阅读说明：本技术 具有静电印制导电线路的电路板的制作 (Manufacture of circuit board with electrostatic printed conductive circuit ) 是由 林世智 于 2019-05-24 设计创作，主要内容包括：一种制作具有静电印制导电线路的电路板的方法,其包含二步骤阶段。首先,于一电性绝缘基材上,以静电印刷术将含有树酯及导电粉末的复合粉材印制形成电路板的该导电线路的复合粉胚。其次,对该导电线路的复合粉胚施加能量进行加温,以烧掉/气化该树酯,并烧结该导电线路的复合粉胚内的导电粉末,并将此烧结的导电粉末金属化而形成该导电线路,其中该树酯将已金属化的该导电线路粘附在该电性绝缘基材上,且其中该施加能量未对该电性绝缘基材产生“破坏性”实质加温。(A method for manufacturing a circuit board with electrostatic printed conductive circuits comprises two steps. Firstly, on an electric insulating base material, a composite powder material containing resin and conductive powder is printed by electrostatic printing to form a composite powder blank of the conductive circuit of the circuit board. Secondly, applying energy to the composite powder blank of the conductive circuit for heating so as to burn off/gasify the resin, sintering conductive powder in the composite powder blank of the conductive circuit, and metallizing the sintered conductive powder to form the conductive circuit, wherein the resin adheres the metallized conductive circuit on the electrically insulating substrate, and the applied energy does not generate destructive substantial heating on the electrically insulating substrate.)

具有静电印制导电线路的电路板的制作

技术领域

本发明大致涉及电子设备的电路板(circuit board)的制作，特别涉及具有静电印刷(electrostatic printing或xerographic printing)导电线路(conductorpatterning)的电路板的制作。

背景技术

现今绝大多数的电子设备皆须使用印刷电路板(printed circuit board,PCB)。硬质PCB(rigid PCB)利用多层堆叠的构造以便支援复杂的电路系统。相较之下，相对较不利应用于复杂电路，但适于赋予挠性电子设备(flexible electronics)的电路板系统机械挠性的柔性PCB(flexible PCB)，则可能只有单面(单层)的导电线路。

不论是硬质或挠性，两者皆是使用铜箔(copper foil)来制作电路板上所需要的导电线路。目前PCB的主流制作方法是使用减法工艺(subtractive process)，利用全张完整的铜箔来形成导电线路。在原始原料铜箔的完整全张面积之中，除了导电线路以外的所有铜物质全须移除。目前，化学蚀刻(chemical etching)是这些移除铜物质的主要手段。

然而，当环境保护以及产品制造碳足迹等因素被列入考量时，目前以化学蚀刻为基础的主流PCB减法工艺便难以永续经营。首先，蚀刻工艺留下的酸性或碱性化学蚀刻废液必须利用化学物料进行处理，才能回收其中的高价值铜或其他贵重金属。但是，为了回收，也会因而产生更多的废液。

其次，这些因处理蚀刻液所产生的化学废液必须再次利用化学方法予以中和，并经由复杂的废液处理流程，才能将废液中的水以及水中的杂质(化学污泥)分离。最后，这些分离出来的水，如果是要回收再利用，又必须经过另一次耗费成本的处理。如果是要排放的话，亦需要符合法定的排放标准，也是耗费成本。另外化学污泥的处理也是耗费成本。

总言之，若要符合永续原则，此些与PCB的制造没有直接关联的“次级程序”便必须计入PCB的制作成本。然而，许多制造商却将之直接由成本结构中踢除，其结果，不幸的，便是环境污染。

基于上述问题，本技术领域需要有一种制作具有静电印制导电线路的电路板的方法，其可实质上完全避免化学废液的产生。

发明内容

因此，本发明提供一种制作具有静电印制导电线路的电路板的方法，其简单容易的加法工艺的本质,可实质上完全避免化学废液的产生。

为实现上述目的，本发明提供一种制作具有静电印制导电线路的电路板的方法，其包含二步骤阶段。首先，于一电性绝缘基材上，以静电印刷术将含有树酯及导电粉末的原料粉材(Toner)印制形成电路板的该导电线路的复合粉胚(composite compact)。其次，对该导电线路的复合粉胚施加能量进行加温，以烧掉(Burning)/气化(Gasification)该树酯，并烧结(Sintering)该导电线路的复合粉胚内的导电粉末，并将此烧结的导电粉末金属化(Metallization)而形成该导电线路，其中该树酯将已金属化的该导电线路粘附在该电性绝缘基材上，且其中该施加能量未对该电性绝缘基材产生“破坏性”实质加温。

