干货 | 3D-MID全新工艺，塑胶表面选择性金属化技术

产业的发展离不开CMF（色彩、材料、工艺）

未来，CMF或将朝着ECMF的方向发展，CMF与电子科技的融合将成新玩法。其工艺、材料等技术将渗透到各个产品领域，覆盖消费电子、家电、汽车等。本文为大家介绍3D-MID中的新工艺，是一种激光电子技术，可在塑胶表面实现选择性金属化，电子集成化。文章主要内容包括：

一、什么是3D-MID工艺？

二、3D-MID全新工艺流程解析

三、3D-MID全新工艺-Lpum性能优势详解

四、专业技术细节问题解答

关键词：3D-MID新工艺；塑胶表面选择性金属化；激光应用   

注：有想了解工艺及供应商的朋友们可以加笔者微信13713875667交流

CMF设计军团专门成立了表面处理及成型工艺技术交流群，感兴趣的朋友们可以长按下图二维码（提交信息之后页面）加群主微信15361491150，备注“工艺交流”，加入技术交流群，与专业人士一起探讨！此群仅限专业技术人员加入，入群需实名制！

 一、什么是3D-MID工艺？

3D-MID一般指Three Dimensional-Molded Interconnect Device（三维模塑互连器件）；或Three Dimensional-Mechatronic Integrated Device（三维机电集成器件）。

3D-MID技术能在注塑成型的塑料壳体的表面上，制作有电气功能的导线、图形，并直接在壳体上安装元器件并使其电气互连，从而实现电路板的电气互连功能、支承元器件功能和塑料壳体的支撑、防护功能以及由机械实体与导电图形成结合而产生的屏蔽、天线等功能集成于一体，形成“三维模塑互连（机电集成）器件”。

常用的3D-MID技术有以下几种：

1、德国LPKF公司的Laser Direct Structuring（激光直接成型）工艺，步骤为：注塑成型—激光活化—化学镀铜+化学镍金。

2、日本Sankyo Kasei公司Two Shot Molding（两步注塑）工艺，步骤为：非电路部分注塑—电路部分注塑—化学镀铜+化学镍金。

3、日本松下的Laser Resist Imaging（激光选择性去抗蚀剂）工艺，步骤为：工件注塑—化学镀铜—涂覆抗蚀剂—激光选择性去除抗蚀剂—蚀刻—表面处理（镍、金等）。

4、美国OPTOMEC公司的AJ/Aerosol Jet（气溶胶态直接喷印）工艺，步骤为：工件注塑成型—喷印气溶涂料—用氙灯或激光或烘炉烧结。

5、奥地利公司Plasma Innovations（等离子涂覆）工艺。该工艺用低温+微细+常压下的等离子涂覆导电材料方法，直写导电结构，阳极和阴极间的电弧产生等离子流，其能量将输入的铜颗粒熔化，喷到基材上，直接形成导电结构。

其他工艺还包括pcb图形镀的3D-Photoimaging工艺、Hot Embossing技术及经激光修整的LRP技术等。

3D-MID各工艺机理归类总结如下图：

图1：3D-MID各工艺机理归类总结

下表是3D-MID各工艺的技术参数及优缺点：

表1：各工艺的技术参数及优缺点

 二、3D-MID全新工艺流程解析 

近日，笔者了解到一种全新的3D-MID技术工艺，由德中自主研发，并取得相应的知识产权，叫：Lpum（Laser Patterning Undoped Materials）工艺。可以采用不添加LDS粒子的普通塑料基材，通过特定的激光加工方法，可控改变材料表面状态，为后续活化和金属化创造所需的表面状态，并提高基材表面与金属线路的结合力。

与其它3D-MID工艺相比，Lpum工艺可广泛在红外、紫外纳秒或者皮秒等先进激光机器上使用，金属化线路更加精细。实验结果表明，Lpum工艺的激光加工方法可提高基材与金属线路的结合力，如基材与铜层之间的剥离力可以达到0.54—1.46kgf/cm。

