視頻：立體電路應用在螞蟻機器人
在漢諾威工業博覽會上，德國Festo公司展出了智能螞蟻機器人。這款機器螞蟻披了一層“電子皮膚”，又名立體電路，立體電路構成了其神經系統。相對傳統的平面印刷電路，立體電路拓展了一個新的應用領域：采用立體電路的電子產品，可以縮小產品結構、減輕重量、減少組裝步聚。目前這一技術已經在手機天線、智能穿戴產品、微型傳感器、汽車領域、攝像頭、無人飛機等領域得到了廣泛應用。那么立體電路是如何制造的？立體電路和LDS有什么聯系？
艾邦高分子通過實地拜訪深圳微航磁電技術有限公司，給大家做個簡單的介紹：
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一什么是立體電路？ |
立體電路是指相對傳統的平面電路而言，將電子元器件直接焊接在3維曲面基材上的電路技術。根據工藝過程、電路形成方式，實現立體電路的制造工藝有多種，如LDS技術、PDS導電油墨印刷、LRP激光剝離、3D綜合打印等。其中LDS技術制造的立體電路產品，可以滿足PCB的行業標準。
通過高溫LDS材料改性，激光鐳雕工藝改善和化學鍍藥水配方實驗，目前已經可以實現0402的芯片，焊接在立體電路的線路，可以承受0.45Kg的拉力。達到了PCB行業的標準。
圖：立體電路用于手機天線（左），立體電路附著力測試
立體電路是近十多年發展起來的電路組裝技術。它基于結構和性能的要求，可以把電子元器件直接焊接在塑膠曲面上，為產品創新，結構設計突破，尋求到了新的解決方案。相比傳統的印制線路基材，其有特殊的優點，是對傳統的電路制造技術的補充和發展。
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二LDS實現立體電路的全制程! |
視頻：立體電路全制程，來源于微航磁電
立體電路是一類電子產品的結構形態，LDS則是打造這類產品結構形態最重要的工藝之一。了解更多LDS，請點擊查看→LDS塑料如何讓天線長到4G手機面蓋上？如視頻所示，立體電路全制程主要包括6個工序：材料改性、工程注塑、激光鐳射、表面化學鍍、3D噴錫、3D貼片等工序。如下圖所示：
1、材料改性
常規的塑膠原材料雖然也可以通過激光表面處理，進行緊密金屬沉積來獲得金屬線路。但是其結構附著力，是不能夠與專用LDS材料相比的。專用的LDS材料中添了微細的少量的金屬化合物和相容劑等助劑，通過注塑后，這些金屬化合物均勻的分布在塑膠殼體內，采用激光活化出的金屬原子，是嵌入在塑膠粒子之間，所以化學鍍銅后，生成的金屬層與塑膠層的附著力非常好；手機天線的材料一般以PC等塑料為主要成分，目前也是使用量最大的立體電路材料。
另外，形成立體電路，就要進行高溫噴錫貼片，所以高性能立體電路的材料，必須是耐高溫的。目前國內已經開發出的高溫尼龍復合LDS材料，就可以耐溫達到290度，可以替代進口的LCP材料。
圖：智能3D打印LED燈，微航磁電用立體電路材料3D打印而成
2.工程注塑（注塑）
此工序即是將專用原材料通過注塑成型得到規定形狀的注塑件。這道工序除了常規的殼料注塑要求，還要求在開模的時候，盡量避免合模線在線路區域，盡可能避免線路區域存在批鋒、毛刺、銳角等問題。
此外，立體電路產品殼體的注塑是嚴格禁止采用水口料的。
圖：JSW注塑機
3、激光鐳雕
產品殼體注塑好后，下一道工序就是激光鐳雕，進行素材表面區域，線路圖案內的素材表面進行激光活化。激光鐳雕一般需要采用專用的激光設備和工裝夾具。根據3D線路圖案的形裝，采用不同的激光鐳雕機臺和工裝夾具。
國內已經開發出的大型流水線型激光機，可以通過六軸聯動，進行復雜3D曲面的圖形鐳雕加工，不需要二次裝夾，取代進口的三激光頭機器。
圖：流水線型六軸激光鐳雕機
4、表面化學鍍
塑膠殼體通過激光活化，在72小時之內，就必須進行表面化學鍍。表面化學鍍也稱無電解鍍或者自催化鍍，是在無外加電流的情況下借助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。
在立體電路工藝中，因為要保證較強的附著力和金屬層的致密性，所以需要在化學鍍過程中，通過藥水的活性，嚴格控制銅的生長速度。通過調節藥水的PH值，控制藥水對素材的侵蝕。以及通過一些特殊的前處理工藝，解決產品化鍍開裂，金屬層保護的問題。
圖：NMT+LDS工藝中化鍍鋁基材的保護方案
5、立體噴錫
傳統的噴錫只能進行平面噴錫，不能進行立體電路的曲面噴錫，需要用到專用的設備方可以進行。
圖：立體噴錫量產過程
