激光直接成型實(shí)現(xiàn)低成本3D集成電路

　　激光直接成型(LDS)技術(shù)利用激光燒蝕和金屬化等步驟，在注模塑料部件上創(chuàng)建電子線路，同時(shí)為表面貼裝元件提供安裝面，最終實(shí)現(xiàn)三維模塑互聯(lián)元件(3D-mid)。

　　激光直接成型技術(shù)在一個(gè)注塑成型的塑料元件殼體上，沿著殼體輪廓在其表面上燒蝕電路走線痕跡，從而創(chuàng)建出一個(gè)三維模塑互連器件(3D-mid)(見(jiàn)圖1)。在加工過(guò)程中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)方案在塑料元件殼體上用激光燒蝕電路走線痕跡，然后再對(duì)經(jīng)過(guò)激光燒蝕的部分進(jìn)行金屬化鍍層，這樣在殼體上就形成了電子線路。元件殼體要使用耐高溫的熱塑性材料，這樣就能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的回流焊工藝安裝表面貼裝元件。3D-mid帶來(lái)了非常明顯的設(shè)計(jì)和制造優(yōu)勢(shì)：零部件布局更加緊湊、產(chǎn)品更加小型化、質(zhì)量更輕、裝配時(shí)間大大縮短、產(chǎn)品可靠性更高，同時(shí)其還有望在醫(yī)療、汽車、工業(yè)和軍事/國(guó)防領(lǐng)域的一些新興應(yīng)用中，降低總體系統(tǒng)成本。

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　　圖1：三維模塑互連器件(3D-mid)將注塑成型的元件外殼和電子線路整合在一起

　　三維直接成型

　　LDS過(guò)程從一個(gè)已經(jīng)用熱塑性復(fù)合材料注塑成型的元件開(kāi)始。在這種熱塑性材料中，一種有機(jī)金屬添加物被混合到其聚合物陣列中。實(shí)際上，這種有機(jī)金屬添加物是一種用有機(jī)涂層包裹的金屬微粒，其并沒(méi)有顯著改變熱塑性材料的固有屬性。常用的熱塑性材料有液晶聚合物(LCP)、耐高溫尼龍(PA6/6T)、聚鈦酸脂(PPA)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、PBT/PET和聚碳酸酯/ ABS塑料等。

　　首先，注塑成型的熱塑性元件被固定在一個(gè)激光系統(tǒng)中準(zhǔn)備進(jìn)行表面活化。在進(jìn)行表面活化之前，激光系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)設(shè)計(jì)人員的編程，輸入了相應(yīng)的CAD數(shù)據(jù)。這一過(guò)程通常被稱為“孵化”，這是制造最佳成型部件的關(guān)鍵一環(huán)，因?yàn)橐鶕?jù)電子線路的布局，選擇一種最佳的激光工作模式。

　　電路走線痕跡是采用功率為16W的二極管泵浦的摻釹釩酸釔(Nd：YVO4)激光器燒蝕出來(lái)的。該激光器的聲光Q開(kāi)關(guān)，確保其能夠提供高度穩(wěn)定的脈沖(脈沖到脈沖之間的穩(wěn)定性優(yōu)于1.5%)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)部件的均勻活化至關(guān)重要。波長(zhǎng)為1064nm的Nd：YVO4激光源，提供20~100kHz的脈沖重復(fù)頻率，同時(shí)該系統(tǒng)還使用了一個(gè)高速掃描儀和光學(xué)Z-軸，用于實(shí)現(xiàn)三維光束傳輸。該激光系統(tǒng)的最大掃描速度為4.0m/s，燒蝕電路走線痕跡和焊盤(pán)的光束的直徑為65μm。

