复合材料层结构的电沉积加工装置和方法

文档序号:149781 发布日期:2021-10-26 浏览:50次 >En<

阅读说明:本技术 复合材料层结构的电沉积加工装置和方法 (Electrodeposition processing apparatus and method for composite material layer structure ) 是由 季鹏凯 于 2020-04-23 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种复合材料层结构的电沉积加工装置和方法,加工装置包括成型载体电极、阳极和电源,成型载体电极的成型表面附着有按照预设图案形成的光导层,光导层按照预设图案形成有过孔,电源的正极与阳极电连接、负极与成型载体电极电连接,光导层与阳极之间填充离子液,光束选择性照射所述光导层,光导层被光束照射的表面以及过孔中发生电沉积形成形状可控的电沉积层。本发明有利于实现内嵌金属的复合材料层结构加工,尤其是具有复杂三维内嵌金属结构的复合材料加工,降低工艺难度,提高成型精度和效率。(The invention relates to an electrodeposition processing device and method of a composite material layer structure, wherein the processing device comprises a forming carrier electrode, an anode and a power supply, a photoconductive layer formed according to a preset pattern is attached to the forming surface of the forming carrier electrode, a through hole is formed in the photoconductive layer according to the preset pattern, the anode of the power supply is electrically connected with the anode, the cathode of the power supply is electrically connected with the forming carrier electrode, ionic liquid is filled between the photoconductive layer and the anode, a light beam selectively irradiates the photoconductive layer, and the surface of the photoconductive layer irradiated by the light beam and the through hole are subjected to electrodeposition to form an electrodeposition layer with a controllable shape. The invention is beneficial to realizing the processing of the composite material layer structure with embedded metal, in particular to the processing of the composite material with a complex three-dimensional embedded metal structure, reduces the process difficulty and improves the forming precision and efficiency.)

复合材料层结构的电沉积加工装置和方法

技术领域

本发明属于电沉积的技术领域,特别是涉及一种复合材料层结构的电沉积加工装置和方法。

背景技术

现有电化学沉积中,在非树脂材料上进行电镀或电铸往往需要先进行化学镀,形成薄的金属层后再进行电镀或电铸实现厚的电镀层,且一般难以实现多层树脂与金属相结合形成的复合结构,而且一般在微电铸或电解过程中,过程都比较复杂,成本高,要么缺乏灵活性要么精度不足。

例如电铸过程中往往需要定制阳极,且难以实现复合材料层结构模型结构。如果采用传统选择性电沉积的方式,即利用一个或多个喷嘴喷射电解液(或离子液体,或离子溶液)并通电进行电沉积的方式进行金属成型,也难以实现复合材料层结构模型,且结构复杂,成型精度低。如果基于现有的制作印制电路板(PCB)的方法虽然可以实现复合材料结构,但也难以实现三维模型结构,而且制作流程复杂,首先需要对覆铜板进行开料和铜表面粗糙化,然后在铜表面涂布感光油或贴感光干膜,再经过曝光、显影、蚀刻和褪膜等过程才能生成预设的铜层图案,多层电路板的每层铜图案都需要重复此过程,且每层一般都需要分别定制与铜图案相对应的底片(如菲林,银盐感光胶片),使得印刷电路板的制作周期长,制作成本高,尤其是针对少量多样电路板的制作,灵活性差,成本更高。另外,覆铜板一般由铜箔和环氧树脂结合玻纤布热压而成,铜箔一般采用电解沉积的方式生成,而制作印刷电路板时需求对覆铜板上的铜箔进行蚀刻以制作相应的导电线路,即制作电路板的整个过程中既要经过电解沉积形成铜箔,还要对此铜箔进行电解蚀刻以生成线路,反复的流程不仅增加了流程的步骤数量和产业链长度,还增加成本和制作周期,每个步骤中往往采用多种化学溶液进行清洗,过程繁琐,不灵活,也不环保。如果采用基于导电墨水(如纳米银导电墨水)进行选择性喷射到绝缘基板上形成复合材料结构,则往往成型速度慢,导电性能有待提高,成本高等诸多不足。采用金属粉末按预设图形铺设到绝缘板上然后加热或烧结等方式形成复合材料板,也往往导致精度受限,且制作成本高。如果采用内嵌金属部件的注塑方式虽然可以形成具有复合材料或内部集成导电线路的立体模型,但内部复合结构或导电线路难以实现复杂的排布,需要定制模具和辅助的工装配合,成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合材料层结构的电沉积加工装置和方法,有利于实现内嵌导电层的复合材料层结构加工,尤其是具有复杂三维内嵌导电层结构的复合材料加工,降低工艺难度,提高成型精度和效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种复合材料层结构的电沉积加工装置,包括成型载体电极、阳极和电源,所述成型载体电极的成型表面附着有按照预设图案形成的光导层,所述光导层按照预设图案形成有过孔,所述电源的正极与阳极电连接、负极与成型载体电极电连接,所述光导层覆盖有离子液,所述阳极与离子液接触,光束选择性照射所述光导层,所述光导层被光束照射的表面以及过孔中发生电沉积形成形状可控的电沉积层。

所述成型载体电极为电极板,所述阳极为透明导电板,所述透明导电板与成型载体电极形成有光导层的侧面相对设置,所述透明导电板与光导层之间填充有离子液,所述光束透过透明导电板选择性照射光导层进行选择性电沉积。

所述成型载体电极为电极板,还包括至少部分底部区域透光的箱体,所述箱体的底部与成型载体电极形成有光导层的侧面相对设置,所述离子液装载在所述箱体中,所述光束透过箱体底部透光区域选择性照射光导层进行选择性电沉积。

