解析 | 基于3D打印PCB板的绝缘层材料选择及分析

作者：孙长健，张志义，张澎，白蕾（北华大学）

当今社会随着科技的发展，电子产品已经普遍存在于人们的生活当中，作为电子产品基础的印制电路板的需求量也日益增加，对其品质要求也越来越高。印制电路板（PCB）是电子工业产品中重要的电子部件，作为电子产品必备的基板，小到生活中使用的计算器、电子手表、手机、电脑等产品，大到通信、医疗、军工等领域都涉及印刷电路板。

传统的PCB制作方式主要分为减成加工法和加成加工法两类，目前我国的PCB制造主要以减成加工法为基本工艺，即铜蚀刻法。其生产的加工周期长，工艺复杂，而且随着时代的进步，我国PCB产品成本上升，生产过程中对环境的污染十分严重，不符合我国走可持续发展，清洁生产的道路。3D打印是近些年兴起的加工技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，目前将3D打印技术和印制电子技术结合起来是研究的热点。从成本方面来看，3D打印技术采用“增材法”进行加工，其材料利用率相比于传统工艺更高，因而节约了成本；加工时不会产生废气、废液，清洁环保；生产步骤减少，耗能降低,与传统工艺相比更高效。

另外，对于复杂电路的打印，通常希望能在同一块基材上实现多层电路的打印，可以大大节省使用基材的面积，实现电路的小型化，而多层电路涉及到层与层间绝缘材料的选择和使用。基于自主 设计的新型3D 打印机，该打印机成型原理借鉴 FDM工艺原理，基于此打印机研究多层电路绝缘层 材料的选择及其成型工艺。

△梦之墨3D打印电路

1 PCB层间绝缘材料
PCB 板通过自主设计的3D打印机进行打印， 基底选择为相纸，以导电银浆作为打印材料，并通 过切片软件对打印路径进行规划，最后通过设计的 喷嘴挤出打印。打印过程在常温下行即可，但是打 印的电子电路需要加温固化。基于第一层打印的 电子电路，选择电子灌封胶作为绝缘层材料。灌 封胶（又称电子胶）在电子工业中有着广泛的应用， 起到粘结、密封、灌封和涂覆保护电子元器件的作 用，是一种不可缺少的重要绝缘材料。从材质上 分，灌封胶主要有环氧树脂胶和有机硅树脂胶两种：

（1）有机硅灌封胶是以有机聚硅氧烷为基础胶，配合一些交联剂、催化剂、填料和其它功能助剂所组成的一种灌封材料。它具有广泛的使用温度范围，优异的热稳定性，良好的化学稳定性，优异的电绝缘性能，一定的耐水性、耐气候性以及耐紫外性，易于成型以及环保等优点。

△梦之墨3D打印电路

（2）环氧灌封胶环氧树脂(EP)胶是一类以环氧树脂为基础胶料，配合一些固化剂、促进剂、填料和其他助剂而成的封装材料。环氧灌封胶具有优异的粘接性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能，硬度高，固化收缩率低，线膨胀系数小。但是普通环氧树脂固化物存在质脆、易于开裂、热膨胀系数偏大、耐热性和热传导率低等问题。

选择HJ711，HJ-721，HJ-101，HJ-374，HJ-375 五 种双组分灌封胶作为打印材料进行试验，其中 HJ711，HJ-721，HJ-101 为双组分有机硅灌封胶； HJ-374，HJ375 为双组分环氧树脂灌封胶，通过试验对比选择出可以通过该打印机打印的绝缘材料。图1为自主设计的导电银浆挤出式3D打印机。

2 流动性试验
2.1 打印材料的流动性
流动性是指流体本身的流动能力。检测流体 的物理性质和技术指标的重要标准之一为流体的 流动性是否达标。对于3D打印PCB板绝缘层试验 而言，打印材料的流动性是绝缘层能否制备成型的 关键。如果打印材料的流动性过强，会导致挤出装 置在通过喷头挤出材料时有多余的材料流出，挤出 材料的量过多，导致进行3D打印时无法控制打印 出的形状和精度，以及材料打印在基底上时会发生 流动，影响成型；如果打印材料的流动性太弱，会导 致挤出装置在通过喷头挤出材料时不均匀，打印在 基底上材料不连续，甚至无法挤出。

