LDS技術(shù)在印制電路板行業(yè)應(yīng)用前景分析

史書漢 涂清蘭（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519070）

LDS技術(shù)在印制電路板行業(yè)應(yīng)用前景分析

史書漢 涂清蘭
（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519070）

激光直接成型(LDS)技術(shù),指利用激光將數(shù)字化的圖形照射到高分子材料表面，通過對照射過的區(qū)域進(jìn)行直接金屬化，最終在高分子材料表面形成圖案的技術(shù)。它可以在高分子殼體上直接形成金屬化的圖案。本文詳細(xì)探討了LDS技術(shù)的原理、加工方法、應(yīng)用方向、在印制電路板中的應(yīng)用前景以及目前存在的應(yīng)用缺陷。

激光直接成型；印制電路板；注塑高分子材料 ；覆銅板

1 背景

目前中國內(nèi)地已成為以世界上最主要的PCB供應(yīng)商[1]。但是PCB也逐漸遇到一些挑戰(zhàn)。Prismark提出PCB產(chǎn)業(yè)面臨三大挑戰(zhàn)：（1）原材料價(jià)格不斷上漲；（2）勞動(dòng)力成本的不斷上升；（3）目前已有的PCB制造技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟化，在目前技術(shù)條件下的發(fā)展已經(jīng)趨緩，PCB企業(yè)在目前技術(shù)路線下，已經(jīng)走向拼設(shè)備的趨勢[2]。

PCB研發(fā)最重要的工作之一是在面臨挑戰(zhàn)時(shí)如何提升產(chǎn)品價(jià)值，滿足市場需求，創(chuàng)造利潤。本文中討論一種LDS技術(shù)在印制電路板中的應(yīng)用，我們希望通過技術(shù)上的突破可以提升PCB的制造工藝，提升PCB的附加值。LDS技術(shù)具備提升PCB制造工藝的潛質(zhì)，因此本文主要介紹LDS原理，應(yīng)用，以及目前存在的缺陷。

2 LDS技術(shù)簡介

激光直接成型技術(shù)英文簡稱 LDS (Laser Direct Structuring），指利用激光將數(shù)字化的圖形照射到高分子材料表面，通過對照射過的區(qū)域進(jìn)行直接金屬化，最終在高分子材料表面形成圖案的技術(shù)。它可以在高分子殼體上形成金屬化的圖案。這種金屬化的圖案目前一般都是被用來制作手機(jī)天線、汽車儀表盤等。這種技術(shù)最先由LPKF提出，目前TONTOP 和LPKF公司均具有商業(yè)化的該類技術(shù)。

如圖1就是一個(gè)手機(jī)殼體上利用LDS技術(shù)制造的天線，這種天線避免了天線設(shè)計(jì)，可以使手機(jī)更薄。現(xiàn)在多數(shù)智能手機(jī)均采用了該技術(shù)。

圖1 具有LDS天線的手機(jī)殼

圖2 是一個(gè)汽車儀表盤的應(yīng)用。這種直接在高分子殼體上運(yùn)用LDS技術(shù)制作線路可以減少成本，提高效率，省去電路板的裝配。

圖2 汽車儀表盤的高分子殼體上的LDS線路

這種LDS技術(shù)與傳統(tǒng)PCB行業(yè)制造方式是有很大的區(qū)別的，它具有很多制造上的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢有可能會逐步取代傳統(tǒng)PCB行業(yè)的制造方式。同時(shí)它也存在很多的缺陷需要我們進(jìn)行改良。

3 LDS技術(shù)原理

把具有催化作用的金屬有機(jī)物添加到高分子材料里。這種金屬有機(jī)物添加工藝最先是LPK提出并申請有專利。圖3是某廠家的金屬有機(jī)物示意圖。目前三菱化學(xué)、泛友科技等也可以提供金屬有機(jī)物。利用這種金屬有機(jī)物制作成的材料目前有聚碳酸酯，ABS塑料，聚丙烯，尼龍等多種。

圖3 金屬有機(jī)物示意圖

使用激光在高分子材料表面制作圖案，燒蝕去部分高分子樹脂，微金屬顆粒聚集在圖案底部，使樹脂中的金屬有機(jī)物活化，形成催化層。圖4是激光活化的示意圖。目前激光活化工藝已經(jīng)有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。信邦，泛友，三帝，立體電路，光韻達(dá)，微航磁電等均具備加工能力。

圖4 激光活化示意圖

把經(jīng)過激光活化的工件放入化學(xué)鍍銅藥水中，不需要再經(jīng)過沉銅的活化過程，催化層可以催化化學(xué)沉積，在經(jīng)過激光活化的圖案上沉積一層銅，形成金屬化的圖案。化學(xué)鍍銅后再進(jìn)行化學(xué)鎳鍍鎳金表面處理。就可以在工件表面形成圖形。圖5是部分LDS成品應(yīng)用圖片。

圖5 部分LDS成品圖片

3 對PCB的影響

3.1 優(yōu)勢影響

（1）PCB制作階梯板時(shí)需要芯板開窗，加墊片，控制壓合參數(shù)等。使用LDS工藝，激光可以照射到的區(qū)域也就是圖案可以到達(dá)的區(qū)域，流程簡單。圖6是使用LDS技術(shù)加工的部分立體電路板。

