一种制备FPC板的装置及方法

摘要

本发明提出一种制备FPC板的装置及方法，采用微笔直写技术和压电喷墨技术混合打印，其中微笔直写技术用于打印聚酰胺酸溶液，压电喷墨技术用于打印导电油墨。打印过程中，通过切换打印头，调节两种不同打印头的高度。每打印一层导电油墨，通过配置的光固化系统快速固化，每打印一层聚酰胺酸溶液，打印平台执行升降温程序，进行聚酰胺酸溶液的预固化。通过交替打印及固化完成多层FPC板的初步制备。打印完成后执行打印平台的升温程序，进行聚酰胺酸溶液的脱水环化为聚酰亚胺，完成整个FPC板的制备。整个制备工序简单，实现介质层和导电图形的同时制备，“一站式”解决变厚度介质层结构设计及2层以上FPC板的快速制造，适用于创新型产品开发，有利于缩短开发周期。

说明书

技术领域

本发明涉及FPC板制备工艺技术领域，尤其涉及一种制备FPC板的装置及工艺方法。

背景技术

柔性电路板(FPC—(Flexible Printed Circuit)是以聚酰亚胺或聚氨酯薄膜为基材的一种可挠性变形印刷电路板。由于其具有的重量轻、厚度薄及弯折性好的特点，被广泛应用于各种先进电子产品中，涉及领域包括消费电子、汽车电子、医疗电子、航空航天等。在电子产品追求轻、薄、短、小设计的大背景下以及近些年随着5G通信、物联网、车联及可穿戴电子的快速发展，在电子产品的设计过程中，可以按照要求任意在规定空间内自由弯曲、卷绕、折叠，减小设计的难度，扩展了设计空间为装配一体化和集成化提供了方便，进一步推动了柔性电路板的快速发展。

聚酰亚胺由于其耐温可高达400℃以上，且可长期工作在200～300℃范围内。此外由于其优异的机械性能及较低的膨胀系数，以及良好的介电常数，性能在宽广的温度范围和频率范围内仍能保持在较高的水平。因此其作为FPC板的基材而被广泛应用。而目前也有相关单位开发了3D打印聚酰亚胺树脂及相关工艺，使3D打印FPC聚酰亚介质层成为可能。

目前现有工业领域的柔性电路板(FPC)的制作需要经过钻孔、电镀、化学清洗、曝光显影等多道工序来完成，制备周期长，主要适用于大批量生产，不适合多品种小批量产品的制造，不便于创新产品研发过程中的快速迭代。而且现有方法往往需要外发制板过程图纸，容易造成知识产权泄露。

现有公开技术公布的FPC板主要是采用现有的PI(聚酰亚胺)薄膜为基材通过蚀刻沟槽化镀或者采用喷墨/微笔直写打印方式在PI薄膜上制备导电图形，从而形成简单的FPC板。但是此类工艺往往是以现成的PI薄膜为基板，仅仅只能在PI膜的正反两面成型单层电路，而无法形成两层以上的FPC板电路。在新产品的开发过程中，通常会涉及到多层FPC板，且考虑到介电常数的损耗问题，有时需要根据不同的电路功能层而调节层间PI介质的厚度，即变厚度介质层设计。现有的工业化制造工艺仅适合均质厚度介质层的FPC板结构，难以实现FPC层间介质的变厚度设计，且已有的工业化制造工艺无法实现多层FPC板打印成型。

发明内容

考虑创新型电子产品的设计开发，因此有必要开发一种新型、灵活的FPC板制作方法，适应变厚度介质层板等自由设计类型的多层FPC板，适应新型产品的快速开发需求，保护自有知识产权。为此，本发明提出一种制备FPC板的装置及方法，可应用于FPC板制备快速实现，有利于新产品前期的快速开发，缩短研发周期。使用本申请的工艺方法可以实现聚酰亚胺薄膜的制备、导电线路的制备以及封装等应用。其中单独使用本申请的工艺方法中的微笔直写功能可以实现聚酰亚胺薄膜的制备、导电线路封装等应用，单独使用压电喷墨，可以应用在已有基板上进行导电线路的制备。

本发明的技术方案为：

所述一种制备FPC板的装置，包括三轴运动控制系统、微笔直写打印系统、压电喷墨打印系统、光固化系统、打印平台；

所述三轴运动控制系统为XYZ三轴直线运动控制系统，控制微笔直写打印系统以及压电喷墨打印系统中的打印头与打印平台的运动组合形成XYZ三个方向的相对运动；

所述微笔直写打印系统用于根据打印模型沉积聚酰胺酸溶液于基材上；

所述压电喷墨打印系统用于根据打印模型沉积导电油墨于基材上；

所述光固化系统产生用于固化导电油墨的近红外灯或激光；

所述打印平台为真空吸附平台，具备加热和快速冷却的功能；其中加热功能满足聚酰胺酸溶液预固化和脱水环化的温度控制要求。

进一步的，所述聚酰胺酸溶液的固含量为10％～30％，粘度范围为10

进一步的，所述导电油墨为纳米金、纳米镍、纳米铜、纳米银或纳米铂油墨，粘度范围为5cp～40cp，表面张力10dyn/cm～45dyn/cm，纳米颗粒尺寸小于100nm。

