分析 | 3DプリントPCB基板に基づく絶縁層材料の選択と分析

著者: Sun Changjian、Zhang Zhiyi、Zhang Peng、Bai Lei (北華大学)

現代社会では科学技術の発展に伴い、電子製品が人々の生活に浸透しており、電子製品の基礎となるプリント基板の需要も増加しており、その品質に対する要求もますます高まっています。プリント基板（PCB）は、電子工業製品における重要な電子部品です。電子製品に不可欠な基板として、日常生活における電卓、電子時計、携帯電話、コンピューターなどの小型製品のほか、通信、医療、軍事産業などの分野でも使用されています。

従来の PCB 製造方法は、主にサブトラクティブ処理とアディティブ処理の 2 つに分けられます。現在、わが国の PCB 製造では、主にサブトラクティブ処理、つまり銅エッチングを基本プロセスとして使用しています。生産サイクルが長く、プロセスが複雑で、さらに時代の進歩に伴い、わが国のPCB製品のコストが上昇し、生産プロセスにおける環境汚染も深刻で、わが国の持続可能な開発とクリーン生産の道筋に合致していません。 3Dプリンティングは近年登場した加工技術です。デジタルモデルファイルをベースに、粉末金属やプラスチックなどの接着可能な材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。現在、3Dプリンティング技術とプリンテッドエレクトロニクス技術を組み合わせることが研究のホットスポットとなっています。コストの観点から見ると、3Dプリント技術は加工に「付加的方式」を採用しており、従来のプロセスよりも材料利用率が高く、コストを節約できます。加工中に廃ガスや廃液が発生しないため、クリーンで環境に優しく、生産工程が削減され、エネルギー消費が削減され、従来のプロセスよりも効率的です。

さらに、複雑な回路を印刷する場合、通常、同じ基板上に多層回路印刷を実現することが望まれます。これにより、使用する基板の面積を大幅に節約し、回路の小型化を実現できます。多層回路では、層間の絶縁材料の選択と使用が伴います。独自に設計された新型3Dプリンターをベースに、FDMプロセス原理を応用した造形原理を採用し、多層回路絶縁層材料の選択と造形プロセスを研究しています。
△ ドリームインク3Dプリント回路
1 PCB層間絶縁材
PCB基板は、自社設計の3Dプリンターで印刷されます。基板は写真用紙を選択し、印刷材料には導電性銀ペーストを使用します。印刷パスはスライスソフトウェアで計画し、最終的に設計されたノズルから押し出して印刷します。印刷プロセスは室温で実行できますが、印刷された電子回路は加熱して硬化する必要があります。第 1 層に印刷された電子回路に基づいて、絶縁層材料として電子ポッティング接着剤が選択されます。ポッティング接着剤（電子接着剤とも呼ばれる）は、電子業界で広く使用されており、電子部品を保護するための接着、シーリング、ポッティング、コーティングの役割を果たしており、不可欠で重要な絶縁材料です。材料の面では、ポッティング接着剤には主にエポキシ樹脂接着剤とシリコン樹脂接着剤の 2 種類があります。

（１）シリコーンポッティング接着剤は、有機ポリシロキサンをベース接着剤として、架橋剤、触媒、充填剤、その他の機能性添加剤で構成されたポッティング材料です。動作温度範囲が広く、熱安定性、化学安定性、電気絶縁性に優れ、一定の耐水性、耐候性、耐紫外線性があり、成形が容易で、環境保護性に優れています。
△ ドリームインク3Dプリント回路
（２）エポキシポッティング接着剤エポキシ樹脂（EP）接着剤は、エポキシ樹脂をベースに、硬化剤、促進剤、充填剤、その他の添加剤を組み合わせた包装材料の一種です。エポキシポッティング接着剤は、接着性、電気絶縁性、耐腐食性、高硬度、低硬化収縮、および小さい線膨張係数に優れています。しかし、一般的なエポキシ樹脂硬化物は脆く、割れやすい、熱膨張係数が大きい、耐熱性や熱伝導性が低いなどの問題がありました。

テスト用の印刷材料として、HJ711、HJ-721、HJ-101、HJ-374、HJ-375の5つの2成分ポッティング接着剤が選択されました。そのうち、HJ711、HJ-721、HJ-101は2成分シリコンポッティング接着剤であり、HJ-374とHJ375は2成分エポキシ樹脂ポッティング接着剤です。実験比較を通じて、このプリンターで印刷できる絶縁材料が選択されました。図 1 は、独自に設計した導電性銀ペースト押し出し 3D プリンターを示しています。