所述阳极为采用与所述离子液中的离子对应的金属材料制成的可溶性阳极,所述阳极至少部分浸没在所述离子液中。

所述成型载体电极为电极板,还包括刮料器和回料器,所述刮料器在成型载体电极或复合材料层结构模型上铺设可光照固化的光导材料液层并通过固化光源选择性照射光导材料液层形成预设图案的光导层,所述回料器清除未发生固化的光导材料液。

还包括喷头,所述喷头与成型载体电极之间可相对移动并通过喷头向成型载体电极或复合材料层结构模型上选择性喷射用于形成光导层的光导材料。

还包括用于将成型载体电极和光导层移出和/或移入离子液的升降台。

所述成型载体电极为电极板,所述成型载体电极的侧面包覆有绝缘层,或者侧面和相对成型表面的另一侧表面包覆有绝缘层。

所述成型载体电极为电极板或可绕中轴线转动的圆柱状电极柱,所述阳极为圆柱状的透明导电转筒,所述透明导电转筒与成型载体电极平行对应设置且能够相对移动,所述透明导电转筒部分浸没在离子液中,所述透明导电转筒通过转动在突出于离子液的表面形成离子液层并将离子液层传送至与光导层接触,所述光束自透明导电转筒内部向外选择性照射光导层进行选择性电沉积。

所述透明导电转筒的外周面附着有可透光的光控导电层。

所述成型载体电极为电极板或可绕中轴线转动的圆柱状电极柱,还包括用于在成型载体电极或复合材料层结构模型上进行选择性光固化成型光导层的光固化打印机构,所述光固化打印机构与成型载体电极之间可相对移动,所述光固化打印机构包括圆柱状的透明转筒,所述透明转筒与成型载体电极平行对应设置,所述透明转筒部分浸没在光导材料液体中,所述透明转筒通过转动在突出于光导材料液体的表面形成光导材料液层并将光导材料液层传送至透明转筒与成型载体电极或复合材料层结构模型之间,固化光束自透明转筒内部选择性照射透明转筒与成型载体电极或复合材料层结构模型之间的光导材料液层形成预设图案的光导层;还包括用于将成型载体电极或复合材料层结构模型上未发生固化的光导材料液体清除的回料器。

所述成型载体电极为电极板或可绕中轴线转动的圆柱状电极柱,还包括用于在成型载体电极或复合材料层结构模型上进行选择性光固化成型光导层的光固化打印机构,所述光固化打印机构与成型载体电极之间可相对移动,所述光固化打印机构为静电成像光固化打印机构,所述静电成像光固化打印机构包括显影引擎、输料器和可透光、可转动的显影转鼓,所述显影转鼓与成型载体电极平行对应设置,所述显影引擎沿显影转鼓的转动方向设置于输料器的上游,所述显影转鼓的表面通过显影引擎选择性地形成静电潜像并通过静电潜像选择性地吸附输料器提供的光照可固化的光导材料形成显像附着层,通过显影转鼓转动将显像附着层传送至显影转鼓与成型载体电极或复合材料层结构模型之间,固化光束自显影转鼓内部照射显影转鼓与成型载体电极或复合材料层结构模型之间的显像附着层形成附着到成型载体电极或复合材料层结构模型上的具有预设图案的光导层。

所述成型载体电极为可绕中轴线转动的圆形电极盘,所述阳极为圆台状的透明导电转台,所述透明导电转台外周面顶部的切面与成型载体电极的成型表面平行对应设置且能够相对远离移动,所述透明导电转台部分浸没在离子液中,所述透明导电转台通过转动在突出于离子液的表面形成离子液层并将离子液层传送至与光导层接触,所述光束自透明导电转台内部向外选择性照射光导层进行选择性电沉积。

所述成型载体电极为可绕中轴线转动的圆形电极盘,还包括光固化打印机构,所述光固化打印机构与成型载体电极之间可相对远离移动,所述光固化打印机构包括圆台状的透明转筒,所述透明转筒的外周面顶部的切面与成型载体电极的成型表面平行对应设置,所述透明转筒直径较小的一端朝向所述成型载体电极的中轴线,所述透明转筒部分浸没在光导材料液体中,所述透明转筒通过转动在突出于光导材料液体的表面形成光导材料液层并将光导材料液层传送至透明转筒与成型载体电极或复合材料层结构模型之间,固化光束自透明转筒内部选择性照射透明转筒与成型载体电极或复合材料层结构模型之间的光导材料液层形成预设图案的光导层。

所述光导层通过可导电的易脱层附着到所述成型载体电极的成型表面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种复合材料层结构的电沉积加工方法,使用了上述的复合材料层结构的电沉积加工装置,包括以下步骤:

(1)在成型载体电极的成型表面按照预设图案选择性地形成光导层,所述光导层上选择性地形成有过孔;

(2)通过光束选择性地照射光导层,所述光束的照射区域覆盖至少一个过孔的至少部分区域,在所述光导层被光束照射的区域表面和过孔中进行选择性离子沉积形成形状可控的电沉积层,所述光导层与电沉积层结合得到复合材料层结构模型。

在进行多层级复合材料层结构加工时,还包括以下步骤:

(3)在形成的复合材料层结构模型的基础上按照预设图案继续选择性地形成光导层,新形成的光导层至少存在一个过孔在上一层中的电沉积层表面的投影与上一层中的电沉积层至少部分重叠;

(4)通过光束选择性地照射新形成的光导层,所述光束的照射区域覆盖至少一个过孔的至少部分区域,在新形成的光导层的表面和过孔中进行选择性离子沉积形成形状可控的电沉积层,相邻层的电沉积层之间通过过孔中的电沉积层形成导电连接;

