一種在三維高分子材料表面制作或修復(fù)立體電路的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于立體電路板的制作領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及一種在三維高分子材料表面制作或修復(fù)立體電路的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展和高分子材料的廣泛應(yīng)用，高分子材料表面局域選擇性金屬化在電子器件的制作、修復(fù)和封裝等領(lǐng)域吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。電子電器產(chǎn)品持續(xù)向數(shù)字化、輕量化、小批量、柔性化、多功能化、智能化、高可靠性、低能耗等方向的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了在高分子材料表面制作和修復(fù)導(dǎo)電線路技術(shù)的快速進(jìn)步。
[0003]傳統(tǒng)的高分子材料表面局域金屬化技術(shù)，如注射復(fù)合技術(shù)、熱壓印技術(shù)以及傳統(tǒng)的印刷電路板制作技術(shù)等，通常具有制作工藝復(fù)雜、原材料損耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，并且不能滿足小批量、高精度和柔性化等制造的要求。為此，國(guó)內(nèi)外研宄人員紛紛嘗試把柔性化程度高、無(wú)需掩模的激光加工技術(shù)應(yīng)用到聚合物材料表面三維導(dǎo)電線路的制作和修復(fù)中。
[0004]三維模塑互連器件(threedimens1nal molded interconnect devices，3D-MID),是指以具有機(jī)械功能的模塑零件作為基板，通過(guò)在零件表面直接布置電子線路，在三維空間將分立的電子元件連接起來(lái)，將機(jī)械與電子的功能集成為一個(gè)有機(jī)整體的器件。3D-MID技術(shù)可以將普通的電路板的電氣互連功能、支承元器件的功能和塑料殼體的支撐、防護(hù)等功能集成于一個(gè)器件上，形成立體的、集機(jī)電功能于一體的電路載體，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及汽車、通信、家電產(chǎn)品等，并在醫(yī)用領(lǐng)域也有廣泛的發(fā)展前景。3D-MID的主要工藝流程可以分為注射成型結(jié)構(gòu)零件、生成金屬線路和電子元器件的組裝三部分。其中，金屬導(dǎo)電線路的生成方式一直是學(xué)術(shù)界的研宄重點(diǎn)。如德國(guó)LPKF公司開(kāi)發(fā)的激光三維電路直接成型技術(shù)(Laser Direct Structuring，LDS)近年來(lái)發(fā)展十分迅速，其核心工藝是將一種塑料混料與一些特殊的激光活化金屬組分復(fù)合，注塑成具有熱塑性的被加工元件，當(dāng)該元件暴露于激光中時(shí)，該激光活化金屬組分將被分解成單質(zhì)金屬(如銅、鈀、鎳或其混合物等)和殘余有機(jī)物組織，與此同時(shí)，在激光束掃描過(guò)的位置，會(huì)留下含有單質(zhì)金屬顆粒的粗糙表面，這些金屬顆粒將在后續(xù)的化學(xué)鍍工藝中作為催化活性中心，最后使線路上沉積厚度為5?8 μπι的鍍層金屬。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工藝便捷、可靠，激光束可根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直寫，且生產(chǎn)過(guò)程柔性化程度高，目前，該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并成功制作出了助聽(tīng)器、汽車天線、手機(jī)天線等產(chǎn)品。但該技術(shù)也存在明顯的缺點(diǎn)，即該技術(shù)必須采用具有LDS性能的特定塑料，價(jià)格昂貴，并且只利用到了注塑件表面的激光活化金屬組分，造成了大部分活化金屬的浪費(fèi)。
[0005]專利文獻(xiàn)(專利號(hào):ZL200810197225.5)也公布了一種利用激光直寫和微熔覆技術(shù)制作和修復(fù)三維模塑互連器件導(dǎo)電線路的方法。其基本原理為利用微細(xì)筆或微噴直寫工藝，或噴涂、掩膜板絲網(wǎng)印刷等方式，依據(jù)所設(shè)計(jì)的線路圖形，在模塑結(jié)構(gòu)件表面預(yù)置一層
