解析：基于3D打印PCB板的絕緣層材料選擇及分析
時間：2019-01-25 22:38 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
當今社會隨著科技的發展，電子產品已經普遍存在于人們的生活當中，作為電子產品基礎的印制電路板的需求量也日益增加，對其品質要求也越來越高。印制電路板（PCB）是電子工業產品中重要的電子部件，作為電子產品必備的基板，小到生活中使用的計算器、電子手表、手機、電腦等產品，大到通信、醫療、軍工等領域都涉及印刷電路板。
傳統的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。其生產的加工周期長，工藝復雜，而且隨著時代的進步，我國PCB產品成本上升，生產過程中對環境的污染十分嚴重，不符合我國走可持續發展，清潔生產的道路。3D打印是近些年興起的加工技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運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造物體的技術，目前將3D打印技術和印制電子技術結合起來是研究的熱點。從成本方面來看，3D打印技術采用“增材法”進行加工，其材料利用率相比于傳統工藝更高，因而節約了成本；加工時不會產生廢氣、廢液，清潔環保；生產步驟減少，耗能降低,與傳統工藝相比更高效。
另外，對于復雜電路的打印，通常希望能在同一塊基材上實現多層電路的打印，可以大大節省使用基材的面積，實現電路的小型化，而多層電路涉及到層與層間絕緣材料的選擇和使用�；谧灾� 設計的新型3D 打印機，該打印機成型原理借鑒 FDM工藝原理，基于此打印機研究多層電路絕緣層 材料的選擇及其成型工藝。
1 PCB層間絕緣材料
PCB 板通過自主設計的3D打印機進行打印， 基底選擇為相紙，以導電銀漿作為打印材料，并通 過切片軟件對打印路徑進行規劃，最后通過設計的 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�；诘谝粚哟蛴〉� 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）在電子工業中有著廣泛的應用， 起到粘結、密封、灌封和涂覆保護電子元器件的作 用，是一種不可缺少的重要絕緣材料。從材質上 分，灌封膠主要有環氧樹脂膠和有機硅樹脂膠兩種：
（1）有機硅灌封膠是以有機聚硅氧烷為基礎膠，配合一些交聯劑、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，優異的熱穩定性，良好的化學穩定性，優異的電絕緣性能，一定的耐水性、耐氣候性以及耐紫外性，易于成型以及環保等優點。
（2）環氧灌封膠環氧樹脂(EP)膠是一類以環氧樹脂為基礎膠料，配合一些固化劑、促進劑、填料和其他助劑而成的封裝材料。環氧灌封膠具有優異的粘接性能、電絕緣性能、耐腐蝕性能，硬度高，固化收縮率低，線膨脹系數小。但是普通環氧樹脂固化物存在質脆、易于開裂、熱膨脹系數偏大、耐熱性和熱傳導率低等問題。
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行試驗，其中 HJ711，HJ-721，HJ-101 為雙組分有機硅灌封膠； HJ-374，HJ375 為雙組分環氧樹脂灌封膠，通過試驗對比選擇出可以通過該打印機打印的絕緣材料。圖1為自主設計的導電銀漿擠出式3D打印機。
2 流動性試驗
2.1 打印材料的流動性
流動性是指流體本身的流動能力。檢測流體 的物理性質和技術指標的重要標準之一為流體的 流動性是否達標。對于3D打印PCB板絕緣層試驗 而言，打印材料的流動性是絕緣層能否制備成型的 關鍵。如果打印材料的流動性過強，會導致擠出裝 置在通過噴頭擠出材料時有多余的材料流出，擠出 材料的量過多，導致進行3D打印時無法控制打印 出的形狀和精度，以及材料打印在基底上時會發生 流動，影響成型；如果打印材料的流動性太弱，會導 致擠出裝置在通過噴頭擠出材料時不均勻，打印在 基底上材料不連續，甚至無法擠出。
通過流動性試樣對所選取的5 種灌封膠 （HJ-101，HJ-711，HJ-721，HJ-374，HJ375）進行流動 性測量，對比各材料選擇出適合本打印機打印的 材料。通過試驗確定適合打印的流動性范圍，最后 通過調整雙組分電子灌封膠的配比，使材料達到所 需要的流動性范圍。所選取的5 種電子灌封膠的物 理性質如表1所示。
2.2 流動性試樣及其模具
