专利名称：一种三维连接器件的制备方法
一种三维连接器件的制备方法技术领域
本发明属于非金属三维选择性金属化技术领域，尤其涉及一种三维连接器件的制 备方法。
背景技术：
3D-MID (Three dimensional moulded interconnect device,三维连接器件)技 术是指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，制作或安装元器 件，从而将普通的电路板具有的电气互连功能、支承元器件功能和塑料壳体的支撑、防护等 功能以及由机械实体与导电图形结合而产生的屏蔽、天线等功能集成于一体，形成所谓三 维连接器件。
国内外目前3D-MID制品的生产方法主要有双色注塑法和激光加工法。其中双色 注塑法，通过将可电镀的材料和非电镀的材料注塑在一起，然后一起进行电镀处理，从而实 现导电图形金属化；其对基材的选择性较高，同时双色注塑工艺复杂，模具、设备成本较高， 大大限制其应用。
而激光加工法，则是通过采用激光选择性激活基材或基材表面涂层中的活性物 质，然后催化化学镀，实现图形金属化。例如CN1294639A中公开了一种线路结构的生产方 法，通过将非导电重金属络合物涂覆到载体材料上或施加到载体材料中，通过紫外线激光 选择性照射要产生线路结构的区域，由此释放出重金属晶核，然后进行化学还原金属化。
激光加工法存在以下缺点(I)非导电重金属络合物涂覆于载体材料上或施加于 载体材料中，因此对基材选择性高，以免影响其注塑性能。(2)基材表面的线路图形全部通 过激光辐射加工完成，一方面加工效率较低，另一方面激光加工方向和加工面角度会影响 镀层的厚度均一性，影响产品良率；3)线路图形的最小线宽理论上等于激光光斑直径，但由 于受到基材本身、以及化学镀或电镀边缘效应的影响，实际最小线宽必然大于激光光斑直 径，对线路的精细化和器件的小型化产生了制约。发明内容
本发明解决了现有技术中存在的三维连接器件的制备过程中对基材选择性高、加 工效率和电路精度低的技术问题。
本发明提供了一种三维连接器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤A、对非导电基材进行金属化，在非导电基材表面形成非惰性金属层；B、根据所需电路图案对非导电基材表面的非惰性金属层进行激光雕刻，将非惰性金属 层分割为完全分开的电路区域和非电路区域；C、将非导电基材表面的电路区域与电源负极接通，将电镀阳极材料与电源正极接通， 然后将非导电基材与电镀阳极材料置于酸性或碱性电镀液中进行电镀处理，电路区域的非 惰性金属层表面形成电镀加厚层，非电路区域的非惰性金属层被酸性或碱性电镀液腐蚀去 除，得到所述三维连接器件。
本发明提供的三维连接器件的制备方法，其通过对非导电基材表面进行金属化， 在基材表面形成非惰性金属层，对基材本身没有特殊要求。另外，本发明提供的制备方法， 激光雕刻工艺仅需将电路区域与非电路区域分开，无需对所有非电路区域进行加工，然后 通过电镀一步同时完成电路区域非惰性金属层的加厚、非电路区域非惰性金属层的腐蚀去 除，大大提高加工效率。最后，本发明中，电路区域为非激光雕刻区域，因此电路区域的线宽 不受激光光斑限制，电路的精度得到大大提高。
具体实施方式
本发明提供了一种三维连接器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤A、对非导电基材进行金属化，在非导电基材表面形成非惰性金属层；B、根据所需电路图案对非导电基材表面的非惰性金属层进行激光雕刻，将非惰性金属 层分割为完全分开的电路区域和非电路区域；C、将非导电基材表面的电路区域与电源负极接通，将电镀阳极材料与电源正极接通， 然后将非导电基材与电镀阳极材料置于酸性或碱性电镀液中进行电镀处理，电路区域的非 惰性金属层表面形成电镀加厚层，非电路区域的非惰性金属层被酸性或碱性电镀液腐蚀去 除，得到所述三维连接器件。
