激光直接成型化學(xué)鍍工藝在手機(jī)天線制造中的應(yīng)用

楊劍萍，華麗霞

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315012；2.義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 義烏 322000）

LDS(激光直接成型)工藝是一種塑料制品3D(三維)電路直接成型技術(shù)，主要被應(yīng)用在手機(jī)天線、汽車用電子電路、提款機(jī)外殼及醫(yī)療級(jí)助聽(tīng)器，尤其是手機(jī)天線。目前手機(jī)通信設(shè)備的尺寸越來(lái)越小，留給手機(jī)天線的空間也就更小，同時(shí)對(duì)天線的性能要求在不斷提高(如小型化、多頻段、內(nèi)置化等)，傳統(tǒng)的FPC(可撓性印制線路板)天線、金屬片天線已經(jīng)不能滿足上述要求[1]。LDS可將天線電路直接化學(xué)鍍?cè)谑謾C(jī)塑料外殼上，從而有效利用手機(jī)后殼的空間(見(jiàn)圖1)。本文介紹了LDS化學(xué)鍍的工藝流程設(shè)計(jì)要點(diǎn)，及其應(yīng)用在手機(jī)天線塑料支架上的常見(jiàn)問(wèn)題和對(duì)策。

圖1 FPC天線(左)與LDS天線(右)Figure 1 FPC antenna (left) and LDS antenna (right)

1 工藝流程

如圖2所示，LDS產(chǎn)品成型的一般流程為：準(zhǔn)備原材料(含有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物的注塑粒子)→注塑成型→激光活化→金屬化(化學(xué)鍍)→噴涂組裝。

1.1 激光活化

圖2 手機(jī)天線LDS化學(xué)鍍的工藝流程Figure 2 Process flow for electroless plating on LDS mobile phone antenna

圖3 激光活化原理和效果Figure 3 Principle and effectiveness of laser activation

聚焦激光束照射熱塑性塑料使其表面的有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而被活化，從而形成微溝道。如圖 3所示，微溝道表面粗糙，有許多微細(xì)的凹坑和豁口，有利于后續(xù)化學(xué)鍍銅層牢固地附著[2]。鐳雕光斑一般為0.08 mm。淺色(如灰色)原材料的激光功率為8～10 W，深色(如黑色)原材料的激光功率為4～8 W[3]。在實(shí)際生產(chǎn)中要根據(jù)原料的特性進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。如圖4所示，鐳雕區(qū)域不能設(shè)計(jì)成垂直面，應(yīng)將鐳雕壁設(shè)計(jì)成與激光束掃過(guò)的平面之間呈一定角度(一般要求大于30°)的斜面。

圖4 鐳雕區(qū)域的設(shè)計(jì)規(guī)范Figure 4 Schematic diagram showing the design specification of laser etching area

1.2 化學(xué)鍍

LDS 化學(xué)鍍通常是化學(xué)鍍銅/鎳或銅/鎳/金，各種鍍層的厚度為：銅 8～10 μm，鎳 2～4 μm，金 0.10 ～0.15 μm。以某手機(jī)天線支架為例，其主要流程為：上料→超聲波清洗→化學(xué)鍍銅→預(yù)浸→活化→化學(xué)鍍鎳→鈍化→下料→甩干(三足離心機(jī)，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，時(shí)間20～30 min)→烘干(網(wǎng)帶烘干機(jī)，溫度80 °C，時(shí)間 1.0～1.5 h)。

1.2.1 超聲波清洗

目的是除去部分鐳雕粉塵和表面污物。采用水基清洗劑，功率密度0.35 W/cm2，頻率35～40 kHz，溫度 50～60 °C，時(shí)間 5～10 min。

1.2.2 化學(xué)鍍銅

包括預(yù)鍍和加厚鍍。預(yù)鍍是在鐳雕層上鍍一層薄銅，鍍液組成和工藝條件為：NaOH 3.0～4.0 g/L，Cu2+1.5～2.5 g/L，HCHO 2.5～4.0 g/L，配位劑 EDTA(乙二胺四乙酸)23～32 g/L，溫度 50～55 °C，時(shí)間 20～50 min。加厚鍍的配方和工藝條件為：NaOH 4.0～6.0 g/L，Cu2+2.5～3.5 g/L，HCHO 3～5 g/L，EDTA 32～40 g/L，溫度 50 ～55 °C，施鍍時(shí)間依厚度而定(厚度為 8～10 μm 的鍍層耗時(shí) 1～2 h)。

1.2.3 預(yù)浸

目的是除去銅氧化層，保證活化穩(wěn)定性。采用10～20 mL/L硫酸溶液，時(shí)間3～10 min。

1.2.4 活化

在銅層表面置換得到一層鎳，為化學(xué)鍍鎳提供活化中心，工藝條件為：NiSO4?6H2O 10 g/L，常溫，時(shí)間 8～10 min。

1.2.5 化學(xué)鍍鎳

Ni2+5.4～6.0 g/L，NaH2PO2?H2O 27～33 g/L，pH 4.7～5.1，溫度 80～87 °C，時(shí)間 15 min。

1.2.6 鈍化

磷酸 2～3 g/L，重鉻酸鉀 4～6 g/L，常溫，時(shí)間 5～10 min。

2 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 線寬和線距

如圖5所示，布線在平面或者接近平面的面上時(shí)，最小線寬為0.2 mm，最小線距為0.3 mm。布線在轉(zhuǎn)角面或者圖形需要2次鐳雕連接起來(lái)的表面時(shí)，最小線寬為0.3 mm，最小線距為0.5 mm。