流動性試樣有螺旋形、U形、球形、楔形試樣等 多種的類型[8]。 由于螺旋形試樣結構緊湊，占用空間小，本試 驗選取螺旋形試樣，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構的流動性，采用 如圖2 所示模具進行測量，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30/ π，表示每旋轉1 rad 時極徑的變化量。螺旋線每旋 轉1 周Δθ=2π時，極徑增大Δr=30/π·2π=60 mm。采 用相同的螺旋線系數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，螺旋線長度與流道模數（M=A/L）成正比。表2 為流道截面尺寸。
2.3 絕緣材料流動性試驗
因為絕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灌封膠給定的配比，進 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，依次倒入流動性測量模具中 進行測量。設定絕緣材料的流動距離以100 mm為 標準，當絕緣材料從圓心孔進入流道入口時，開始 計時，到達規定長度時停止計時，以此段時間作為 流動時間。
在相同的試驗環境下將流道簡化為水平等截 面流道，打印材料的流動性用在相同的流動長度 條件下，設定的流動的長度L 與到達設定長度時流 動時間的比值來表示： v = L/τ （2） 式中：v 為流動速度，以流動速度表征打印材料的流 動性能；τ為流動時間，即有機硅灌封膠進入流道到 流動至設定長度的時間；L 為在螺旋流道內設定的 有機硅灌封膠流動的距離。
為保證絕緣材料的流動性只與自身性質有關，與流道的尺寸等外在因素無關，所以同種絕緣材料，在兩個流道尺寸不同的1#，2#模具上分別試驗，得出的結果進行橫向比較。如果誤差在允許的范圍之內，證明絕緣材料的流動性與所處流道的尺寸無關。試驗數據如表3、表4。
試驗結果顯示，當流動距離一定時，各絕緣材 料在不同的流道內，流動速度基本保持一致，誤差 不超過1%�？梢�，打印材料的流動速度與流道橫 截面積、寬度無關。所以打印材料的流動性，只與 自身的性質有關。3D打印絕緣層通常在室溫環境 下進行，在保證溫度一定的條件下，通過改變A組 分與B 組分的配比來實現打印材料自身流動性的 改變。
3 絕緣材料打印試驗及結果分析
通過自主設計的擠出式3D打印機將絕緣材料 打印在相紙上進行試驗。根據第一層導線層進行 的理論分析及阻力參數的計算繼續選擇金屬分體 式噴頭作為打印噴頭，由于金屬分體式精密噴頭 的內部通道機構，在噴嘴的橫截面變化處即流道斷 面處發生了收縮，該噴頭類型為流道面逐漸收縮， 這樣的設計會保證具有一定粘度的流體在噴嘴內 不產生與壁面分離的傾向。并將該噴頭安裝在自 主設計的3D打印機的擠出機構上進行打印測試。 因為絕緣層所選取的五種絕緣材料與第一層打印 材料導電銀漿相比，其中大部分絕緣材料的流動性 優于導電銀漿，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。設定打印的三維圖形為 長60 mm，高0.2 mm，寬0.6 mm的三個間距為2 mm 的平行長方體進行打印。圖4 為試驗模型及尺寸。
在試驗過程中發現，由于不同材料的流動性不 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，調整3D 打印參數等方式使材料可以通過該3D 打印機打 印。試驗數據如表5所示。
通過試驗數據和實際的試驗情況可知，由于 HJ-101 是常溫固化，混合后即開始固化，而且自身 流動性較差，無論怎樣調整噴頭尺寸和相關打印參 數，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 行打印，良好的流動性，擠出時順利且連續，連續打 印時無堵塞噴頭現象；打印圖形規則，而且固化成 型后實際尺寸誤差不大，厚度小；固化后柔性好，可 隨意彎曲。HJ-374 混合后為黑色，且具有一定刺激 性氣味，連續打印時經常會堵塞噴頭，廢料處理困 難，黏附性強，污染試驗室環境,且固化時間較長，不 適合試驗室使用。HJ-375 混合后為黃棕色,有刺激 性氣味,打印圖形較規則但是厚度較大,固化時間適 中,固化后質地較硬，無法隨意彎折。HJ-721 流動性 較強，擠出順利，同樣帶來了成型不規則、精度低的 問題，不適合該試驗使用。
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 打印機的絕緣材料，通過 DF2671A 型耐壓測試儀進行測試。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、漏電流進行粗略計 算，計算出其測試電阻，并以公式（3）計算其體積電 阻率[11]： ρ = R(S h ) （3） 式中：ρ為灌封膠體積電阻率，R為實測電阻值，S 為 測試面積，h 為測試厚度。將試驗數據記錄如表6 所 示。
