德中新3D-MID工艺：Lpum介绍

德中新3D-MID工艺：Lpum介绍

摘 要：本文主要介绍了德中一种新的3D-MID工艺-Lpum工艺的流程、原理及技术特点等。

关键词：3D-MID新工艺；塑料表面选择性金属化；激光应用；

德中（天津）技术发展有限公司 王恒亮 电话：022-83726901 手机：13821999591

一、3D-MID概述

3D-MID一般指Three Dimensional-Molded Interconnect Device（三维模塑互连器件）；或Three Dimensional-Mechatronic Integrated Device（三维机电集成器件）。

3D-MID技术能在注塑成型的塑料壳体的表面上，制作有电气功能的导线、图形，并直接在壳体上安装元器件并使其电气互连，从而实现电路板的电气互连功能、支承元器件功能和塑料壳体的支撑、防护功能以及由机械实体与导电图形成结合而产生的屏蔽、天线等功能集成于一体，形成"三维模塑互连（机电集成）器件"。

常用的3D-MID技术有以下几种：

• 德国LPKF公司的Laser Direct Structuring（激光直接成型）工艺，步骤为：注塑成型—激光活化—化学镀铜+化学镍金。
  
• 日本Sankyo Kasei公司Two Shot Molding（两步注塑）工艺步骤为：非电路部分注塑—电路部分注塑—化学镀铜+化学镍金。
• 日本松下的Laser Resist Imaging（激光选择性去抗蚀剂）工艺，步骤为：工件注塑—化学镀铜—涂覆抗蚀剂—激光选择性去除抗蚀剂—蚀刻—表面处理（镍、金等）。
• 美国OPTOMEC公司的AJ/Aerosol Jet（气溶胶态直接喷印）工艺，步骤为：工件注塑成型—喷印气溶涂料—用氙灯或激光或烘炉烧结。
• 奥地利公司Plasma Innovations（等离子涂覆）工艺。该工艺用低温+微细+常压下的等离子涂覆导电材料方法，直写导电结构，阳极和阴极间的电弧产生等离子流，其能量将输入的铜颗粒熔化，喷到基材上，直接形成导电结构。

其他工艺还包括pcb图形镀的3D-Photoimaging工艺、Hot Embossing技术及经激光修整的LRP技术等。

根据各工艺的机理简单归类总结如下：

图1 3D-MID各工艺机理归类总结

各工艺的技术参数及优缺点：

表1 3D-MID各工艺的技术参数及优缺点

二、德中Lpum工艺

Lpum（Laser Patterning Undoped Materials）工艺，是德中自主研发的可在塑料基材上选择性金属化的工艺，为一种全新3D-MID技术工艺。Lpum工艺采用不添加LDS粒子的普通塑料基材，通过特定的激光加工方法，可控改变材料表面状态，为后续活化和金属化创造所需的表面状态，并提高基材表面与金属线路的结合力。

与其它3D-MID工艺相比，Lpum工艺可广泛在红外、紫外纳秒或者皮秒等先进激光机器上使用，金属化线路更加精细。实验结果表明，Lpum工艺的激光加工方法可提高基材与金属线路的结合力，如基材与铜层之间的剥离力可以达到0.54—1.46kgf/cm。

图2为Lpum工艺的流程图：

1. 普通塑料注塑：注塑时不需要添加LDS粒子。与表面哑光的基材相比，表面高光的基材选择性更好。
   
2. 前处理：用药水浸泡、或涂覆薄膜、或等离子等工艺的一种或几种，在基材表面产生一层疏活化剂层，该疏活化层能够减少或阻止活化剂的吸附。不同种类的塑料，前处理工艺有可能不同。
   
3. 激光加工：激光加工有疏活化剂层的基材表面，可破坏并去除图形部分的疏活化剂层，使得图形部分与非图形部分对活化剂有不同的吸附性能；此外，激光还可改变图形部分的表面粗糙度，提高图形部分与金属层的结合力。
   
4. 活化：由于激光加工造成吸附性能的差别，当活化剂在基材上沉积时，图形部分会多沉积，非图形部分少沉积或不沉积，提高了选择性。再经过去除速率均匀的除活化剂步骤，反应一定的时间后，可将非图形部分的活化剂全部去除，只保留图形部分的活化剂。
   

   图2 Lpum工艺流程图
   

5. 金属化：金属化的第一步是化学镀。正常情况下，金属离子在有活性中心的地方才会结晶沉积，没有活性中心的地方不会沉积。但如果药液活性很高，就会出现在没有活化中心的地方也沉积，所以化学镀药水的管控非常重要，起镀速度和沉积速率高或低都会导致溢镀或者漏镀。基材表面沉积一层金属后，就可以电镀增厚、沉镍金或者电镀镍金等。
   

相比较其它3D-MID工艺，德中Lpum工艺有以下优势：

1. 使用普通基材，在注塑时无需添加LDS粒子，降低基材成本。
   
2. 可兼容使用紫外纳秒、紫外皮秒等先进的激光器。光斑小，线路更加精细化。
   
3. 采用特殊激光加工方法，可控调节基材表面状态和结合力。
   
4. 激光加工同步实现基材的粗化，无需化学粗化，工艺绿色环保，成本低。
   

三、Lpum工艺性能

1、精细化的线路：

Lpum工艺采用脉冲激光加工方法，通过设置足够大的加工路径间距和扫描速度，以单个激光脉冲或者脉冲串与材料表面发生反应，最终在材料表面形成一定排列的、没有叠加的微坑。