2. 流動性試験
2.1 印刷材料の流動性<br /> 流動性とは、流体が流れる能力を指します。流体の物理的特性と技術的指標をテストするための重要な基準の 1 つは、流体の流動性が基準を満たしているかどうかです。 3D プリント PCB 絶縁層テストでは、印刷材料の流動性が絶縁層を準備して形成できるかどうかの鍵となります。印刷材料の流動性が強すぎると、ノズルから材料を押し出すときに押し出し機から余分な材料が流れ出し、押し出される材料の量が多すぎるため、3D印刷中に印刷物の形状と精度を制御できなくなり、基板に印刷するときに材料が流れて成形に影響を与えます。印刷材料の流動性が弱すぎると、押し出し機はノズルから材料を不均一に押し出し、基板に印刷された材料が不連続になったり、押し出すことができなくなったりします。

選定した5種類のポッティング接着剤（HJ-101、HJ-711、HJ-721、HJ-374、HJ375）の流動性を流動性試験サンプルで測定し、材料を比較することで本プリンターでの印刷に適した材料を選定しました。印刷に適した流動性の範囲は実験によって決定され、最終的に 2 成分電子ポッティング接着剤の比率が調整され、材料が必要な流動性の範囲に達するようになります。選択された 5 つの電子ポッティング接着剤の物理的特性を表 1 に示します。

2.2 流動性試験片とその金型<br /> 流動性試験片には、らせん状、U字型、球形、くさび形など多くの種類があります[8]。スパイラル試験片はコンパクトな構造で占有スペースが小さいため、図 2 に示すように、このテストではスパイラル試験片が選択されました。図3は流路断面の寸法を示しています。

押し出し機構における印刷物の流動性をシミュレートするため、図2に示す金型を使用して測定を行い、その全長は495mmであった。流路の形状はアルキメデスの螺旋であり、その極座標方程式は r(θ) = 8 + 30θ/π (1) で表されます。ここで、r は極直径 (mm)、θ は極角 (rad) です。らせん係数は 30/π で、1 rad の回転あたりの極直径の変化を表します。らせんがΔθ=2πだけ1回転すると、極の直径はΔr=30/π·2π=60 mmだけ増加します。らせん間の距離を等しくするために、同じらせん係数 b が使用されます。 θ=0における極の直径は8mmであり、3つのスパイラルの初期位置はφ16mmの同じ円周上に均等に分布しています。他の条件が同じであれば、螺旋の長さは流路係数（M=A/L）に比例します。表2に流路断面寸法を示す。

2.3 断熱材の流動性試験<br /> 選択した絶縁材は 2 成分のポッティング接着剤であるため、最初に各タイプのポッティング接着剤の指定された比率に従って絶縁材を準備し、2 つの成分が均等に混ざるように均一に撹拌する必要があります。次に、準備した絶縁材料を流動性測定用金型に流し込み、測定します。断熱材の流動距離は100mmを基準とし、断熱材が中心の穴から流路入口に入り、規定の長さに達した時点で計時を開始し停止します。この時間を流動時間とします。

同じ試験環境下で、流路は等断面積の水平流路に簡略化される。印刷物の流動性は、同じ流動長条件下で設定長さに達したときの流動時間に対する設定流動長 L の比で表されます: v = L/τ (2) ここで、v は流速であり、印刷物の流動性を特徴づけます。τ は流動時間、つまり、シリコーンポッティング接着剤が流路に入ってから設定長さまで流れるまでの時間です。L は、螺旋流路内のシリコーンポッティング接着剤の設定流動距離です。

絶縁材料の流動性が絶縁材料自体の特性にのみ関連し、流路のサイズなどの外部要因とは無関係であることを確認するために、同じ絶縁材料を流路サイズの異なる 1# および 2# の 2 つの金型でテストし、結果を水平に比較します。誤差が許容範囲内であれば、絶縁材料の流動性は流路のサイズとは無関係であることが証明されます。テストデータは表3と表4に示されています。

試験結果によると、流動距離が一定の場合、異なる流路内の各絶縁材料の流速は基本的に一定であり、誤差は 1% 以下です。印刷材料の流速は、流路の断面積や幅とは無関係であることがわかります。したがって、印刷材料の流動性は、印刷材料自体の特性にのみ関係します。絶縁層の3Dプリントは通常、室温で行われます。一定の温度を確保した状態で、成分Aと成分Bの比率を変えることで、印刷材料自体の流動性を変えます。