(5)重复步骤(3)和步骤(4)逐层进行光导层和电沉积层成型得到多层级复合材料层结构。

所述光导层采用具有热固性或光照可固化的光导材料通过丝网印刷技术铺设到成型载体电极或复合材料层结构模型上后通过加热固化或光照固化形成;或者,所述光导层通过喷头向成型载体电极或复合材料层结构模型上选择性地喷射热固性或光照可固化的光导材料后加热固化或光固化形成;或者,所述光导层通过刮料器将光照可固化的光导材料铺设到成型载体电极或电沉积层后通过固化光束的选择性照射发生光固化形成;或者,所述光导层通过静电成像光固化打印机构将光照可固化的光导材料选择性地铺设到成型载体电极或电沉积层后通过固化光束照射发生光固化形成;或者,所述光导层采用预制的光导材料薄膜压合到成型载体电极或电沉积层上形成。

在步骤(1)中,所述光导层除过孔处外完全覆盖成型载体电极的成型表面。

在所述多层级复合材料层结构表面覆盖遮光材料层。

在所述多层级复合材料层结构加工过程中,在预成型的复合材料层结构模型内部的近边缘位置设置过孔链,通过所述过孔链将各层中与过孔链连接的电沉积层与成型载体电极形成导电连接;或者,在所述多层级复合材料层结构加工过程中,在预成型的复合材料层结构模型的外部电沉积形成沉积链,通过所述沉积链将各层中与沉积链连接的电沉积层与成型载体电极形成导电连接。

有益效果

第一,本发明采用在受光照而改变导电能力的材料(光导层)上进行受控的选择性电沉积的方式实现复合材料层结构的加工,既可以用于具有集成导电线路和绝缘材料的复合材料结构模型的加工,也可以用于制作电路板。能够实现具有复杂三维内嵌金属材料的复合层结构加工,成型精度高,通过内嵌金属结构,可以提升模型的强度,并可以实现内部立体的导电线路。例如,可以将电路结构与电子产品的外壳集成为一体制作,利于简化产品结构和减少零部件数量,提升结构紧凑性和可靠性。如果用于制作电路板,则电路板的线路精度高,导电性能好。可以不用定制模具,应用灵活,成本低。

第二,本发明的工艺方法简单。可以通过选择性光照在光导层上电沉积形成电沉积层,而不用采用化学镀等方式实现,采用电连接用的过孔的方式可以实现更厚的金属层的电沉积。由于将光导层铺设到电极板(如阴极板)上或上一层电沉积层上,采用电连接用的过孔可以始终保持对最外层的光导层进行选择性照射和选择性电沉积,实现多层结构时各层的过程基本一致,利于自动化实现。没有照射的光导层几乎没有电沉积,可以实现精确的电沉积,且阳极和阴极之间的间距对电沉积精度影响小,设备结构可以大幅简化,应用灵活,维护方便。阳极即可以采用不可溶性阳极结构,也可以采用可溶性阳极,可以在传统的电镀或电铸设备的基础上改造实现,应用方便成本低。

第三,本发明的方法或装置还可以将利用光控进行选择性电沉积与利用光控进行选择性光敏材料固化过程集成,利用光束控制导电层和绝缘层的成型,实现更好的精度匹配和成型速度。另外利用光固化的方式将光导材料选择性的结合到电沉积层上,即可以大幅简化光导材料的形成工艺流程,也利于提升成型速度和精度。另外,还可以采用涡旋或螺旋的方式进行光导层成型和选择性电沉积,能够实现同时进行选择性设置光导层和选择性电沉积,可进一步提升成型速度。

附图说明

图1为本发明复合材料层结构选择性电沉积加工方法的流程示意图。

图2a-图2m为本发明复合材料层结构电沉积加工过程示意图。

图3a为本发明阳极采用透明导电板的结构示意图。

图3b-图3d为采用本发明方法制作电路板的过程示意图。

图4为本发明采用具有透明底部的箱体结构的电沉积示意图。

图5为本发明采用升降台带动成型载体电极的电沉积示意图。

图6a为本发明采用透明导电转筒进行选择性电沉积的结构示意图。

图6b为图6a的A-A剖视结构示意图。

图7a为本发明采用透明导电转筒进行多层复合材料电沉积的示意图。

图7b为图7a的B-B剖视结构示意图。

图8为本发明采用喷头进行选择性成型光导层的结构示意图。

图9a为本发明采用透明转筒进行选择性光照成型光导层的结构示意图。

图9b为图9a的C-C剖视结构示意图。

图10为本发明采用刮料器铺设光导材料并选择性光照成型光导层的示意图。

图11a-图11h为采用本发明方法制作电路板的过程示意图。

图12a为本发明采用静电成像光固化机构进行选择性成型光导层的结构示意图。

图12b为图12a的D-D剖视结构示意图。

图13为本发明采用涡旋的方式进行选择性成型光导层和电沉积的结构示意图。

图14为本发明采用螺旋的方式进行选择性成型光导层和电沉积的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1示意了本发明的一种实现复合材料层结构的电沉积方法流程图,包括如下的步骤:

步骤1,在电导体上按预设图案选择性形成光导层;例如光导层可以采用具有热固性特性的光导材料通过丝网印刷的方式铺设到电导体上后通过加热形成,或者是光敏固化特性的光导材料通过选择性光束照射的方式形成,或采用如图8、图9、图10、图11、图12、图13、或图14所示的方式实现。最佳的,还在光导层上设置过孔。

