本發(fā)明涉及電子電路制造領域，具體涉及一種基于3D打印工藝的液態(tài)金屬立體電路及其制造方法。

背景技術：

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，作為電子信息產(chǎn)業(yè)基礎的電子電路正進入以可承受拉伸、壓縮、彎曲等大變形的柔性電子(Flexible Electronics)和直接在三維塑料載體表面貼裝電子元器件的立體電路(Three-dimensional Moulded Interconnect Devices：三維模塑互連器件)為發(fā)展主體的新時代。此類可延展、彎曲的柔性電子器件和設計自由、結構復雜的立體電路在太陽能電池、動態(tài)傳感器、健康監(jiān)測系統(tǒng)、可穿戴設備等領域具有非常廣泛和良好的應用前景。

與傳統(tǒng)集成電路制造技術一樣，基體材料與制備工藝是這些新興電子技術發(fā)展的主要驅(qū)動力。隨著材料學、力學以及制造工藝水平的不斷進步，要求突破傳統(tǒng)硅電子器件的制造工藝和方法，采用節(jié)能環(huán)保和柔性智能的新型材料與制造工藝來制造可變形、易加工、能定制的新一代個性化電子產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的化學減成法電路制作工藝主要通過基材制備、線路刻蝕、元件焊接與絕緣封裝等加工過程制備電路。這類加工工藝主要適用于平面電路的成形，可用于制備柔性電子電路，但無法實現(xiàn)三維立體電路的制備，且操作流程繁瑣復雜，需要制作專用的電路掩膜，金屬材料浪費嚴重，需要使用多種化學藥劑和專用原料，刻蝕后生成的化學污水、重金屬廢液對環(huán)境污染嚴重。

目前以噴印、激光直接成型為代表的加成制造工藝是一類非接觸、無壓力、無印版的電路復制技術，可實現(xiàn)復雜三維電路結構的快 速設計與加工。其工藝流程為借助注塑或壓鑄工藝首先成形三維結構載體，通過噴印導電墨水或激光活化處理在載體表面形成導電線路，然后經(jīng)過電鍍或化學鍍增加導電線路的金屬層厚度，最后在三維結構表面貼裝電子元件，形成將三維空間和電子功能結合在一起的立體電路。由于需要使用特殊的材料制備三維結構載體，并且需要進行電鍍或化學鍍，制造成本高昂；載體的注塑成型和線路圖案的生成需要專用的模具和設備以及嚴格的環(huán)境條件，能耗高且設備造價和維護費用不菲；此外激光活化和金屬鍍覆過程會對電路精度產(chǎn)生影響，從而造成產(chǎn)品的合格率低下。

無論是“減成法”還是“加成法”，在設備投資、材料選擇、節(jié)能環(huán)保等方面都存在一定缺陷，無法在常溫、常壓的環(huán)境條件下實現(xiàn)低成本、易操作、兼具柔性電路與立體電路特征的個性化電路定制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是如何在常溫常壓下實現(xiàn)立體電路的制造。

為此目的，本發(fā)明提供了一種基于3D打印工藝的液態(tài)金屬立體電路制造方法，包括以下步驟：

S1：建立與待制造立體電路的三維結構相對應的三維模型，并根據(jù)所述立體電路的線路走向在所述三維模型內(nèi)部建立中空流道；

S2：通過3D打印工藝，將所述步驟S1得到的三維模型打印成三維實體；

S3：在所述三維實體的中空流道內(nèi)注滿液態(tài)金屬。

優(yōu)選地，在所述步驟S3之后還包括：

S4：將電子元器件管腳插入所述步驟S3得到的三維實體的對應位置。

優(yōu)選地，所述步驟S1還包括：根據(jù)所述立體電路的線路走向在所述三維模型表面設置電子元器件管腳插口。

優(yōu)選地，所述步驟S1還包括：在所述中空流道的交點和/或拐角設置所述液態(tài)金屬的灌注口和/或排氣口。

優(yōu)選地，在所述步驟S4之后還包括：對所述電子元器件管腳插口、所述液態(tài)金屬的灌注口和/或排氣口進行封堵。

優(yōu)選地，所述步驟S2包括：

根據(jù)所述三維模型的STL格式文件對所述三維模型進行分層、切片處理；

對打印噴頭和成形基板進行預熱；

控制打印噴頭逐層將所述步驟S1得到的三維模型打印成三維實體。

優(yōu)選地，所述步驟S3包括：使用微量注射系統(tǒng)將所述液態(tài)金屬注滿所述中空流道。

優(yōu)選地，所述液態(tài)金屬包括：鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金、鉍銦合金、鉍銦錫合金、鉍銦錫鋅合金。