目前，三维连接器件的制备方法主要通过激光加工法完成，即所需电路区域先通 过激光活化后再化学镀和/或电镀实现基材表面金属化；在激光活化之前，需要先对基材 进行改性，或者对基材表面通过涂层改性，从而在基材内或基材表面形成可被激光活化的 物质，催化或促进后续化学镀的进行。但是在基材改性过程中，掺杂可被激光活化的物质可 能会导致基材本身的某些优异性质受到影响，甚至对酸碱敏感，在水性酸碱溶液中易发生 改变，使得产品存在潜在风险。为防止该类潜在风险的发生，因此，激光加工法制备三维连 接器件时，需对基材进行选择。
而本发明中，可直接采用本领域技术人员常用的各种普通非导电基材，且无需对 其进行改性。具体地，所述非导电基材为非导电塑料基材、非导电玻璃基材、非导电橡胶基 材、非导电木制品或非导电陶瓷基材。其中，所述非导电塑料基材选自丙烯腈-苯乙烯-丁 二烯共聚物(ABS)基材、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰亚胺、尼龙或聚碳 酸酯(PC)基材。而所述非导电陶瓷基材选自氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或钛酸钡陶瓷。
根据本发明的方法，先通过对非导电基材表面进行金属化，在基材表面形成非惰 性金属层，对基材本身没有特殊要求。另外，本发明提供的制备方法，激光雕刻工艺仅需将 电路区域与非电路区域分开，无需对所有非电路区域进行加工，然后通过电镀一步同时完 成电路区域非惰性金属层的加厚、非电路区域非惰性金属层的腐蚀去除，大大提高加工效 率。最后，本发明中，电路区域为非激光雕刻区域，因此电路区域的线宽不受激光光斑限制， 电路的精度得到大大提闻。
具体地，步骤A中，对非导电基材进行金属化的步骤为真空镀膜、喷镀或化学镀。 其中真空镀膜可选自蒸发镀、溅射镀、离子镀中的任意一种。
所述蒸发镀、溅射镀和离子镀的方法为本领域技术人员所公知，例如可通过LD系 多功能离子镀膜机进行镀膜，在非导电基材表面沉积一层金属颗粒，即形成所述非惰性金属层。
作为本领域技术人员的公知常识，所述化学镀包括将非导电基材先粗化，然后胶 体钯活化、解胶，最后置于化学镀液中，在非导电基材表面形成所述非惰性金属层。所述粗 化、胶体钯、解胶的步骤为本领域技术人员所公知，本发明中不再赘述。
本发明中，所述非导电基材表面的非惰性金属层的金属为本领域技术人员常用的 各种非惰性金属，其易被各种常用酸或常用碱腐蚀去除。优选情况下，所述非惰性金属层选 自铜层、镍层、锌层、锡层或铝层中的一种或多种。
本发明中，由于非电路区域的非惰性金属层后续会被酸性或碱性电镀液腐蚀去 除，而电路区域的非惰性金属层可通过电镀加厚，因此所述非惰性金属层的厚度对所述三 维连接器件的性能不会造成影响。优选情况下，为降低成本，同时减少酸性或碱性电镀液腐 蚀去除非电路区域的非惰性金属层的时间，所述非惰性金属层的厚度无需过大。更优选情 况下，所述非惰性金属层的厚度为2微米以下。
步骤B中，采用激光雕刻将非惰性金属层分割为完全分开的电路区域和非电路区 域。即本发明中，仅需通过激光雕刻将电路区域与非电路区域完全分开，非电路区域在后续 的电镀过程中会被酸性或碱性电镀液腐蚀去除，因此激光雕刻面积大大减小，能有效提高 生产效率。同时，电路区域为非激光雕刻区域，电路的的理论最小线宽可以远小于激光光 斑，从而可有效提高电路的加工精度。本发明中，所述激光所采用的激光器可直接为现有技 术中激光加工法常用的各种激光器，本发明没有特殊限定；例如可以采用EP-MD20 (泰德激 光科技有限公司)。
本发明中，所述激光雕刻仅需去除非导电基材表面的部分非惰性金属层，从而将 电路区域与非电路区域完全分开。具体地，本发明中，激光雕刻的波长为200-1200nm。优 选情况下，激光雕刻的激光光斑直径小于等于O. 05mm。更优选情况下，激光雕刻的频率为 15-50KHZ，雕刻速度为 500-2000 mm/s，功率密度为 105_107W/cm2。