步骤2,电导体(例如图2中的成型载体电极41或电沉积层11)与电源6的负极电连接,还包括阳极45与电源6的正极电连接,在阳极45与光导层12之间填充离子液3,光束51对光导层选择性照射,照射的区域导电,电源6驱动离子液3中的离子在光导层上选择性电沉积形成电沉积层。过孔中可同步进行电沉积。

在刚开始时,电导体是指成型载体电极41,如电极板(如金属板);在中间过程中,电导体是指电沉积层11,电沉积层11可导电。需说明,在步骤1中可以多次形成多层的光导层后再进入步骤2,在步骤1中还可以形成不同材料的光导层。在步骤2中还可以形成不同材料的电沉积层,例如不同金属的线路层,例如铜,锡或铝等形成的多种金属材料的导电层。

在步骤1中,光导层12上设置有电连接用的过孔13,光照时,最佳的,光照区域覆盖过孔13至少部分区域(包括两者相交或相切的情形),让离子沉积在过孔13内连接成型载体电极41或上一层的电沉积层与当前层的电沉积层,当电沉积层厚度增加而阻挡光束51照射光导层12时,当前层的电沉积层11通过过孔13中电沉积的电沉积层起到导电连接作用与成型载体电极41电连接,在电沉积层11上可以继续进行电沉积,直到关断电源6,形成预设厚度的电沉积层。例如对于铜,金,银,铝,铬等金属在层厚度1nm~15nm时具有一定的透光性,这些材料的离子液进行选择性沉积形成薄的电沉积层,电沉积层厚度增加不再透光时,通过过孔13中的电沉积层保持与成型载体电极41电连接。

在步骤1中,铺设的第一层光导层可以铺满成型载体电极(如电极板)的成型表面,可以起到绝缘的作用,通过设置过孔可以实现电沉积层与成型载体电极之间的电连接。光导层12是采用电磁波辐射能导电的材料形成的预设图案的薄层,还可以通过控制光束对光导层不同区域照射的强度和时间等来控制电沉积的速度或电沉积层的厚度。成型载体电极41,可以是金属板,也可以是预制好的电路板(如基于FR4的印刷电路板),当成型载体电极41为电路板时,形成的复合材料结构模型可以与此电路板结合为一体。

图2a-2m示意基于光导层的选择性电沉积形成复合材料结构的一种具体过程。图2a示意成型载体电极41为电极板,在成型载体电极41的成型表面(为成型载体电极41成型侧可导电并用于附着复合材料层结构的表面)附着一层按照预设图案形成的光导层12,还可以根据需要在光导层12上选择性地设置用于形成电连接用的过孔13。图2b或图2c示意将成型载体电极41与电源6的负极电连接,电源6的正极与阳极45电连接,在阳极45与光导层12之间填充离子液3。光束51透过离子液3选择性照射光导层12,光束51的照射区域覆盖至少一个过孔13的至少部分区域,例如光束51的照射区域全部覆盖此过孔13或者部分覆盖此过孔13,在光导层12被光束51照射的区域表面和过孔13中进行选择性离子沉积形成形状可控的电沉积层11。电沉积初期阶段形成电沉积薄层11a,例如厚度小于20nm,由于过孔13中的离子液3直接与成型载体电极41电连接,所以,过孔13中在成型载体电极41上会直接电沉积形成电沉积薄层11a,过孔13的周边区域受光束51的照射也形成电沉积薄层11a,这些电沉积薄层11a可以实现电连接,当电沉积薄层11a的厚度增加阻挡光束51照射到光电层12时,电沉积薄层11a还可以通过过孔13与成型载体电极41电连接,继续进行电沉积,直至切断电源6,例如通过开关62(参考图8)切断电源6,增加电沉积层11的厚度,如图2d所示。

图2c示意了一种电沉积装置的立体示意图。包括成型载体电极41、阳极45和电源6,成型载体电极41的成型表面附着有按照预设图案形成的光导层12,光导层12按照预设图案形成有过孔13,电源6的正极与阳极45电连接、负极与成型载体电极41电连接,光导层12覆盖有离子液3,阳极45与离子液3接触,光束51选择性照射光导层12,光导层12被光束51照射的表面以及过孔13中发生电沉积形成形状可控的电沉积层11。例如图中示意光束51(如激光束)通过光具组25、光具组26和光具组27的调整,穿过离子液3并按预设的图案在光导层12上进行选择性照射扫描,形成电沉积薄层11a。例如图中的光具组25为反射镜,并可以绕轴线96摆动,光具组26为反射镜,并可以绕轴线97摆动,光具组27为聚焦镜,如平场聚焦透镜。另外图中还示意电沉积薄层11a-1可以通过过孔13-1与成型载体电极41电连接,电沉积薄层11a-2可以通过过孔13-2与成型载体电极41电连接,电沉积薄层11a-3可以通过过孔13-3与成型载体电极41电连接。当电沉积薄层11a阻挡光束51照射光导层12时,可以继续进行电沉积,形成图2d所示的具有设定厚度的电沉积层11。所谓的复合材料层结构模型是指光导层12与电沉积层11结合形成的复合层结构模型。