0.1?50 ym厚的電子漿料，低溫烘干漿料有機(jī)溶劑后，再采用紅外激光(如ND = YAG激光和C02激光等)沿電子漿料的軌跡輻照漿料層，形成導(dǎo)電線路圖形的初步輪廓，接著依靠化學(xué)鍍工藝形成具有高結(jié)合力和優(yōu)異導(dǎo)電性、耐磨性、耐氧化性和耐腐蝕性的導(dǎo)電線路。利用該種技術(shù)可分別在聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亞胺(PI)等十幾種聚合物基體上制作出金屬線路，并對(duì)基體材料無(wú)可鍍性要求，可快速制備和修復(fù)各種復(fù)雜導(dǎo)電線路，柔性化程度高。但是，該方法的主要缺點(diǎn)是加工效率低，難以大批量制作；此外，紅外激光會(huì)對(duì)基體本身造成一定的損傷，其熱影響區(qū)會(huì)導(dǎo)致后續(xù)化學(xué)鍍時(shí)圖形的選擇性降低；而電子漿料作為本方法必不可少的原料，也影響了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。
[0006]在激光誘導(dǎo)沉積技術(shù)領(lǐng)域，激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積技術(shù)可在多種基材上沉積多種金屬，但需要真空條件，設(shè)備造價(jià)昂貴，氣體毒性大；激光誘導(dǎo)固相沉積技術(shù)的缺點(diǎn)是沉積導(dǎo)電線條比較薄，厚度不均勻，與基體結(jié)合力差；激光誘導(dǎo)化學(xué)液相沉積技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單，工藝流程少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著沉積金屬層厚度太薄的缺點(diǎn)。
[0007]關(guān)于激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍技術(shù)，其關(guān)鍵在于如何利用激光技術(shù)按照設(shè)計(jì)的線路圖形在基體表面所需區(qū)域產(chǎn)生催化活性中心，進(jìn)而經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍后形成導(dǎo)電線路。圍繞如何形成催化活性中心，研宄人員提出了一系列方法，如H.Niino等(App1.Phys.Lett., 1993, vol.63,pp.3527-3529: surface modificat1n and metalI izat1n of fluorocarbon polymersby excimer laser processing)在聯(lián)氨氣氛中，對(duì)聚四氟乙稀(PTFE)和氟化乙稀丙稀共聚物(FEP)先進(jìn)行表面改性，引入氨基，然后再敏化、活化，最后實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍，但這種工藝方法較為復(fù)雜；G.A.Shafeev 等人(App1.Surf.Sc1.1999, vol.138-139，pp.455-460: Light-enhanced electroless Cudeposit1n on laser-treated polyimide surface)提出用 Ar+激光對(duì)PI材料進(jìn)行輻射，被輻射區(qū)域產(chǎn)生的缺陷、裂紋、自由基等能成為催化活性中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍銅，但這種方法得到的鍍層結(jié)合力難以保障；浙江大學(xué)的陳恒武等人(專利申請(qǐng)?zhí)?200510050716.3)提出了以低壓汞燈作為輻射源，通過(guò)石英/鉻板掩模對(duì)PC表面局域選擇性光化學(xué)改性，之后在光照區(qū)域所產(chǎn)生的羧基將直接吸附銀氨溶液中的銀氨絡(luò)離子，經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍液中的還原劑的還原作用，銀氨絡(luò)離子被還原成金屬Ag，由此形成催化活性中心，進(jìn)而在PC表面局域選擇性地制備金微電極。該法以低壓汞燈為光源，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，但由于采用有掩膜版，因此只適合于二維的、簡(jiǎn)單的導(dǎo)電線路圖形的制作，而且制作周期長(zhǎng)，柔性化程度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在三維高分子材料表面制作或修復(fù)立體電路的方法的新技術(shù)方案。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種在三維高分子材料表面制作立體電路的方法，包括以下步驟:
[0010]a、利用同步送粉技術(shù)，在高分子材料表面預(yù)先設(shè)計(jì)的線路圖形位置覆蓋上一層金屬或/和金屬化合物的固體粉末；
[0011]b、與此同時(shí)，利用激光對(duì)覆蓋固體粉末的區(qū)域進(jìn)行加工處理，以提高高分子材料表面上被加工區(qū)域的粗糙度，并同時(shí)將金屬或/和金屬化合物引入或嵌入到被激光加工的區(qū)域中；
[0012]C、將上述高分子材料放入到化學(xué)鍍液中進(jìn)行化學(xué)鍍，即可得到立體電路板。
[0013]優(yōu)選地，所述固體粉末為含有元素鈀、銀、鉑、金、鎳、銅、鋅、鋁、錫、鉻、鐵中的至少一種的單質(zhì)、化合物和/或混合物粉末。
[0014]優(yōu)選地，所述固體粉末的粒徑為5nm?100 μ m。
[0015]優(yōu)選地，所述固體粉末層的厚度為1nm?100 μπι。
[0016]優(yōu)選地，所述的高分子材料為異戊橡膠、丁苯橡膠、聚碳酸酯、聚鈦酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、液晶聚合物、尼龍、丙烯腈-丁二烯一苯乙烯塑料、聚乙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚苯乙烯一丙烯腈塑料、聚丙烯塑料、PC-玻璃纖維復(fù)合材料、環(huán)氧樹(shù)脂-玻璃纖維復(fù)合材料、三聚腈胺-玻璃纖維復(fù)合材料中的至少一種。
[0017]優(yōu)選地，在所述步驟b)與步驟c)之間，還包括對(duì)高分子材料的表面進(jìn)行清洗，以將多余殘留的固體粉末清洗掉。
[0018]本發(fā)明提供的一種在三維高分子材料表面制作立體電路的方法，首先在高分子材料上覆蓋一層金屬或/和金屬化合物，通過(guò)激光以提高被處理表面的粗糙度，用以增強(qiáng)下一步的化學(xué)鍍層金屬與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)通過(guò)激光將特定的金屬元素引入和嵌入到這些位置，使得金屬元素和高分子材料結(jié)合穩(wěn)固，可以作為下一步化學(xué)鍍的催化活性中心；本方法的工藝步驟簡(jiǎn)單、效率高、成本低廉、柔性化程度高、精度高，容易實(shí)現(xiàn)三維布線，得到的導(dǎo)電線路導(dǎo)電性好、與基體結(jié)合力高，而且所使用的高分子材料自身不具有可鍍性，對(duì)模塑成型工藝也無(wú)特殊要求，也不需要特定的電子漿料。
[0019]本發(fā)明的工藝方法，還具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0020](I)與LPKF公司的LDS技術(shù)相比，對(duì)所使用的高分子材料的模塑成型工藝無(wú)特殊要求，這樣三維模塑互連器件材料成本將大大降低；
[0021](2)與利用紅外、遠(yuǎn)紅外激光微熔覆電子漿料進(jìn)而化學(xué)鍍形成導(dǎo)電線路的方法相比，本發(fā)明不需要外購(gòu)特定的電子漿料，也不需要絲網(wǎng)印刷、微細(xì)筆直寫或微噴預(yù)置電子漿料層；
[0022](3)將同步送粉技術(shù)應(yīng)用在工藝中，在覆蓋粉末的同時(shí)利用激光將其嵌入到高分子材料的表面，使得可以在高分子材料的三維立體表面采用固體粉末覆蓋。
[0023]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)立體電路方法的工藝復(fù)雜，成本高，而且制作周期長(zhǎng)、效果差。因此，本發(fā)明所要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)任務(wù)或者所要解決的技術(shù)問(wèn)題是本領(lǐng)域技術(shù)人員從未想到的或者沒(méi)有預(yù)期到的，故本發(fā)明是一種新的技術(shù)方案。
【具體實(shí)施方式】
[0024]現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到:除非另外具體說(shuō)明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。
[0025]以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說(shuō)明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0026]對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技