6、立體焊接（貼片）
傳統SMT貼片稱為表面貼裝或表面安裝技術。它是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件安裝在印制電路板（PCB）的表面或其它基板的表面上，通過回流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術。而立體貼片是相對于傳統的SMT貼片，實現在3D曲面的塑膠殼體上，進行電子元器件的自動化貼裝工藝。這種立體貼裝的工藝主要是針對立體電路技術而發展起來的。
圖：耳機線控組件貼片前（下）和貼片后對比
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三 立體電路技術的三大發展方向 |
立體電路技術的發展涵蓋高分子材料學，機械制造、計算機控制、3D數據處理、激光應用、化工基礎等學科。根據立體電路行業資深專家周紅衛先生的介紹，立體電路的關鍵技術研究主要是在三個方面：
1、立體電路新材料
新材料是應用基礎，開發不同性能，特性的立體電路材料是將立體電路拓展到各個應用領域的基礎。
2、激光加工裝備
激光加工精度的提升，加工幅面的增大，是解決立體電路朝一大一小（大型汽車零部件表面電路化、微小型精密電子器件封裝）兩個方向發展的關鍵指標。
3、表面化學鍍藥水升級
通過表面化學鍍藥水的升級改善，才是降低工業應用成本，提升生產效率，保證立體電路產品良率的關鍵，同時如何將表面化學鍍工藝，更節能，更環保。也是規模化生產應用研究的關鍵方向。
圖：利用LDS技術制作的名片工藝品，圖中金色字體部分為相應的線路
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四 立體電路技術的4大應用方向 |
1.成熟的手機天線市場
立體電路技術最早應用于手機天線市場，隨著4G市場的成熟和5G的到來，未來信號天線的復雜度將更加提升，傳統的FPC天線是完全無法滿足其需求的，同時LDS天線，因為其高度的一致性，優異的過孔導通性能，同時簡化了手機組裝工藝。所以LDS天線已經逐步成為手機天線行業的首選。
同時，參照LDS天線的應用，在智能穿戴產業，攝像頭，指紋識別等精密器件上，原來采用FPC工藝的組件，也開始逐步被LDS工藝所取代，直接把天線通過LDS工藝做成塑膠殼體曲面上。
圖：立體電路在智能眼鏡上的應用
2.電動汽車零部件領域
2015年隨著特斯拉的出世、電動汽車市場爆發，電動汽車的輕量化，電子化成為主要發展方向。其中電動汽車的輕量化方向就是全塑化，電子化的實現基礎就是表面電路化，而表面電路化的核心技術就是立體電路。
圖：2016年CES展上BOSCH采用全塑化結構車身，應用立體電路技術，實現表面電路化
可以預期的未來的汽車零部件，絕大部分將采用全塑化結構（部件零件需要加強的，則采用NMT工藝）注塑成型。然后采用立體電路技術，制備結構+電氣功能為一體的汽車零部件。（國內的材料供應商已經開發出適用NMT+LDS工藝的材料，如：PPS、PBT、PA10T等。甚至還開發出了可以進行3D打印的立體電路材料。了解更多LDS和NMT的關系請點擊查看：這三種塑膠+金屬技術：LDS、NMT、MIM，不要再傻傻的分不清！）
3.微小型精密電子封裝
通過激光加工裝備的改進，獲得微細線路和精密線路圖案的成型。通過立體電路技術，可以對一些微小型的精密電子部件，進行封裝。
圖：貼片式傳感器
4.光電產業應用
立體電路技術利用其復雜結構成型的特點，以及表面金屬化的特點。可以廣泛應用于光電產業。如曲面LED燈基座，無線快充散熱基座，動力電池散熱組件等方面。
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圖：深圳微航磁電技術有限公司董事長周紅衛（左）和艾邦高分子創始人江耀貴
關于微航磁電
深圳微航磁電技術有限公司成立于2011年，是一家基于激光塑料、磁電材料等新材料開發，通過自主研發的新裝備，采用新工藝，制作新型電子元器件、電子產品的國家高新技術企業。目前，擁有兩條自主研發的激光鐳雕生產線，40余臺鐳雕機和一條90米長全自動PLC控制的進口藥水化鍍生產線。主要服務于智能手機天線、智能穿戴、微電子器件領域，還計劃向汽車零部件、精密電子、光電領域進行定制化的產業應用研究。周紅衛先生微信：Z7779888
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