通过流动性试样对所选取的5 种灌封胶 （HJ-101，HJ-711，HJ-721，HJ-374，HJ375）进行流动 性测量，对比各材料选择出适合本打印机打印的 材料。通过试验确定适合打印的流动性范围，最后 通过调整双组分电子灌封胶的配比，使材料达到所 需要的流动性范围。所选取的5 种电子灌封胶的物 理性质如表1所示。

2.2 流动性试样及其模具
流动性试样有螺旋形、U形、球形、楔形试样等 多种的类型[8]。 由于螺旋形试样结构紧凑，占用空间小，本试 验选取螺旋形试样，如图2 所示。图3 为流道截面 尺寸。

为了模拟打印材料在挤出机构的流动性，采用 如图2 所示模具进行测量，其总长度为495 mm。流 道形状为阿基米德螺旋线，其极坐标方程为： r(θ) = 8 + 30θ/π （1） 式中：r 为极径，mm；θ为极角，rad。螺旋线系数30/ π，表示每旋转1 rad 时极径的变化量。螺旋线每旋 转1 周Δθ=2π时，极径增大Δr=30/π·2π=60 mm。采 用相同的螺旋线系数b，使各螺旋线之间距离相 等。θ=0 的极径是8 mm，3 条螺旋线初始位置均匀 分布在ϕ16 mm 的同一圆周上。在其它条件相同 时，螺旋线长度与流道模数（M=A/L）成正比。表2 为流道截面尺寸。

2.3 绝缘材料流动性试验
因为绝缘材料选择的是双组分灌封胶，所以首 先要将绝缘材料按照各型号灌封胶给定的配比，进 行配制，并搅拌均匀以保证两种组分混合均匀。再 将配制好的绝缘材料，依次倒入流动性测量模具中 进行测量。设定绝缘材料的流动距离以100 mm为 标准，当绝缘材料从圆心孔进入流道入口时，开始 计时，到达规定长度时停止计时，以此段时间作为 流动时间。

在相同的试验环境下将流道简化为水平等截 面流道，打印材料的流动性用在相同的流动长度 条件下，设定的流动的长度L 与到达设定长度时流 动时间的比值来表示： v = L/τ （2） 式中：v 为流动速度，以流动速度表征打印材料的流 动性能；τ为流动时间，即有机硅灌封胶进入流道到 流动至设定长度的时间；L 为在螺旋流道内设定的 有机硅灌封胶流动的距离。

为保证绝缘材料的流动性只与自身性质有关，与流道的尺寸等外在因素无关，所以同种绝缘材料，在两个流道尺寸不同的1#，2#模具上分别试验，得出的结果进行横向比较。如果误差在允许的范围之内，证明绝缘材料的流动性与所处流道的尺寸无关。试验数据如表3、表4。

试验结果显示，当流动距离一定时，各绝缘材 料在不同的流道内，流动速度基本保持一致，误差 不超过1%。可见，打印材料的流动速度与流道横 截面积、宽度无关。所以打印材料的流动性，只与 自身的性质有关。3D打印绝缘层通常在室温环境 下进行，在保证温度一定的条件下，通过改变A组 分与B 组分的配比来实现打印材料自身流动性的 改变。