为实现上述目的，本发明更提供一种制作具有静电印制导电线路的电路板的方法，其中对导电线路已塑型突起构造的复合粉胚进行加温所施加的能量为激光，且其中(i)波长为700～2000nm或450～700nm或250～450nm，以700～2000nm最佳；(ii)激光形式为(a)可以为连续波式(Continue Wave,CW)或脉冲式(Pulse)激光；(b)激光的光束轮廓(beamprofile)可以为高斯(Gaussian)或髙顶礼帽(Tophat)型；(c)激光中心点的移动速度大于10mm/sec；(d)用在已塑型突起构造的复合粉胚的激光功率大于0.1瓦(W)；(e)如果为脉冲激光：则(e1)脉冲宽度(pulse duration，Pulse width)：小于1毫秒(ms)；(e2)最大脉冲能量：大于0.01毫焦耳(mj)；(e3)频率：大于10Hz；(f)由数个激光光束打在复合粉胚上,所形成的光点的中心点所连成的线，与另一条同性质的平行线，其线距不小于0.03μm。

附图说明

参照附图依据以下说明，可以更容易于清楚理解本发明上述及其他特征及优点。附图之中：

图1的示意图显示依据本发明一实施例，制作具有静电印制导电线路的电路板的I与II阶段程序。

图2显示依据本发明一实施例，使用感光导体以静电印刷术印制电路板的导电线路的卡尔森循环(Carlson Cycle)的示意图。

图3与图4分别为复合粉胚经烧结与未烧结的表面呈现性质比较。

附图标记说明：

102 静电印制装置

104 烧结装置

110 电路板的不导电空白基材

112 印有导电线路的复合粉胚的电路板基材

122 原料粉材供静电印制导电线路的复合粉胚

125 烧结后的导电线路

124 导电线路的复合粉胚

130 具完整导电线路的电路板

201 布电

202 曝光

203 显影

204 转写

205 刮除残留粉材

206 清除残留静电

211 定影

具体实施方式

图1的示意图显示依据本发明一实施例，制作具有静电印制导电线路的电路板的I与II阶段程序。此实施例所例举说明的工艺可分为二主要工艺阶段，即，进行静电印制的工艺阶段I，以及进行粉胚烧结的工艺阶段II。依据图1的示意图，静电印制阶段I使用静电印制装置102，而粉胚烧结阶段II则使用烧结装置104。

应注意的是，于本发明中，静电印刷是指类同于一般广泛应用于影印，激光打印用途，由卡尔森(Chester Carlson)于US 2,297,691所公开以及后续相关技术所启始的现代自动化影印技术。相较于现有的静电印刷术。本发明制作具有静电印制导电线路的电路板的技术所不同者，在于两者所使用的原料粉材不同，印制标的定形(fixing,setting)的方式不同。本发明此些不同特点于图2中将予说明。

依据本发明，首先，于静电印制阶段I中，静电印制装置102利用原料粉材供应来源122，而在一片具电气绝缘性质的空白基材110上，利用静电印刷术，印制目标电路板所需要的导电线路。此印制程序所得结果，即为印有导电线路的复合粉胚124的阶段电路板112。

依据本发明，原料粉材，或原始粉材，是指包含具导电性材料，如金属材料，以及树酯等二种或二种以上粉末的混合粉料，依据本发明可供进行静电印刷以形成导电线路的复合粉胚。

此外，本发明中的复合粉胚是指使用上述本发明的原料粉材，利用静电印刷术，而于电路板的基材上所印制，具有电路板导电线路形状结构的尚未完全定形固化的导电线路胚体。在利用烧结程序而将此复合胚体定形固化之前，此胚体由于其内含的树酯而为柔性但稳固的阶段性结构体。

注意到图1中此工艺阶段电路板112上所印制的导电线路的复合粉胚124，尚未具有目标电路板的导电线路所应具有的良好导电性质。此是因复合粉胚124的结构中虽有导电性材料的粉末，诸如金属粉末，但其颗粒之间不但有间隙，并且混有树酯颗粒。

