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激光直接成型在模塑互连器件生产中的应用

作者：Mary Lowe

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模塑互联器件允许设计者应用多点连接技术创建更多的三维连接，但是用来生产器件的two-shot成型工艺是相当复杂的，并且一旦一个模塑互联器件成型之后，将无法增减其电路。而一种被称之为激光直接成型（Laser Direct Structuring,简写LDS）技术带给设计者一种更简单的one-shot成型工艺，它允许设计者完成成型后，在不改变工具的前提下可改变其电路。同时，激光直接成型（LDS）技术提供了生产具有高精度与更微小丝印元器件的能力。

传统的two-shot成型技术从上世纪80年代末开始应用，它需要两个相互独立的注模步骤。一种是以未经过电镀的塑料作为壳体，另一种则是以经过电镀的塑料为壳体。对于前者，附加的蚀刻步骤将会为接下来的金属电镀工艺提供电镀塑料外壳的合适表面条件。后者普遍应用的模塑互连器件生产技术则使用已经刻制好的金属片，这些金属片被浇注到塑料外壳之中。

图1 激光直接成型技术用于模塑互连器件生产

三步工艺

由德国Garbsen的LPKF公司研发的激光直接成型(LDS)技术应用，只需较为简单的三步工艺（图2）。首先，元器件的母体由标准的浇注成型工艺完成，使用一种金属组织合成物的激光激活塑料。第二步，材料被激光激活，激光使含有掺杂物的塑料中的金属组织化合物分离。暴露出来的金属原子为第三步也就是接下来的无电镀法工艺提供了种子层，它将会在激光激活区域生长出厚度为5～10微米的铜层。

图2 三步工艺

无电镀法工艺是一种化学的还原过程，它依靠水溶液中的金属离子接触反应的还原作用与利用无电能源的金属沉淀完成。激光激活技术一个正面的影响是它能产生微蚀刻表面，这可以在无需额外化学处理的基础上，为金属电镀工艺提供更好的焊接特征。

为得到正确的激光激活结果，整个过程还应额外包含以下特征: 聚合体矩阵中足够的浓度或分散度、与聚合体矩阵的很好的兼容性、较高的热阻、对溶体化学反应的抵抗性、对萃取作用的抵抗性、无毒性、电特性的无缩减性，以及不能显示出对接触反应的活性。

激光激活过程由一个diode-pumped IR激光发生器完成，它产生了波长为1064nm、工作频率为1kHz～100kHz脉冲循环，同时它的最小传播直径为40微米。应用激光直接成型技术，电路的优良性将大大提高。相比于传统的模塑互连器件技术所生成的200微米的导线距离与200微米的绝缘距离而言，激光能生成100微米的导线距离及150微米的绝缘距离。

图3 激光激活的表面

应用激光直接成型(LDS)技术不仅可以提高性能，同时可以提高分辨率，从而提高电路的集成度，尤其是在高频应用方面：如天线设计。

最后，在无电镀法工艺中，过去常常以铜作为电路结构的路径。在很多情况下，为了得到更好的表面磨光工艺，镍、金等不易氧化的金属也会被加入其中。

有利于更改

应用激光直接成型(LDS)技术，设计者可以不用担心成为独立部分的电路类型。载体可以批量生产，电路可以通过能够按照要求进行更改的CAD数据进行添加。因此，工艺很容易使之成型。例如，在手机应用中，频率校正或为改善天线性能经常会做一些修改，大量开模的部分可以提前进行，然后电路可以随时加到整个激光系统之中。

LPKF公司的激光直接成型技术与表面贴装技术是相兼容的，因此，电子元器件可以被焊接在电路中。

“这个工艺的适应性是相当高的 — 你可以随时改变数据，然后得到不同的电路，所以你没必要返回到最初，去重新生产另外一套模具”,总部位于Wilsonville的LPKF公司北美运营总监史蒂夫.施密特先生说。“除了数据，你可以不改变其他任何东西，所以对于这种工艺的设计改变，所需的时间是相当短的”。

相对于标准的双组分工艺、注模工艺以及热冲压工艺而言，模塑互连器件(MID)工艺是与产生电路的特殊产品工具紧密联系的。前者对于产前的短期样品来说几乎是不可能的。设计中的更改也几乎是不允许的，增加的电路小型化将会导致机床或机器等设备时间与成本的增加。

图4 模塑互连器件(MID)

激光直接成型(LDS)等级材料可从不同的供应商处获得。BASF公司生产了一种玻璃加固纤维材料PA6/6T。这种材料具有很好的机械特性与很高的熔点(295℃），这使得它成为具有焊接元件的模塑互连器件(MID)的良好替代品。Lanxess公司（前身为Bayer材料科技）提供了具有低变形性能的PBT与PBT/PET混合材料的激光直接成型(LDS)兼容版本。Ticona公司可生产激光直接成型中的液晶聚合体，这种材料有极高的熔点（335℃），优良的电气性能，薄壁层部分的高硬度以及较低的热膨胀系数。

广泛的应用

因为器件的结构部分已经成为激光直接成型(LDS)技术的电路部分，因此，设计者节省了空间和重量。这使得此技术更适合于较小器件的大量生产应用之中。例如，Acuris P公司的小型助听器已经成功应用了LPKF的激光直接成型(LDS)技术。

激光直接成型(LDS)技术在模塑互连器件的生产中扮演着重要的角色，这些领域还包括无线与信息安全行业，不断改善的小型化驱动，产品功能的增加以及产品周期的缩短。激光直接成型(LDS)技术可以为这样的应用提供满足必要的可适应性与分辨率要求。

尽管激光直接成型(LDS)技术比传统的模塑互连器件工艺有如此多的优点，但是它只是传统工艺的有效补充而不能完全取代它。two-shot成型工艺对于较复杂的模塑互连器件与电路几何学仍然更加适合，因为如果没有额外的步骤，激光不可能到达复杂器件的所有部分与双面器件的背面。例如，在每年超过50万套的大批量生产时，额外的人工费用将会弥补使用two-shot工具带来的损失。

全面探索模塑互连器件的优点需要更新的途径以及我们更深层次的思考。这意味着电子工程师与机械设计师需要同时接触激光直接成型(LDS)技术与模塑互连器件产品设计。

“激光直接成型(LDS)技术的简化与应用此技术对于样品成本的缩减，应该使它成为模塑互连器件设计领域的首选”,施密特先生说。“我相信我们还没有完全意识到模塑互连器件生产的全部潜力，因为对于生产样品来说太昂贵、太困难了！而正在发展的激光直接成型(LDS)技术将会改变目前的这种状况，并使之最终能被绝大多数设计者接受”。

该文摘自美国Appliance Design杂志
原载国际电器制造商情(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/19/2006)


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