图2e示意在形成的复合材料层结构模型的基础上按照预设图案继续选择性地形成光导层12,新形成的光导层12至少存在一个电连接用的过孔13在上一层中的电沉积层11表面的投影与上一层中的电沉积层11至少部分重叠。图2f示意通过光束51选择性地照射新形成的光导层12,光束51的照射区域覆盖至少一个所述电连接用的过孔13的至少部分区域,在新形成的光导层12的表面和过孔13中进行选择性离子沉积形成形状可控的电沉积层11,相邻层的电沉积层11之间通过电连接用的过孔13中的电沉积层11形成导电连接;光束51选择性照射光导层12初期形成电沉积薄层11a,当电沉积薄层11a的厚度增加阻挡光束51照射到光导层12时,通过过孔13中的电沉积层11继续进行电沉积形成设定厚度的电沉积层11,如图2g所示。图2h示意在电沉积层11上继续结合新的导电层12。图2i示意通过选择性照射形成新的电沉积层11。图2j和图2k重复上述过程,最终可以形成预设的复合材料层结构模型,如图2L所示。如图2m,还可以在此复合材料层结构模型的表面结合上遮光材料层25,确保光电层12不被外界的光线照射到,从而保持绝缘状态,使得内部的电沉积层11可以形成立体的导电线路,可以在复合材料层结构模型从成型载体电极41上取下之前或之后进行结合上遮光材料层25均可,即可以全面覆盖模型。还可以特意外露一定的区域,如图中的区域12a,可以用于形成感光电路。图2中的阳极45可以采用可溶性阳极,例如采用与离子液3中离子对应的金属材料。

图3a所示实施例中阳极45采用透明导电材料的不可溶性阳极板。电源6的负极与成型载体电极41电连接,正极与阳极45电连接,阳极45为透明导电板,可透光且可导电,在成型载体电极41与阳极45之间设置离子液3,离子液3可能不必填满成型载体电极41与阳极45之间的空间,离子液3与阳极45接触,并覆盖光导层12。还包括光源5设置在阳极45远离成型载体电极41的一侧,光源5发出的光束51透过阳极45和离子液3选择性照射到光导层12上,形成预设图案的导电区域,离子液3中的离子在电源6的电动势的驱动下向光导层12上的预设图案的导电区域沉积形成电沉积层11。图3b相当于图3a的剖面侧视示意图,并示意还可能在成型载体电极41的周边设置绝缘层44,以防止离子液3与成型载体电极41误接触导电。此结构只要保证离子液3浸没最外层的光导层12即可,可以大幅降低离子液3的深度要求,减少离子液3的使用量,降低应用成本。且由于采用透明导电材料制作阳极45,在光导层12与阳极之间的电场可以更加均为,更加利于各处电沉积速度的均匀一致,利于提升电沉积层11的厚度一致性和沉积精度。

图3b到图3d示意了一种形成电路板的过程。图3b中形成光导层12与电沉积层11的复合材料结构。如果预制作的复合材料层结构模型(如电路板)内部不希望设置过孔或者少设置过孔时,可以在预制作的复合材料层结构模型内部的边缘位置设置过孔链13y,如图中右侧的过孔链结构,使得每层电沉积层都可以通过此过孔链路与成型载体电极41电连接。另外,还可以在预制作的复合材料层结构模型外部形成持续连接的电沉积层,如图中左侧沉积链13x,也可以通过此沉积链13x实现每层电沉积层与成型载体电极41电连接。最终可以将此过孔链13y或沉积链13x去除,例如切割掉,如图3c所示,在切割线95处将过孔链13y或沉积链13x切除。本发明中,沉积链13x与过孔链13y的作用相同,均为在模型制作过程中实现需要层级中电沉积层11之间的电连接而设置,可以将沉积链13x看做是过孔链13y的一种特殊实施例,即当过孔链13y处于光导层12边缘位置时的一种特例,即形成了一种开放式的过孔结构。

另外,图3b中还示意可以在一个过孔中形成多个导电连接线路,例如图中的过孔13z的左侧受光束51za照射,在过孔13z的左侧壁形成电沉积层11,过孔13z的右侧受光束51zb照射,在过孔13z的右侧壁形成电沉积层11,利于一个过孔形成了2个垂直电连接线路,当然也可能形成更多个垂直线路,如此可以大幅增加电路板中的布线密度,缩小电路板体积或降低电路中的寄生参数等。同样可以在此电路板的表面结合遮光层25,确保光导层12在使用过程中为绝缘,确保电路板的正常电传输功能。采用此方法制作电路板可以省去制作底片,并涂布感光油或贴感光干膜,曝光、显影、蚀刻和褪膜等过程,而且过孔13内电沉积也可以不用预先采用化学镀的方式预沉积一层薄的金属层然后进行电镀,可以大幅简化流程,提升效率,降低成本。

图4示意一种电沉积实施例。离子液3设置在箱体31内,箱体31的底部具有透明区,阳极45至少部分浸没在离子液3中,光束51透过箱体31的底部透明区和离子液3选择性照射光导层12,形成电沉积层11。另外,在成型载体电极41与光导层12之间还可以设置易脱层42,易脱层42可导电且容易从成型载体电极41上脱离下来,方便模型制作完成后从成型载体电极41上取下来。如此的结构可减少离子液3的深度,且阳极45不必采用透明材料,利于简化成本和方便维护。

图5示意将成型载体电极41设置在一个升降台32上,离子液3设置在箱体31内,升降台32带动成型载体电极41浸没到离子液3中,光束51在上方透过离子液3选择性照射光导层12,形成电沉积层11。采用此结构可以利于升降台32方便的将成型载体电极41抬出到离子液3外部,进行其他的处理,如清洗,干燥,然后铺设下一层光导层12。然后随升降台下降浸没到离子液3中进行下一层电沉积层11的电沉积。