进一步的，所述基材采用聚四氟乙烯薄膜、PI薄膜或聚氨酯薄膜。

进一步的，所述微笔直写打印系统包含微笔直写打印头、正压气源、缓冲芯；所述微笔直写打印头中利用正压气源提供的气压推动活塞将聚酰胺酸溶液从针筒中挤出；其中缓冲芯用于分散针筒中进气压力，使活塞均匀受力；所述微笔直写打印系统的打印头的针头直径为0.1～1mm。

进一步的，所述微笔直写打印系统采用螺杆类或撞针式的点胶阀。

进一步的，所述压电喷墨打印系统包含压电喷头、供墨管路、用于调节平衡压的正负压调节装置、压电波形生成及放大控制电路；其中压电喷头喷孔直径为10～100μm。

进一步的，所述光固化系统产生的近红外主峰波长为800～900nm，激光波长为500～1064nm。

进一步的，所述聚酰胺酸溶液采用光固化型的聚酰胺酸溶液，相应的，在光固化系统中增加紫外固化光源，紫外固化光源的波长范围根据所选用的光固化型聚酰胺酸溶液中的交联官能团确定。

利用上述装置制备FPC板的方法，其主要包含以下步骤：

步骤1：将FPC板的打印模型分别按照介电和导电材料属性进行指定，并处理成微笔直写打印系统以及压电喷墨打印系统中的打印头所执行的数据格式文件。

步骤2：将聚四氟乙烯膜等耐高温薄膜基材放置在真空吸附的打印平台上，预热打印平台至60～80℃。此外打印前进行聚酰胺酸溶液-0.1MPa/30min真空脱泡处理后，在微笔直写打印系统以及压电喷墨打印系统中安装好打印头，并进行两个打印头的相对位置校准，主要目的为确保打印过程中介质材料和导电材料精确的位置关系，防止同层边缘区域中两种材料混料而造成断路或者电阻率增大的情况。

步骤3：打印平台到达指定温度后，利用微笔直写打印系统打印一层聚酰胺酸溶液，打印过程中根据气压确定微笔直写打印系统打印头距离打印面高度为0.4～1倍的针头直径。打印一层聚酰胺酸溶液后，微笔直写打印系统打印头抬高，且打印平台移离两个打印头下方区域，避免因打印平台温度升高，由于散热而造成打印头出现凝结而导致堵头现象，影响打印质量。

步骤4：打印平台执行升温程序，升温至120℃±5℃，保温10～30min，再升温至150℃±5℃，保温10～30min后，再降温至60～80℃。主要将聚酰胺酸溶液内大部分溶剂挥发完，防止后期进行脱水环化时，由于溶剂含量过多而导致板材变形及产生内部气泡等缺陷。

步骤5：平台降温至指定温度后(60～80℃)，移动打印平台，打印导电油墨，压电喷头距离打印面的高度在0.5～3mm范围内；每打印一层导电油墨后，打印平台移动至近红外灯下进行曝光或者选用激光针对油墨区域进行选择性扫描固化。此时导电油墨的溶剂在烧结过程中已经挥发完毕，这样就不会在后续聚酰胺酸高温脱水环化过程产生剥离起泡等现象。

步骤6：重复步骤5，直至导电油墨打印达到指定厚度。即先完成线路制造再进行线路周围的介质层填充。

步骤7：重复步骤3至步骤6，实现聚酰胺酸溶液与导电油墨的交叠打印，逐层沉积，形成FPC板的初样。

步骤8：将打印平台移离打印头区域，执行升温固化程序，具体为：升温至120℃±5℃，保温10min，升温至150℃±5℃，保温10min，升温至170℃±5℃，保温30min，升温至200℃，保温20min，升温至250℃±5℃，保温30min，升温至280～300℃，保温30min后，自然降温冷却。将预固化的聚酰胺酸脱水环化为聚酰亚胺薄膜，稳定所制备FPC板的性能。待平台冷却后，将基材从真空吸附平台上取下，将打印的FPC板取下。

有益效果

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)本发明提供了一种制备FPC板的工艺方法，可以实现导电线路和介质层材料的快速复合一体化成型，省去了现有生产工艺的生产线。

