激光誘導(dǎo)ABS塑料表面電磁屏蔽功能線路的制備

崔開放，鐘良*，代竟雄

（西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽 621000）

隨著電子元件小型化的迅速發(fā)展，高度集成化以及大容量數(shù)字化信息的傳輸使電磁干擾和信息泄漏問題日益突出[1]。大功率和布局不合理的電子線路都會產(chǎn)生較強的磁場，因而需要增強電子線路本身的電磁屏蔽性能，抑制其對儀器內(nèi)部的電磁干擾[2]。

當前的電磁屏蔽電子線路多通過在電路板上涂覆屏蔽功能涂層而制得，即采用絲印法在線路絕緣層上印刷銅漿導(dǎo)電層，干燥后再印刷絕緣保護層[3]。該法所得保護層具有較好的電磁屏蔽效能，但無法只針對線路進行覆蓋，原料消耗量較大。本文結(jié)合激光誘導(dǎo)化學鍍銅[4]和激光誘導(dǎo)化學鍍 Ni–P–Cu合金[5]兩種方法，先通過激光誘導(dǎo)化學鍍銅在ABS塑料表面制得銅電子線路，然后以激光誘導(dǎo)Ni–P–Cu合金化學鍍，制得具有良好屏蔽性能的電子線路。

1 實驗

1.1 ABS塑料表面預(yù)處理

基體為10cm×10cm×2mm的黑色ABS塑料塊，由上海錦湖日麗塑料有限公提供。主要預(yù)處理步驟為：除油(Na2CO330g/L，Na3PO420g/L，NaOH20g/L，60°C，8～10min)→酸洗(80mL/L 硫酸溶液，室溫，5min)→粗化(MnO250g/L，磷酸與硫酸體積比為 1.5∶1，60°C，25min)→超聲波清洗(5min)→室溫干燥。

1.2 銅線路的制備

用刷子蘸取 10g/L CuSO4·5H2O+30g/L NaH2PO2·H2O 活化液，涂覆基體表面 1 次，在常溫下放置 8～10min，待部分水分蒸發(fā)后即可在基體表面得到透明的活化層。采用CAD軟件繪制線路圖形(線寬0.5mm)，以圖片形式輸入深圳市寶利旺商貿(mào)有限公司的DK-8-KZ型藍光激光雕刻機(功率1W，波長450nm)，調(diào)整圖片到合適大小，然后以光斑直徑0.1mm和掃描速率12mm/s對基體進行掃描活化。用清水清洗后進行化學鍍銅，在ABS塑料表面得到銅線路，配方和工藝條件為：CuSO4·5H2O6g/L，乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)25g/L，甲醛 20mL/L，硫脲 0.5mg/L，NaOH6g/L，十二烷基硫酸鈉(SDS)20mg/L，pH 12～13，溫度 30°C，時間 60min。

1.3 屏蔽層的制備

用清水清洗施鍍好的銅線路，常溫干燥。用刷子蘸取 10g/L NiSO4·6H2O+40g/L NaH2PO2·H2O 活化液，涂覆基體表面2次，每次涂覆后在常溫下放置8～10min。按照線路圖形，以光斑直徑0.1mm和掃描速率1～10mm/s對銅線路表面進行掃描活化。用清水清洗后化學鍍Ni–Cu–P，配方和工藝條件為：NiSO4·6H2O28g/L，CuSO4·5H2O0.04g/L，NaH2PO2·H2O20g/L，乙酸鈉 15g/L，乳酸 20g/L，硫脲 0.1mg/L，pH5，溫度 80°C，時間 30min。

1.4 性能測試與表征

采用德國Carl Zeiss NTS GmbH的Ultra55型高分辨冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察基體各階段的表面形貌，并用其附帶的能譜儀(EDS)分析激光活化后的銅線路表面成分。

采用廣州四探針科技有限公司的RTS-8型數(shù)字式四探針測試儀測量鍍層的電阻率。

采用北京鼎容實創(chuàng)科技有限公司的 DR-S02型法蘭同軸屏蔽效能測試儀測試鍍層的電磁屏蔽性能。將基體制成內(nèi)徑1.5mm、外徑3.5mm的圓環(huán)，在圓環(huán)的其中一面鍍上厚度為15μm的Ni–P–Cu合金鍍層，然后采用法蘭同軸屏蔽效能測試儀測試鍍層的電磁屏蔽性能。軍工技術(shù)領(lǐng)域要求對高頻信號(100MHz～1GHz)的屏蔽效能在 60～120dB 范圍內(nèi)[6]。