3 断熱材印刷テストと結果分析<br /> 絶縁材は、テスト用に独自に設計した押し出し3Dプリンターを使用して写真用紙に印刷されました。第 1 導体層の理論分析と抵抗パラメータの計算に基づいて、印刷ノズルとして金属分割ノズルが選択されました。金属分割精密ノズルの内部チャネル構造により、ノズルの断面の変化点、つまり流れセクションで収縮が発生します。このノズルタイプは、徐々に収縮する流れ面を備えています。この設計により、一定の粘度を持つ流体がノズルの壁から分離する傾向がなくなります。ノズルは、印刷テスト用に独自設計の 3D プリンターの押し出し機構に取り付けられました。絶縁層に選択した 5 つの絶縁材料のほとんどは、第 1 層印刷材料の導電性銀ペーストよりも流動性が優れているため、絶縁材料の印刷精度を確保するために直径 0.3 mm のノズルが選択されます。印刷する立体グラフィックスは、長さ60mm、高さ0.2mm、幅0.6mm、間隔2mmの平行六面体3つとします。図4はテストモデルと寸法を示しています。

テスト中に、異なる材料の流動性が異なるため、固定間隔で印刷されたグラフィックは各材料の成形要件を満たすことができないことが判明しました。そのため、モデルの間隔やノズルのサイズを変更したり、3Dプリントのパラメータを調整したりすることで、3Dプリンターで材料を印刷することができます。テストデータを表5に示します。

試験データと実際の試験条件から、HJ-101は常温で硬化するため、混合後すぐに硬化が始まり、それ自体の流動性が悪いことがわかります。ノズルのサイズや関連する印刷パラメータをどのように調整しても、ノズルからスムーズに押し出すことができず、絶縁層印刷材料として使用することはできません。現在、HJ-711は絶縁材料として印刷に最も適した材料です。流動性が良く、滑らかに連続的に押し出され、連続印刷中にノズルが詰まることはありません。印刷されたグラフィックは規則的で、硬化後の実際のサイズ誤差は大きくなく、厚さは薄く、硬化後の柔軟性が高く、自由に曲げることができます。 HJ-374は混合後黒くなり、刺激臭があります。連続印刷中にノズルが詰まることが多く、廃棄物の処理が困難です。粘着力が強く、実験室環境を汚染します。また、硬化に時間がかかり、実験室での使用には適していません。 HJ-375は混合後、黄褐色になり、刺激臭があります。印刷されたグラフィックはより規則的ですが、より厚くなっています。硬化時間は中程度です。硬化後、質感はより硬くなり、自由に曲げることができなくなります。 HJ-721は流動性が強く、スムーズに押し出すことができますが、成形が不規則で精度が低いという問題もあるため、このテストには適していません。

絶縁層の印刷材料としては、基本的な絶縁条件を満たす必要があります。この 3D プリンターに適した絶縁材料は、DF2671A 耐電圧テスターによってテストされています。図5はDF2671A耐電圧試験装置、図6はHJ-711プリントモデルです。

試験で測定された試験電圧と漏れ電流から大まかに試験抵抗を計算し、体積抵抗率は式(3) [11]を使用して計算されます。ρ = R(S h ) (3) ここで、ρはポッティングコンパウンドの体積抵抗率、Rは測定された抵抗値、Sは試験面積、hは試験厚さです。テストデータは表6に示すように記録されます。

硬化後の実際のサイズは、理論上のサイズと比較してさまざまな程度に収縮します。シリコンポッティング接着剤と比較すると、エポキシ樹脂ポッティング接着剤は収縮率が低く、誤差が小さくなります。実際の印刷幅の誤差範囲は 0 ～ 7.6%、実際の印刷長さの誤差範囲は 3.3% ～ 8.3% です。計算表のデータから、長さの誤差率が比較的大きいことがわかります。上記 5 つのテスト材料はすべて複数回の印刷テストを受けており、印刷テストの要件を満たす材料を選択する際に、各材料の理論値または最高値に最も近いデータが表に記録されます。

4 結論 独自に設計された押し出し3Dプリンターにより、写真用紙を基板とし、導電性銀ペーストを導体層印刷材料として、選定した5種類のポッティング接着剤（HJ-101、HJ-711、HJ-721、HJ-374、HJ-375）の流動性試験および絶縁層印刷試験を実施しました。総合的に検討・分析した結果、HJ-101はプリンターで印刷できません。HJ-721はプリンターで印刷できますが、精度と成形効果が絶縁層の要件を満たしていません。HJ-374は環境に優しくなく、硬化時間が長く、連続印刷中にノズルが詰まり、印刷サイクルが長いため、このプリンターの絶縁層印刷材料としては適していません。 HJ-375は印刷材料として使用でき、収縮率が低く、誤差が小さいという利点がありますが、絶縁層は硬化後に脆く硬くなり、自由に曲げることができません。HJ-711は、このプリンターの絶縁層の印刷材料として最適であり、硬化後にある程度の柔軟性があります。フレキシブルPCBボードは日常生活で幅広い応用の見通しがあり、さらなる研究開発が必要です。

著者: Sun Changjian、Zhang Zhiyi、Zhang Peng、Bai Lei (北華大学)

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