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激光直接成型技术实现低成本3D集成电路
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-29 10:18:07

作为一项已经成熟的技术,激光直接成型(LDS)技术利用激光烧蚀和金属化等步骤,在注模塑料部件上创建电子线路,同时为表面贴装元件提供安装面,最终实现三维模塑互联元件(3D-mid)。

Doug GriesselectConnect Technologies公司业务开发副总裁

电子产品小巧紧凑、功能齐备的发展趋势,正在促使电子和机械设计人员不断寻求创新技术,以便在更小的空间内实现更多功能。激光直接成型(LDS)技术发展至今大约已经有十年的历史了,但是其过去主要应用在手机天线集成制造领域。直到最近,LDS技术才开始跨出手机天线集成制造、进入到了更加广泛的应用领域。

激光直接成型技术在一个注塑成型的塑料元件壳体上,沿着壳体轮廓在其表面上烧蚀电路走线痕迹,从而创建出一个三维模塑互连器件(3D-mid)(见图1。在加工过程中,首先根据设计方案在塑料元件壳体上用激光烧蚀电路走线痕迹,然后再对经过激光烧蚀的部分进行金属化镀层,这样在壳体上就形成了电子线路。元件壳体要使用耐高温的热塑性材料,这样就能够使用标准的回流焊工艺安装表面贴装元件。3D-mid带来了非常明显的设计和制造优势:零部件布局更加紧凑、产品更加小型化、质量更轻、装配时间大大缩短、产品可靠性更高,同时其还有望在医疗、汽车、工业和军事/国防领域的一些新兴应用中,降低总体系统成本。

1三维模塑互连器件(3D-mid)将注塑成型的元件外壳和电子线路整合在一起。

三维直接成型

LDS过程从一个已经用热塑性复合材料注塑成型的元件开始。在这种热塑性材料中,一种有机金属添加物被混合到其聚合物阵列中。实际上,这种有机金属添加物是一种用有机涂层包裹的金属微粒,其并没有显著改变热塑性材料的固有属性。常用的热塑性材料有液晶聚合物(LCP)、耐高温尼龙(PA6/6T)、聚钛酸脂(PPA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、PBT/PET和聚碳酸酯/ ABS塑料等。

 首先,注塑成型的热塑性元件被固定在一个激光系统中准备进行表面活化。在进行表面活化之前,激光系统已经通过设计人员的编程,输入了相应的CAD数据。这一过程通常被称为“孵化”,这是制造最佳成型部件的关键一环,因为要根据电子线路的布局,选择一种最佳的激光工作模式。

电路走线痕迹是采用功率为16W二极管泵浦的掺钕钒酸钇(NdYVO4)激光器烧蚀出来的。该激光器的声光Q开关,确保其能够提供高度稳定的脉冲(脉冲到脉冲之间的稳定性优于1.5%),这对于实现部件的均匀活化至关重要。波长为1064nmNdYVO4激光源,提供20~100kHz脉冲重复频率,同时该系统还使用了一个高速扫描仪和光学Z-轴,用于实现三维光束传输。该激光系统的最大扫描速度为4.0m/s,烧蚀电路走线痕迹和焊盘的光束的直径为65μm

针对特定的刻蚀材料,第一遍镀层会对是否需要调整或优化激光参数给出一个很好的暗示。根据目前所能提供的LDS模塑等级的宽度,激光功率的设置范围是2.0~7.0W,频率的设置范围是40~100kHz,刻蚀速度的设置范围是2.0~4.0m/s。当然,对于上述三个参数,每种材料都有一个推荐设置值,但是如果用推荐参数不能获得最佳的刻蚀表面,还可以对这些参数进行适当的调整。

当激光接触到注塑成型元件的表面时,形成的表面活化会达到两种不同的效果。首先,激光能量打破有机金属微粒的有机涂料,将金属微粒暴露在元件的表面。其次,元件沿着激光束的痕迹被刻蚀,进而创造出易于实现金属化的粗糙表面(见图2)。根据元件所用材料的类型和激光参数设置(主要是功率设置)的不同,激光刻蚀作用会在元件上形成一个非常小的通道(深度10μm)或是一个非常小的山脊。在没有进行激光刻蚀的区域,有机金属的表面并没有受到影响。接下来要对元件经过激光活化的部分进行金属镀层。

  