采用熱循環(huán)試驗檢測鍍層的結(jié)合力。將鍍件先后放入 80°C水浴 60min、20°C水浴 30min和0°C水浴60min，反復(fù)進行3次，若鍍層無起皮、發(fā)皺等現(xiàn)象，則結(jié)合力良好。

采用青島遠大光機科技有限公司的AMM-6型正置金相顯微鏡的目鏡測微尺(規(guī)格0.1mm×0.1mm)計算線路表面Ni–P–Cu合金鍍層的覆蓋面積。按式(1)計算合金鍍層的覆蓋率X，以此作為激光活化效果的評價指標。

式中，x1為鍍層覆蓋面積(單位：mm2)；x2為激光掃描面積(單位：mm2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光掃描速率對銅線路化學鍍Ni–P–Cu前激光活化效果的影響

從圖1可以看出，激光掃描速率為1～5mm/s時，線路鍍層表面被Ni–P–Cu合金鍍層完全覆蓋，說明激光能量達到了使活化層充分反應(yīng)所需的能量。但當激光掃描速率高于5mm/s時，線路鍍層表面沒有Ni–P–Cu合金沉積，說明激光能量不足以使活化層達到反應(yīng)溫度。為提高工藝效率，取激光掃描速率為5mm/s。

2.2 銅鍍層化學鍍Ni–P–Cu合金前后的表面形貌

從圖2可以看出，銅線路表面晶粒棱角分明，主要呈三角錐形；激光活化后，銅線路表面附著一層20nm 左右的胞狀微粒；化學鍍 Ni–P–Cu合金后，銅線路表面被 Ni–P–Cu合金鍍層完全覆蓋，且合金鍍層的晶胞大小均勻，結(jié)構(gòu)緊密。從圖3a可知，活化后線路表面出現(xiàn)了Ni，這是由于活化液中的Ni2+在激光熱效應(yīng)作用下被還原為 Ni單質(zhì)[7]，也就是活化后的銅線路表面附著的胞狀微粒。從圖 3b可知，化學鍍所得Ni–P–Cu合金鍍層含銅6.51%(質(zhì)量分數(shù))。

圖1 激光掃描速率對活化效果的影響Figure 1 Effect of laser scanning rate on activation

圖2 銅線路活化前后及化學鍍Ni–P–Cu合金后的表面SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM images of the copper circuits before and after activation and electroless Ni–P–Cu alloy plating

圖3 銅線路活化后及化學鍍Ni–P–Cu合金后的EDS譜圖Figure 3 EDS spectra of copper circuits after activation and electroless Ni–P–Cu alloy plating, respectively

2.3 屏蔽功能線路的性能

采用四探針測試儀測得屏蔽功能線路的電阻率為3.72×10?8?·m，與純銅在20°C下的標準電阻率(1.75×10?8?·m)在同一數(shù)量級，說明線路的導(dǎo)電性良好。

采用法蘭同軸系統(tǒng)測得 Ni–P–Cu 合金鍍層對高頻信號(100MHz～1GHz)的屏蔽效能接近 80dB，滿足軍工技術(shù)的要求。

從圖4可以看出，銅線路和屏蔽功能線路經(jīng)結(jié)合力檢測后，鍍層表面無起皮、發(fā)皺等現(xiàn)象，說明鍍層與基體結(jié)合緊密。

圖4 結(jié)合力檢測后的線路照片F(xiàn)igure 4 Photos of copper circuits after adhesion test

3 結(jié)論

先通過涂覆 10g/L NiSO4·6H2O+40g/L NaH2PO2·H2O 混合溶液對銅線路表面進行預(yù)活化，再以光斑直徑0.1mm和掃描速率5mm/s進行激光活化，最后進化學鍍Ni–P–Cu合金。所得線路表面均勻致密，與基體間結(jié)合良好，電磁屏蔽性能滿足軍工技術(shù)的要求。