因此，接续阶段I，已印好复合粉胚124的电路板基材112，即可送交烧结装置104，进行工艺阶段II的粉胚烧结程序，以将复合粉胚124中的导电粉末，如金属铜粉末颗粒烧结并金属化形成连续的导电体。完成此烧结程序后，即可获得具有完整导电线路125的电路板130，其绝缘基材上的导电线路125具有良好的导电性。

依据本发明，此工艺阶段II的粉胚烧结程序，其进行烧结的能量来源可以为激光，其波长可为700～2000nm或450～700nm或250～450nm，以700～2000nm为最佳。其中激光形式可以为连续波式或脉冲式激光，而激光的光束轮廓可以为高斯或髙顶礼帽型，激光中心点的移动速度则大于10mm/sec。此用在导电线路的复合粉胚的激光功率大于0.1W。

若激光为脉冲激光，则脉冲宽度应小于1ms，最大脉冲能量应大于0.01mj，其频率则大于10Hz。若由数个激光光束打在复合粉胚上，其所形成的光点的中心点所连成的线，与另一条同性质的平行线，其线距应不小于于0.03μm。

依据本发明，此工艺阶段II的粉胚烧结程序，其进行烧结的能量来源亦可为感应加热(induction heating)，其可在复合粉胚金属性质导电材料中激发涡电，发热而进行烧结。

依据本发明，此工艺阶段II的粉胚烧结程序，其进行烧结的能量来源亦可为等离子体(Plasma beam)。

依据本发明，此工艺阶段II的粉胚烧结程序，其进行烧结的能量来源亦可为离子束(Ion beam)。

图2显示依据本发明一实施例，使用感光导体(photoconductor)以静电印刷术印制电路板的导电线路的复合粉胚时的卡尔森循环的示意图。

同时参考图1，依据此实施例，目标电路板的导电线路(图1中的最终烧结导电线125)的线路图形，经由静电印制装置102的光学系统对感光导体200进行布电,以便在此循环的第一区201形成布电区。如同习于静电印刷术者所可理解，感光导体200的布电区201接着便顺着图示顺时钟方向旋转前进，并经过可以形成线路潜像的光束202照射后，其光敏物质层表面便产生于203处可对应形成复合粉胚线路的电荷区。

接着，感光导体200持续旋转，以使原料粉材122所供应的粉末，因静电而吸附在感光导体上，光敏物质层表面所产生的对应于导电线路形状的电荷区。当感光导体上所吸附的复合粉胚前进到204的转写区位置时，由于转写区提供相反于感光导体的电压，使得感光导体上所吸附的粉末被移转附着在不导电基材110上，形成印有导电线路的复合粉胚124的电路板基材112。

其后，电路板基材112依图2所示基材行进相向持续前进，其上所印的导电线路复合粉胚124便在211位置之处进行定影。其可利用定影系统的滚轮,适当地加温及施加压力，使复合粉胚124稳固地附着在基材112表面。

接着，印有导电线路的复合粉胚124的电路板基材112，其复合粉胚经过外加的能量或热量处理，以将复合粉胚中所内含的树酯气化或烧掉，所留下的导电材料因烧结而金属化形成导电线路(125)，并完成制作具完整导电线路的电路板130。

注意到在前述说明性质的实施例中，其制作程序可用于制作，例如，柔性电路板(flexible circuit board)。虽然此例中所制作的电路板只有单面导电线路，然本领域技术人员皆可理解，只需重复实质上相同的程序，此实施例同样亦可适于制作具有双面导电线路的电路板。

并且，类同于现有彩色印表机里面四个碳粉匣原理，在不同粉匣内放置具有不同电导率(electrical conductivity)的导电材料的原始粉材，经过打印与烧结/金属化程序，即可同一片薄膜基材上制作具有不同导电性能局部线路的电路板。