優(yōu)選地，所述液態(tài)金屬為鎵銦二元合金，鎵銦質(zhì)量比例范圍為75.5％∶24.5％～90％∶10％。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種采用上述任意一種基于3D打印工藝的液態(tài)金屬立體電路的制造方法制成的液態(tài)金屬立體電路。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其主要區(qū)別及有益效果在于：

本發(fā)明可以以熱塑性聚氨酯彈性體為加工對象，利用3D打印工藝制備柔性三維結構實體以及與預定導電線路相符的中空流道，無需使用模具、注塑機等專用設備，能夠自由設計、制造個性化的三維結構實體以及走向復雜的導電線路；另外，本發(fā)明通過向三維結構載體內(nèi)的中空流道里灌注液態(tài)金屬的方式構成立體導電線路，不需要采用含有特定催化劑或激光活化金屬等特殊成分的改性材料，進而省去了表面改性、激光活化和金屬鍍覆等工藝流程；由于導電線路在三維結構載體內(nèi)部構成，可以免去絕緣封裝步驟；通過管腳插裝的方式在三 維結構實體表面安置電子元器件并對管腳接口進行灌膠封裝，無需焊接或粘貼操作。

與現(xiàn)有制備工藝相比，不僅能夠大幅降低立體電路的制作成本，而且簡化了安裝、制作流程，在常溫常壓下就可以實現(xiàn)立體電路的自由、快速、經(jīng)濟的個性化設計、制造。在充分利用液態(tài)金屬和3D打印制造工藝以及發(fā)展新型柔性立體電路制備技術上具有較大優(yōu)勢。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應理解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中：

圖1示出了本發(fā)明基于3D打印工藝的液態(tài)金屬立體電路的制造方法的流程示意圖；

圖2示出了實施例2提供的采用本發(fā)明的制造方法制造的多面LED柔性立體燈座的結構示意圖；

圖3示出了實施例3提供的采用本發(fā)明的制造方法制造的含內(nèi)置天線的柔性手機殼的結構示意圖

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。

實施例1

如圖1所示，一種基于3D打印工藝的液態(tài)金屬立體電路制造方法，包括以下步驟：

S1：建立與待制造立體電路的三維結構相對應三維模型，并根據(jù)所述立體電路的線路走向在所述三維模型內(nèi)部建立中空流道；

S2：通過3D打印工藝，將所述步驟S1得到的三維模型打印成三維實體；

S3：在所述三維實體的中空流道內(nèi)注滿液態(tài)金屬；

具體地，步驟S1：根據(jù)立體電路的設計要求，采用UG NX、Solidworks、ProE Wildfire等計算機三維建模軟件建立與待制造立體電 路的三維結構相對應三維模型，并根據(jù)所述立體電路的線路走向在所述三維模型內(nèi)部建立中空流道，輸出一個STL個文件用于指導3D打印系統(tǒng)打印該三維模型。其中，中空流道的截面形狀可以為正方形或圓形，截面正方形邊長或圓形直徑范圍在0.5～1.5mm較優(yōu)。其中較優(yōu)的，如果采用的是剛性打印材料，可以根據(jù)所述立體電路的線路走向在所述三維模型表面設置電子元器件管腳插口，如果采用的是柔性打印材料，則可以不用設置電子元器件管腳插口，直接將電子元器件插入經(jīng)過3D打印的三維實體上。另外，可以在所述中空流道的交點和/或拐角設置所述液態(tài)金屬的灌注口和/或排氣口。所述液態(tài)金屬的灌注口和/或排氣口以及電子元器件管腳插口的直接優(yōu)選為2mm。其中，為避免流道間距過小可能導致灌注的液態(tài)金屬導線之間發(fā)生滲透、短路，所以相鄰的中空流道之間的距離應大于2mm。

具體地，步驟S2：將步驟S1得到的立體電路三維模型的STL格式文件導入3D打印控制系統(tǒng)Repetier-Host中，設定層高參數(shù)范圍為0.25～0.4mm，根據(jù)所述三維模型的STL格式文件對所述三維模型進行分層、切片處理，具體的，通過3D打印控制系統(tǒng)中專用的切片軟件Slic3r對三維模型進行分層、切片處理，并將每層的數(shù)據(jù)轉換成為運動軌跡代碼，從而指導后續(xù)三維實體的打印成形。

其中較優(yōu)的，可以使用熔融沉積3D打印系統(tǒng)以及采用熱塑性聚氨酯彈性體為材料，將所述步驟S1得到的三維模型打印成三維實體。具體的，可以使用打印碰頭直徑為0.5mm的熔融沉積3D打印系統(tǒng)以及采用直徑1.75mm的透明熱塑性聚氨酯彈性體為材料，設定打印速度為10～15mm/s。

