3D印刷线路及其制备方法、焊接方法与应用

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及3D印刷线路及其制备方法、焊接方法与应用。

背景技术

随着无线通信技术的发展，通信频段的增多，通信频率的提高，天线的制备难度越来越高。此外，随着通信设备(如手机、智能手表、平板、电脑)日益小型化，传统的印刷电路板型天线(如FPC型天线、PCB型天线)已难以适用。新设备、新技术的发展要求必须在通讯设备的壳体等其他曲面位置进行天线的布局，因此，立体曲面天线就显得非常重要，尤其是由于通信设备的造型千变万化，对立体曲面天线的制备工艺提出了极高的要求。目前主流的立体曲面天线是LDS天线，其具体制备工艺是：LDS专用金属复合材料制备、开模注塑、LDS镭雕、化学镀(镀铜、镀镍、镀金)、喷涂等二次加工。LDS工艺具有特殊性、复杂性和不够环保等特性：且流程复杂，涉及化学镀和喷涂等环境污染环节。

为了解决上述LDS天线的问题，业内推出的新型天线是PDS天线，其一般工艺为：在钢板上利用感光胶曝光、显影蚀刻，通过移印机器利用特种胶头，将图案印刷在产品壳体上，然后通过热固化制作最终的天线。该技术的优点是可直接印刷电路，不需要特殊激光改性材料，不需要进行镭雕、电镀、喷涂，成本低，环保性强。但是，也受限于天线的性能、PDS的生产工艺，使得PDS工艺一般只能采用银浆。而银浆线路固化后不可焊接。这就使得连接方式仅靠弹片接触来导通连接主板或其他零部件，这样的缺点就是信号不稳定，且随着时间的推移，接触面磨损最终导致断路，对天线的信号稳定性和使用寿命造成严重影响。这种缺点加大的限制了PDS天线的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种3D印刷线路，其具有可焊接性。

本发明还要解决的技术问题还在于，提供一种3D印刷线路的制备方法。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种3D印刷线路的焊接方法。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种3D印刷线路作为天线的应用。

为了解决本发明的技术问题，本发明提供了一种3D印刷线路，其包括载体、印刷于所述载体上的印制线路和印刷于所述印制线路上的一个或多个焊盘；

所述印制线路由导电银浆喷墨打印而得，所述焊盘由导电铜浆喷墨打印而得，所述导电铜浆的电阻率为50×10

作为上述技术方案的改进，所述导电铜浆中铜粉的含量为60％-80％。

作为上述技术方案的改进，所述导电铜浆主要包括以下组分：

铜粉60％-80％，粘结剂3％-10％，有机溶剂17％-30％，添加剂0-5％。

作为上述技术方案的改进，所述铜粉为纳米铜粉，平均粒径为20nm-500nm；

和/或，所述粘结剂选用乙基纤维素、纤维素衍生物、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺树脂中的一种或几种；

和/或，所述有机溶剂选用松油醇、苯甲醇、叔醇胺、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、邻苯二甲酸二乙酯、丁基卡必醇醋酸酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或几种；

和/或，所述添加剂选用表面活性剂和/或硅烷偶联剂；所述硅烷偶联剂选用KH-570、KH-560或KH-550；所述表面活性剂选用卵磷脂、三乙醇胺或山梨糖醇酐三油酸酯。

作为上述技术方案的改进，粒径为20nm-80nm的铜粉含量为总铜粉含量的30％-40％，粒径为80nm-200nm的铜粉含量为总铜粉含量的20％-30％。

相应的，本发明还公开了一种3D印刷线路的制备方法，用于制备上述的3D印刷线路，其包括：

(1)采用导电银浆在载体上形成印制线路；

(2)在所述印制线路的预设区域印刷一个或多个焊盘，即得。

作为上述技术方案的改进，步骤(1)中，采用导电银浆在载体上印刷，然后在40℃-60℃初步固化20min-60min；

步骤(2)中，在所述印制线路的预设区域印刷一个或多个焊盘，然后在90℃-150℃固化10min-60min。

相应的，本发明还公开了一种3D印刷线路的焊接方法，其包括：

(i)提供上述的3D印刷线路；

(ii)将待焊接组件焊接到所述焊盘上；其中，焊接所采用焊料的熔化温度＜400℃；

(iii)在所述焊盘表面形成抗氧化层。

作为上述技术方案的改进，步骤(ii)中，采用低温锡丝将待焊接组件焊接到所述焊盘上；其中，所述低温锡丝的熔点为180℃-220℃。

相应的，本发明还公开了上述的3D印刷线路作为天线的应用。

实施本发明，具有如下有益效果：

1.本发明的3D印刷线路，包括载体、印刷于载体上的印制线路和印刷于印制线路上的一个或多个焊盘；印制线路由导电银浆喷墨打印而得，焊盘由导电铜浆喷墨打印而得，导电铜浆的电阻率为50×10