固化后的實際尺寸相比于理論尺寸均有不同 程度的收縮。環氧樹脂灌封膠與有機硅灌封膠相 比，收縮率較低，誤差小。實際打印寬度誤差范圍 為0～7.6%；實際打印長度誤差范圍為3.3%～ 8.3%。通過計算表中數據可知長度的誤差率較 大。以上5 種試驗材料均經過多次打印試驗，選擇滿足打印試驗要求時，各材料最接近理論數值或者最優的數據記入表中。
4 結語
根據自主設計的擠出式3D打印機，以相紙為 基板，導電銀漿為導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） 灌封膠分別進行流動性試驗和絕緣層打印試驗。 綜合考慮分析，HJ-101 無法通過打印機打��； HJ-721 雖然可以通過打印機進行打印，但是精度和 成型效果不滿足絕緣層要求；HJ-374 不夠環保，固 化時間長，連續打印時會堵塞噴頭，打印周期長，不 適合作為本打印機絕緣層打印材料。HJ-375 可以 作為打印材料使用，并且有收縮率低誤差小的優 點，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 有廣泛應用前景，有待進一步研究和開發。
傳統的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。其生產的加工周期長，工藝復雜，而且隨著時代的進步，我國PCB產品成本上升，生產過程中對環境的污染十分嚴重，不符合我國走可持續發展，清潔生產的道路。3D打印是近些年興起的加工技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運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造物體的技術，目前將3D打印技術和印制電子技術結合起來是研究的熱點。從成本方面來看，3D打印技術采用“增材法”進行加工，其材料利用率相比于傳統工藝更高，因而節約了成本；加工時不會產生廢氣、廢液，清潔環保；生產步驟減少，耗能降低,與傳統工藝相比更高效。
另外，對于復雜電路的打印，通常希望能在同一塊基材上實現多層電路的打印，可以大大節省使用基材的面積，實現電路的小型化，而多層電路涉及到層與層間絕緣材料的選擇和使用�；谧灾� 設計的新型3D 打印機，該打印機成型原理借鑒 FDM工藝原理，基于此打印機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 板通過自主設計的3D打印機進行打印， 基底選擇為相紙，以導電銀漿作為打印材料，并通 過切片軟件對打印路徑進行規劃，最后通過設計的 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�；诘谝粚哟蛴〉� 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）在電子工業中有著廣泛的應用， 起到粘結、密封、灌封和涂覆保護電子元器件的作 用，是一種不可缺少的重要絕緣材料。從材質上 分，灌封膠主要有環氧樹脂膠和有機硅樹脂膠兩種：
（1）有機硅灌封膠是以有機聚硅氧烷為基礎膠，配合一些交聯劑、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，優異的熱穩定性，良好的化學穩定性，優異的電絕緣性能，一定的耐水性、耐氣候性以及耐紫外性，易于成型以及環保等優點。
△夢之墨3D打印電路
（2）環氧灌封膠環氧樹脂(EP)膠是一類以環氧樹脂為基礎膠料，配合一些固化劑、促進劑、填料和其他助劑而成的封裝材料。環氧灌封膠具有優異的粘接性能、電絕緣性能、耐腐蝕性能，硬度高，固化收縮率低，線膨脹系數小。但是普通環氧樹脂固化物存在質脆、易于開裂、熱膨脹系數偏大、耐熱性和熱傳導率低等問題。
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行試驗，其中 HJ711，HJ-721，HJ-101 為雙組分有機硅灌封膠； HJ-374，HJ375 為雙組分環氧樹脂灌封膠，通過試驗對比選擇出可以通過該打印機打印的絕緣材料。圖1為自主設計的導電銀漿擠出式3D打印機。
2.1 打印材料的流動性
流動性是指流體本身的流動能力。檢測流體 的物理性質和技術指標的重要標準之一為流體的 流動性是否達標。對于3D打印PCB板絕緣層試驗 而言，打印材料的流動性是絕緣層能否制備成型的 關鍵。如果打印材料的流動性過強，會導致擠出裝 置在通過噴頭擠出材料時有多余的材料流出，擠出 材料的量過多，導致進行3D打印時無法控制打印 出的形狀和精度，以及材料打印在基底上時會發生 流動，影響成型；如果打印材料的流動性太弱，會導 致擠出裝置在通過噴頭擠出材料時不均勻，打印在 基底上材料不連續，甚至無法擠出。