2)本发明采用的是增材制造方式，可以进行按需制造，避免刻蚀带来的材料浪费。

3)本发明采用微笔直写工艺打印聚酰胺酸溶液，避免了由于聚酰胺酸溶液粘度较大导致喷墨工艺无法打印的情况。

4)本发明具有灵活性制造的特点，可以衍生至其他领域的应用，如电子封装、喷墨打印导电线路等等。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1打印过程结构示意图；

其中：1、运动平台；2、压电喷头；3、玻璃喷嘴；4、压电驱动线；5、供墨管；6、导电墨滴；7、活塞；8、针筒；9、缓冲芯；10、气管；11、聚酰胺酸溶液；12、挤出的聚酰胺酸液体；

图2打印过程平台预固化聚酰胺酸溶液温度曲线；

图3聚酰胺酸溶液脱水环化为聚酰亚胺阶段的温度曲线；

图4打印酰胺酸溶液及导电油墨过程示意，其中a)为打印聚酰胺酸溶液的过程示意图；b)为打印升温预固化聚酰胺酸溶液的示意图；c)打印导电油墨的示意图；d)为近红外固化导电油墨的示意图；101、打印的聚酰胺酸膜；102、60～80℃的平台热量；103、聚四氟乙烯基材；104、升温预固化的平台热量；105、预固化后的聚酰亚胺薄膜；106、压电喷墨沉积的导电墨水；107、近红外固化后的导电银线路；108、近红外灯。

具体实施方式

本发明提出的一种制备FPC板的装置及方法，采用微笔直写和压电喷墨混合打印技术，分别沉积聚酰胺酸溶液(PAA)及导电油墨于基材上，采用固化系统分别对聚酰胺酸和导电油墨进行固化。通过以上两种材料的交替打印，逐层累积成型，而完成FPC的制作。

主要的装置分别包含：三轴运动控制系统、微笔直写打印系统、压电喷墨打印系统、光固化系统、打印平台等。

所述的三轴运动控制系统为XYZ三轴直线运动控制系统，其中控制微笔直写打印系统以及压电喷墨打印系统中的打印头与打印平台的运动可以组合成XYZ三个方向。如控制打印头装置实现YZ方向运动，控制打印平台实现X方向运动，而三轴传动使用直线电机。

所述的微笔直写打印系统用于根据打印模型沉积聚酰胺酸溶液于基材上。包含微笔直写打印头、正压气源、缓冲芯，采用气压推动活塞将聚酰胺酸溶液从针筒中挤出，其中缓冲芯主要用于分散针筒中进气压力，使活塞均匀受力；微笔直写打印系统可以选择螺杆类或撞针式的点胶阀，针头选择直径0.1～1mm范围。当然，微笔直写打印系统也可以采用商业成熟的精密微流控制系统，达到对于直写出料量的精确控制。

其中使用的聚酰胺酸溶液为固含量10％～30％，粘度范围为10

所述的压电喷墨打印系统用于根据打印模型沉积导电油墨于基材上，包含压电喷头、供墨管路、用于调节平衡压的正负压调节装置、压电波形生成及放大控制电路等。压电喷头选择单孔压电喷墨，喷孔直径在10～100μm范围，进一步可选择商业化的阵列压电喷头，可提高打印效率。

其中使用的导电油墨为纳米金、纳米镍、纳米铜、纳米银或纳米铂油墨，粘度范围为5cp～40cp，表面张力10dyn/cm～45dyn/cm，纳米颗粒尺寸小于100nm。

所述的光固化系统主要产生用于固化导电油墨的近红外灯或激光，选择近红外主峰波长在800～900nm，激光波长选择500～1064nm范围。

所述的打印平台为真空吸附平台，具备加热和快速冷却的功能。其中加热采用橡胶加热垫保证平台受热均匀，可升温至200℃，并且满足聚酰胺酸溶液预固化和脱水环化的温度控制要求。冷却功能采用液冷循环装置，可在较短时间内实现平台温度下降。

所述的基材，是指聚四氟乙烯、PI薄膜、聚氨酯等一类耐高温薄膜，可以在完成FPC板打印后将FPC板很容易与基材剥离。

利用上述装置制备FPC板的方法，其主要包含以下步骤：

步骤1：将FPC板的打印模型分别按照介电和导电材料属性进行指定，并处理成微笔直写打印系统以及压电喷墨打印系统中的打印头所执行的数据格式文件。

步骤2：将聚四氟乙烯膜等耐高温薄膜基材放置在真空吸附的打印平台上，预热打印平台至60～80℃。此外打印前进行聚酰胺酸溶液-0.1MPa/30min真空脱泡处理后，在微笔直写打印系统以及压电喷墨打印系统中安装好打印头，并进行两个打印头的相对位置校准，主要目的为确保打印过程中介质材料和导电材料精确的位置关系，防止同层边缘区域中两种材料混料而造成断路或者电阻率增大的情况。

