解析 | 基于3D打印PCB板的絕緣層材料選擇及分析

作者：孫長健，張志義，張澎，白蕾（北華大學(xué)）

當(dāng)今社會(huì)隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品已經(jīng)普遍存在于人們的生活當(dāng)中，作為電子產(chǎn)品基礎(chǔ)的印制電路板的需求量也日益增加，對其品質(zhì)要求也越來越高。印制電路板（PCB）是電子工業(yè)產(chǎn)品中重要的電子部件，作為電子產(chǎn)品必備的基板，小到生活中使用的計(jì)算器、電子手表、手機(jī)、電腦等產(chǎn)品，大到通信、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域都涉及印刷電路板。

傳統(tǒng)的PCB制作方式主要分為減成加工法和加成加工法兩類，目前我國的PCB制造主要以減成加工法為基本工藝，即銅蝕刻法。其生產(chǎn)的加工周期長，工藝復(fù)雜，而且隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國PCB產(chǎn)品成本上升，生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染十分嚴(yán)重，不符合我國走可持續(xù)發(fā)展，清潔生產(chǎn)的道路。3D打印是近些年興起的加工技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，目前將3D打印技術(shù)和印制電子技術(shù)結(jié)合起來是研究的熱點(diǎn)。從成本方面來看，3D打印技術(shù)采用“增材法”進(jìn)行加工，其材料利用率相比于傳統(tǒng)工藝更高，因而節(jié)約了成本；加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢液，清潔環(huán)保；生產(chǎn)步驟減少，耗能降低,與傳統(tǒng)工藝相比更高效。

另外，對于復(fù)雜電路的打印，通常希望能在同一塊基材上實(shí)現(xiàn)多層電路的打印，可以大大節(jié)省使用基材的面積，實(shí)現(xiàn)電路的小型化，而多層電路涉及到層與層間絕緣材料的選擇和使用。基于自主 設(shè)計(jì)的新型3D 打印機(jī)，該打印機(jī)成型原理借鑒 FDM工藝原理，基于此打印機(jī)研究多層電路絕緣層 材料的選擇及其成型工藝。

△夢之墨3D打印電路

1 PCB層間絕緣材料
PCB 板通過自主設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)進(jìn)行打印， 基底選擇為相紙，以導(dǎo)電銀漿作為打印材料，并通 過切片軟件對打印路徑進(jìn)行規(guī)劃，最后通過設(shè)計(jì)的 噴嘴擠出打印。打印過程在常溫下行即可，但是打 印的電子電路需要加溫固化�；�于第一層打印的 電子電路，選擇電子灌封膠作為絕緣層材料。灌 封膠（又稱電子膠）在電子工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用， 起到粘結(jié)、密封、灌封和涂覆保護(hù)電子元器件的作 用，是一種不可缺少的重要絕緣材料。從材質(zhì)上 分，灌封膠主要有環(huán)氧樹脂膠和有機(jī)硅樹脂膠兩種：

（1）有機(jī)硅灌封膠是以有機(jī)聚硅氧烷為基礎(chǔ)膠，配合一些交聯(lián)劑、催化劑、填料和其它功能助劑所組成的一種灌封材料。它具有廣泛的使用溫度范圍，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的電絕緣性能，一定的耐水性、耐氣候性以及耐紫外性，易于成型以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

△夢之墨3D打印電路

（2）環(huán)氧灌封膠環(huán)氧樹脂(EP)膠是一類以環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)膠料，配合一些固化劑、促進(jìn)劑、填料和其他助劑而成的封裝材料。環(huán)氧灌封膠具有優(yōu)異的粘接性能、電絕緣性能、耐腐蝕性能，硬度高，固化收縮率低，線膨脹系數(shù)小。但是普通環(huán)氧樹脂固化物存在質(zhì)脆、易于開裂、熱膨脹系數(shù)偏大、耐熱性和熱傳導(dǎo)率低等問題。

