德中新3D-MID工藝：Lpum介紹

摘 要：本文主要介紹了德中一種新的3D-MID工藝-Lpum工藝的流程、原理及技術特點等。

關鍵詞：3D-MID新工藝；塑料表面選擇性金屬化；激光應用；

德中（天津）技術發展有限公司 王恒亮 電話：022-83726901 手機：13821999591

一、3D-MID概述

3D-MID一般指Three Dimensional-Molded Interconnect Device（三維模塑互連器件）；或Three Dimensional-Mechatronic Integrated Device（三維機電集成器件）。

3D-MID技術能在注塑成型的塑料殼體的表面上，制作有電氣功能的導線、圖形，并直接在殼體上安裝元器件并使其電氣互連，從而實現電路板的電氣互連功能、支承元器件功能和塑料殼體的支撐、防護功能以及由機械實體與導電圖形成結合而產生的屏蔽、天線等功能集成于一體，形成"三維模塑互連（機電集成）器件"。

常用的3D-MID技術有以下幾種：

• 德國LPKF公司的Laser Direct Structuring（激光直接成型）工藝，步驟為：注塑成型—激光活化—化學鍍銅+化學鎳金。
  
• 日本Sankyo Kasei公司Two Shot Molding（兩步注塑）工藝步驟為：非電路部分注塑—電路部分注塑—化學鍍銅+化學鎳金。
• 日本松下的Laser Resist Imaging（激光選擇性去抗蝕劑）工藝，步驟為：工件注塑—化學鍍銅—涂覆抗蝕劑—激光選擇性去除抗蝕劑—蝕刻—表面處理（鎳、金等）。
• 美國OPTOMEC公司的AJ/Aerosol Jet（氣溶膠態直接噴印）工藝，步驟為：工件注塑成型—噴印氣溶涂料—用氙燈或激光或烘爐燒結。
• 奧地利公司Plasma Innovations（等離子涂覆）工藝。該工藝用低溫+微細+常壓下的等離子涂覆導電材料方法，直寫導電結構，陽極和陰極間的電弧產生等離子流，其能量將輸入的銅顆粒熔化，噴到基材上，直接形成導電結構。

其他工藝還包括pcb圖形鍍的3D-Photoimaging工藝、Hot Embossing技術及經激光修整的LRP技術等。

根據各工藝的機理簡單歸類總結如下：

圖1 3D-MID各工藝機理歸類總結

各工藝的技術參數及優缺點：

表1 3D-MID各工藝的技術參數及優缺點

二、德中Lpum工藝

Lpum（Laser Patterning Undoped Materials）工藝，是德中自主研發的可在塑料基材上選擇性金屬化的工藝，為一種全新3D-MID技術工藝。Lpum工藝采用不添加LDS粒子的普通塑料基材，通過特定的激光加工方法，可控改變材料表面狀態，為后續活化和金屬化創造所需的表面狀態，并提高基材表面與金屬線路的結合力。

與其它3D-MID工藝相比，Lpum工藝可廣泛在紅外、紫外納秒或者皮秒等先進激光機器上使用，金屬化線路更加精細。實驗結果表明，Lpum工藝的激光加工方法可提高基材與金屬線路的結合力，如基材與銅層之間的剝離力可以達到0.54—1.46kgf/cm。

圖2為Lpum工藝的流程圖：

1. 普通塑料注塑：注塑時不需要添加LDS粒子。與表面啞光的基材相比，表面高光的基材選擇性更好。
   
2. 前處理：用藥水浸泡、或涂覆薄膜、或等離子等工藝的一種或幾種，在基材表面產生一層疏活化劑層，該疏活化層能夠減少或阻止活化劑的吸附。不同種類的塑料，前處理工藝有可能不同。
   
3. 激光加工：激光加工有疏活化劑層的基材表面，可破壞并去除圖形部分的疏活化劑層，使得圖形部分與非圖形部分對活化劑有不同的吸附性能；此外，激光還可改變圖形部分的表面粗糙度，提高圖形部分與金屬層的結合力。
   