Lpum工艺的流程：

• 1. 普通塑料注塑：注塑时不需要添加LDS粒子。与表面哑光的基材相比，表面高光的基材选择性更好。

• 2. 前处理：用药水浸泡、或涂覆薄膜、或等离子等工艺的一种或几种，在基材表面产生一层疏活化剂层，该疏活化层能够减少或阻止活化剂的吸附。不同种类的塑料，前处理工艺有可能不同。

• 3. 激光加工：激光加工有疏活化剂层的基材表面，可破坏并去除图形部分的疏活化剂层，使得图形部分与非图形部分对活化剂有不同的吸附性能；此外，激光还可改变图形部分的表面粗糙度，提高图形部分与金属层的结合力。

• 4. 活化：由于激光加工造成吸附性能的差别，当活化剂在基材上沉积时，图形部分会多沉积，非图形部分少沉积或不沉积，提高了选择性。再经过去除速率均匀的除活化剂步骤，反应一定的时间后，可将非图形部分的活化剂全部去除，只保留图形部分的活化剂。

• 5. 金属化：金属化的第一步是化学镀。正常情况下，金属离子在有活性中心的地方才会结晶沉积，没有活性中心的地方不会沉积。但如果药液活性很高，就会出现在没有活化中心的地方也沉积，所以化学镀药水的管控非常重要，起镀速度和沉积速率高或低都会导致溢镀或者漏镀。基材表面沉积一层金属后，就可以电镀增厚、沉镍金或者电镀镍金等。

图2：工艺流程图

相比较其它3D-MID工艺，Lpum工艺优势如下：

1、使用普通基材，在注塑时无需添加LDS粒子，降低基材成本。

2、可兼容使用紫外纳秒、紫外皮秒等先进的激光器。光斑小，线路更加精细化。

3、采用特殊激光加工方法，可控调节基材表面状态和结合力。

4、激光加工同步实现基材的粗化，无需化学粗化，工艺绿色环保，成本低。

 三、3D-MID全新工艺性能优势详解 

1. 加工线路精细

Lpum工艺采用脉冲激光加工方法，通过设置足够大的加工路径间距和扫描速度，以单个激光脉冲或者脉冲串与材料表面发生反应，最终在材料表面形成一定排列的、没有叠加的微坑。

如图3所示，该图是激光以单个脉冲或者脉冲串与材料作用后，形成有序排列微坑的SEM图。为了方便观察，相邻两个微坑中心的距离设置为50μm，以平行的激光加工路径为例，线与线之间的距离即为上下行相邻微坑的中心距离，而脉冲激光的扫描速度除以频率则为左右间相邻微坑的中心距离。因此，通过调节线宽、扫描速度和频率来控制微坑的中心距，从而有效调节微坑排列的密集程度。

功率越大，微坑直径越大，当微坑中心距设置小于微坑直径，相邻微坑会相互叠加，导致坑边消失，微坑也就不能称之为 “坑”。因此，初始需要设置足够大的中心距，并获得不同功率下的微坑直径，再根据微坑直径大小，设置稍大一点的中心距，以获得排列紧密且无叠加的微坑。

图3中单个微坑的直径在28μm左右，坑深度在7.2μm左右，微坑内部结构也比较复杂。

图4为图3蓝色框继续放大5倍的SEM图。可以看出，微坑内部不是平滑的，而是存在分层、突出、蜂窝等各种结构。这样复杂的内部结构更有利于金属层和基材结合。通过调节激光光斑内能量分布，即可调节微坑内部结构。

设置好路径距离和扫描镀速等，可在基材上表面形成无边界叠加的密集排列的微坑（图5）。从切面可观察到，在微坑的中心位置处有等间距的一个个v形小坑（图6）。图7为微坑光学显微镜测试图，该微坑的直径为18μm左右、相邻微坑中心距为20μm。