選擇HJ711，HJ-721，HJ-101，HJ-374，HJ-375 五 種雙組分灌封膠作為打印材料進(jìn)行試驗(yàn)，其中 HJ711，HJ-721，HJ-101 為雙組分有機(jī)硅灌封膠； HJ-374，HJ375 為雙組分環(huán)氧樹脂灌封膠，通過試驗(yàn)對比選擇出可以通過該打印機(jī)打印的絕緣材料。圖1為自主設(shè)計(jì)的導(dǎo)電銀漿擠出式3D打印機(jī)。

2 流動(dòng)性試驗(yàn)
2.1 打印材料的流動(dòng)性
流動(dòng)性是指流體本身的流動(dòng)能力。檢測流體 的物理性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一為流體的 流動(dòng)性是否達(dá)標(biāo)。對于3D打印PCB板絕緣層試驗(yàn) 而言，打印材料的流動(dòng)性是絕緣層能否制備成型的 關(guān)鍵。如果打印材料的流動(dòng)性過強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致擠出裝 置在通過噴頭擠出材料時(shí)有多余的材料流出，擠出 材料的量過多，導(dǎo)致進(jìn)行3D打印時(shí)無法控制打印 出的形狀和精度，以及材料打印在基底上時(shí)會(huì)發(fā)生 流動(dòng)，影響成型；如果打印材料的流動(dòng)性太弱，會(huì)導(dǎo) 致擠出裝置在通過噴頭擠出材料時(shí)不均勻，打印在 基底上材料不連續(xù)，甚至無法擠出。

通過流動(dòng)性試樣對所選取的5 種灌封膠 （HJ-101，HJ-711，HJ-721，HJ-374，HJ375）進(jìn)行流動(dòng) 性測量，對比各材料選擇出適合本打印機(jī)打印的 材料。通過試驗(yàn)確定適合打印的流動(dòng)性范圍，最后 通過調(diào)整雙組分電子灌封膠的配比，使材料達(dá)到所 需要的流動(dòng)性范圍。所選取的5 種電子灌封膠的物 理性質(zhì)如表1所示。

2.2 流動(dòng)性試樣及其模具
流動(dòng)性試樣有螺旋形、U形、球形、楔形試樣等 多種的類型[8]。 由于螺旋形試樣結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，本試 驗(yàn)選取螺旋形試樣，如圖2 所示。圖3 為流道截面 尺寸。

為了模擬打印材料在擠出機(jī)構(gòu)的流動(dòng)性，采用 如圖2 所示模具進(jìn)行測量，其總長度為495 mm。流 道形狀為阿基米德螺旋線，其極坐標(biāo)方程為： r(θ) = 8 + 30θ/π （1） 式中：r 為極徑，mm；θ為極角，rad。螺旋線系數(shù)30/ π，表示每旋轉(zhuǎn)1 rad 時(shí)極徑的變化量。螺旋線每旋 轉(zhuǎn)1 周Δθ=2π時(shí)，極徑增大Δr=30/π·2π=60 mm。采 用相同的螺旋線系數(shù)b，使各螺旋線之間距離相 等。θ=0 的極徑是8 mm，3 條螺旋線初始位置均勻 分布在ϕ16 mm 的同一圓周上。在其它條件相同 時(shí)，螺旋線長度與流道模數(shù)（M=A/L）成正比。表2 為流道截面尺寸。

2.3 絕緣材料流動(dòng)性試驗(yàn)
因?yàn)榻^緣材料選擇的是雙組分灌封膠，所以首 先要將絕緣材料按照各型號(hào)灌封膠給定的配比，進(jìn) 行配制，并攪拌均勻以保證兩種組分混合均勻。再 將配制好的絕緣材料，依次倒入流動(dòng)性測量模具中 進(jìn)行測量。設(shè)定絕緣材料的流動(dòng)距離以100 mm為 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)絕緣材料從圓心孔進(jìn)入流道入口時(shí)，開始 計(jì)時(shí)，到達(dá)規(guī)定長度時(shí)停止計(jì)時(shí)，以此段時(shí)間作為 流動(dòng)時(shí)間。

