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激光直接成型技术实现低成本3D集成电路 |
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作者：Doug Gries 来源：激光世界 |
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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 Gries，selectConnect 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。
图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的二极管泵浦的掺钕钒酸钇（Nd：YVO4）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1064nm的Nd：YVO4激光源，提供20~100kHz的脉冲重复频率，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。
图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
在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LCP和PPA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。
图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。
图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 E840i（LCP）。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。(end)
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(投稿)
(12/5/2010) |
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