2.本发明开发了一种特用于3D印刷线路的导电铜浆，其配方为：铜粉60％-80％，粘结剂3％-10％，有机溶剂17％-30％，添加剂0-5％，其具有结合强度高、导热性强、导电性强、接触电阻稳定的优点，可作为良好的焊盘基材，与印制电路融为一体，保障3D印刷线路的电路稳定性能。

附图说明

图1是本发明一实施例中3D印刷线路的结构示意图；

图2是本发明一实施例中载体的结构示意图；

图3是本发明一实施例中铜粉的电镜图；

图4是本发明一实施例中3D印刷线路的制备方法流程图；

图5是本发明一实施例中3D印刷线路的焊接方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式对本发明作进一步地详细描述。

作为本发明的第一个方面，本发明提供了一种3D印刷线路，如图1所示，包括载体1、印制线路2和焊盘3；其中，印制线路2和焊盘3导电连接。

参见图2，载体1至少包括第一印刷面11，该第一印刷面11设有第一图形区111，印制线路2由导电银浆喷墨打印在第一图形区111而得。另外，印制线路2设有第二图形区，焊盘3由导电铜浆喷墨打印在第二图形区而得。

本发明的第一印刷面11可以是平面结构，也可以是曲面结构、凹凸结构等。另外，本发明的载体1除了包括第一印刷面11，还可以包括其他印刷面，其他印刷面上也可以形成印制线路和焊盘，不同印刷面上的印制线路可以导通，也可以不导通。

本发明通过在印制线路上印刷由导电铜浆形成的焊盘，一者，使得3D印刷电路具有了可焊接性，从而可随意焊接其他线路和电子元件。

二者，通过控制导电铜浆的电阻率，使得印制线路与焊盘、连接在焊盘上的其他电子元件之间保持良好的欧姆接触，避免影响点性能。

三者，通过控制焊盘的厚度，可使得其具备较高的粘接强度，可确保3D印刷线路与连接在焊盘上其他线路和电子元件的连接稳固性，防止松动，提升信号的稳定性。

具体的，导电铜浆的电阻率为50×10

其中，焊盘的厚度大于80μm，以保证焊盘具有足够的底基，能够与锡焊形成焊接，用于焊接导线或电子元件。另外，较高的焊盘厚度也使得其具备足够的连接强度，可满足各种可靠性验证的考验。优选的，焊盘的厚度为100μm-200μm，若焊盘厚度太薄，则结合力较弱，有脱焊风险；若焊盘太厚，则后续影响其他组件的组装。其中，焊盘的宽度≤印制线路的宽度，优选的，焊盘的宽度＜印制线路的宽度×80％，以提升印制线路与焊盘的接触电阻稳定性。

其中，导电铜浆的粘度为200dPa·s-400dPa·s，基于这种粘度的导电铜浆，可确保形成形状规则、充分流平、充分填充的焊盘。优选的，在本发明的一个实施例之中，导电铜浆的粘度为250dPa·s-350dPa·s。

为了控制导电铜浆的电阻率在50×10

更优选的，在本发明的一个实施例之中，导电铜浆按重量百分数计包括以下组分：铜粉60％-80％，粘结剂3％-10％，有机溶剂17％-30％，添加剂0-5％。其中，铜粉为纳米铜粉，其平均粒径为20nm-300nm。

优选地，如图3所示，粒径为20nm-80nm的铜粉含量为总铜粉含量的30％-40％，粒径为80nm-200nm的铜粉含量为总铜粉含量的20％-30％。经过大量的研究发现，将粒径为20nm-80nm和80nm-200nm的铜粉含量控制在上述范围，不仅可以控制导电铜浆的电阻率在合适范围，使得印制线路与焊盘、连接在焊盘上的其他电子元件之间保持良好的欧姆接触，另外还可以提高铜粉之间结合力，以及导电铜浆形成的焊盘与电子元件之间的结合力。具体的，焊盘能够承受10N以上的拉拔力。

粒径小于20nm的铜粉含量控制在总铜粉含量的5％-15％之间，有利于提高由导电铜浆形成的焊盘的导电性，理论上，粒径小于20nm的铜粉含量越多越好，但经研究发现，粒径小于20nm的铜粉含量超过总铜粉含量的20％时，则由导电铜浆形成的焊盘的粘接强度会降低。