本发明中，激光雕刻仅需将电路区域与非电路区域完全分开即可，对于电路区域 与非电路区域之间的间距没有特殊要求。本发明的发明人发现，由于电镀过程中所采用的 电镀液为酸性或碱性体系，在电路区域通过电镀形成镀层加厚非惰性金属层的同时，非电 路区域的非惰性金属层在酸性或碱性体系中会被腐蚀去除，而由于电镀过程中存在电镀边 缘效应，使得电镀加厚层会在电路区域的边缘发生一定的延伸；此时，若激光雕刻面积较 小，即电路区域与非电路区域的间距较小，可能会产生电路区域与非电路区域通过电镀边 缘效应形成的延伸镀层将两个区域导通。针对此情况，本发明的发明人通过大量实验发现， 电路区域与非电路区域的间距优选为50-100微米。通过该间距的设置，一方面能有效避免 电镀边缘效应将电路区域与非电路区域导通，从而有效保证电镀过程中电路区域的电镀加 厚和非电路区域的溶解去除，得到所述三维连接器件；另一方面，激光雕刻的面积为间距的 面积，即激光雕刻的面积仍较小，保证本发明的加工效率。
根据本发明的方法，步骤C即为将经过激光雕刻的非导电基材表面进行电镀处 理。所述电镀所采用的电镀液为酸性或碱性电镀液体系。本发明中，所述酸性电镀液一方 面用于腐蚀去除非电路区域的非惰性金属层，另一方面用于在电路区域形成电镀加厚层。 因此，所述酸性或碱性电镀液需含有用于腐蚀去除非惰性金属层的酸性或碱性组分，同时 还含有所沉积的电镀加厚层对应电极金属离子。而所沉积的电镀加厚层可通过发明人对三 维连接器件的实际应用领域进行适当选择，所述酸性或碱性组分可根据步骤A中的非惰性金属层进行适当选择。具体地，所述非惰性金属层为两性金属时，则电镀液即可采用酸性体 系，也可采用碱性体系；例如，当非惰性金属层为锡层、锌层或铝层。而当所述非惰性金属层 为铜层、镍层，此时仅能选择酸性酸性体系镀液。
优选情况下，所述酸性或碱性电镀液选自酸性电镀铜液、酸性电镀镍液、酸性电镀 锡液、碱性电镀锡液、酸性电镀锌液、碱性电镀锌液中的一种。所述酸性电镀铜液、酸性电镀 镍液、酸性电镀锡液、碱性电镀锡液、酸性电镀锌液、碱性电镀锌液的组分为本领域技术人 员所公知，本发明中没有特殊限定。例如，所述酸性电镀铜液、酸性电镀镍液、碱性电镀锡液 的具体组分可参加实施例。
在电镀过程中，与外接电源负极相连的电路区域会发生还原反应，在所述电路区 域的非惰性金属层表面沉积电镀层，从而对非惰性金属层进行加厚；而非电路区域，由于没 有导电，不会发生电镀加厚过程，同时非惰性金属层还会被电镀液中所含有的酸或碱腐蚀 去除，在非电路区域发生退镀处理，因此本发明中通过电镀一步完成电路区域非惰性金属 层加厚、非电路区域非惰性金属层溶解去除，大大提高加工效率。
本发明中，需先将电路区域与电源负极连接后，再将非导电基材整体置于酸性或 碱性电镀液中，即电镀过程中为带电入槽，即电路区域的非惰性金属层与电镀液一接触即 发生电镀沉积过程，防止先入槽后通电瞬间电路区域的非惰性金属层被酸性或碱性电镀液 腐蚀去除。
本发明中，所述电路区域与电源负极相连，作为电镀阴极，发生还原反应，沉积电 镀层，从而对非惰性金属层加厚。而与电源正极相连的电镀阳极材料可采用现有技术中常 见的各种惰性材料，本发明中，所述电镀阳极材料根据电镀液体系进行具体选择。例如，酸 性电镀铜液对应的电镀阳极材料可采用磷铜(含磷量O. 030-0. 075%)。酸性电镀镍液对应 的电镀阳极材料可采用含硫镍阳极(含硫量O. 01-0. 15%)、含碳镍阳极(含碳、硅量分别为O.25-0. 35%)、或含氧镍电极(加入O. 25-1. 0%氧化镍)。酸性、碱性电镀锡液对应的电镀阳 极材料可采用高纯锡(锡含量99. 9%)。酸性、碱性电镀锌液对应的阳极材料可采用锌锭。
本发明中，对于电镀时间没有特殊限定，一方面能全部溶解去除非电路区域的非 惰性金属层、另一方面电路区域的线路厚度(即非惰性金属层厚度与电镀加厚层的厚度之 和)能达到电路实际所需要求即可。
本发明中，在非导电基材表面形成三维导线后，还可根据实际的膜厚要求、镀层需 求，继续进行电镀或化学镀，也可为了保护线路进行喷涂覆盖导线层。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明，并不用于限定本发明。实施例及对比例中，所用原料均通过商购得到。