图6a示意,成型载体电极41为电极板,阳极45为圆柱状且可以转动的透明导电转筒,阳极45与成型载体电极41的成型表面平行对应设置(即阳极45的中轴线与成型载体电极41的成型表面大体平行设置)且能够相对移动,例如阳极45还可以沿箭头91移动,或图13中成型载体电极41的成型表面绕其中轴线沿箭头95的转动。透明导电转筒部分浸没在离子液3中,离子液3设置在箱体31内,透明导电转筒通过转动在突出于离子液3的表面形成离子液层并将离子液层传送至与光导层12接触,光束51自透明导电转筒内部向外透过离子液层选择性照射光导层12进行选择性电沉积,在光导层12上形成电沉积层11。图6a还示意阳极45可以可转动的设置在箱体31上,箱体31可以可平移的设置在导轨33上,由导轨33约束阳极45沿箭头91移动,使得阳极45可以对整个光导层12进行选择性电沉积。图6b示意光源5为点光源阵列,设置在阳极45内部,并根据要电沉积的位置信息让点光源选择性的打开,不需要电沉积的位置的点光源关闭。当然还可以采用其他的光源,或者光源5设置在阳极45的外部也可,例如可以通过光具组将光束传输到阳极45的内部。由于离子液3通过阳极45的转动带动形成离子液薄层后与光导层12接触,可以大幅减少离子液3与光导层12之间不必要的接触面积,避免由于光导层12的漏电流等情况导致的不必要的电沉积而影响电沉积精确,而且由于阳极45的快速转动可以快速有效的更换离子液,提高电沉积的速度,而且此结构简洁,离子液3的应用量少,更容易实现对大面积的光导层12进行选择性电沉积,利于降低应用成本。

图7a是在图6a的基础上示意了形成多层复合材料层模型的实施例。在电沉积层11上继续结合一层新的光导层12,并在此光导层12上进行选择性电沉积形成新的电沉积层11,重复进行形成多层的复合材料层结构,多层电沉积层与成型载体电极41通过过孔13保持电连接。图7b是图7a的B-B剖视图,图7b还示意成型载体电极41还可以由导轨34约束沿箭头92移动,例如每完成一层光导层或电沉积层,成型载体电极41可以沿箭头92移动设定距离,然后进行下一层的光导层铺设或下一层电沉积层的电沉积。图7a进一步示意还可以在阳极45的外侧贴合一层透明的光控导电层58,光束51穿透光控导电层58和离子液层选择性照射光导层12时,也会选择性照射光控导电层58,光控导电层58上只有被光束51照射到的位置才导电,光控导电层58上的导电区域与光导层12上的导电区域相对应,进一步提升对电沉积位置的精确控制,而且还可以控制过孔13部位电沉积,当在过孔13位置没有光束照射时,由于光控导电层58对应此位置保持绝缘状态,则不会对过孔进行电沉积,或者控制光照的强度与时间来调整此处电沉积的速度等,另外通过控制光束51在不同部位照射的强度和时间可形成不同厚度的电沉积层11。还可以设置电流传感器61对电沉积过程的电流进行反馈或保护。采用此结构在形成多层复合材料结构的过程中,更容易控制不同部位电沉积的均匀性或分别设置不同部位的厚度,更利于实现多层模型结构。

图8示意在电沉积层11的基础上可以通过喷头71进行选择性的设置光导层12。例如喷头71先在电沉积层11上按预设图案喷射光导材料液滴,然后可以通过加热,或光照等方式将液滴固化,喷头71还可以沿箭头91移动,进行整层喷射形成光导层12。此图相当于图5基础上升降台32移出离子液3外部的情况。还可以设置开关62,将电沉积线路断开,提升设置光导层12过程操作的安全性。光导层材料可以是光照可固化的材料,例如将光敏树脂液体与光导材料粉末的混合形成的光敏光导材料。

图9a示意了另一种形成光导层的实施例。其中,成型载体电极41为电极板,还包括用于在成型载体电极41或复合材料层结构模型上进行选择性光固化成型光导层12的光固化打印机构,此光固化打印机构与成型载体电极41的成型表面可相对移动,光固化打印机构包括圆柱状的透明转筒56,透明转筒56可沿箭头92转动,透明转筒56与成型载体电极41的成型表面平行对应设置,透明转筒56部分浸没在光导材料液体72中,光导材料液体72可光照固化,光导材料液体72设置在箱体31内,透明转筒56通过转动在突出于光导材料液体72的表面形成光导材料液层并将光导材料液层传送至透明转筒56与成型载体电极41或复合材料层结构模型之间,固化光束(53)自透明转筒56内部朝向成型载体电极41的方向选择性照射透明转筒56与成型载体电极41或复合材料层结构模型之间的光导材料液层形成预设图案的光导层12,固化的光导层12从透明转筒56上脱离并结合到成型载体电极41或复合材料层结构模型上。透明转筒56还可以沿箭头91移动,形成整层新的光导层12。图中示意透明转筒56可转动的设置在箱体31上,箱体31可移动的设置在导轨33上,通过导轨33约束透明转筒56沿箭头91移动。另外还可以设置回料器73,例如真空吸料器,将没有固化的光导材料液体72回收,留下设定形状的光导层12。图9b示意透明转筒56可以沿轴线96转动。最佳的透明转筒56沿图9a中箭头92的转动速度与沿箭头91的移动速度匹配,使得透明转筒56与电沉积层11之间纯滚动,保证光敏光导薄层铺设平整精确,提升光导层12的精度。

图10示意可以利用刮料器83(可以为刮板式结构,也可以是辊轮式结构或者其他结构)在成型载体电极41上或者电沉积层11上先刮一层光导材料层,然后利用固化光束53进行选择性光照固化,然后采用回收器73将没有固化的光导材料去除,形成光导层12。固化光束53可以在刮料器83将整层光导材料层铺设完成后在进行选择性照射固化。如此的方式简单,并容易实现大面积光导层的铺设。图8,图9和图10所示实施例中的光导层材料可以是光照可固化的材料,例如将光敏树脂液体与光导材料粉末的混合形成的光敏光导材料。