粘接剂可选用乙基纤维素、纤维素衍生物、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺树脂中的一种或几种。优选的为环氧树脂。

粘接剂的用量为导电铜浆质量的3％-10％，当粘接剂用量＜3％时，导电铜浆的粘度过低，喷墨打印后容易溢出预设图形区域，发生短路；当粘接剂用量＞10％时，导电铜浆的粘度过高，容易堵塞喷头。

有机溶剂可选用松油醇、苯甲醇、叔醇胺、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、邻苯二甲酸二乙酯、丁基卡必醇醋酸酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或几种。优选的为邻苯二甲酸二乙酯。

添加剂可选用表面活性剂和/或硅烷偶联剂。表面活性剂可以提高导电铜浆的表面张力，增加导电铜浆与基材的结合力。优选地为卵磷脂、三乙醇胺或山梨糖醇酐三油酸酯。

同样地，硅烷偶联剂可以提高导电铜浆与基材的结合力。优选地为KH-570、KH-560或KH-550。

基于上述组分、组方的导电铜浆，一者，其连接强度高(即铜粉、粘结剂分子与被连接对象的连接强度高)，且连接后具有良好的韧性，连接可靠性高。二者，其接触电阻稳定性高。三者，其抗氧化性能良好。

其中，基材选用PC树脂、ABS树脂、PA树脂、LCP树脂、POM树脂、PPO树脂、PI树脂、PP树脂、PET树脂或玻璃纤维中的一种或多种，优选为PC树脂和/或ABS树脂。

其中，导电银浆为本领域常用的导电银浆，如AlwayStone-AS6088或者AlwayStone-AS6089，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，控制导电银浆的粘度为80dPa·s-200dPa·s(RION VT 04F粘度计，25℃，2#转子)，在此粘度范围内，印制线路无溢胶、不流平、缺印等缺陷。

进一步的，在本发明的另一个实施例中，应控制导电银浆在40℃-60℃初步固化后的剥离力≥2N，基于这种控制，在印刷导电银浆后，进行初步固化即可进行导电铜浆的印刷，而无需高温固化导电银浆后再进行印刷，提升制备效率。优选的，导电银浆在40℃-60℃初步固化后粘接强度为2.5MPa-4MPa，当初步固化后粘接强度过大时，意味着固化程度过高，后期焊盘与前期印制线路的匹配性变差。

更进一步的，在本发明的又一个实施例之中，应控制导电银浆的方阻≤0.1Ω/sq/mil，以确保印制线路、焊盘、其他电元件的电连接稳定性。优选的，控制导电银浆的方阻为0.01Ω/sq/mil-0.07Ω/sq/mil。

参考图4，作为本发明的第二个方面，本发明提供了一种3D印刷线路的制备方法，其包括以下步骤：

S10：采用导电银浆在载体上形成印制线路；

具体的，在本发明的一个实施例之中，印制线路可采用移印工艺形成，即将导电银浆先印刷到钢板上，显影蚀刻后再移印到载体表面，再热固化。

在本发明的另一个实施之中，可直接将导电银浆喷墨打印到载体表面，然后固化形成印制电路，例如采用专利CN115332773A的制备方法。

优选的，在本发明的一个实施例之中，将导电银浆直接喷墨打印到载体表面，然后初步固化。具体的，初步固化的温度为40℃-60℃，固化时间为20min-60min。采用初步固化工艺，一者无需对导电银浆和导电铜浆分别进行高温固化，简化制备工艺。二者，将导电银浆和导电铜浆进行一次高温固化，提升了两者之间的连接强度，降低了两者之间的接触电阻。

S20：在印制线路的预设区域印刷一个或多个焊盘。

具体的，将导电铜浆直接喷墨打印到印制线路，以使印制线路与焊盘形成导电连接。其中，每个焊盘均为一次或多次打印成型。优选的，每个焊盘均为双层打印。打印后，进行高温烘烤固化，烘烤固化的温度为90℃-150℃，烘烤固化的时间为10min-60min。

烘烤固化的温度主要由导电银浆和导电铜浆中的有机溶剂挥发温度决定，为了提高印制线路和焊盘的连接强度和导电性，导电铜浆的烘烤固化温度≤导电银浆的烘烤固化温度。优选地，导电铜浆的烘烤固化温度比导电银浆的烘烤固化温度低于10℃以内。参考图5，作为本发明的第三个方面，本发明提供了一种3D印刷线路的制备方法，其包括以下步骤：

