视频：立体电路应用在蚂蚁机器人
在汉诺威工业博览会上，德国Festo公司展出了智能蚂蚁机器人。这款机器蚂蚁披了一层“电子皮肤”，又名立体电路，立体电路构成了其神经系统。相对传统的平面印刷电路，立体电路拓展了一个新的应用领域：采用立体电路的电子产品，可以缩小产品结构、减轻重量、减少组装步聚。目前这一技术已经在手机天线、智能穿戴产品、微型传感器、汽车领域、摄像头、无人飞机等领域得到了广泛应用。那么立体电路是如何制造的？立体电路和LDS有什么联系？
艾邦高分子通过实地拜访深圳微航磁电技术有限公司，给大家做个简单的介绍：
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一什么是立体电路？ |
立体电路是指相对传统的平面电路而言，将电子元器件直接焊接在3维曲面基材上的电路技术。根据工艺过程、电路形成方式，实现立体电路的制造工艺有多种，如LDS技术、PDS导电油墨印刷、LRP激光剥离、3D综合打印等。其中LDS技术制造的立体电路产品，可以满足PCB的行业标准。
通过高温LDS材料改性，激光镭雕工艺改善和化学镀药水配方实验，目前已经可以实现0402的芯片，焊接在立体电路的线路，可以承受0.45Kg的拉力。达到了PCB行业的标准。
图：立体电路用于手机天线（左），立体电路附着力测试
立体电路是近十多年发展起来的电路组装技术。它基于结构和性能的要求，可以把电子元器件直接焊接在塑胶曲面上，为产品创新，结构设计突破，寻求到了新的解决方案。相比传统的印制线路基材，其有特殊的优点，是对传统的电路制造技术的补充和发展。
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二LDS实现立体电路的全制程! |
视频：立体电路全制程，来源于微航磁电
立体电路是一类电子产品的结构形态，LDS则是打造这类产品结构形态最重要的工艺之一。了解更多LDS，请点击查看→LDS塑料如何让天线长到4G手机面盖上？如视频所示，立体电路全制程主要包括6个工序：材料改性、工程注塑、激光镭射、表面化学镀、3D喷锡、3D贴片等工序。如下图所示：
1、材料改性
常规的塑胶原材料虽然也可以通过激光表面处理，进行紧密金属沉积来获得金属线路。但是其结构附着力，是不能够与专用LDS材料相比的。专用的LDS材料中添了微细的少量的金属化合物和相容剂等助剂，通过注塑后，这些金属化合物均匀的分布在塑胶壳体内，采用激光活化出的金属原子，是嵌入在塑胶粒子之间，所以化学镀铜后，生成的金属层与塑胶层的附着力非常好；手机天线的材料一般以PC等塑料为主要成分，目前也是使用量最大的立体电路材料。
另外，形成立体电路，就要进行高温喷锡贴片，所以高性能立体电路的材料，必须是耐高温的。目前国内已经开发出的高温尼龙复合LDS材料，就可以耐温达到290度，可以替代进口的LCP材料。
图：智能3D打印LED灯，微航磁电用立体电路材料3D打印而成
2.工程注塑（注塑）
此工序即是将专用原材料通过注塑成型得到规定形状的注塑件。这道工序除了常规的壳料注塑要求，还要求在开模的时候，尽量避免合模线在线路区域，尽可能避免线路区域存在批锋、毛刺、锐角等问题。
此外，立体电路产品壳体的注塑是严格禁止采用水口料的。
图：JSW注塑机
3、激光镭雕
产品壳体注塑好后，下一道工序就是激光镭雕，进行素材表面区域，线路图案内的素材表面进行激光活化。激光镭雕一般需要采用专用的激光设备和工装夹具。根据3D线路图案的形装，采用不同的激光镭雕机台和工装夹具。
国内已经开发出的大型流水线型激光机，可以通过六轴联动，进行复杂3D曲面的图形镭雕加工，不需要二次装夹，取代进口的三激光头机器。
图：流水线型六轴激光镭雕机
4、表面化学镀
塑胶壳体通过激光活化，在72小时之内，就必须进行表面化学镀。表面化学镀也称无电解镀或者自催化镀，是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。
在立体电路工艺中，因为要保证较强的附着力和金属层的致密性，所以需要在化学镀过程中，通过药水的活性，严格控制铜的生长速度。通过调节药水的PH值，控制药水对素材的侵蚀。以及通过一些特殊的前处理工艺，解决产品化镀开裂，金属层保护的问题。
图：NMT+LDS工艺中化镀铝基材的保护方案
5、立体喷锡
传统的喷锡只能进行平面喷锡，不能进行立体电路的曲面喷锡，需要用到专用的设备方可以进行。