Lpum工艺支持使用紫外皮秒等光斑极小的激光器，激光加工线路可以按照单排成线的方法，加工出和光斑大小接近的极细线路。但是，在后续实际生产中，单排线化学镀时容易断路、增厚镀层过程中镀层向线两边扩散导致线变粗等因素，这种极细线路只有在比较苛刻的条件下才能够实现。下图是在实验室里做出的17μm左右的线路（图8、图9为放大100倍下的图像、图10为放大1000倍下的图像）：

然20μm以下的极细线路生产难度大，但Lpum工艺能轻易实现生产50~100μm的线路,下图是放大500倍左右的线路图（图11、图12、图13中金属线路宽度在60~70μm左右）：

2. 有效控制镀层与基材的结合力

现有的大多数类似的工艺，均使用红外连续激光加工烧蚀出蜂窝状的表层以便于活化剂吸附，激光与基材表面反应是升华或汽化和重熔同时作用。单位面积能量（能量密度）需要保持在一定范围，能量密度小，反应以重熔为主，蜂窝孔洞少；能量密度大，以升华或汽化为主，蜂窝层太薄。而且蜂窝层最上层的碳化结构比较松散，如图14、图15中红色圆圈所示。松散结构层会降低结合力。并且，在保持能量密度不变的情况下，增加加工次数时，松散层厚度也随之增加，结合力亦无法提高。

相比现有工艺而言，Lpum工艺可有效调节微坑的直径和结合力。激光能量密度越大，坑的深度越大，结合力越好。

实验使用三种基材，裁切成10cm*10cm小板，表面全部经Lpum工艺激光加工，后经金属化和镀铜处理，结合力测试如下表所示。测试标准：DIN 51 221, part 1，剥离力测试实验，方法原理如图16所示：

图16：剥离力实验原理图

测试结果如下三表：

激光功率百分比	17%	27%	51%	100%
微坑直径/μm	10.3	12.9	14.9	26.7
微坑深度/μm	0.5	1.06	1.77	7.9
微坑径深比	20.6	12.1	8.4	3.4
剥离力（kgf/cm）	0.89	1.13	1.29	1.46

表2：FR4基材剥离力测试结果 

激光功率百分比	17%	27%	51%	100%
微坑直径/μm	22.5	25.8	33.2	38.5
微坑深度/μm	2.57	2.97	2.98	5.7
微坑径深比	8.7	8.7	11	6.7
剥离力（kgf/cm）	0.54	0.57	0.59	0.66

表3：LCP基材剥离力测试结果 

激光功率百分比	10%	17%	51%	100%
微坑直径/μm	11.9	12.8	27.9	36.1
微坑深度/μm	1.42	1.88	8.7	18
微坑径深比	8.4	6.8	3.2	2
剥离力（kgf/cm）	0.62	0.83	0.98	1.32

表4：纯环氧树脂基材剥离力测试结果

从上三种材料的规律能看出，能量密度越大，结合力越大。

下图是在63*88mm的ABS板材上，运用Lpum工艺做出的一个微波图形金属导线样品。

以上结果表明，Lpum工艺作为一种新3D-MID工艺，能在普通材料上实现选择性金属化，加工线路精细，可有效控制基材与线路的结合力。

 四、专业技术细节问题解答 

1. 该技术适用于所有的塑料吗？

Lpum工艺现阶段能应用于ABS和含ABS的合金（比如ABS+PC）。在高性能塑料中比如PEEK、PPS、LCP上也有突破性进展，后续需进一步细化，目前在研发中。

2. 能够使用红外等波长的激光器吗？

只要激光器激发的激光光束能与塑料表面发生反应，Lpum工艺就可适用，但最好是脉冲激光器，因为连续激光加工单独坑洞的效率慢且坑洞直径大。

3. 坑深度越大，结合力就越大，那么不断增加加工次数，结合力就会无限大，对吗？

理论上是如此，但在实际生产中，会存在以下三种问题：（1）、增加加工次数会降低加工效率，因此，实际生产中加工次数不能过多；（2）随着坑洞深度增加，增加加工次数，会显著降低加工效果，坑洞深度变化也越来越小；（3）对于厚度比较薄的材料，不允许坑洞深度过大。

