L，酒石酸鈉鉀50g/L，氫氧化鈉10?12g/L，碳酸鈉5g/L，氯化鎳lg/ L，以及甲醛10?15ml/L。
10. -種用于權(quán)利要求1-9任一項所述的立體電路的制作方法的改性激光燒結(jié)粉末材 料，其特征在于，所述改性激光燒結(jié)粉末材料含有塑料基材粉末和用二氧化硅包覆的金屬 絡(luò)合物，按總質(zhì)量100份計，所述塑料基材粉末占50?95份，所述金屬絡(luò)合物及二氧化硅 占3?45份，余量包括潤滑劑、色母、相容劑和無機(jī)功能填料中的一種或多種。
【文檔編號】H05K3/10GK104244588SQ201410182087
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】蔡志祥, 王浩, 楊偉, 南威, 鄒凱 申請人:深圳光韻達(dá)光電科技股份有限公司