S1：提供3D印刷电路；

具体的，该3D印刷电路包括载体、导电银浆印刷形成的印制电路和导电铜浆形成的焊盘。

S2：将待焊接组件焊接到焊盘上；

具体的，可采用本领域常用的焊料、焊接工艺将待焊接组件焊接到焊盘上但不限于此。其中，焊接所采用焊料的熔化温度＜400℃，以防止导电银浆熔化。优选的，在本发明的一个实施例之中，采用低温锡丝将待焊接组件焊接到焊盘上，该低温锡丝的熔点为180℃-220℃。需要说明的是，当采用低温锡膏焊接时，无法在焊盘表面形成焊点。

S3：在焊盘表面形成抗氧化层；

具体的，由于导电铜浆的主要成分为铜粉，铜粉在氧化后会电阻变大，电性能变差，故引入了抗氧化层。此外，抗氧化层也可以提升焊点的连接强度，具体的，当形成抗氧化层后，焊点的拉拔力≥10N，更优选的为12N-15N。

具体的，抗氧化层可采用UV胶，通过点胶工艺形成，但不限于此。

优选的，在本发明的一个实施例之中，3D印刷线路的焊接方法还包括以下步骤：

S4：对焊点进行测试；

具体的，测试可包括导通测试和拉拔力测试，但不限于此。

其中，采用万用表进行导通测试。采用拉拔力测试机进行。

下面将以具体实施例来进一步阐述本发明

实施例1

一种3D印刷线路，包括载体、印刷于载体上的印制线路和印刷于印制线路上两个焊盘；印制线路由导电银浆喷墨打印而得，焊盘由导电铜浆喷墨打印而得；其中，

导电银浆为市售，型号为AlwayStone-AS6088；

导电铜浆包括铜粉60％，环氧树脂10％，邻苯二甲酸二乙酯30％；导电铜浆的粘度为250dPa·s，电阻率为101×10

其中，粒径小于20nm的铜粉含量为总铜粉含量的10％，粒径为20-80nm的铜粉含量为总铜粉含量的30％，粒径为80-200nm的铜粉含量为总铜粉含量的20％，粒径大于200nm的铜粉含量为总铜粉含量的40％。

实施例2

与实施例1不同的是，焊盘的厚度为100μm；

导电铜浆包括铜粉70％，环氧树脂6％，邻苯二甲酸二乙酯22％，卵磷脂1％和三乙醇胺1％；导电铜浆的粘度为350dPa·s，电阻率为60×10

其中，粒径小于20nm的铜粉含量为总铜粉含量的15％，粒径为20-80nm的铜粉含量为总铜粉含量的35％，粒径为80-200nm的铜粉含量为总铜粉含量的25％，粒径大于200nm的铜粉含量为总铜粉含量的25％。

实施例3

与实施例1不同的是，导电铜浆包括铜粉80％，酚醛树脂3％，乙二醇二甲醚10％，邻苯二甲酸二丁酯7％；导电铜浆的粘度为300dPa·s，电阻率为100×10

其中，粒径小于20nm的铜粉含量为总铜粉含量的5％，粒径为20-80nm的铜粉含量为总铜粉含量的40％，粒径为80-200nm的铜粉含量为总铜粉含量的30％，粒径大于200nm的铜粉含量为总铜粉含量的25％。

实施例4

与实施例1不同的是，导电铜浆为市售，型号为JT5005，导电铜浆的粘度为350dPa·s，铜粉含量为80％，电阻率为60×10

实施例5

与实施例2不同的是，导电铜浆中，粒径小于20nm的铜粉含量为总铜粉含量的40％，粒径为20-80nm的铜粉含量为总铜粉含量的20％，粒径为80-200nm的铜粉含量为总铜粉含量的10％，粒径大于200nm的铜粉含量为总铜粉含量的30％；

导电铜浆的粘度为380dPa·s，电阻率为50×10

对比例1

与实施例2不同的是，焊盘的厚度为50μm。

对实施例1-5和对比例1的3D印刷线路进行测试，包括焊接测试、导通测试和拉拔力测试，每个实施例和对比例各采取10个3D印刷线路进行测试。其中，

导通测试：采用万用表连接两个焊盘进行导通测试，计算导通率，导通率＝能导通的3D印刷线路数量/3D印刷线路数量的总数量*100％；例如，实施例1的能导通的3D印刷线路数量为10，总数量为10，则导通率为100％；

焊接测试：采用低温锡膏焊接在焊盘上，计算焊接率，焊接率＝能将锡膏焊接在焊盘上的3D印刷线路数量/3D印刷线路数量的总数量*100％；

拉力测试，采用低温锡膏将导线焊接在焊盘上，采用拉拔力测试机拉拔导线，测试出导线与焊盘分离时所用的拉力值；

测试结果如下：

以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。