图11a-11h示意一种实现电路板的方法过程。图11a示意在成型载体电极41上形成光导层12,光导层12可以采用多种方法设置,如前述图8到图10所示的方法,另外还可以采用预制的光导材料薄膜铺设到成型载体电极41上结合形成光导层12,例如通过热压的方式将光导材料薄膜或薄板与成型载体电极41结合一体,或者还可以采用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等方式形成。对于需要设置过孔的位置可以采用激光加工过孔13,如图11b所示,当然也可以是预制的光导材料薄膜或薄板具有预设的图案和过孔13。图11c示意在光导层12上选择性照射形成电沉积层11,例如可以采用前述图2c,3a,3b,或图4到图7等的实施例的方式。图11d示意采用光导材料薄膜12a,通过加压模具81将光导材料薄膜12a热压到电沉积层11上形成新的光导层12,如图11e所示。然后还可以在光导层12上对应上一层电沉积层11的预设位置加工过孔13,如图11f所示。形成新的电沉积层11,如图11g所示。重复进行可以形成多层复合结构的模型,或者可以形成多层电路板,如图11h所示。通过采用预制的光导材料薄膜12a热压到电沉积层11或成型载体电极41上形成光导层,更加利于降低成本和提高材料的选择范围,并利于提升光导层12与电沉积层11之间的结合强度。如果采用此方法制作电路板可以省去制作底片,并涂布感光油或贴感光干膜,曝光、显影、蚀刻和褪膜等过程,而且过孔13内电沉积也可以不用预先采用化学镀的方式预沉积一层薄的金属层然后进行电镀,可以大幅简化流程,提升效率,降低成本。

图12a示意一种基于静电成像技术(xerograph)的铺设光导材料的实施例。其中,成型载体电极41为电极板,还包括用于在成型载体电极41或复合材料层结构模型上进行选择性光固化成型光导层12的光固化打印机构,此光固化打印机构与成型载体电极41之间可相对移动,例如图12a中光固化打印机构沿箭头91方向移动。此实施例中的光固化打印机构为一种静电成像光固化打印机构,此静电成像光固化打印机构包括显影引擎、输料器75和可透光、可转动的显影转鼓,显影转鼓与成型载体电极41平行对应设置,显影引擎沿显影转鼓的转动方向设置于输料器75的上游,显影转鼓的显影表面通过显影引擎选择性地形成静电潜像并通过静电潜像选择性地吸附输料器75提供的光照可固化的光导材料形成显像附着层,通过显影转鼓转动将显像附着层传送至显影转鼓与成型载体电极41或复合材料层结构模型之间,固化光束53自显影转鼓内部照射显影转鼓与成型载体电极41或复合材料层结构模型之间的显像附着层形成预设图案的光导层12,光导层12由显影转鼓上脱离,并与成型载体电极41或复合材料层结构模型结合。可以透光的显影转鼓包括外侧的透明的光控导电层58和内侧的透明导电层57,透光的光控导电层58和透明导电层57相互贴合,透明导电层57既透光又导电。输料器75内装有可光照固化的光导材料,且此光导材料具有相应极性的静电。显影引擎可以如图12a所示包括第一静电发生器65和发生显影光束52的显影光源,显影光源可以设置在显影转鼓的内侧(如图12a示)或外侧均可。静电发生器65在显影转鼓36的光控导电层58表面充满静电,显影光源根据打印层图案信息发出的显影光束52选择性照射光控导电层58,照射到光控导电层58的部位导电,将此部位的静电由透明导电层57释放掉或与相应电位的电极连通,没有光束照射处的光控导电层58的部位依然保持绝缘,其上的静电依然保持,从而形成静电潜像。随显影转鼓的旋转,显影转鼓根据此静电潜像来选择性的吸附输料器75提供的光导材料,在显影转鼓的显影面形成由光导材料形成的显像附着层。沿箭头92旋转的显影转鼓同时沿箭头91方向移动,将光导材料铺设至电沉积层11上或成型载体电极41上,同时即固化光源发出的固化光束53透过透明导电层57和光控导电层58朝向电沉积层11的方向照射光导材料,使之固化形成固化的光导层12,并与电沉积层11或上一层的光导层结合。如果打印模型为多层,还可以重新调整显影转鼓与成型载体电极41的间距,例如图12b中示意沿箭头93移动一个层厚的距离,进行下一层的铺设。最优的,合理控制显影转鼓与电沉积层11的间距,使得光导材料72处于显影转鼓和电沉积层11之间时,光导材料能与电沉积层或上一层的光导层接触,便于固化光束53照射固化时将光导材料直接结合到光导材料能与电沉积层或上一层的光导层上,并从显影转鼓的表面分离“撕下”。另外最优的,合理控制显影转鼓的转速和沿箭头91的移动速度的匹配关系,使得显影转鼓与电沉积层11之间保持纯滚动,可提升光导层12的成型精度。图12b中示意显影光束52会根据光导层的层图案信息选择性照射透明的光控导电层58,形成静电潜像,而固化光束53可以不用选择性照射。另外成型载体电极41还可以设置在升降台32上,可以由升降台32控制沿箭头93移动。如此的方式可直接将光导材料选择性的吸附到显影转鼓上并传送到电沉积层11上进行固化结合,不用采用回收器将没有固化的光导材料回收,简化制程,且降低了铺设光导层的过程中对电沉积层11表面的污染,利于后续电沉积过程的进行。随显影转鼓的旋转,固化光束53透过透明导电层57可以照射光控导电层58的所有部位,在固化光导材料的同时还可以使得光控导电层58的所有部位都实现导电而通过透明导电层57消除静电,为后续重新产生静电潜像做好了准备。另外显影总成还可能包括清洁装置67,用于将显影转鼓上没有结合到电沉积层11上的而依然残留在显影转鼓表面的光导材料进行清除。