在相同的試驗(yàn)環(huán)境下將流道簡化為水平等截 面流道，打印材料的流動(dòng)性用在相同的流動(dòng)長度 條件下，設(shè)定的流動(dòng)的長度L 與到達(dá)設(shè)定長度時(shí)流 動(dòng)時(shí)間的比值來表示： v = L/τ （2） 式中：v 為流動(dòng)速度，以流動(dòng)速度表征打印材料的流 動(dòng)性能；τ為流動(dòng)時(shí)間，即有機(jī)硅灌封膠進(jìn)入流道到 流動(dòng)至設(shè)定長度的時(shí)間；L 為在螺旋流道內(nèi)設(shè)定的 有機(jī)硅灌封膠流動(dòng)的距離。

為保證絕緣材料的流動(dòng)性只與自身性質(zhì)有關(guān)，與流道的尺寸等外在因素?zé)o關(guān)，所以同種絕緣材料，在兩個(gè)流道尺寸不同的1#，2#模具上分別試驗(yàn)，得出的結(jié)果進(jìn)行橫向比較。如果誤差在允許的范圍之內(nèi)，證明絕緣材料的流動(dòng)性與所處流道的尺寸無關(guān)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)流動(dòng)距離一定時(shí)，各絕緣材 料在不同的流道內(nèi)，流動(dòng)速度基本保持一致，誤差 不超過1%�？梢姡�打印材料的流動(dòng)速度與流道橫 截面積、寬度無關(guān)。所以打印材料的流動(dòng)性，只與 自身的性質(zhì)有關(guān)。3D打印絕緣層通常在室溫環(huán)境 下進(jìn)行，在保證溫度一定的條件下，通過改變A組 分與B 組分的配比來實(shí)現(xiàn)打印材料自身流動(dòng)性的 改變。

3 絕緣材料打印試驗(yàn)及結(jié)果分析
通過自主設(shè)計(jì)的擠出式3D打印機(jī)將絕緣材料 打印在相紙上進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)第一層導(dǎo)線層進(jìn)行 的理論分析及阻力參數(shù)的計(jì)算繼續(xù)選擇金屬分體 式噴頭作為打印噴頭，由于金屬分體式精密噴頭 的內(nèi)部通道機(jī)構(gòu)，在噴嘴的橫截面變化處即流道斷 面處發(fā)生了收縮，該噴頭類型為流道面逐漸收縮， 這樣的設(shè)計(jì)會(huì)保證具有一定粘度的流體在噴嘴內(nèi) 不產(chǎn)生與壁面分離的傾向。并將該噴頭安裝在自 主設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)的擠出機(jī)構(gòu)上進(jìn)行打印測試。 因?yàn)榻^緣層所選取的五種絕緣材料與第一層打印 材料導(dǎo)電銀漿相比，其中大部分絕緣材料的流動(dòng)性 優(yōu)于導(dǎo)電銀漿，所以選擇直徑為0.3 mm的噴嘴以保 證絕緣材料的打印精度。設(shè)定打印的三維圖形為 長60 mm，高0.2 mm，寬0.6 mm的三個(gè)間距為2 mm 的平行長方體進(jìn)行打印。圖4 為試驗(yàn)?zāi)Ｐ图俺叽纭?br />