對打印噴頭和成形基板進行預熱，具體的，通過溫控系統(tǒng)將打印噴頭預熱到220～250℃,成形基板預熱到60～80℃，隨后根據(jù)生成的運動軌跡代碼控制打印噴頭逐層將所述步驟S1得到的三維模型打印成三維實體。具體的，在第一層的打印過程中，打印速度為設定值的80％ 以保證首層打印材料能夠與成形基板之間形成有效粘接。完成第一層結構的打印后，噴頭按照層高設定值上升0.25～0.4mm，然后進行第二層結構的打印，逐層重復打印直至完成整個立體電路三維結構載體的制造。

具體地，步驟S3：在所述三維實體的中空流道內(nèi)注滿液態(tài)金屬；其中較優(yōu)的，使用微量注射系統(tǒng)將所述液態(tài)金屬注滿所述中空流道。具體的，可以使用由微量注射泵、20ml一次性注射器、內(nèi)徑1.65mm點膠針頭(外徑2.1mm)、1.6mm魯爾接頭與內(nèi)徑1.5mm的PVC透明軟管組成的流量可控的微量注射系統(tǒng)通過灌注口將液態(tài)金屬注入三維結構實體中的中空流道。其中，灌注的所述液態(tài)金屬包括：鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金、鉍銦合金、鉍銦錫合金、鉍銦錫鋅合金。其中優(yōu)選的，所述液態(tài)金屬為鎵銦二元合金，鎵銦質(zhì)量比例范圍為75.5％∶24.5％～90％∶10％。灌注過程中，可根據(jù)流道結構的復雜程度和實際的灌注效果，將元器件管腳插口、排氣口轉化為排氣口或灌注口使用，確保液態(tài)金屬注滿所有流道空間。待液態(tài)金屬注滿整個流道系統(tǒng)后清理溢出的液態(tài)金屬。注入的液態(tài)金屬可以按流體電路狀態(tài)工作。視需要，也可將其固化后再使用，此時，只需采用冷空氣對打印充填件進行冷卻，即可獲得固化后的立體電路。

優(yōu)選地，還可以包括步驟S4：將電子元器件管腳插入所述步驟S3得到的三維實體的對應位置。其中較優(yōu)的，根據(jù)電路設計要求，將各獨立電子元器件管腳插入三維結構實體中指定的安裝連接孔，使用705硅橡膠對所有管腳插口、灌注口和/或排氣口進行封堵和電子元器件的固定。

實施例2

另一方面，本發(fā)明還提供了一種采用實施例1的制造方法制作的立體電路，例如：如圖2所示的多面LED柔性立體燈座

其中，采用實施例1的制造方法制作多面LED柔性立體燈座的步 驟如下：

步驟1：根據(jù)多面LED柔性立體燈座的設計要求，使用計算機三維建模軟件UG NX10.0構建與圖2所示的多面LED柔性燈座2A三維結構相對應的立體模型，并按照燈座內(nèi)部導電線路的設計走向在模型內(nèi)部創(chuàng)建截面形狀為圓形，截面直徑為1mm的中空流道，同時在流道的兩端點分別設置直徑為2mm的灌注口和LED燈珠管腳插口，得到與預定立體電路圖案及實體形狀相對應的三維模型并輸出STL格式文件，用于指導3D打印系統(tǒng)制備柔性液態(tài)金屬立體電路。

步驟2：將STL文件導入3D打印控制系統(tǒng)Repetier-Host中，設定層高參數(shù)為0.3mm，通過控制系統(tǒng)中專用的切片軟件Slic3r對三維模型進行分層、切片處理，并將每層的數(shù)據(jù)轉換成為運動軌跡代碼，從而指導后續(xù)三維實體的打印成形。

步驟3：啟動噴頭直徑為0.4mm的熔融沉積3D打印系統(tǒng)，以直徑1.75mm的透明熱塑性聚氨酯絲材為打印材料，設定打印速度為10mm/s，通過溫控系統(tǒng)將打印噴頭預熱到250℃，成形基板預熱到60℃，隨后根據(jù)生成的運動軌跡代碼進行三維實體的打印。在第一層的打印過程中，打印速度為設定值的80％以保證首層打印材料能夠與成形基板之間形成有效粘接。完成第一層結構的打印后，噴頭按照層高設定值上升0.3mm，然后進行第二層結構的打印，逐層重復打印直至完成整個立體電路三維結構載體的制造。

