一种在三维高分子材料表面制作或修复立体电路的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于立体电路板的制作领域，更准确地说，涉及一种在三维高分子材料表面制作或修复立体电路的技术。
【背景技术】
[0002]近年来，随着电子工业的快速发展和高分子材料的广泛应用，高分子材料表面局域选择性金属化在电子器件的制作、修复和封装等领域吸引了越来越多的关注。电子电器产品持续向数字化、轻量化、小批量、柔性化、多功能化、智能化、高可靠性、低能耗等方向的发展，进一步促进了在高分子材料表面制作和修复导电线路技术的快速进步。
[0003]传统的高分子材料表面局域金属化技术，如注射复合技术、热压印技术以及传统的印刷电路板制作技术等，通常具有制作工艺复杂、原材料损耗大、环境污染严重等缺点，并且不能满足小批量、高精度和柔性化等制造的要求。为此，国内外研宄人员纷纷尝试把柔性化程度高、无需掩模的激光加工技术应用到聚合物材料表面三维导电线路的制作和修复中。
[0004]三维模塑互连器件(threedimens1nal molded interconnect devices，3D-MID),是指以具有机械功能的模塑零件作为基板，通过在零件表面直接布置电子线路，在三维空间将分立的电子元件连接起来，将机械与电子的功能集成为一个有机整体的器件。3D-MID技术可以将普通的电路板的电气互连功能、支承元器件的功能和塑料壳体的支撑、防护等功能集成于一个器件上，形成立体的、集机电功能于一体的电路载体，其应用领域涉及汽车、通信、家电产品等，并在医用领域也有广泛的发展前景。3D-MID的主要工艺流程可以分为注射成型结构零件、生成金属线路和电子元器件的组装三部分。其中，金属导电线路的生成方式一直是学术界的研宄重点。如德国LPKF公司开发的激光三维电路直接成型技术(Laser Direct Structuring，LDS)近年来发展十分迅速，其核心工艺是将一种塑料混料与一些特殊的激光活化金属组分复合，注塑成具有热塑性的被加工元件，当该元件暴露于激光中时，该激光活化金属组分将被分解成单质金属(如铜、钯、镍或其混合物等)和残余有机物组织，与此同时，在激光束扫描过的位置，会留下含有单质金属颗粒的粗糙表面，这些金属颗粒将在后续的化学镀工艺中作为催化活性中心，最后使线路上沉积厚度为5?8 μπι的镀层金属。这种技术的优点是工艺便捷、可靠，激光束可根据CAD数据直写，且生产过程柔性化程度高，目前，该技术已实现商业化，并成功制作出了助听器、汽车天线、手机天线等产品。但该技术也存在明显的缺点，即该技术必须采用具有LDS性能的特定塑料，价格昂贵，并且只利用到了注塑件表面的激光活化金属组分，造成了大部分活化金属的浪费。
[0005]专利文献(专利号:ZL200810197225.5)也公布了一种利用激光直写和微熔覆技术制作和修复三维模塑互连器件导电线路的方法。其基本原理为利用微细笔或微喷直写工艺，或喷涂、掩膜板丝网印刷等方式，依据所设计的线路图形，在模塑结构件表面预置一层
0.1?50 ym厚的电子浆料，低温烘干浆料有机溶剂后，再采用红外激光(如ND = YAG激光和C02激光等)沿电子浆料的轨迹辐照浆料层，形成导电线路图形的初步轮廓，接着依靠化学镀工艺形成具有高结合力和优异导电性、耐磨性、耐氧化性和耐腐蚀性的导电线路。利用该种技术可分别在聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)等十几种聚合物基体上制作出金属线路，并对基体材料无可镀性要求，可快速制备和修复各种复杂导电线路，柔性化程度高。但是，该方法的主要缺点是加工效率低，难以大批量制作；此外，红外激光会对基体本身造成一定的损伤，其热影响区会导致后续化学镀时图形的选择性降低；而电子浆料作为本方法必不可少的原料，也影响了该技术的应用范围。
[0006]在激光诱导沉积技术领域，激光诱导化学气相沉积技术可在多种基材上沉积多种金属，但需要真空条件，设备造价昂贵，气体毒性大；激光诱导固相沉积技术的缺点是沉积导电线条比较薄，厚度不均匀，与基体结合力差；激光诱导化学液相沉积技术具有操作简单，工艺流程少等优点，但也存在着沉积金属层厚度太薄的缺点。