通過流動性試樣對所選取的5 種灌封膠 （HJ-101，HJ-711，HJ-721，HJ-374，HJ375）進行流動 性測量，對比各材料選擇出適合本打印機打印的 材料。通過試驗確定適合打印的流動性范圍，最后 通過調整雙組分電子灌封膠的配比，使材料達到所 需要的流動性范圍。所選取的5 種電子灌封膠的物 理性質如表1所示。
流動性試樣有螺旋形、U形、球形、楔形試樣等 多種的類型[8]。 由于螺旋形試樣結構緊湊，占用空間小，本試 驗選取螺旋形試樣，如圖2 所示。圖3 為流道截面 尺寸。
因為絕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灌封膠給定的配比，進 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，依次倒入流動性測量模具中 進行測量。設定絕緣材料的流動距離以100 mm為 標準，當絕緣材料從圓心孔進入流道入口時，開始 計時，到達規定長度時停止計時，以此段時間作為 流動時間。
在相同的試驗環境下將流道簡化為水平等截 面流道，打印材料的流動性用在相同的流動長度 條件下，設定的流動的長度L 與到達設定長度時流 動時間的比值來表示： v = L/τ （2） 式中：v 為流動速度，以流動速度表征打印材料的流 動性能；τ為流動時間，即有機硅灌封膠進入流道到 流動至設定長度的時間；L 為在螺旋流道內設定的 有機硅灌封膠流動的距離。
為保證絕緣材料的流動性只與自身性質有關，與流道的尺寸等外在因素無關，所以同種絕緣材料，在兩個流道尺寸不同的1#，2#模具上分別試驗，得出的結果進行橫向比較。如果誤差在允許的范圍之內，證明絕緣材料的流動性與所處流道的尺寸無關。試驗數據如表3、表4。
3 絕緣材料打印試驗及結果分析
通過自主設計的擠出式3D打印機將絕緣材料 打印在相紙上進行試驗。根據第一層導線層進行 的理論分析及阻力參數的計算繼續選擇金屬分體 式噴頭作為打印噴頭，由于金屬分體式精密噴頭 的內部通道機構，在噴嘴的橫截面變化處即流道斷 面處發生了收縮，該噴頭類型為流道面逐漸收縮， 這樣的設計會保證具有一定粘度的流體在噴嘴內 不產生與壁面分離的傾向。并將該噴頭安裝在自 主設計的3D打印機的擠出機構上進行打印測試。 因為絕緣層所選取的五種絕緣材料與第一層打印 材料導電銀漿相比，其中大部分絕緣材料的流動性 優于導電銀漿，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。設定打印的三維圖形為 長60 mm，高0.2 mm，寬0.6 mm的三個間距為2 mm 的平行長方體進行打印。圖4 為試驗模型及尺寸。
通過試驗數據和實際的試驗情況可知，由于 HJ-101 是常溫固化，混合后即開始固化，而且自身 流動性較差，無論怎樣調整噴頭尺寸和相關打印參 數，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 行打印，良好的流動性，擠出時順利且連續，連續打 印時無堵塞噴頭現象；打印圖形規則，而且固化成 型后實際尺寸誤差不大，厚度小；固化后柔性好，可 隨意彎曲。HJ-374 混合后為黑色，且具有一定刺激 性氣味，連續打印時經常會堵塞噴頭，廢料處理困 難，黏附性強，污染試驗室環境,且固化時間較長，不 適合試驗室使用。HJ-375 混合后為黃棕色,有刺激 性氣味,打印圖形較規則但是厚度較大,固化時間適 中,固化后質地較硬，無法隨意彎折。HJ-721 流動性 較強，擠出順利，同樣帶來了成型不規則、精度低的 問題，不適合該試驗使用。
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 打印機的絕緣材料，通過 DF2671A 型耐壓測試儀進行測試。圖5 為 DF2671A型耐壓測試儀，圖6為HJ-711打印模型。
4 結語
根據自主設計的擠出式3D打印機，以相紙為 基板，導電銀漿為導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） 灌封膠分別進行流動性試驗和絕緣層打印試驗。 綜合考慮分析，HJ-101 無法通過打印機打��； HJ-721 雖然可以通過打印機進行打印，但是精度和 成型效果不滿足絕緣層要求；HJ-374 不夠環保，固 化時間長，連續打印時會堵塞噴頭，打印周期長，不 適合作為本打印機絕緣層打印材料。HJ-375 可以 作為打印材料使用，并且有收縮率低誤差小的優 點，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 有廣泛應用前景，有待進一步研究和開發。
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