依据本发明，感光导体(图2，200)其结构具有以下特性：

(i)所使用的感光导体，其基材可以为刚性柱型或非刚性软式薄膜型。

(ii)所使用的感光导体，可以为无机或有机系列的感光导体。

(iii)若使用的为无机系列感光导体，其可为非晶硅感光导体，若为有机系列感光导体，则可为单层或单层以上的有机感光导体。

(iv)感光导体使用的基材，其原料可以为金属或高分子类聚合物。

(v)感光导体的表面粗糙度Rz值不大于10μm。

(vi)使用的刚性柱型感光导体，如果是为圆柱型感光导体，则

(vi-1)测量其包含粘合在基材的齿轮的偏摆时，其值不大于400μm。

(vi-2)测量其不包含粘合在基材的齿轮的偏摆时，其值不大于200μm。

(vi-3)不包含粘合在基材的齿轮，直立的圆柱型感光导体，其上下二端在感光层内距离感光层边缘1.5-3mm的任意两个点的感光层膜厚，二者差异不大于15μm。

(vi-4)非定型薄膜型感光导体其上下或左右二端在感光层内距离感光层边缘1.5-3mm的任意两个点的感光层膜厚，二者差异不大于15μm。

(vii)若使用有机系列感光导体，则

(vii-1)其使用的电荷产生剂(Charge generation material，CGM)为有机或有机金属颜料或染料的电荷产生剂，例如酞氰颜料。

(vii-2)其使用的可传输正型载子物质(Hole transport material，HTM)可以为腙化合物、苯乙烯化合物、二胺化合物、丁二烯化合物、吲哚化合物等单独或经适当组合后混合使用。

(vii-3)其使用的可传输负型载子(Electron transport material，ETM)可以为苯醌衍生物、菲醌衍生物、芪醌衍生物、二氮醌衍生物，这些可单独或2种以上组合使用。

(vii-4)其使用的粘结剂(Binder)可以为苯乙烯系聚合物或苯乙烯与其他系列单体的共聚物。丙烯酸系聚合物、聚乙烯或乙烯与其他系列单体的共聚物、聚氯乙烯、氯化乙烯与其他系列单体的共聚物，聚丙烯或丙烯与其他系列单体的共聚物，聚酯或聚酯与其他系列单体的共聚物，聚醇酸树脂、聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸树酯或碳酸与其他系列单体的共聚物，聚芳酯、聚砜、邻苯二甲酸二烯丙基树酯、聚酮树酯、聚乙烯醇缩丁醛树酯、含丙烯腈树酯和聚醚树酯等热塑性树酯；或者硅酮树脂、环氧树脂、酚醛树脂、脲树脂、三聚氰胺树脂和其他交联性热固性树脂；或者环氧丙烯酸酯和聚氨酯-丙烯酸酯等光固化性树脂等。这些粘结剂可以单独使用，或合并二种或二种以上使用。

依据本发明，感光导体(图2，200)其操作可具有以下特性：

(viii)感光导体在印表机里，其运转过程

(viii-1)运转的最小线速度(line speed)，不小于0.05mm/sec。

(viii-2)依循图2的Chester Carlson循环六步骤，其感光导体表面布电电压(charge)范围较佳是±150～990V，更佳为±200～750V；最佳为±200～650V。

(viii-3)感光导体布电再经过光源曝光(exposure)，感光导体在显影(Developing)前的感光导体表面电压大于+2V或小于-2V。

(viii-4)印表机对感光导体的布电系统可以是布电滚轮(charging roller)或者布电丝(corona charging wire)系统。

(viii-5)印表机对感光导体的曝光系统的光源可以是激光或发光二极管(LED)。

(viii-6)如果必须对原料粉材布电，其布电电压为-500～-100V或+500～+100V。

(viii-7)印表机在定影阶段，将复合粉胚的树酯加热至融熔状态，同时将融熔的树酯压着在基材上面,此时的复合粉胚与不导电空白基材会因凡得瓦力而彼此吸附并形成线路。