　　針對(duì)特定的刻蝕材料，第一遍鍍層會(huì)對(duì)是否需要調(diào)整或優(yōu)化激光參數(shù)給出一個(gè)很好的暗示。根據(jù)目前所能提供的LDS模塑等級(jí)的寬度，激光功率的設(shè)置范圍是2.0~7.0W，頻率的設(shè)置范圍是40~100kHz，刻蝕速度的設(shè)置范圍是2.0~4.0m/s。當(dāng)然，對(duì)于上述三個(gè)參數(shù)，每種材料都有一個(gè)推薦設(shè)置值，但是如果用推薦參數(shù)不能獲得最佳的刻蝕表面，還可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　當(dāng)激光接觸到注塑成型元件的表面時(shí)，形成的表面活化會(huì)達(dá)到兩種不同的效果。首先，激光能量打破有機(jī)金屬微粒的有機(jī)涂料，將金屬微粒暴露在元件的表面。其次，元件沿著激光束的痕跡被刻蝕，進(jìn)而創(chuàng)造出易于實(shí)現(xiàn)金屬化的粗糙表面(見(jiàn)圖2)。根據(jù)元件所用材料的類型和激光參數(shù)設(shè)置(主要是功率設(shè)置)的不同，激光刻蝕作用會(huì)在元件上形成一個(gè)非常小的通道(深度10μm)或是一個(gè)非常小的山脊。在沒(méi)有進(jìn)行激光刻蝕的區(qū)域，有機(jī)金屬的表面并沒(méi)有受到影響。接下來(lái)要對(duì)元件經(jīng)過(guò)激光活化的部分進(jìn)行金屬鍍層。

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　　圖2：激光直接成型(LDS)刻蝕高分子材料，進(jìn)而創(chuàng)造出一個(gè)活化的粗糙表面，

　　以易于實(shí)現(xiàn)金屬鍍層

　　在selectConnect Technologies公司獲得專利的selectConnect金屬化過(guò)程中，第一步是化學(xué)鍍銅，暴露著金屬微粒的粗糙表面，創(chuàng)建一個(gè)負(fù)電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)銅層的沉積。由于銅的抗氧化性能相對(duì)較差，因此后來(lái)大多數(shù)3D-mid都選擇化學(xué)鍍鎳。當(dāng)然，也可以選擇沉積金層，金層將提供更為卓越的抗抗氧化性能，同時(shí)還能為表面貼裝元件提供理想的安裝面。對(duì)于這些金屬鍍層，典型的鍍層厚度為：銅為100~600微英寸(1英寸=24.5);鎳為50~100微英寸;金為3~8微英寸。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，如承載更大的電流，銅和鎳的鍍層可以更厚些。但是金層的厚度必須限制在8微英寸以內(nèi)，因?yàn)殄兘饘拥倪^(guò)程并不是一個(gè)自催化過(guò)程。如果需要較厚的金鍍層，那么化學(xué)鍍金層是一種可行的選擇方案。

　　應(yīng)用與限制

　　目前，LDS技術(shù)最常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)線天線和載流電路。利用LDS技術(shù)，可以將手機(jī)天線集成到手機(jī)內(nèi)部的一個(gè)功能性塑料元件上，從而消除了對(duì)單獨(dú)金屬天線的需求。在集成手機(jī)天線應(yīng)用中，LDS技術(shù)的好處發(fā)揮得淋漓盡致：既實(shí)現(xiàn)了部件整合和產(chǎn)品小型化，又減少了部件組裝工作，這對(duì)于大批量生產(chǎn)和降低手機(jī)成本至關(guān)重要。此外，LDS技術(shù)還很容易與快速成型相結(jié)合，以配置不同的天線布局。目前，市場(chǎng)中很多手機(jī)天線的制造都是利用LDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

　　除了集成手機(jī)天線應(yīng)用外，目前LDS技術(shù)正在拓展到更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。從本質(zhì)上講，LDS技術(shù)是將電子線路集成到了機(jī)械塑料元件上。如果沒(méi)有LDS技術(shù)，那么至少需要一個(gè)單獨(dú)的電路板或柔性電路來(lái)承載電子線路。