[0007]关于激光诱导化学镀技术，其关键在于如何利用激光技术按照设计的线路图形在基体表面所需区域产生催化活性中心，进而经过化学镀后形成导电线路。围绕如何形成催化活性中心，研宄人员提出了一系列方法，如H.Niino等(App1.Phys.Lett., 1993, vol.63,pp.3527-3529: surface modificat1n and metalI izat1n of fluorocarbon polymersby excimer laser processing)在联氨气氛中，对聚四氟乙稀(PTFE)和氟化乙稀丙稀共聚物(FEP)先进行表面改性，引入氨基，然后再敏化、活化，最后实现化学镀，但这种工艺方法较为复杂；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+激光对PI材料进行辐射，被辐射区域产生的缺陷、裂纹、自由基等能成为催化活性中心，进而实现化学镀铜，但这种方法得到的镀层结合力难以保障；浙江大学的陈恒武等人(专利申请号:200510050716.3)提出了以低压汞灯作为辐射源，通过石英/铬板掩模对PC表面局域选择性光化学改性，之后在光照区域所产生的羧基将直接吸附银氨溶液中的银氨络离子，经过化学镀液中的还原剂的还原作用，银氨络离子被还原成金属Ag，由此形成催化活性中心，进而在PC表面局域选择性地制备金微电极。该法以低压汞灯为光源，设备简单，易于操作，但由于采用有掩膜版，因此只适合于二维的、简单的导电线路图形的制作，而且制作周期长，柔性化程度低。
【发明内容】
[0008]本发明的一个目的是提供一种在三维高分子材料表面制作或修复立体电路的方法的新技术方案。
[0009]根据本发明的第一方面，提供了一种在三维高分子材料表面制作立体电路的方法，包括以下步骤:
[0010]a、利用同步送粉技术，在高分子材料表面预先设计的线路图形位置覆盖上一层金属或/和金属化合物的固体粉末；
[0011]b、与此同时，利用激光对覆盖固体粉末的区域进行加工处理，以提高高分子材料表面上被加工区域的粗糙度，并同时将金属或/和金属化合物引入或嵌入到被激光加工的区域中；
[0012]C、将上述高分子材料放入到化学镀液中进行化学镀，即可得到立体电路板。
[0013]优选地，所述固体粉末为含有元素钯、银、铂、金、镍、铜、锌、铝、锡、铬、铁中的至少一种的单质、化合物和/或混合物粉末。
[0014]优选地，所述固体粉末的粒径为5nm?100 μ m。
[0015]优选地，所述固体粉末层的厚度为1nm?100 μπι。
[0016]优选地，所述的高分子材料为异戊橡胶、丁苯橡胶、聚碳酸酯、聚钛酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、液晶聚合物、尼龙、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-玻璃纤维复合材料、环氧树脂-玻璃纤维复合材料、三聚腈胺-玻璃纤维复合材料中的至少一种。
[0017]优选地，在所述步骤b)与步骤c)之间，还包括对高分子材料的表面进行清洗，以将多余残留的固体粉末清洗掉。
[0018]本发明提供的一种在三维高分子材料表面制作立体电路的方法，首先在高分子材料上覆盖一层金属或/和金属化合物，通过激光以提高被处理表面的粗糙度，用以增强下一步的化学镀层金属与基体材料之间的结合强度；同时通过激光将特定的金属元素引入和嵌入到这些位置，使得金属元素和高分子材料结合稳固，可以作为下一步化学镀的催化活性中心；本方法的工艺步骤简单、效率高、成本低廉、柔性化程度高、精度高，容易实现三维布线，得到的导电线路导电性好、与基体结合力高，而且所使用的高分子材料自身不具有可镀性，对模塑成型工艺也无特殊要求，也不需要特定的电子浆料。
[0019]本发明的工艺方法，还具有以下优点:
[0020](I)与LPKF公司的LDS技术相比，对所使用的高分子材料的模塑成型工艺无特殊要求，这样三维模塑互连器件材料成本将大大降低；
[0021](2)与利用红外、远红外激光微熔覆电子浆料进而化学镀形成导电线路的方法相比，本发明不需要外购特定的电子浆料，也不需要丝网印刷、微细笔直写或微喷预置电子浆料层；
[0022](3)将同步送粉技术应用在工艺中，在覆盖粉末的同时利用激光将其嵌入到高分子材料的表面，使得可以在高分子材料的三维立体表面采用固体粉末覆盖。
[0023]本发明的发明人发现，在现有技术中，实现立体电路方法的工艺复杂，成本高，而且制作周期长、效果差。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
【具体实施方式】
[0024]现在将详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0025]以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0026]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技