4. 活化：由于激光加工造成吸附性能的差別，當活化劑在基材上沉積時，圖形部分會多沉積，非圖形部分少沉積或不沉積，提高了選擇性。再經過去除速率均勻的除活化劑步驟，反應一定的時間后，可將非圖形部分的活化劑全部去除，只保留圖形部分的活化劑。
   

   圖2 Lpum工藝流程圖
   

5. 金屬化：金屬化的第一步是化學鍍。正常情況下，金屬離子在有活性中心的地方才會結晶沉積，沒有活性中心的地方不會沉積。但如果藥液活性很高，就會出現在沒有活化中心的地方也沉積，所以化學鍍藥水的管控非常重要，起鍍速度和沉積速率高或低都會導致溢鍍或者漏鍍。基材表面沉積一層金屬后，就可以電鍍增厚、沉鎳金或者電鍍鎳金等。
   

相比較其它3D-MID工藝，德中Lpum工藝有以下優勢：

1. 使用普通基材，在注塑時無需添加LDS粒子，降低基材成本。
   
2. 可兼容使用紫外納秒、紫外皮秒等先進的激光器。光斑小，線路更加精細化。
   
3. 采用特殊激光加工方法，可控調節基材表面狀態和結合力。
   
4. 激光加工同步實現基材的粗化，無需化學粗化，工藝綠色環保，成本低。
   

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三、Lpum工藝性能

1、精細化的線路：

Lpum工藝采用脈沖激光加工方法，通過設置足夠大的加工路徑間距和掃描速度，以單個激光脈沖或者脈沖串與材料表面發生反應，最終在材料表面形成一定排列的、沒有疊加的微坑。

如圖3所示，該圖是激光以單個脈沖或者脈沖串與材料作用后，形成有序排列微坑的SEM圖。為了方便觀察，相鄰兩個微坑中心的距離設置為50μm，以平行的激光加工路徑為例，線與線之間的距離即為上下行相鄰微坑的中心距離，而脈沖激光的掃描速度除以頻率則為左右間相鄰微坑的中心距離。因此，通過調節線寬、掃描速度和頻率來控制微坑的中心距，從而有效調節微坑排列的密集程度。

功率越大，微坑直徑越大，當微坑中心距設置小于微坑直徑，相鄰微坑會相互疊加，導致坑邊消失，微坑也就不能稱之為 "坑"。因此，初始需要設置足夠大的中心距，并獲得不同功率下的微坑直徑，再根據微坑直徑大小，設置稍大一點的中心距，以獲得排列緊密且無疊加的微坑。

圖3中單個微坑的直徑在28μm左右，坑深度在7.2μm左右，微坑內部結構也比較復雜。

圖4為圖3藍色框繼續放大5倍的SEM圖。可以看出，微坑內部不是平滑的，而是存在分層、突出、蜂窩等各種結構。這樣復雜的內部結構更有利于金屬層和基材結合。通過調節激光光斑內能量分布，即可調節微坑內部結構。

設置好路徑距離和掃描鍍速等，可在基材上表面形成無邊界疊加的密集排列的微坑（圖5）。從切面可觀察到，在微坑的中心位置處有等間距的一個個v形小坑（圖6）。圖7為微坑光學顯微鏡測試圖，該微坑的直徑為18μm左右、相鄰微坑中心距為20μm。

圖5 微坑正面 圖6 微坑切面 圖7 光學顯微鏡測試深度

Lpum工藝支持使用紫外皮秒等光斑極小的激光器，激光加工線路可以按照單排成線的方法，加工出和光斑大小接近的極細線路。但是，在后續實際生產中，單排線化學鍍時容易斷路、增厚鍍層過程中鍍層向線兩邊擴散導致線變粗等因素，這種極細線路只有在比較苛刻的條件下才能夠實現。下圖是在實驗室里做出的17μm左右的線路（圖8、圖9為放大100倍下的圖像、圖10為放大1000倍下的圖像）：