圖5 電路布線的線寬和線距Figure 5 Line width and interspace of circuit pattern

2.2 電路圖形布線圓角

如圖6a所示，線路A立面外直角位置的線路在滾鍍、包裝和運(yùn)輸過(guò)程中容易被磨損而產(chǎn)生漏鍍現(xiàn)象；內(nèi)拐角底部的直角位置也容易因激光能量局部集中而燒焦，鐳雕粉塵聚集，導(dǎo)致多鍍。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要布線的位置至少要有R0.5 mm的圓角，見(jiàn)圖6a的線路B。電路布線在產(chǎn)品的平面上時(shí)，轉(zhuǎn)折處同樣應(yīng)避免直角，也建議設(shè)計(jì)成圓角R0.5 mm，見(jiàn)圖6b。

圖6 電路圓角示范Figure 6 Design guide of circuit pattern

2.3 電路圖形布線位置

如圖7所示，為了避免激光鐳雕加工誤差導(dǎo)致布線到側(cè)壁斜面上，以及避免激光鐳雕產(chǎn)生粉末并成堆地附著在側(cè)壁上，使側(cè)壁和底部角落過(guò)鍍，圖形布線不能緊靠側(cè)壁。若側(cè)壁與平面所成的銳角θ為45°，則布線與它的距離(d)應(yīng)滿足d ≥0.15 mm；若θ為70°，則應(yīng)滿足d ≥0.25 mm的要求。

3 LDS化學(xué)鍍的常見(jiàn)問(wèn)題及改善要點(diǎn)

3.1 激光鐳雕活化不良導(dǎo)致布線功能失效

如圖 8所示，電路布線傾斜的角度小于 30°時(shí)，斜面激活不充分，鍍層的品質(zhì)受影響。改善措施是將LDS電路布線的斜面角度加大至30°以上，遵從設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖7 電路布線位置示范Figure 7 Guide for circuit pattern layout

圖8 電路布線的斜面角度對(duì)鍍層品質(zhì)的影響Figure 8 Effect of bevel angle of pattern on coating quality

3.2 化學(xué)鍍漏鍍

如圖9所示，鐳雕線路預(yù)鍍銅時(shí)出現(xiàn)漏鍍，局部鐳雕線路未完全覆蓋上銅層就進(jìn)入下一道工序，會(huì)導(dǎo)致在厚鍍工序的漏鍍位置未能完全上銅，電路不能導(dǎo)通。具體原因?yàn)椋侯A(yù)鍍銅槽中NaOH的質(zhì)量濃度過(guò)低(才2.5 g/L)，預(yù)鍍時(shí)間太短(即鍍前浸泡時(shí)間不足，才15 min)。改善措施：將預(yù)鍍銅溶液的NaOH質(zhì)量濃度提高至3.5 g/L，以增大預(yù)鍍銅速率；同時(shí)延長(zhǎng)施鍍時(shí)間至20 min，降低部分鐳雕區(qū)域未能上銅的可能性。

圖9 化學(xué)鍍漏鍍不良品Figure 9 A sample with skip plating defect during electroless plating

3.3 鍍層發(fā)亮

電鍍后的制品整體發(fā)亮是一種不良現(xiàn)象，不良率有12%。從圖10可知，正常成品表面呈啞光的金色，不良品則存在發(fā)亮的斑點(diǎn)。對(duì)不良品和良品進(jìn)行膜厚測(cè)量和百格測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1和圖11，可見(jiàn)良品和不良品的膜厚和結(jié)合力差異不大，都合格。

通過(guò)排查產(chǎn)品生產(chǎn)隨工單發(fā)現(xiàn)：發(fā)亮產(chǎn)品與正常產(chǎn)品的預(yù)鍍和化學(xué)鍍鎳都在同一槽中進(jìn)行，只有鍍銅槽不在同一產(chǎn)線上，因此對(duì)鍍銅工藝進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表 2?？梢?jiàn)產(chǎn)出不良品的厚銅槽的銅含量超出了工藝管控范圍(2.5～3.5 g/L)。

圖10 良品和發(fā)亮不良品的外觀Figure 10 Appearance of normal product and the one with bright spot defect

表1 良品和發(fā)亮不良品的膜厚測(cè)量結(jié)果Figure 1 Thickness measurement result of normal product and the one with bright spot defect

圖11 良品和發(fā)亮不良成品的百格法結(jié)合力測(cè)試結(jié)果Figure 11 Cross-cut adhesion test results of normal product and the one with bright spot defect

表2 良品和發(fā)亮不良成品的鍍銅工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of electroless copper plating for producing normal products and the ones with bright spot defects

改善措施：降低銅含量至工藝范圍內(nèi)，同時(shí)提高鍍液成分分析監(jiān)控的頻率，從5 000件檢測(cè)一次變?yōu)? 000件檢測(cè)一次，以防批量性不良品的產(chǎn)生。

由此可見(jiàn)，LDS化學(xué)鍍工藝過(guò)程質(zhì)量管控要點(diǎn)是至關(guān)重要的，工藝參數(shù)管控不嚴(yán)可能引起其他的不良問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)按規(guī)范操作，具體問(wèn)題具體分析。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)工藝相比，LDS化學(xué)鍍工藝具有電路設(shè)計(jì)靈活、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，LDS化學(xué)鍍工藝可以依據(jù)手機(jī)內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)手機(jī)天線，能實(shí)現(xiàn)三維電路布線，大大提高了手機(jī)空間的利用率，未來(lái)在手機(jī)天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域必將得到更廣泛的應(yīng)用。