摘要
为了实现结构电路一体化部件的快速制造，本文提出将增材制造技术与结构电路一体化技术相结合。传统结构电路一体化工艺基于注塑成形技术，成本高、周期长，难以实现快速制造与迭代设计。本文提出基于选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS）技术，开展结构电路一体化的制造工艺研究，该技术具有成型速度快、精度高等特点。尝试以激光烧结方式实现成形，随后进行激光活化和化学镀。试验结果表明可以在成形件表面快速制造出具有优良导电性能的镀铜区域。
结构电路一体化技术是指在注塑成形的高分子材料壳体表面，制作有电气功能的导线、图形等，从而将普通电路板具有的电气互连功能、支承元器件功能和壳体的支撑、防护等功能集成于一体，形成所谓一体化结构电
简言之，这项技术就是将电路部分整合到机械结构上，这样可以有效减少传统排线带来的空间占用、导线易断路等问题。该工艺将机械部分与电气部分结合到一个部件上，给工业生产和组装提供了巨大的发展空
近些年来，微小飞行器的快速发展也为结构电路一体化技术找到了一个新的应用领域，微小飞行器技术的关键就在于控制整个飞行器的质量，使用传统技术进行设计制造时，需要用导线来进行电气结构的连接，电路排线复杂易断，并且导线质量较大，不便于飞行器整体质量的控制。而使用结构电路一体化技术时，可以将导线做到结构件的表面，减轻质量的同时也优化了整体的结构，对于微小飞行器的设计制造意义重大。
但是在结构电路一体化技术中，成形方式一般是双组分注塑和热冲模压法，这两种方法完成成形都需要专用模具，之后才可以做出电路图案，并且注塑成形成本较高、成形周期长，且成形效果受限。所以需要找到一种新的成形方式来取代传统的注塑成形，如今最为方便快捷的成形方式是增材制造，增材制造中加工高分子材料的方式一般为选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS），因此尝试使用SLS来实现结构电路一体化技术中的成形工艺，这样一方面没有模具的限制，可以节约模具成本，另一方面又可以大大提高单次成形的效率，获得多样化的成形效果。
整个工艺分为两个部分：成形以及结构电路一体化功能尝试。成形选择了SLS，该方式是以二氧化碳激光器作为能源，利用计算机控制激光束在成形平面对铺好的基体粉末以一定的能量密度进行扫描烧结成形，层层堆积，最后形成立体成形件的过程。完成成形之后再通过激光活化以及化学镀的工艺在结构上制备出电路，以验证结构电路一体化功能，整体原理如
试验主要分为3个步骤：选择性激光烧结成形、激光活化和化学镀。第1步成形是将助剂粉末与基体粉末进行混合，再通过选择性激光烧结的方法对混粉进行烧结成形；第2步是在烧结成形的样件表面，使用激光绘制出需要的图案，实现激光活化；第3步是使用化学镀的手段在激光活化区域做出纯铜电路。
成形方式具体采用的是选择性激光烧结，该技术通过激光束产生高温使粉末原料表面熔融并相互粘结固化，其优点是材料适用性广泛、成形速度快、操作简便并且成形件无须支
试验使用的烧结材料是聚苯乙烯，属于高分子基材料，高分子基材料烧结质量好，需要的预热温度低，成形需要的激光能量较小，试验较为方便。设备为自行搭建的烧结打印机，采用上铺粉设计，成形尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，原理如
图1 结构电路一体化原理图
Fig.1 Diagram of integrated structure and circuit
图2 粉末示意图
Fig.2 Pictures of three kinds of powder
选择性激光烧结过程中存在的最大问题是收缩和翘
使用激光对成形件表面进行粗化处理以方便后续化学镀时金属粒子沉积的过程叫激光活
选用的活化激光器为光纤激光器，中心波长1 064 nm，最大扫描速度为4 500 mm/s，最大功率为30 W，脉冲频率50 kHz，选择了多组参数对烧结成形件表面进行活化试验，主要调整了激光功率以及扫描速度，选择激光功率分别为最大功率的25%，50%，75%和100%，扫描速度分别为1 500，2 500，3 500和4 500 mm/s，组合共16组参数，使用这些参数对烧结件表面进行激光活化。
正如活化步骤中所说，激光活化过后活化区域有金属粒子析出，这些金属粒子可以作为化学镀的靶点，从而在表面化学镀上一层薄铜。化学镀铜是指在没有外界电流的情况下，利用基体表面的催化活性使溶液中的金属铜盐与还原剂发生氧化还原反应，从而在基体表面沉积出具有一定厚度的金属铜层的一种表面处理技术，因其没有外界电流，因此常又被称作不通电
标准的化学镀铜流程为粗化―催化―化学预镀铜—微蚀―预浸―离子钯―化学
性能测试不仅是对做出的电路性能进行评价，更是对这整套工艺的评价，因此需要测试的性能参数主要包括镀速以及导电性。
镀速是评价结构电路一体化工艺的重要指标，较快的化学镀速可以较快完成预镀进行后续处理从而缩短整个工艺周期，传统的工艺流程中，化学镀的速度一般为5~10 μm/h。镀速测量是通过测量一定时间内化学镀样件前后的质量差确定镀层质量从而算出镀速，可以采用如下公式计算镀速v（单位为μm/h），即
| （1） |
式中：为样件前后质量差；为铜的密度，为8.93 g/c
烧结成形打印立方体样件尺寸为20 mm×20 mm×10 mm，如
图3 SLS激光烧结表面的宏观以及显微图
Fig.3 Macrostructure and micrograph of the sintering surface
在16组参数下的活化后的表面如
图4 活化表面
Fig.4 Surface after activation
参考传统工艺最优参数应为速度2 500 mm/s，功率20 W左右，对
图5 活化后的微观表面形貌与能谱分析图
Fig.5 Surface morphology and energy spectrum analysis of activated surface
对活化表面进行化学镀试验，使用同样的化学镀溶液以及环境进行，试验结果如
图6 不同活化参数下的化学镀结果
Fig.6 Clad layers under different activation parameters
使用该参数再次进行试验，试验结果表明在此活化参数下，依然有较好的铜镀层析出，结果如
图7 化学镀铜的宏观微观表面形貌以及能谱分析
Fig.7 Macrostructure,microstructure and energy spectrum analysis of clad layer
使用最优的激光活化参数做出1块5 mm×5 mm的正方形区域，活化参数为扫描速度为3 500 mm/s，扫描功率为30 W，脉冲频率50 kHz，对活化区域进行化学镀，时间为2 h，测5组数据，取的平均值为0.003 4 g，代入式（1）算出平均化学镀速为7.61 μm/h，与传统工艺参数接近，且镀速较快。
铜的电阻率约为1.80×1
此外还采用了公式计算的方法来计算其电阻率，使用该工艺在烧结件表面做出5 mm×1 mm的镀铜长条，计算得出镀层厚度约为3.8 μm，使用高精度数字万用表测量该段电阻为0.11 Ω，代入式（2）计算得电阻率为8.36×1
本文尝试了将选择性激光烧结技术与结构电路一体化技术相结合，使用选择性激光烧结的方式对添加了助剂的聚苯乙烯粉末进行成形，尝试在烧结成形件的表面进行激光活化与化学镀，最终做出表面质量较好的镀铜层，并且镀层在镀速以及导电性方面均表现优良，可以进行实际应用。该项技术的验证，将会对传统的结构电路一体化技术进行优化，也将会给微型机器人、飞行器的减重以及结构设计优化带来新的思路，具有广阔的应用前景。
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