图13示意成型载体电极41为圆柱状结构,并可以转动,透明且导电的滚筒状的阳极45a与成型载体电极41配合设置,电源6a的负极与成型载体电极41电连接,正极与阳极45a电连接,阳极45a部分浸没在离子液3a中,随着阳极45a的转动将离子液3a带动到成型载体电极41上的光导层12上,光束51a选择性照射形成电沉积层11-1,同样的还可以设置阳极45b,电源6b的负极与成型载体电极41电连接,正极与阳极45b电连接,阳极45b部分浸没在离子液3b中,随着阳极45b的转动将离子液3b带动到成型载体电极41上的光导层12上,光束51b的选择性照射形成电沉积层11-2。电沉积层11-1和电沉积层11-2的材质可以相同,也可以不同。然后随着成型载体电极41的转动,电沉积层11-1或11-2可以由清洁器67进行清洁或表面处理,然后显影转鼓(包括透明导电层57和光控导电层58)转动的过程中在显影表面形成的静电潜像吸附输料器75提供的光导材料形成光导材料显像附着层并铺设到电沉积层11-1或11-2上,固化光束53可以将光导材料照射或加热固化形成新的光导层12。如此重复可以快速的形成复合材料结构。成型载体电极41还可以连续旋转,避免的阳极或电极板的往复运动,电沉积过程和铺设光导层的过程可以同时进行,让光导层和电沉积层类似涡旋的形式卷绕堆叠到成型载体电极41上,可大幅提升成型速度。此实施例更加适合圆筒状或弧状结构的复合材料结构模型的制作。

图14示意成型载体电极41为可绕中轴线98转动的圆形电极盘,阳极45为圆台状的透明导电转台,并可以绕轴线96转动,电源6的负极与成型载体电极41电连接,正极与阳极45电连接,透明导电转台外周面顶部的切面与成型载体电极41的成型表面平行对应设置且能够相对远离移动,直径较小的一端朝向中轴线98,透明导电转台部分浸没在离子液3中,透明导电转台通过转动在突出于离子液3的表面形成离子液层并将离子液层传送至与光导层12接触,光束51自透明导电转台内部向外朝成型载体电极41的方向选择性照射光导层12进行选择性电沉积。还可以包括光固化打印机构,光固化打印机构与成型载体电极41之间可相对远离移动,光固化打印机构包括圆台状的透明转筒56,透明转筒56的外周面顶部的切面与成型载体电极41的成型表面平行对应设置,透明转筒56绕轴线97转动,透明转筒56直径小的一端朝向所述成型载体电极41的中轴线98,透明转筒56部分浸没在光导材料液体72中,例如光导材料72可能是光敏树脂与光导材料粉末的混合液态材料,透明转筒56通过转动在突出于光导材料液体72的表面形成光导材料液层并将光导材料液层传送至透明转筒56与成型载体电极41或复合材料层结构模型之间,固化光束53自透明转筒56内部选择性照射透明转筒56与成型载体电极41或复合材料层结构模型之间的光导材料液层形成预设图案的光导层12。透明转筒56与成型载体电极41匹配设置,最佳的透明转筒56与成型载体电极41之间保持纯滚动配合关系。图13和图14所示实施例中成型载体电极41还可以连续旋转,避免阳极或电极板的相对往复运动,可以是连续单向的相对运动,而且电沉积过程和铺设光导层的过程可以同时进行,让光导层和电沉积层类似涡旋或螺旋的形式层层堆叠到成型载体电极41上,可大幅提升成型速度。而且对圆筒状、弧状或盘状等结构的复合材料结构模型的制作可能具有更好的效率。

本发明中光导层12或光控导电层58可以采用光导材料,如有机光导材料(光导聚合物),如聚乙烯咔唑,也可以是无机的光导材料,或其他的光导材料,还可以形成光电材料的微纳米的阵列,光导材料根据光电导效应(或称为光导效应)由光照而改变电阻率。另外,光控导电层也可以采用能形成PN结的半导体材料,如硅基参杂,或能形成异质结材料等,这些材料可以根据光伏效应光照时产生电动势,并实现电路导通,形成电流。还可以采用单晶硅、多晶硅、非晶硅、CdTe、CIGS、GaAs、染料敏化、有机薄膜或化合物等,或者采用MS结或异质结,包括同型异质结(如P-P型异质结,或N-N型异质结)或反型异质结(如P-N型异质结),在本发明中都可理解为采用不同的方式形成PN结。常规导电且还透明的材料有氧化铟锡材料、掺铝的氧化锌或其他透明且可导电的材料,透明且导电的成型载体电极41、或透明导电层57或透明导电板可以采用这些材料。

本发明中的离子液3可以采用电镀、电铸或电解蚀刻技术中金属盐溶液或电解液(如硫酸溶液或盐酸溶液),如铜、锡、金,银,镍、铁,铝等金属,或合金等,或其他金属材料的金属盐溶液或电解液,例如硫酸铜溶液、电镀锡溶液(如硫酸锡溶液)、硫酸盐镍溶液(瓦特溶液)、氯化物铁或金溶液、氟硼酸盐溶液、硝酸钠溶液、氯化钠溶液或氨基磺酸盐溶液等。

本发明叙述中所采用“上”、“下”、“左”、“右”等方位性词语,是基于具体附图的方便性描述,不是对本发明的限制。实际应用中,由于结构整体在空间的变换,实际的方位可能与附图的不同,但这些变换都属于本发明所要求的保护范围。

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