基于3D打印工艺的液态金属立体电路及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，包括以下步骤：S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。通过本发明专利技术所提供的制造方法不仅能够大幅降低立体电路的制作成本，而且简化了安装、制作流程，在常温常压下就可以实现立体电路的自由、快速、经济的个性化设计、制造。在充分利用液态金属和3D打印制造工艺以及发展新型柔性立体电路制备技术上具有较大优势。

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印工艺的液态金属立体电路及其制造方法
本专利技术涉及电子电路制造领域，具体涉及一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路及其制造方法。
技术介绍
随着电子信息产业的迅猛发展，作为电子信息产业基础的电子电路正进入以可承受拉伸、压缩、弯曲等大变形的柔性电子(FlexibleElectronics)和直接在三维塑料载体表面贴装电子元器件的立体电路(Three-dimensionalMouldedInterconnectDevices：三维模塑互连器件)为发展主体的新时代。此类可延展、弯曲的柔性电子器件和设计自由、结构复杂的立体电路在太阳能电池、动态传感器、健康监测系统、可穿戴设备等领域具有非常广泛和良好的应用前景。与传统集成电路制造技术一样，基体材料与制备工艺是这些新兴电子技术发展的主要驱动力。随着材料学、力学以及制造工艺水平的不断进步，要求突破传统硅电子器件的制造工艺和方法，采用节能环保和柔性智能的新型材料与制造工艺来制造可变形、易加工、能定制的新一代个性化电子产品。传统的化学减成法电路制作工艺主要通过基材制备、线路刻蚀、元件焊接与绝缘封装等加工过程制备电路。这类加工工艺主要适用于平面电路的成形，可用于制备柔性电子电路，但无法实现三维立体电路的制备，且操作流程繁琐复杂，需要制作专用的电路掩膜，金属材料浪费严重，需要使用多种化学药剂和专用原料，刻蚀后生成的化学污水、重金属废液对环境污染严重。目前以喷印、激光直接成型为代表的加成制造工艺是一类非接触、无压力、无印版的电路复制技术，可实现复杂三维电路结构的快速设计与加工。其工艺流程为借助注塑或压铸工艺首先成形三维结构载体，通过喷印导电墨水或激光活化处理在载体表面形成导电线路，然后经过电镀或化学镀增加导电线路的金属层厚度，最后在三维结构表面贴装电子元件，形成将三维空间和电子功能结合在一起的立体电路。由于需要使用特殊的材料制备三维结构载体，并且需要进行电镀或化学镀，制造成本高昂；载体的注塑成型和线路图案的生成需要专用的模具和设备以及严格的环境条件，能耗高且设备造价和维护费用不菲；此外激光活化和金属镀覆过程会对电路精度产生影响，从而造成产品的合格率低下。无论是“减成法”还是“加成法”，在设备投资、材料选择、节能环保等方面都存在一定缺陷，无法在常温、常压的环境条件下实现低成本、易操作、兼具柔性电路与立体电路特征的个性化电路定制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何在常温常压下实现立体电路的制造。为此目的，本专利技术提供了一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，包括以下步骤：S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。优选地，在所述步骤S3之后还包括：S4：将电子元器件管脚插入所述步骤S3得到的三维实体的对应位置。优选地，所述步骤S1还包括：根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型表面设置电子元器件管脚插口。优选地，所述步骤S1还包括：在所述中空流道的交点和/或拐角设置所述液态金属的灌注口和/或排气口。优选地，在所述步骤S4之后还包括：对所述电子元器件管脚插口、所述液态金属的灌注口和/或排气口进行封堵。优选地，所述步骤S2包括：根据所述三维模型的STL格式文件对所述三维模型进行分层、切片处理；对打印喷头和成形基板进行预热；控制打印喷头逐层将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体。优选地，所述步骤S3包括：使用微量注射系统将所述液态金属注满所述中空流道。优选地，所述液态金属包括：镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金。优选地，所述液态金属为镓铟二元合金，镓铟质量比例范围为75.5％∶24.5％～90％∶10％。另一方面，本专利技术还提供了一种采用上述任意一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路的制造方法制成的液态金属立体电路。