依据本发明，搭配感光导体(图2，200)所使用的原料粉材(图1，122)可具有以下特性：

(i)粒径为0.05～100μm，更佳为1～50μm，最佳为10～35μm

(ii)电阻率(Resistivity)大于1.0×10-4Ωm

(iii)外观为不规则状,片状或球形皆可。

(iv)至少含有一种或一种以上的粘合剂。

依据本发明，原料粉材中的导电粉末成分可有以下特性：

(i)粒径：0.05～30μm，以5～15μm最佳。

(ii)电阻率：小于1.0×10-4Ωm

(iii)外观为不规则状,片状或球形皆可。

依据本发明，原料粉材中的粘合剂(Binder)成分可有以下特性：

(i)软化点(softening point)：大于70℃,

(ii)玻璃转移温度(Glass Transition Temperature,Tg)大于40℃

(iii)可以为热塑型树酯,例如聚酯树酯,亚克力树酯或亚克力与苯乙烯的共聚物。

(iv)可以为热固形树酯,例如酚醛树酯。

(v)可以为光固化型树酯,例如环氧丙烯酸酯。

依据本发明，原料粉材中导电粉末与粘合剂比例为：

导电粉末/粘合剂＝1/9～9/1，

较佳：1/4～4/1。

最佳：1/2～2/1。

亦即，导电粉末重量占整体粉材重量的10％-90％。

较佳：20～80％。

最佳：35～65％。

[实验I]

I.工艺阶段I：静电印制

1.制做成像用的非导电性原料粉材(non-conductive powdered toner)：

(i)用甲乙酮(Methyl Ethyl Ketone,MEK)溶解树酯(此处使用的是聚酯树酯，Polyester resin DIACRONL FC-1565)，所得到的树酯溶液，其固含量为25％。

(ii)将具导电性的粉材(此处使用的是铜粉)倒入装有上述MEK溶液的500ml烧杯之中。铜粉使用的重量是MEK溶液里的树酯含量的二倍。铜粉倒入MEK溶液之后，利用均质机强力分散，此时烧杯外部必须用4-10℃低温的水降温。

(iii)均质机分散30分钟之后，将此分散过的含铜粉溶液，利用搅拌机持续搅拌分散，并且让MEK挥发，直到整个溶液的固含量大于60％之后，停止搅拌。

(iv)将(iii)的溶液倒入一个面积约20cmx30cm，高度约3-5cm的不锈钢盘中，并放入45-50℃的烘箱之内干燥6小时。之后，再用70-75℃连续干燥20小时以上后,取出冷却。

(v)将(iv)冷却后的固体，利用粉碎机粉碎，所得的细粉即为成像用的非导电性原料粉材。

2.利用静电成像方法印制导电线路的复合粉胚：

(i)将原料粉材倒入AM30印表机(Avision生产)的碳粉匣内，打印时，感光导体(由Green Rich Technology Co.生产的有机感光鼓)的布电电压为+600～+650V。

(ii)印表机布电后的感光导体，经过激光照射曝光之后，其表面电压为+70～+150V。

(iii)使用厚度为50μm的聚酰亚胺薄膜(Polyimide Film,PI薄膜)做为印制用的不导电空白基材，将上述的非导电性原料粉材成像在此薄膜上,而形成具有用复合粉胚印制的导电线路的电路板基材。

II.工艺阶段II：粉胚烧结

将前述工艺阶段I所得，其表面上具有利用原料粉材印制成形，尚未具导电性的复合粉胚的PI薄膜，利用激光进行复合粉胚的高温烧结处理。本实验是利用激光的高温，瞬间将粉胚中的树酯气化或燃烧掉，并且同时将导电铜粉烧结并金属化成具通体导电性的结构体。程序中利用改变激光的移动速度及能量等，使得垂直的烧结深度，得以被控制：

(i)使用光源为波长1064nm的脉冲激光；

(ii)激光中心点的移动速度大于50mm/sec；

(iii)使用的激光功率大于0.5W；

(iv)脉冲宽度小于0.5ms，最大脉冲能量大于0.05mj；

(v)由数个激光光束打在复合粉胚目标物上,因脉冲激光烧结所形成的光点的中心点所连成的线，与另一条同性质的平行线，其线距不小于于0.03μm。

(vi)频率大于10Hz.

III.实验结果

(i)图3与图4分别为复合粉胚经烧结与未烧结的表面呈现性质比较。可以发现图右边经过烧结之后的表面，导电粉末明显的已经结成块状。而左边未烧结部分，其导电粉末仍然处于分散状态。

(ii)简单的测试方法是利用三用电表测量烧结是否成功。测量左边的电阻值，发现其为绝缘状态，而右边已烧结的部分则可以导通，其电阻值为6-35Ω。因此可以判断经过高温的烧结，导电粉已经烧结成块并且金属化成为通体导电性的导体。

本发明配合附图以优选实施例公开说明如上，然其并非用以限定本发明。任何本领域技术人员，在不脱离本发明精神范围的情况下，当可进行各类变动与变化，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。