圖8 樣品1（一） 圖9 樣品1（二） 圖10 樣品1（三）

雖然20μm以下的極細線路生產難度大，但Lpum工藝能輕易實現生產50~100μm的線路,下圖是放大500倍左右的線路圖（圖11、圖12、圖13中金屬線路寬度在60~70μm左右）：

圖11 樣品2（一） 圖12 樣品2（二） 圖13 樣品3

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2、鍍層與基材的結合力：

現有的大多數類似的工藝，均使用紅外連續激光加工燒蝕出蜂窩狀的表層以便于活化劑吸附，激光與基材表面反應是升華或汽化和重熔同時作用。單位面積能量（能量密度）需要保持在一定范圍，能量密度小，反應以重熔為主，蜂窩孔洞少；能量密度大，以升華或汽化為主，蜂窩層太薄。而且蜂窩層最上層的碳化結構比較松散，如圖14、圖15中紅色圓圈所示。松散結構層會降低結合力。并且，在保持能量密度不變的情況下，增加加工次數時，松散層厚度也隨之增加，結合力亦無法提高。

圖14 使用紅外連續激光的工藝樣品切面圖 圖15 圖14藍色框放大5倍圖

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相比現有工藝而言，德中Lpum工藝可有效調節微坑的直徑和結合力。激光能量密度越大，坑的深度越大，結合力越好。

實驗使用三種基材，裁切成10cm*10cm小板，表面全部經Lpum工藝激光加工，后經金屬化和鍍銅處理，結合力測試如下表所示。測試標準：DIN 51 221, part 1，剝離力測試實驗，方法原理如圖16所示：

測試結果如下三表：

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圖16 剝離力實驗原理圖

表2 FR4基材剝離力測試結果

表3 LCP基材剝離力測試結果

表4 純環氧樹脂基材剝離力測試結果

從上三種材料的規律能看出，能量密度越大，結合力越大。

下圖是在63*88mm的ABS板材上，運用Lpum工藝做出的一個微波圖形金屬導線樣品。

圖17 ABS基材 圖18 激光加工后 圖19 金屬化后 圖20 樣品細節

以上結果表明，Lpum工藝作為一種新3D-MID工藝，能在普通材料上實現選擇性金屬化，加工線路精細，可有效控制基材與線路的結合力。

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四、疑問解答

1、該技術適用于所有的塑料嗎？

Lpum工藝現階段能應用于ABS和含ABS的合金（比如ABS+PC）。在高性能塑料中比如PEEK、PPS、LCP上也有突破性進展，后續需進一步細化，目前在研發中。

2、能夠使用紅外等波長的激光器嗎？

只要激光器激發的激光光束能與塑料表面發生反應，Lpum工藝就可適用，但最好是脈沖激光器，因為連續激光加工單獨坑洞的效率慢且坑洞直徑大。

3、坑深度越大，結合力就越大，那么不斷增加加工次數，結合力就會無限大，對嗎？

理論上是如此，但在實際生產中，會存在以下三種問題：（1）、增加加工次數會降低加工效率，因此，實際生產中加工次數不能過多；（2）隨著坑洞深度增加，增加加工次數，會顯著降低加工效果，坑洞深度變化也越來越小；（3）對于厚度比較薄的材料，不允許坑洞深度過大。

4、該技術能達到的最小線寬間距是多少？

最小線寬間距與使用的激光機的光斑直徑（聚焦后的光束束腰直徑）大小有關。

以開發ABS基材時為例，Lpum工藝可使用紅外納秒、紫外納秒、紫外皮秒等不同激光機。其中的理論光斑最小的是紫外皮秒，機器的光斑大小為13.95μm，與ABS基材反應后的微坑直徑（包括周邊熱影響區）為15~36μm，單排成線雖能鐳射出17μm左右的線，但需要非常精密的設備和精細的管控才能保持好的良率。雙排成線相對簡單，加上考慮鍍層增厚（6-8μm）時側向擴展，最終可做出50μm左右的線路。那么最小的線寬間距約為50/80μm。

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