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于不同材料的流動(dòng)性不 同，固定間距的打印圖形無法滿足各材料成型要 求。所以通過改變模型間距及噴頭大小，調(diào)整3D 打印參數(shù)等方式使材料可以通過該3D 打印機(jī)打 印。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際的試驗(yàn)情況可知，由于 HJ-101 是常溫固化，混合后即開始固化，而且自身 流動(dòng)性較差，無論怎樣調(diào)整噴頭尺寸和相關(guān)打印參 數(shù)，均無法通過噴頭順利擠出，無法作為絕緣層打印材料。目前看來HJ-711 最適合作為絕緣材料進(jìn) 行打印，良好的流動(dòng)性，擠出時(shí)順利且連續(xù)，連續(xù)打 印時(shí)無堵塞噴頭現(xiàn)象；打印圖形規(guī)則，而且固化成 型后實(shí)際尺寸誤差不大，厚度�。还袒�后柔性好，可 隨意彎曲。HJ-374 混合后為黑色，且具有一定刺激 性氣味，連續(xù)打印時(shí)經(jīng)常會(huì)堵塞噴頭，廢料處理困 難，黏附性強(qiáng)，污染試驗(yàn)室環(huán)境,且固化時(shí)間較長，不 適合試驗(yàn)室使用。HJ-375 混合后為黃棕色,有刺激 性氣味,打印圖形較規(guī)則但是厚度較大,固化時(shí)間適 中,固化后質(zhì)地較硬，無法隨意彎折。HJ-721 流動(dòng)性 較強(qiáng)，擠出順利，同樣帶來了成型不規(guī)則、精度低的 問題，不適合該試驗(yàn)使用。

作為絕緣層的打印材料，需要滿足基本的絕緣 條件。將適合此3D 打印機(jī)的絕緣材料，通過 DF2671A 型耐壓測試儀進(jìn)行測試。圖5 為 DF2671A型耐壓測試儀，圖6為HJ-711打印模型。

對測試所測得的測試電壓、漏電流進(jìn)行粗略計(jì) 算，計(jì)算出其測試電阻，并以公式（3）計(jì)算其體積電 阻率[11]： ρ = R(S h ) （3） 式中：ρ為灌封膠體積電阻率，R為實(shí)測電阻值，S 為 測試面積，h 為測試厚度。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表6 所 示。

固化后的實(shí)際尺寸相比于理論尺寸均有不同 程度的收縮。環(huán)氧樹脂灌封膠與有機(jī)硅灌封膠相 比，收縮率較低，誤差小。實(shí)際打印寬度誤差范圍 為0～7.6%；實(shí)際打印長度誤差范圍為3.3%～ 8.3%。通過計(jì)算表中數(shù)據(jù)可知長度的誤差率較 大。以上5 種試驗(yàn)材料均經(jīng)過多次打印試驗(yàn)，選擇滿足打印試驗(yàn)要求時(shí)，各材料最接近理論數(shù)值或者最優(yōu)的數(shù)據(jù)記入表中。

4 結(jié)語
根據(jù)自主設(shè)計(jì)的擠出式3D打印機(jī)，以相紙為 基板，導(dǎo)電銀漿為導(dǎo)線層打印材料為前提，在所選 取的5 種（HJ-101、HJ-711、HJ-721、HJ-374、HJ-375） 灌封膠分別進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn)和絕緣層打印試驗(yàn)。 綜合考慮分析，HJ-101 無法通過打印機(jī)打��； HJ-721 雖然可以通過打印機(jī)進(jìn)行打印，但是精度和 成型效果不滿足絕緣層要求；HJ-374 不夠環(huán)保，固 化時(shí)間長，連續(xù)打印時(shí)會(huì)堵塞噴頭，打印周期長，不 適合作為本打印機(jī)絕緣層打印材料。HJ-375 可以 作為打印材料使用，并且有收縮率低誤差小的優(yōu) 點(diǎn)，但是固化后絕緣層較脆硬，不可隨意彎折； HJ-711 最適合作為本打印機(jī)絕緣層打印材料使用， 且固化后具有一定柔性，柔性PCB板在日常生活中 有廣泛應(yīng)用前景，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。

作者：孫長健，張志義，張澎，白蕾（北華大學(xué)）