步骤3：打印平台到达指定温度后，利用微笔直写打印系统打印一层聚酰胺酸溶液，打印过程中根据气压确定微笔直写打印系统打印头距离打印面高度为0.4～1倍的针头直径。打印一层聚酰胺酸溶液后，微笔直写打印系统打印头抬高，且打印平台移离两个打印头下方区域，避免因打印平台温度升高，由于散热而造成打印头出现凝结而导致堵头现象，影响打印质量。

步骤4：打印平台执行升温程序，升温至120℃±5℃，保温10～30min，再升温至150℃±5℃，保温10～30min后，再降温至60～80℃。主要将聚酰胺酸溶液内大部分溶剂挥发完，防止后期进行脱水环化时，由于溶剂含量过多而导致板材变形及产生内部气泡等缺陷。

步骤5：平台降温至指定温度后(60～80℃)，移动打印平台，打印导电油墨，压电喷头距离打印面的高度在0.5～3mm范围内；每打印一层导电油墨后，打印平台移动至近红外灯下进行曝光或者选用激光针对油墨区域进行选择性扫描固化。此时导电油墨的溶剂在烧结过程中已经挥发完毕，这样就不会在后续聚酰胺酸高温脱水环化过程产生剥离起泡等现象。

步骤6：重复步骤5，直至导电油墨打印达到指定厚度。即先完成线路制造再进行线路周围的介质层填充。

步骤7：重复步骤3至步骤6，实现聚酰胺酸溶液与导电油墨的交叠打印，逐层沉积，形成FPC板的初样。

步骤8：将打印平台移离打印头区域，执行升温固化程序，具体为：升温至120℃±5℃，保温10min，升温至150℃±5℃，保温10min，升温至170℃±5℃，保温30min，升温至200℃，保温20min，升温至250℃±5℃，保温30min，升温至280～300℃，保温30min后，自然降温冷却。将预固化的聚酰胺酸脱水环化为聚酰亚胺薄膜，稳定所制备FPC板的性能。待平台冷却后，将基材从真空吸附平台上取下，将打印的FPC板取下。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

材料：基板为0.2mm厚度的聚四氟乙烯板，微笔直写介电材料：热固性聚酰胺酸溶液，粘度54000cp，脱水固化温度300℃，导电材料：纳米银导电墨水，粘度14cp，表面张力28dyn/cm。

选用微笔直写针头：0.15mm内径；压电喷孔直径80μm。

具体实施过程为：

步骤1：将打印模型分别制定为导电材料和介电材料部分，切片生成数据文件传输至控制系统。设定打印参数，具体包含不同打印头的层高、打印速度、压电喷射电压及波形、平台温度及固化程序等；

步骤2：清洁打印平台，去除杂尘及污物后，开启平台负压将0.2mm的聚四氟乙烯板吸附于平台上，预热平台至60℃±5℃后开始打印操作。将脱泡好的聚酰胺酸溶液打印头及压电喷头安装于打印头装置上，采用标准文件进行打印头的相对位置校准，将校准后的数值在打印系统软件中进行更新，确保两种材料准备的相对位置关系；

步骤3：打印平台到达指定温度后，打印一层聚酰胺酸溶液后，打印头抬高，打印平台移离打印头下方区域；

步骤4：按照附图2的温度固化曲线进行聚酰胺酸溶液的预固化；

步骤5：降温至80℃后，开始打印导电油墨。每打印一层导电油墨打印平台移动至近红外灯处进行曝光5～10s固化；

步骤6：重复步骤5，直至该层中导电油墨厚度累积至设计厚度；

步骤7：重复步骤3至步骤6，形成导电油墨与介电油墨的交替打印直至完成FPC初样制备；

步骤8：将打印头移离打印平台区域后，平台执行附图3的升温程序后，完成FPC板的制备。

本申请的工艺方法，采用微笔直写技术和压电喷墨技术混合打印，其中微笔直写技术主要用于打印聚酰胺酸溶液(PAA，聚酰亚胺前驱体，可脱水固化为聚酰亚胺)，压电喷墨技术主要用于打印导电油墨。打印过程中，通过控制机构切换打印头，调节两种不同打印头的高度。每打印一层导电油墨，通过配置的光固化系统快速固化，每打印一层聚酰胺酸溶液，打印平台执行升降温程序，进行聚酰胺酸溶液的初步固化。通过交替打印及固化完成多层FPC板的初步制备。打印完成后执行打印平台的升温程序，进行聚酰胺酸溶液的脱水环化为聚酰亚胺，完成整个FPC板的制备。整个制备工序简单，可以实现介质层和导电图形的同时制备，“一站式”解决变厚度介质层结构设计及2层以上FPC板的快速制造，非常适用于创新型产品的开发，有利于缩短开发周期。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。