2:激光直接成型(LDS)刻蚀高分子材料,进而创造出一个活化的粗糙表面,以易于实现金属镀层。

selectConnect Technologies公司获得专利的selectConnect金属化过程中,第一步是化学镀铜,暴露着金属微粒的粗糙表面,创建一个负电势,实现铜层的沉积。由于铜的抗氧化性能相对较差,因此后来大多数3D-mid都选择化学镀镍。当然,也可以选择沉积金层,金层将提供更为卓越的抗抗氧化性能,同时还能为表面贴装元件提供理想的安装面。对于这些金属镀层,典型的镀层厚度为:铜为100~600微英寸(1英寸=24.5);镍为50~100微英寸;金为3~8微英寸。当然,根据实际应用需求,如承载更大的电流,铜和镍的镀层可以更厚些。但是金层的厚度必须限制在8微英寸以内,因为镀金层的过程并不是一个自催化过程。如果需要较厚的金镀层,那么化学镀金层是一种可行的选择方案。


应用与限制

目前,LDS技术最常见的应用领域是无线天线和载流电路。利用LDS技术,可以将手机天线集成到手机内部的一个功能性塑料元件上,从而消除了对单独金属天线的需求。在集成手机天线应用中,LDS技术的好处发挥得淋漓尽致:既实现了部件整合和产品小型化,又减少了部件组装工作,这对于大批量生产和降低手机成本至关重要。此外,LDS技术还很容易与快速成型相结合,以配置不同的天线布局。目前,市场中很多手机天线的制造都是利用LDS技术实现的。

除了集成手机天线应用外,目前LDS技术正在拓展到更加广泛的应用领域。从本质上讲,LDS技术是将电子线路集成到了机械塑料元件上。如果没有LDS技术,那么至少需要一个单独的电路板或柔性电路来承载电子线路。

面对封装方面的限制,设计人员自然而然地会在电路布局方面挑战极限,他们希望电子线路越来越细,两条线路之间的间隔越来越小。由于LDS技术使用的光束直径为65μm,当然这是理论上最小的宽度,而在实际加工过程中,最小宽度至少是理论值的两倍。对于两条线路之间的间隔,其最小间隔必须要保证在镀层过程中,不会导致两根平行的电子线路相交(短路)。根据迄今为止的实践经验,适合生产的最小电子线路宽度和线路之间的间隔分别为0.008英寸(8mil)和0.010英寸(10mil)。当然,在技术上可能还可以实现更小的电路线宽和电路间隔,但是在实际加工中需要认真考虑设计的各个方面,确保能够为大批量生产提供一个足够可靠的加工过程。

 随着安装表面贴装元件灵活性的增加,现在基本上已经可以将电子线路板作为机械塑料元件的一部分了(见图3)。对于需要无铅回流焊的应用,聚合物LCPPPA可承受典型的回流焊温度;BASF公司提供的聚酰胺PA6/6T树脂,可以承受必要的高温。在塑料元件中,也可以创建过孔用于连接元件的两侧,这为设计师带来了更大的灵活性,因为这样就可以在元件的两面布置电路了。由于过孔的表面需要进行激光活化处理,因此过孔的设计可以采用简单的圆锥形来实现。

 

3:用LDS技术制造的用于医疗器械中的电路板,显示了注塑元件与电子线路和表面贴装元件的一种独特集成方式。

LDS技术在医疗领域也开辟出了广泛的应用天地。除了用于制造静脉调节器、血糖仪、牙科工具、助听器、手钳、温度诊断笔和清洗台外,LDS技术在医疗应用中的一个绝好的案例是DIAGNOdent诊断笔,这是一种用于检测龋齿病变(牙釉质脱钙或受损的区域,见图4)的手持式激光笔。该手持式激光笔是从一个桌面仪器重新设计而来的,它使用了3D-mid元件,最终实现了尺寸、重量和成本的大幅缩减。针对该产品的一项投资回报研究显示,LDS技术的使用将产品的装配时间从20秒缩短到了6秒,大幅增加了装配产量,同时也将产品的零件数量从8个缩减到了3个,总成本实现了78%的巨幅缩减。

 

4:使用LDS技术制造的检测龋齿病变(牙釉质脱钙或以某种方式受损的区域)的手持式激光笔,外观小巧轻便。与传统的制造方法相比,LDS技术将产品的总成本大幅缩减了78%。

在汽车领域,我们也看到LDS技术正在应用于转向轮毂、制动传感器和定位传感器等领域。LDS技术在工业中的应用包括集成连接器、全自动加样器、运动传感器以及RFID天线等。在一项汽车应用中,在高温、高湿度(85°C/85%的相对湿度)环境下对一个旋转制动传感器的检测表明,在经过1000小时的测试后,其300个零件都没有任何缺陷。该应用中所使用的材料是Vectra E840iLCP)。这些检测结果再次表明了LDS制造过程的稳定性和可靠性,这也大大鼓舞了LDS技术在汽车应用中的进一步拓展。

大约在五年前,LDS技术还只是用于两种独特的应用中。目前,LDS技术的应用至少已达25种,并且这个应用范围还在继续拓展,相信LDS技术的应用会越来越广。


 


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