如图3所示，该图是激光以单个脉冲或者脉冲串与材料作用后，形成有序排列微坑的SEM图。为了方便观察，相邻两个微坑中心的距离设置为50μm，以平行的激光加工路径为例，线与线之间的距离即为上下行相邻微坑的中心距离，而脉冲激光的扫描速度除以频率则为左右间相邻微坑的中心距离。因此，通过调节线宽、扫描速度和频率来控制微坑的中心距，从而有效调节微坑排列的密集程度。

功率越大，微坑直径越大，当微坑中心距设置小于微坑直径，相邻微坑会相互叠加，导致坑边消失，微坑也就不能称之为 "坑"。因此，初始需要设置足够大的中心距，并获得不同功率下的微坑直径，再根据微坑直径大小，设置稍大一点的中心距，以获得排列紧密且无叠加的微坑。

图3中单个微坑的直径在28μm左右，坑深度在7.2μm左右，微坑内部结构也比较复杂。

图4为图3蓝色框继续放大5倍的SEM图。可以看出，微坑内部不是平滑的，而是存在分层、突出、蜂窝等各种结构。这样复杂的内部结构更有利于金属层和基材结合。通过调节激光光斑内能量分布，即可调节微坑内部结构。

设置好路径距离和扫描镀速等，可在基材上表面形成无边界叠加的密集排列的微坑（图5）。从切面可观察到，在微坑的中心位置处有等间距的一个个v形小坑（图6）。图7为微坑光学显微镜测试图，该微坑的直径为18μm左右、相邻微坑中心距为20μm。

图5 微坑正面 图6 微坑切面 图7 光学显微镜测试深度

Lpum工艺支持使用紫外皮秒等光斑极小的激光器，激光加工线路可以按照单排成线的方法，加工出和光斑大小接近的极细线路。但是，在后续实际生产中，单排线化学镀时容易断路、增厚镀层过程中镀层向线两边扩散导致线变粗等因素，这种极细线路只有在比较苛刻的条件下才能够实现。下图是在实验室里做出的17μm左右的线路（图8、图9为放大100倍下的图像、图10为放大1000倍下的图像）：

图8 样品1（一） 图9 样品1（二） 图10 样品1（三）

虽然20μm以下的极细线路生产难度大，但Lpum工艺能轻易实现生产50~100μm的线路,下图是放大500倍左右的线路图（图11、图12、图13中金属线路宽度在60~70μm左右）：

图11 样品2（一） 图12 样品2（二） 图13 样品3

2、镀层与基材的结合力：

现有的大多数类似的工艺，均使用红外连续激光加工烧蚀出蜂窝状的表层以便于活化剂吸附，激光与基材表面反应是升华或汽化和重熔同时作用。单位面积能量（能量密度）需要保持在一定范围，能量密度小，反应以重熔为主，蜂窝孔洞少；能量密度大，以升华或汽化为主，蜂窝层太薄。而且蜂窝层最上层的碳化结构比较松散，如图14、图15中红色圆圈所示。松散结构层会降低结合力。并且，在保持能量密度不变的情况下，增加加工次数时，松散层厚度也随之增加，结合力亦无法提高。

图14 使用红外连续激光的工艺样品切面图 图15 图14蓝色框放大5倍图

相比现有工艺而言，德中Lpum工艺可有效调节微坑的直径和结合力。激光能量密度越大，坑的深度越大，结合力越好。

实验使用三种基材，裁切成10cm*10cm小板，表面全部经Lpum工艺激光加工，后经金属化和镀铜处理，结合力测试如下表所示。测试标准：DIN 51 221, part 1，剥离力测试实验，方法原理如图16所示：

测试结果如下三表：

图16 剥离力实验原理图

表2 FR4基材剥离力测试结果

表3 LCP基材剥离力测试结果

表4 纯环氧树脂基材剥离力测试结果

从上三种材料的规律能看出，能量密度越大，结合力越大。

下图是在63*88mm的ABS板材上，运用Lpum工艺做出的一个微波图形金属导线样品。

图17 ABS基材 图18 激光加工后 图19 金属化后 图20 样品细节

以上结果表明，Lpum工艺作为一种新3D-MID工艺，能在普通材料上实现选择性金属化，加工线路精细，可有效控制基材与线路的结合力。

四、疑问解答

1、该技术适用于所有的塑料吗？

Lpum工艺现阶段能应用于ABS和含ABS的合金（比如ABS+PC）。在高性能塑料中比如PEEK、PPS、LCP上也有突破性进展，后续需进一步细化，目前在研发中。

2、能够使用红外等波长的激光器吗？

只要激光器激发的激光光束能与塑料表面发生反应，Lpum工艺就可适用，但最好是脉冲激光器，因为连续激光加工单独坑洞的效率慢且坑洞直径大。

3、坑深度越大，结合力就越大，那么不断增加加工次数，结合力就会无限大，对吗？

理论上是如此，但在实际生产中，会存在以下三种问题：（1）、增加加工次数会降低加工效率，因此，实际生产中加工次数不能过多；（2）随着坑洞深度增加，增加加工次数，会显著降低加工效果，坑洞深度变化也越来越小；（3）对于厚度比较薄的材料，不允许坑洞深度过大。

4、该技术能达到的最小线宽间距是多少？

最小线宽间距与使用的激光机的光斑直径（聚焦后的光束束腰直径）大小有关。

以开发ABS基材时为例，Lpum工艺可使用红外纳秒、紫外纳秒、紫外皮秒等不同激光机。其中的理论光斑最小的是紫外皮秒，机器的光斑大小为13.95μm，与ABS基材反应后的微坑直径（包括周边热影响区）为15~36μm，单排成线虽能镭射出17μm左右的线，但需要非常精密的设备和精细的管控才能保持好的良率。双排成线相对简单，加上考虑镀层增厚（6-8μm）时侧向扩展，最终可做出50μm左右的线路。那么最小的线宽间距约为50/80μm。