三维曲面线路板的增材制造技术文献综述
2020-04-15 09:40:41
1．目的及意义
电路是连通电子元器件的重要组成部分，随着工业4.0的持续推进，各种电子元器件无论在航天、军事、通讯、工业、日常生活等多个领域都有了更高的需求，人们对集成电路、电子电路的制造要求也不断提高。传统的印刷电路板制造工艺大都为减材法，主要包括覆铜基板制作、化学清洗、覆铜、涂胶等多个过程[1][2]，简单介绍为首先在基板上覆盖一层铜模，进行清洗、涂胶处理，随后进行曝光产生预设计的电路图案，最后利用配比溶液进行刻蚀并褪膜。这种线路板集成制造技术存在制造步骤多、资源浪费严重、制造效率低以及污染严重等问题[3]，而且无法制造三维曲面线路板，因此新型线路板制造工艺成为了研究热点。
为优化电路制造工艺，提高三维曲面线路板制造可行性，MID（MoldedInterconnect Device）即三维模塑互联器应运而生[4]，其核心在于导电线路形成于注塑成型的塑料制件表面，将传统二维平面电路转向三维电路。2007年德国乐普科（LPKF）激光和电子股份公司开发了一种激光直接成型（LaserDirect Structuring 简写LDS）技术[5][6]，即控制激光束按照导电图形轨迹运动对树脂基体进行金-属活化，然后再进行化学镀，完成三维电路制造，LDS是一种基于加成法的MID工艺，制造流程短同时简化了三维立体电路制造工艺[7]。Yoon S等人利用LDS技术，在曲面上设计了电子电路，将PCB与其他在塑料基体上形成的内置天线相结合，制成了三维电路板，并将其应用在了射频和汽车领域[8]。Friedrich 等人将LDS技术与三维表面相结合，设计了一款用于汽车的 GPS 导航天线[9]。目前，国外基于德国LPKF公司开发的LDS技术制作三维电路的激光加工专用设备，如Fusion3D系列已经实现了量产，并获得了良好的市场份额，其生产的三维电路在手机天线等行业的应用占据了主导地位。国内LDS技术起步较晚，华中科技大学基于LDS原理研究开发了激光微熔覆技术，并将其应用到国防领域的电路板制造[10]。西南科技大学团队基于激光诱导技术对3D电子线路成型工艺进行研究，通过各类实验探究了激光参数对线路成型效果的影响[11][12]。上海交通大学对LDS过程中利用激光诱导化学镀技术在聚酰亚胺薄膜表面上选择性沉积金属银作为活化种,然后进行化学镀从而在聚酰亚胺表面上沉积上图形化的铜镀层，为柔性膜上制造微米级金属线路提供了新的方法和思路[13]。中国工程物理研究院团队利用激光直接成型技术制备了高导电性碳/镍复合结构，并在聚酰亚胺薄膜上成功研发了可商用的无线快速充电设备[14]。但国内公司的设备或LDS料生产的三维电路产品如手机天线等，规模有限，仍无法满足国防、航天等领域高性能三维布线技术的要求。
由于LDS技术的关键材料、激光机被LPKF公司垄断，高价出售，且LDS过程的注模成型成本较高，阻碍了LDS技术的发展[15]。三维直接打印电路作为一种新型的三维曲面线路板成型方式也得到了深入研究，美国Pulse公司用自制桌面3D喷墨打印设备能够在三维空间曲面上制备银导线，该技术已成功用于制备各类可穿戴类电子产品如手表外壳、腕表等的三维曲面电路上[16]。浙江大学贺永教授团队开发了一种基于水转印的曲面电路的增材制造方法，为柔性曲面电路的制造提供了新的思路。但目前国内外的三维直接打印电路精度仍然较低，无法制备精度较高的电路[17]。
针对上述问题，我们拟采用激光快速活化金属化的新技术与FDM技术联合开发三维立体曲面共形电路。该方法能规避LDS技术中材料因掺杂金属离子而导致介电性能不足的缺点，且能实现基材与电子结构的一体化快速制造，为开发消费类立体电路与各平台电子装备的共形制造提供共性研究方法。因此，本课题的研究具有重要的应用价值与科学意义。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title} 2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1总体方案设计
（1）通过系列试验，研究FDM （熔融沉积成型）3D打印参数对打印材料性能的影响规律，确定最优打印参数；
（2）利用FDM 3D打印设备直接成型所需形状线路板基体；
（3）通过试验选定最佳紫外或红外激光参数，按所需电路图案对基体进行激光活化，随后利用化学镀技术镀铜使电路图形化，并经合适的后处理技术完成三维曲面线路板的完整增材制造。
2.2具体方案
a：FDM打印参数优化及基体成型
熔融沉积成型（FusedDeposition Modeling，简称FDM），是将熔化的石蜡或者工程塑料通过计算机数控的精细喷头按CAD分层截面数据进行二维填充，喷出的丝材经冷却粘结固化后生成薄层截面形状，层层叠加形成三维实体[18]。利用FDM成型工艺直接曲面制造线路板基体（基于PLA或ABS打印耗材），在实验过程中通过调整FDM参数以获取最佳打印精度的基体材料，打印完成后通过各种后处理技术进一步提升基体的精度和实用性。