3 绝缘材料打印试验及结果分析
通过自主设计的挤出式3D打印机将绝缘材料 打印在相纸上进行试验。根据第一层导线层进行 的理论分析及阻力参数的计算继续选择金属分体 式喷头作为打印喷头，由于金属分体式精密喷头 的内部通道机构，在喷嘴的横截面变化处即流道断 面处发生了收缩，该喷头类型为流道面逐渐收缩， 这样的设计会保证具有一定粘度的流体在喷嘴内 不产生与壁面分离的倾向。并将该喷头安装在自 主设计的3D打印机的挤出机构上进行打印测试。 因为绝缘层所选取的五种绝缘材料与第一层打印 材料导电银浆相比，其中大部分绝缘材料的流动性 优于导电银浆，所以选择直径为0.3 mm的喷嘴以保 证绝缘材料的打印精度。设定打印的三维图形为 长60 mm，高0.2 mm，宽0.6 mm的三个间距为2 mm 的平行长方体进行打印。图4 为试验模型及尺寸。

在试验过程中发现，由于不同材料的流动性不 同，固定间距的打印图形无法满足各材料成型要 求。所以通过改变模型间距及喷头大小，调整3D 打印参数等方式使材料可以通过该3D 打印机打 印。试验数据如表5所示。

通过试验数据和实际的试验情况可知，由于 HJ-101 是常温固化，混合后即开始固化，而且自身 流动性较差，无论怎样调整喷头尺寸和相关打印参 数，均无法通过喷头顺利挤出，无法作为绝缘层打印材料。目前看来HJ-711 最适合作为绝缘材料进 行打印，良好的流动性，挤出时顺利且连续，连续打 印时无堵塞喷头现象；打印图形规则，而且固化成 型后实际尺寸误差不大，厚度小；固化后柔性好，可 随意弯曲。HJ-374 混合后为黑色，且具有一定刺激 性气味，连续打印时经常会堵塞喷头，废料处理困 难，黏附性强，污染试验室环境,且固化时间较长，不 适合试验室使用。HJ-375 混合后为黄棕色,有刺激 性气味,打印图形较规则但是厚度较大,固化时间适 中,固化后质地较硬，无法随意弯折。HJ-721 流动性 较强，挤出顺利，同样带来了成型不规则、精度低的 问题，不适合该试验使用。

作为绝缘层的打印材料，需要满足基本的绝缘 条件。将适合此3D 打印机的绝缘材料，通过 DF2671A 型耐压测试仪进行测试。图5 为 DF2671A型耐压测试仪，图6为HJ-711打印模型。

对测试所测得的测试电压、漏电流进行粗略计 算，计算出其测试电阻，并以公式（3）计算其体积电 阻率[11]： ρ = R(S h ) （3） 式中：ρ为灌封胶体积电阻率，R为实测电阻值，S 为 测试面积，h 为测试厚度。将试验数据记录如表6 所 示。

固化后的实际尺寸相比于理论尺寸均有不同 程度的收缩。环氧树脂灌封胶与有机硅灌封胶相 比，收缩率较低，误差小。实际打印宽度误差范围 为0～7.6%；实际打印长度误差范围为3.3%～ 8.3%。通过计算表中数据可知长度的误差率较 大。以上5 种试验材料均经过多次打印试验，选择满足打印试验要求时，各材料最接近理论数值或者最优的数据记入表中。

4 结语
根据自主设计的挤出式3D打印机，以相纸为 基板，导电银浆为导线层打印材料为前提，在所选 取的5 种（HJ-101、HJ-711、HJ-721、HJ-374、HJ-375） 灌封胶分别进行流动性试验和绝缘层打印试验。 综合考虑分析，HJ-101 无法通过打印机打印； HJ-721 虽然可以通过打印机进行打印，但是精度和 成型效果不满足绝缘层要求；HJ-374 不够环保，固 化时间长，连续打印时会堵塞喷头，打印周期长，不 适合作为本打印机绝缘层打印材料。HJ-375 可以 作为打印材料使用，并且有收缩率低误差小的优 点，但是固化后绝缘层较脆硬，不可随意弯折； HJ-711 最适合作为本打印机绝缘层打印材料使用， 且固化后具有一定柔性，柔性PCB板在日常生活中 有广泛应用前景，有待进一步研究和开发。

作者：孙长健，张志义，张澎，白蕾（北华大学）