本专利技术与现有技术相比，其主要区别及有益效果在于：本专利技术可以以热塑性聚氨酯弹性体为加工对象，利用3D打印工艺制备柔性三维结构实体以及与预定导电线路相符的中空流道，无需使用模具、注塑机等专用设备，能够自由设计、制造个性化的三维结构实体以及走向复杂的导电线路；另外，本专利技术通过向三维结构载体内的中空流道里灌注液态金属的方式构成立体导电线路，不需要采用含有特定催化剂或激光活化金属等特殊成分的改性材料，进而省去了表面改性、激光活化和金属镀覆等工艺流程；由于导电线路在三维结构载体内部构成，可以免去绝缘封装步骤；通过管脚插装的方式在三维结构实体表面安置电子元器件并对管脚接口进行灌胶封装，无需焊接或粘贴操作。与现有制备工艺相比，不仅能够大幅降低立体电路的制作成本，而且简化了安装、制作流程，在常温常压下就可以实现立体电路的自由、快速、经济的个性化设计、制造。在充分利用液态金属和3D打印制造工艺以及发展新型柔性立体电路制备技术上具有较大优势。附图说明通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，在附图中：图1示出了本专利技术基于3D打印工艺的液态金属立体电路的制造方法的流程示意图；图2示出了实施例2提供的采用本专利技术的制造方法制造的多面LED柔性立体灯座的结构示意图；图3示出了实施例3提供的采用本专利技术的制造方法制造的含内置天线的柔性手机壳的结构示意图具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的实施例进行详细描述。实施例1如图1所示，一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，包括以下步骤：S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属；具体地，步骤S1：根据立体电路的设计要求，采用UGNX、Solidworks、ProEWildfire等计算机三维建模软件建立与待制造立体电路的三维结构相对应三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道，输出一个STL个文件用于指导3D打印系统打印该三维模型。其中，中空流道的截面形状可以为正方形或圆形，截面正方形边长或圆形直径范围在0.5～1.5mm较优。其中较优的，如果采用的是刚性打印材料，可以根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型表面设置电子元器件管脚插口，如果采用的是柔性打印材料，则可以不用设置电子元器件管脚插口，直接将电子元器件插入经过3D打印的三维实体上。另外，可以在所述中空流道的交点和/或拐角设置所述液态金属的灌注口和/或排气口。所述液态金属的灌注口和/或排气口以及电子元器件管脚插口的直接优选为2mm。其中，为避免流道间距过小可能导致灌注的液态金属导线之间发生渗透、短路，所以相邻的中空流道之间的距离应大于2mm。具体地，步骤S2：将步骤S1得到的立体电路三维模型的STL格式文件导入3D打印控制系统Repetier-Host中，设定层高参数范围为0.25～0.4mm，根据所述三维模型的STL格式文件对所述三维模型进行分层、切片处理，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立与待制造立体电路的三维结构相对应的三维模型，并根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型内部建立中空流道；S2：通过3D打印工艺，将所述步骤S1得到的三维模型打印成三维实体；S3：在所述三维实体的中空流道内注满液态金属。2.根据权利要求1所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，在所述步骤S3之后还包括：S4：将电子元器件管脚插入所述步骤S3得到的三维实体的对应位置。3.根据权利要求2所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：根据所述立体电路的线路走向在所述三维模型表面设置电子元器件管脚插口。4.根据权利要求3所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：在所述中空流道的交点和/或拐角设置所述液态金属的灌注口和/或排气口。5.根据权利要求4所述的基于3D打印工艺的液态金属立体电路制造方法，其特征在于，在所述步骤S4之后还包括：对所述电子元器件管脚插口...

【专利技术属性】
技术研发人员：于永泽，刘静，刘福军，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11