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行業(yè)新聞

激光直接成型技術(shù)實現(xiàn)低成本3D集成電路

Doug Gries,selectCo 來源:廣東星之球2011-03-10 我要評論(0 )   

作為一項已經(jīng)成熟的技術(shù),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,同時為表面貼裝元件提供安裝面,最終實現(xiàn)三維模塑互聯(lián)...

作為一項已經(jīng)成熟的技術(shù),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,同時為表面貼裝元件提供安裝面,最終實現(xiàn)三維模塑互聯(lián)元件(3D-mid)。

電子產(chǎn)品小巧緊湊、功能齊備的發(fā)展趨勢,正在促使電子和機(jī)械設(shè)計人員不斷尋求創(chuàng)新技術(shù),以便在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多功能。激光直接成型(LDS)技術(shù)發(fā)展至今大約已經(jīng)有十年的歷史了,但是其過去主要應(yīng)用在手機(jī)天線集成制造領(lǐng)域。直到最近,LDS技術(shù)才開始跨出手機(jī)天線集成制造、進(jìn)入到了更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

激光直接成型技術(shù)在一個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)建出一個三維模塑互連器件(3D-mid)(見圖1)。在加工過程中,首先根據(jù)設(shè)計方案在塑料元件殼體上用激光燒蝕電路走線痕跡,然后再對經(jīng)過激光燒蝕的部分進(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帶來了非常明顯的設(shè)計和制造優(yōu)勢:零部件布局更加緊湊、產(chǎn)品更加小型化、質(zhì)量更輕、裝配時間大大縮短、產(chǎn)品可靠性更高,同時其還有望在醫(yī)療、汽車、工業(yè)和軍事/國防領(lǐng)域的一些新興應(yīng)用中,降低總體系統(tǒng)成本。

1#p#分頁標(biāo)題#e#: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過程從一個已經(jīng)用熱塑性復(fù)合材料注塑成型的元件開始。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)通過設(shè)計人員的編程,輸入了相應(yīng)的CAD數(shù)據(jù)。這一過程通常被稱為孵化,這是制造最佳成型部件的關(guān)鍵一環(huán),因為要根據(jù)電子線路的布局,選擇一種最佳的激光工作模式。

當(dāng)激光接觸到注塑成型元件的表面時,形成的表面活化會達(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)造出易于實現(xiàn)金屬化的粗糙表面(見圖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,激光刻蝕作用會在元件上形成一個非常小的通道(深度10μm)或是一個非常小的山脊。在沒有進(jìn)行激光刻蝕的區(qū)域,有機(jī)金屬的表面并沒有受到影響。接下來要對元件經(jīng)過激光活化的部分進(jìn)行金屬鍍層。#p#分頁標(biāo)題#e#

2:激光直接成型(LDS)刻蝕高分子材料,進(jìn)而創(chuàng)造出一個活化的粗糙表面,以易于實現(xiàn)金屬鍍層。

selectConnect Technologies公司獲得專利的selectConnect金屬化過程中,第一步是化學(xué)鍍銅,暴露著金屬微粒的粗糙表面,創(chuàng)建一個負(fù)電勢,實現(xiàn)銅層的沉積。由于銅的抗氧化性能相對較差,因此后來大多數(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,同時還能為表面貼裝元件提供理想的安裝面。對于這些金屬鍍層,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),因為鍍金層的過程并不是一個自催化過程。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)最常見的應(yīng)用領(lǐng)域是無線天線和載流電路。利用LDS#p#分頁標(biāo)題#e#技術(shù),可以將手機(jī)天線集成到手機(jī)內(nèi)部的一個功能性塑料元件上,從而消除了對單獨金屬天線的需求。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,市場中很多手機(jī)天線的制造都是利用LDS技術(shù)實現(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。如果沒有LDS技術(shù),那么至少需要一個單獨的電路板或柔性電路來承載電子線路。

面對封裝方面的限制,設(shè)計人員自然而然地會在電路布局方面挑戰(zhàn)極限,他們希望電子線路越來越細(xì),兩條線路之間的間隔越來越小。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,而在實際加工過程中,最小寬度至少是理論值的兩倍。對于兩條線路之間的間隔,其最小間隔必須要保證在鍍層過程中,不會導(dǎo)致兩根平行的電子線路相交(短路)。根據(jù)迄今為止的實踐經(jīng)驗,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)上可能還可以實現(xiàn)更小的電路線寬和電路間隔,但是在實際加工中需要認(rèn)真考慮設(shè)計的各個方面,確保能夠為大批量生產(chǎn)提供一個足夠可靠的加工過程。

 #p#分頁標(biāo)題#e#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(見圖3)。對于需要無鉛回流焊的應(yīng)用,聚合物LCPPPA可承受典型的回流焊溫度;BASF公司提供的聚酰胺PA6/6T樹脂,可以承受必要的高溫。在塑料元件中,也可以創(chuàng)建過孔用于連接元件的兩側(cè),這為設(shè)計師帶來了更大的靈活性,因為這樣就可以在元件的兩面布置電路了。由于過孔的表面需要進(jìn)行激光活化處理,因此過孔的設(shè)計可以采用簡單的圓錐形來實現(xiàn)。

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特集成方式。

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

4:使用LDS技術(shù)制造的檢測齲齒病變(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、全自動加樣器、運動傳感器以及RFID天線等。在一項汽車應(yīng)用中,在高溫、高濕度(85°C/85%的相對濕度)環(huán)境下對一個旋轉(zhuǎn)制動傳感器的檢測表明,在經(jīng)過1000小時的測試后,其300個零件都沒有任何缺陷。該應(yīng)用中所使用的材料是Vectra E840iLCP)。這些檢測結(jié)果再次表明了LDS制造過程的穩(wěn)定性和可靠性,這也大大鼓舞了#p#分頁標(biāo)題#e#LDS技術(shù)在汽車應(yīng)用中的進(jìn)一步拓展。

大約在五年前,LDS技術(shù)還只是用于兩種獨特的應(yīng)用中。目前,LDS技術(shù)的應(yīng)用至少已達(dá)25種,并且這個應(yīng)用范圍還在繼續(xù)拓展,相信LDS技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣。

 

 

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