步驟4：使用由微量注射泵、20ml一次性注射器、內(nèi)徑1.65mm點膠針頭(外徑2.1mm)、1.6mm魯爾接頭與內(nèi)徑1.5mm的PVC透明軟管組成的流量可控的微量注射系統(tǒng)通過灌注口2E將液態(tài)金屬GaIn₁₀注入中空流道形成導電線路2D。灌注過程中，可根據(jù)流道結構的復雜程度和實際的灌注效果，將元器件管腳插口轉化為排氣口或灌注口使用，確保液態(tài)金屬注滿所有流道空間。待液態(tài)金屬注滿整個流道系統(tǒng)后清理溢出的液態(tài)金屬。

步驟5：根據(jù)多面LED柔性立體燈座的設計要求，將LED燈珠2B管腳插入燈座表面的管腳插口2C，使用705硅橡膠封堵所有的灌注口2E和管腳插口2C，完成所有操作步驟。

實施例3

本發(fā)明還提供了一種采用實施例1的制造方法制作的立體電路，例如：如圖3所示，含有內(nèi)置天線的柔性手機殼。

其中，采用實施例1的制造方法制作含有內(nèi)置天線的柔性手機殼的步驟如下：

步驟1：根據(jù)含有內(nèi)置天線的柔性手機殼的設計要求，使用計算機三維建模軟件UG NX10.0構建與圖3所示含內(nèi)置天線的柔性手機外殼3A三維結構相對應的立體三維模型，并按照內(nèi)置天線的線路設計走向在模型內(nèi)部創(chuàng)建截面形狀為正方形，截面尺寸為1mm的中空流道，同時在流道的兩端點分別設置直徑為2mm的灌注口和排氣口，得到與預定立體電路圖案及實體形狀相對應的三維模型并輸出STL格式文件，用于指導3D打印系統(tǒng)制備柔性液態(tài)金屬立體電路。

步驟2：將STL文件導入3D打印控制系統(tǒng)Repetier-Host中，設定層高參數(shù)為0.25mm，通過控制系統(tǒng)中專用的切片軟件Slic3r對三維模型進行分層、切片處理，并將每層的數(shù)據(jù)轉換成為運動軌跡代碼，從而指導后續(xù)三維實體的打印成形。

步驟3：啟動噴頭直徑為0.5mm的熔融沉積3D打印系統(tǒng)，以直徑1.75mm的透明熱塑性聚氨酯絲材為打印材料，設定打印速度為12mm/s，通過溫控系統(tǒng)將打印噴頭預熱到250℃，成形基板預熱到60℃，隨后根據(jù)生成的運動軌跡代碼進行三維實體的打印。在第一層的打印過程中，打印速度為設定值的80％以保證首層打印材料能夠與成形基板之間形成有效粘接。完成第一層結構的打印后，噴頭按照層高設定值上升0.25mm，然后進行第二層結構的打印，逐層重復打印直至完成整個立體電路三維結構載體的制造。

步驟4：使用由微量注射泵、20ml一次性注射器、內(nèi)徑1.65mm點膠針頭(外徑2.1mm)、1.6mm魯爾接頭與內(nèi)徑1.5mm的PVC透明軟管組成的流量可控的微量注射系統(tǒng)通過灌注口3C將液態(tài)金屬GaIn_24.5注入中空流道形成內(nèi)置天線3B。待液態(tài)金屬注滿整個流道系統(tǒng)后清理溢出的液態(tài)金屬，使用705硅橡膠封堵所有的灌注口3C和排氣口3D，完成所有操作步驟。

本發(fā)明可以以熱塑性聚氨酯彈性體為加工對象，利用3D打印工藝制備柔性三維結構實體以及與預定導電線路相符的中空流道，無需使用模具、注塑機等專用設備，能夠自由設計、制造個性化的三維結構實體以及走向復雜的導電線路；另外，本發(fā)明通過向三維結構載體內(nèi)的中空流道里灌注液態(tài)金屬的方式構成立體導電線路，不需要采用含有特定催化劑或激光活化金屬等特殊成分的改性材料，進而省去了表面改性、激光活化和金屬鍍覆等工藝流程；由于導電線路在三維結構載體內(nèi)部構成，可以免去絕緣封裝步驟；通過管腳插裝的方式在三維結構實體表面安置電子元器件并對管腳接口進行灌膠封裝，無需焊接或粘貼操作。

與現(xiàn)有制備工藝相比，不僅能夠大幅降低立體電路的制作成本，而且簡化了安裝、制作流程，在常溫常壓下就可以實現(xiàn)立體電路的自由、快速、經(jīng)濟的個性化設計、制造。在充分利用液態(tài)金屬和3D打印制造工藝以及發(fā)展新型柔性立體電路制備技術上具有較大優(yōu)勢。

雖然結合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內(nèi)。