4. 该技术能达到的最小线宽间距是多少？

最小线宽间距与使用的激光机的光斑直径（聚焦后的光束束腰直径）大小有关。

以开发ABS基材时为例，Lpum工艺可使用红外纳秒、紫外纳秒、紫外皮秒等不同激光机。其中的理论光斑最小的是紫外皮秒，机器的光斑大小为13.95μm，与ABS基材反应后的微坑直径（包括周边热影响区）为15~36μm，单排成线虽能镭射出17μm左右的线，但需要非常精密的设备和精细的管控才能保持好的良率。双排成线相对简单，加上考虑镀层增厚（6-8μm）时侧向扩展，最终可做出50μm左右的线路。那么最小的线宽间距约为50/80μm。

注：本文技术资料由德中（天津）技术发展有限公司提供，CMF设计军团编辑整理，有想了解这家供应商及此技术的朋友们可以加笔者微信13713875667沟通咨询。

【 重要通知 】

2021国际CMF设计奖（CMF DESIGN AWARD）正在作品征集中，申报截止日期9月30日。

（1）申请表官网下载：http://cmfdesignaward.com

（2）作品发送至官方邮箱：[e-mail]

咨询请联系：大奖工作组 18565725894（微信同）

想了解更多CMF内容吗？欢迎大家点击下方关注我们公众号，每日8点15，定时发布文章。另外，公众号右上角有搜索按钮，可以快速查找平台早期发过的文章内容哦~~

近期精选文章推荐：

---

为探索CMF深度与广度，提升行业水平，军团邀请到：

海尔、美的、格力、西门子、奥克斯、小天鹅、海信、康佳、TCL、松下、奥马、长虹、飞利浦、创维、莱克、科沃斯、苏泊尔、史密斯、美菱、九阳、海派、仁宝、罗技、华硕；Apple、华为、小米、三星、OPPO、联想、中兴、vivo、酷派、魅族、乐视、Motorola、传音、努比亚、奇酷360、一加、美图；微软、intel；宝马、大众、广汽、北汽、上汽、一汽、长安、长城、吉利、海马、江淮、比亚迪、奇瑞、现代、中车、陕汽、东风、潍柴、蔚来、泛亚、小鹏、宝沃、伊狄达、开云、同捷科技；佳普、老板、正大、模德、奥普、樱花、欧普、欧派、顾家、华帝；杜邦、库尔兹、巴斯夫、陶氏、PPG、苏威、阿克苏诺贝尔、3M、艾文德、LG；武汉大学、天津大学、东南大学、湖南大学、吉林大学、江南大学、东华大学、同济大学、中央美院、天津科技、天津工业、广州大学、南京艺术学院、浙江理工、浙江工业、中国地质、南京理工、南京航空航天、北京理工、西南交通、广东工业、华南理工、华南工业、华南农业、安徽农业、哈尔滨理工大学；北京服装学院色彩设计研究中心、中国流行色协会、中国色彩中心、爱色丽&潘通、丽华创新制造、江南大学&卡秀堡辉联合创新实验室、荣格、YANG DESIGN等诸多业界同仁，分别来自家电、3C、汽车、家居、资源方、学术界、第三方平台、设计企业等，共同探索CMF，助力行业发展。

用心研究分享

设计、材料、工艺、趋势、文稿、资讯

CMF设计军团免责说明：本文仅代表作者本人对于行业的个人看法，作为分享交流。本文引用的图文、数据等其它内容，来源于网络或公开资料，版权归原作者及原出处所有，仅用于学习之用。任何商业盈利目的均不得使用，否则产生的一切后果将由您自己承担。如需转载，请与军团联系。