图：立体喷锡量产过程
6、立体焊接（贴片）
传统SMT贴片称为表面贴装或表面安装技术。它是一种将无引脚或短引线表面组装元器件安装在印制电路板（PCB）的表面或其它基板的表面上，通过回流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。而立体贴片是相对于传统的SMT贴片，实现在3D曲面的塑胶壳体上，进行电子元器件的自动化贴装工艺。这种立体贴装的工艺主要是针对立体电路技术而发展起来的。
图：耳机线控组件贴片前（下）和贴片后对比
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三 立体电路技术的三大发展方向 |
立体电路技术的发展涵盖高分子材料学，机械制造、计算机控制、3D数据处理、激光应用、化工基础等学科。根据立体电路行业资深专家周红卫先生的介绍，立体电路的关键技术研究主要是在三个方面：
1、立体电路新材料
新材料是应用基础，开发不同性能，特性的立体电路材料是将立体电路拓展到各个应用领域的基础。
2、激光加工装备
激光加工精度的提升，加工幅面的增大，是解决立体电路朝一大一小（大型汽车零部件表面电路化、微小型精密电子器件封装）两个方向发展的关键指标。
3、表面化学镀药水升级
通过表面化学镀药水的升级改善，才是降低工业应用成本，提升生产效率，保证立体电路产品良率的关键，同时如何将表面化学镀工艺，更节能，更环保。也是规模化生产应用研究的关键方向。
图：利用LDS技术制作的名片工艺品，图中金色字体部分为相应的线路
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四 立体电路技术的4大应用方向 |
1.成熟的手机天线市场
立体电路技术最早应用于手机天线市场，随着4G市场的成熟和5G的到来，未来信号天线的复杂度将更加提升，传统的FPC天线是完全无法满足其需求的，同时LDS天线，因为其高度的一致性，优异的过孔导通性能，同时简化了手机组装工艺。所以LDS天线已经逐步成为手机天线行业的首选。
同时，参照LDS天线的应用，在智能穿戴产业，摄像头，指纹识别等精密器件上，原来采用FPC工艺的组件，也开始逐步被LDS工艺所取代，直接把天线通过LDS工艺做成塑胶壳体曲面上。
图：立体电路在智能眼镜上的应用
2.电动汽车零部件领域
2015年随着特斯拉的出世、电动汽车市场爆发，电动汽车的轻量化，电子化成为主要发展方向。其中电动汽车的轻量化方向就是全塑化，电子化的实现基础就是表面电路化，而表面电路化的核心技术就是立体电路。
图：2016年CES展上BOSCH采用全塑化结构车身，应用立体电路技术，实现表面电路化
可以预期的未来的汽车零部件，绝大部分将采用全塑化结构（部件零件需要加强的，则采用NMT工艺）注塑成型。然后采用立体电路技术，制备结构+电气功能为一体的汽车零部件。（国内的材料供应商已经开发出适用NMT+LDS工艺的材料，如：PPS、PBT、PA10T等。甚至还开发出了可以进行3D打印的立体电路材料。了解更多LDS和NMT的关系请点击查看：这三种塑胶+金属技术：LDS、NMT、MIM，不要再傻傻的分不清！）
3.微小型精密电子封装
通过激光加工装备的改进，获得微细线路和精密线路图案的成型。通过立体电路技术，可以对一些微小型的精密电子部件，进行封装。
图：贴片式传感器
4.光电产业应用
立体电路技术利用其复杂结构成型的特点，以及表面金属化的特点。可以广泛应用于光电产业。如曲面LED灯基座，无线快充散热基座，动力电池散热组件等方面。
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图：深圳微航磁电技术有限公司董事长周红卫（左）和艾邦高分子创始人江耀贵
关于微航磁电
深圳微航磁电技术有限公司成立于2011年，是一家基于激光塑料、磁电材料等新材料开发，通过自主研发的新装备，采用新工艺，制作新型电子元器件、电子产品的国家高新技术企业。目前，拥有两条自主研发的激光镭雕生产线，40余台镭雕机和一条90米长全自动PLC控制的进口药水化镀生产线。主要服务于智能手机天线、智能穿戴、微电子器件领域，还计划向汽车零部件、精密电子、光电领域进行定制化的产业应用研究。周红卫先生微信：Z7779888
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