作為一項已經成熟的技術，激光直接成型（LDS）技術利用激光燒蝕和金屬化等步驟，在注模塑料部件上創建電子線路，同時為表面貼裝元件提供安裝面，最終實現三維模塑互聯元件（3D-mid）。 Doug Gries，selectConnect Technologies公司業務開發副總裁 電子產品小巧緊湊、功能齊備的發展趨勢，正在促使電子和機械設計人員不斷尋求創新技術，以便在更小的空間內實現更多功能。激光直接成型（LDS）技術發展至今大約已經有十年的歷史了，但是其過去主要應用在手機天線集成制造領域。直到最近，LDS技術才開始跨出手機天線集成制造、進入到了更加廣泛的應用領域。 激光直接成型技術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，首先根據設計方案在塑料元件殼體上用激光燒蝕電路走線痕跡，然后再對經過激光燒蝕的部分進行金屬化鍍層，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，這樣就能夠使用標準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計和制造優勢：零部件布局更加緊湊、產品更加小型化、質量更輕、裝配時間大大縮短、產品可靠性更高，同時其還有望在醫療、汽車、工業和軍事/國防領域的一些新興應用中，降低總體系統成本。 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過程從一個已經用熱塑性復合材料注塑成型的元件開始。在這種熱塑性材料中，一種有機金屬添加物被混合到其聚合物陣列中。實際上，這種有機金屬添加物是一種用有機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中準備進行表面活化。在進行表面活化之前，激光系統已經通過設計人員的編程，輸入了相應的CAD數據。這一過程通常被稱為“孵化”，這是制造最佳成型部件的關鍵一環，因為要根據電子線路的布局，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）激光器燒蝕出來的。該激光器的聲光Q開關，確保其能夠提供高度穩定的脈沖（脈沖到脈沖之間的穩定性優于1.5％），這對于實現部件的均勻活化至關重要。波長為1064nm的Nd：YVO4激光源，提供20~100kHz的脈沖重復頻率，同時該系統還使用了一個高速掃描儀和光學Z-軸，用于實現三維光束傳輸。該激光系統的最大掃描速度為4.0m/s，燒蝕電路走線痕跡和焊盤的光束的直徑為65μm。 針對特定的刻蝕材料，第一遍鍍層會對是否需要調整或優化激光參數給出一個很好的暗示。根據目前所能提供的LDS模塑等級的寬度，激光功率的設置范圍是2.0~7.0W，頻率的設置范圍是40~100kHz，刻蝕速度的設置范圍是2.0~4.0m/s。當然，對于上述三個參數，每種材料都有一個推薦設置值，但是如果用推薦參數不能獲得最佳的刻蝕表面，還可以對這些參數進行適當的調整。 當激光接觸到注塑成型元件的表面時，形成的表面活化會達到兩種不同的效果。首先，激光能量打破有機金屬微粒的有機涂料，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，進而創造出易于實現金屬化的粗糙表面（見圖2）。根據元件所用材料的類型和激光參數設置（主要是功率設置）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。在沒有進行激光刻蝕的區域，有機金屬的表面并沒有受到影響。接下來要對元件經過激光活化的部分進行金屬鍍層。 圖2：激光直接成型（LDS）刻蝕高分子材料，進而創造出一個活化的粗糙表面， 以易于實現金屬鍍層在selectConnect Technologies公司獲得專利的selectConnect金屬化過程中，第一步是化學鍍銅，暴露著金屬微粒的粗糙表面，創建一個負電勢，實現銅層的沉積。由于銅的抗氧化性能相對較差，因此后來大多數3D-mid都選擇化學鍍鎳。當然，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。當然，根據實際應用需求，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，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，那么化學鍍金層是一種可行的選擇方案。 應用與限制 目前，LDS技術最常見的應用領域是無線天線和載流電路。利用LDS技術，可以將手機天線集成到手機內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。在集成手機天線應用中，LDS技術的好處發揮得淋漓盡致：既實現了部件整合和產品小型化，又減少了部件組裝工作，這對于大批量生產和降低手機成本至關重要。此外，LDS技術還很容易與快速成型相結合，以配置不同的天線布局。目前，市場中很多手機天線的制造都是利用LDS技術實現的。 除了集成手機天線應用外，目前LDS技術正在拓展到更加廣泛的應用領域。從本質上講，LDS技術是將電子線路集成到了機械塑料元件上。如果沒有LDS技術，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，設計人員自然而然地會在電路布局方面挑戰極限，他們希望電子線路越來越細，兩條線路之間的間隔越來越? Ｓ捎贚DS技術使用的光束直徑為65μm，當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，不會導致兩根平行的電子線路相交（短路）。根據迄今為止的實踐經驗，適合生產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）。當然，在技術上可能還可以實現更小的電路線寬和電路間隔，但是在實際加工中需要認真考慮設計的各個方面，確保能夠為大批量生產提供一個足夠可靠的加工過程。 隨著安裝表面貼裝元件靈活性的增加，現在基本上已經可以將電子線路板作為機械塑料元件的一部分了（見圖3）。對于需要無鉛回流焊的應用，聚合物LCP和PPA可承受典型的回流焊溫度；BASF公司提供的聚酰胺PA6/6T樹脂，可以承受必要的高溫。在塑料元件中，也可以創建過孔用于連接元件的兩側，這為設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行激光活化處理，因此過孔的設計可以采用簡單的圓錐形來實現。 圖3：用LDS技術制造的用于醫療器械中的電路板， 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技術在醫療領域也開辟出了廣泛的應用天地。除了用于制造靜脈調節器、血糖儀、牙科工具、助聽器、手鉗、溫度診斷筆和清洗臺外，LDS技術在醫療應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（牙釉質脫鈣或受損的區域，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計而來的，它使用了3D-mid元件，最終實現了尺寸、重量和成本的大幅縮減。針對該產品的一項投資回報研究顯示，LDS技術的使用將產品的裝配時間從20秒縮短到了6秒，大幅增加了裝配產量，同時也將產品的零件數量從8個縮減到了3個，總成本實現了78％的巨幅縮減。 圖4：使用LDS技術制造的檢測齲齒病變（牙釉質脫鈣或以某種方式受損的區域）的手持式激光筆， 外觀小巧輕便。與傳統的制造方法相比，LDS技術將產品的總成本大幅縮減了78％。在汽車領域，我們也看到LDS技術正在應用于轉向輪轂、制動傳感器和定位傳感器等領域。LDS技術在工業中的應用包括集成連接器、全自動加樣器、運動傳感器以及RFID天線等。在一項汽車應用中，在高溫、高濕度（85°C/85％的相對濕度）環境下對一個旋轉制動傳感器的檢測表明，在經過1000小時的測試后，其300個零件都沒有任何缺陷。該應用中所使用的材料是Vectra E840i（LCP）。這些檢測結果再次表明了LDS制造過程的穩定性和可靠性，這也大大鼓舞了LDS技術在汽車應用中的進一步拓展。 大約在五年前，LDS技術還只是用于兩種獨特的應用中。目前，LDS技術的應用至少已達25種，并且這個應用范圍還在繼續拓展，相信LDS技術的應用會越來越廣。