圖6 立體電路板

（2）省去圖形轉(zhuǎn)移工序，只有機(jī)加工，且圖形具有可修復(fù)性，有開路缺口的線路只需要重新激光活化后再金屬化即可。省去圖形轉(zhuǎn)移工藝，不再使用較貴的干膜耗材，昂貴的曝光機(jī)，不再產(chǎn)生蝕刻廢水。所需要增加的就是一臺激光機(jī)。

（3）LDS工藝可以改變PCB傳統(tǒng)加工工藝的應(yīng)用。本文舉例LDS工藝制作超薄任意層互聯(lián)HDI。

把PCB行業(yè)中使用的半固化片制作成LDS材料。然后就可以制作超薄任意層互聯(lián)。如下圖7所示。在圖7中，201是激光孔，202是線路。在激光活化時(shí)，控制能量即可形成201孔和202線路。

圖7 LDS應(yīng)用舉例

使用LDS工藝可以使絕緣層203變得很薄，最終使整個(gè)PCB變得更薄。這個(gè)是一個(gè)理論可應(yīng)用方向，具體工藝還需要業(yè)界的專家進(jìn)行完善。

3.2 缺陷分析

（1）受填料的顆粒大小的影響和激光束的反射影響，目前可以應(yīng)用0.125 mm/0.125 mm的線路，更細(xì)的線路有短路的風(fēng)險(xiǎn)。需進(jìn)行改良。

如圖8所示，左圖是使用目前LDS已具備的能力制作的線路，右圖是傳統(tǒng)PCB線路。LDS線路邊緣粗糙度較大，目前還不能滿足PCB精細(xì)線路的制作。

圖8 LDS制作線路剛和傳統(tǒng)PCB制作線路的區(qū)別

如圖9所示，是使用LDS制作粗線路和細(xì)線路的圖片?？梢钥闯?，LDS在制作0.5 mm以上的粗線路時(shí)粗糙度就不是很明顯，在制作0.125 mm以下線路時(shí)由于填料的顆粒度以及激光束的反射影響，就會出現(xiàn)明顯的邊緣粗糙度過大的問題。

LDS技術(shù)需要在精細(xì)度上做技術(shù)改良才能應(yīng)用在PCB行業(yè)，如降低填料和其他構(gòu)成工件材料的顆粒度，提高激光的精度，降低激光的散射等。

圖9 LDS技術(shù)制作不同線路的能力

（2）目前印制電路板所用的FR-4的熱膨脹系數(shù)在0.025%/℃左右。而塑料的熱膨脹系數(shù)一般低于0.015%/℃，經(jīng)過添加無機(jī)物填料或者添加負(fù)膨脹性能的材料處理后的塑料熱膨脹系數(shù)甚至可以達(dá)到0.001%/℃以下[3]。

在LDS技術(shù)中，由于圖形是化學(xué)鍍形成。眾所周知，化學(xué)鍍層的延展性差，這種化學(xué)鍍應(yīng)用在高剛性的注塑塑料上可以滿足需求。在CTE較大的PCB材料上應(yīng)用則存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，需要二次開發(fā)。如表1，是使用銅箔拉力及延展性測試儀對化學(xué)鍍銅和電鍍銅的延展性測試結(jié)果。LDS在PCB行業(yè)中批量應(yīng)用，PCB材料問題和化學(xué)鍍銅的可靠性問題是我們需要著重解決的。

表1 化學(xué)鍍銅和電鍍銅延展性數(shù)據(jù)

（3）其它風(fēng)險(xiǎn)，如高分子材料內(nèi)部添加金屬有機(jī)物后的耐CFA性，抗剝離強(qiáng)度等等，目前我們暫未進(jìn)行測試。

4 總結(jié)

LDS技術(shù)目前已經(jīng)很多應(yīng)用，這種技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是基于注塑高分子材料，且對線路精度要求不高的產(chǎn)品，對PCB來說還有一些缺陷需要二次開發(fā)。比如適合PCB加工的材料，高延展性的化學(xué)鍍銅藥水等。

LDS技術(shù)在PCB上的應(yīng)用，從目前的分析看雖然有一些缺陷。但是每一種新技術(shù)的發(fā)展都是從無到有，然后逐漸完善到成熟，相信經(jīng)過行業(yè)內(nèi)的相關(guān)廠家的共同努力，適合制作PCB的LDS材料以及合適的化學(xué)鍍藥水必然會推出，屆時(shí)LDS的推廣應(yīng)用或許給PCB產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展方向。所以我們對此做了簡單分析

[1]祝大同. 歐洲PCB產(chǎn)業(yè)的變遷與啟示[J]. 印制電路信息, 2009,11.

[2]姜旭高. 未來十年P(guān)CB產(chǎn)業(yè)將面臨三大挑戰(zhàn)[J]. 印制電路資訊, 2010, 5.

[3]吳銀財(cái)?shù)? 降低熱塑性塑料熱膨脹系數(shù)的研究進(jìn)展[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2012,12:112-116.

Application prospect analysis of LDS technology in printed circuit board industry

SHI Shu-han TU Qing-lan

The abbreviation of Laser Direct Structuring is LDS. This technology is to project the pattern to the surface of the polymer material by using the laser technology, then take direct metallization for irradiated area, finally form pattern on the surface of polymer material. It can directly form metallization pattern on the surface of polymer material. This document discusses the principles of LDS technology, processing methods, application direction, and prospect in the printed circuit board and the existing defects in application.

Laser Direct Structuring; LDS; PCB; Injection Molded Polymer Material; CCL

TN41

A

1009-0096（2014）01-0023-03