　　面對(duì)封裝方面的限制，設(shè)計(jì)人員自然而然地會(huì)在電路布局方面挑戰(zhàn)極限，他們希望電子線路越來(lái)越細(xì)，兩條線路之間的間隔越來(lái)越小。由于LDS技術(shù)使用的光束直徑為65μm，當(dāng)然這是理論上最小的寬度，而在實(shí)際加工過(guò)程中，最小寬度至少是理論值的兩倍。對(duì)于兩條線路之間的間隔，其最小間隔必須要保證在鍍層過(guò)程中，不會(huì)導(dǎo)致兩根平行的電子線路相交(短路)。根據(jù)迄今為止的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，適合生產(chǎn)的最小電子線路寬度和線路之間的間隔分別為0.008英寸(8mil)和0.010英寸(10mil)。當(dāng)然，在技術(shù)上可能還可以實(shí)現(xiàn)更小的電路線寬和電路間隔，但是在實(shí)際加工中需要認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，確保能夠?yàn)榇笈可a(chǎn)提供一個(gè)足夠可靠的加工過(guò)程。

　　隨著安裝表面貼裝元件靈活性的增加，現(xiàn)在基本上已經(jīng)可以將電子線路板作為機(jī)械塑料元件的一部分了(見(jiàn)圖3)。對(duì)于需要無(wú)鉛回流焊的應(yīng)用，聚合物L(fēng)CP和PPA可承受典型的回流焊溫度;BASF公司提供的聚酰胺PA6/6T樹(shù)脂，可以承受必要的高溫。在塑料元件中，也可以創(chuàng)建過(guò)孔用于連接元件的兩側(cè)，這為設(shè)計(jì)師帶來(lái)了更大的靈活性，因?yàn)檫@樣就可以在元件的兩面布置電路了。由于過(guò)孔的表面需要進(jìn)行激光活化處理，因此過(guò)孔的設(shè)計(jì)可以采用簡(jiǎn)單的圓錐形來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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　　圖3：用LDS技術(shù)制造的用于醫(yī)療器械中的電路板，

　　顯示了注塑元件與電子線路和表面貼裝元件的一種獨(dú)特集成方式

　　LDS技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也開(kāi)辟出了廣泛的應(yīng)用天地。除了用于制造靜脈調(diào)節(jié)器、血糖儀、牙科工具、助聽(tīng)器、手鉗、溫度診斷筆和清洗臺(tái)外，LDS技術(shù)在醫(yī)療應(yīng)用中的一個(gè)絕好的案例是DIAGNOdent診斷筆，這是一種用于檢測(cè)齲齒病變(牙釉質(zhì)脫鈣或受損的區(qū)域，見(jiàn)圖4)的手持式激光筆。該手持式激光筆是從一個(gè)桌面儀器重新設(shè)計(jì)而來(lái)的，它使用了3D-mid元件，最終實(shí)現(xiàn)了尺寸、重量和成本的大幅縮減。針對(duì)該產(chǎn)品的一項(xiàng)投資回報(bào)研究顯示，LDS技術(shù)的使用將產(chǎn)品的裝配時(shí)間從20秒縮短到了6秒，大幅增加了裝配產(chǎn)量，同時(shí)也將產(chǎn)品的零件數(shù)量從8個(gè)縮減到了3個(gè)，總成本實(shí)現(xiàn)了78%的巨幅縮減。

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　　圖4：使用LDS技術(shù)制造的檢測(cè)齲齒病變(牙釉質(zhì)脫鈣或以某種方式受損的區(qū)域)的手持式激光筆，

　　外觀小巧輕便。與傳統(tǒng)的制造方法相比，LDS技術(shù)將產(chǎn)品的總成本大幅縮減了78%。

　　在汽車領(lǐng)域，我們也看到LDS技術(shù)正在應(yīng)用于轉(zhuǎn)向輪轂、制動(dòng)傳感器和定位傳感器等領(lǐng)域。LDS技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用包括集成連接器、全自動(dòng)加樣器、運(yùn)動(dòng)傳感器以及RFID天線等。在一項(xiàng)汽車應(yīng)用中，在高溫、高濕度(85°C/85%的相對(duì)濕度)環(huán)境下對(duì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)制動(dòng)傳感器的檢測(cè)表明，在經(jīng)過(guò)1000小時(shí)的測(cè)試后，其300個(gè)零件都沒(méi)有任何缺陷。該應(yīng)用中所使用的材料是Vectra E840i(LCP)。這些檢測(cè)結(jié)果再次表明了LDS制造過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，這也大大鼓舞了LDS技術(shù)在汽車應(yīng)用中的進(jìn)一步拓展。