实施例1将钛酸钡陶瓷基材置于TEMD-600电子束蒸发镀膜机(北京泰诺科技有限公司)中，在 其表面蒸发镀铝，形成厚度为200nm的铝层。然后将该样品装夹定位后，置于EP-MD20 (泰 德激光科技有限公司)下进行激光蚀刻，激光蚀刻条件包括波长为1064nm，光斑直径为50 微米，频率25KHz，雕刻速度为1000mm/S，功率为14W，将钛酸钡基材表面的铜层分割为完全 分开的电路区域和非电路区域，两区域之间的间距为100微米。将电路区域与电源负极相 连，将磷铜与电源正极相连，然后将钛酸钡样品整体与磷铜带电浸入25°C的酸性电镀铜液槽中，酸性电镀铜液为五水硫酸铜210g/L，硫酸35ml/L，氯离子115mg/L，开缸剂7. 5ml/L, 填平剂O. 5 ml/L，光亮剂O. 5ml/L ;电镀时间为20min。电镀完成后取出样品，清洗后吹干， 得到表面具有电路图案的三维连接器件SI。
实施例2将ABS基材表面采用高锰酸钾粗化，然后采用胶体钯活化后解胶，在ABS表面形成可催化化学镀镍的钯核，然后将其置于碱性化学镀镍液中lOmin，在ABS表面形成厚度为O. 5微米的镍层。然后将该样品装夹定位后，置于EP-MD20(泰德激光科技有限公司)下进行激光雕刻，激光雕刻条件包括波长为808nm，光斑直径为35微米，频率20KHz，雕刻速度为800mm/ s，功率为ISWJfABS基 材表面的铜层分割为完全分开的电路区域和非电路区域，两区域之间的间距为50微米。将电路区域与电源负极相连，将含碳镍阳极与电源正极相连，然后将 ABS塑料样品整体与含碳镍阳极带电浸入56°C的酸性电镀镍槽中，酸性电镀镍液为七水硫酸镍265g/L，六水合氯化镍40 g/L，硼酸40 g/L，开缸剂4. 5ml/L,填平剂1. 2ml/L,半光亮剂lml/L，润湿剂2ml/L ;电镀时间为20min。电镀完成后取出样品，清洗后吹干，得到表面具有电路图案的三维连接器件S2。
实施例3将玻璃基材置于TEMD-600电子束蒸发镀膜机(北京泰诺科技有限公司)中，在其表面蒸发镀锌，形成厚度为IOOnm的铝层。然后将该样品装夹定位后，置于EP-MD20 (泰德激光科技有限公司)下进行激光雕刻，激光雕刻条件包括波长为1064nm，光斑直径为40微米， 频率20KHz，雕刻速度为1500mm/s，功率为14W，将玻璃基材表面的铜层分割为完全分开的电路区域和非电路区域，两区域之间的间距为80微米。将电路区域与电源负极相连，将高纯锡与电源正极相连，然后将玻璃基材整体与高纯锡带电浸入75V的碱性电镀锡液槽中， 碱性电镀锡液为锡酸钠82. 5g/L,氢氧化钠10g/L ;电镀时间为20min。电镀完成后取出样品，清洗后吹干，得到表面具有电路图案的三维连接器件S3。
对比例I采用CN1294639A的实施例中公开的方法配制非导电重金属络合物，然后将ABS塑料与所述非导电重金属络合物共混、造粒挤出，得到本对比例的塑料基材。然后采用一掩膜覆盖于基材表面，采用KrF-激元激光器，以波长为248. 5nm的紫外光对基材表面进行照射，照射区域与实施例1中三维连接器件的电路区域相同，照射完成后浸入化学镀铜液中，得到本对比例的表面具有电路图案的三维连接器件。
性能测试1、记录实施例1-3和对比例I中的工艺耗时；2、测试实施例1-3和对比例I得到的三维连接器件的电路最小线宽。
结果如表I所示。表I
权利要求
1.一种三维连接器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤A、对非导电基材进行金属化，在非导电基材表面形成非惰性金属层；B、根据所需电路图案对非导电基材表面的非惰性金属层进行激光雕刻，将非惰性金属层分割为完全分开的电路区域和非电路区域；C、将非导电基材表面的电路区域与电源负极接通，将电镀阳极材料与电源正极接通， 然后将非导电基材与电镀阳极材料置于酸性或碱性电镀液中进行电镀处理，电路区域的非惰性金属层表面形成电镀加厚层，非电路区域的非惰性金属层被酸性或碱性电镀液腐蚀去除，得到所述三维连接器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，对非导电基材进行金属化的步骤为真空镀膜、喷镀或化学镀。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述化学镀包括将非导电基材先粗化，然后胶体钯活化、解胶，最后置于化学镀液中，在非导电基材表面形成所述非惰性金属层。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述非惰性金属层选自铜层、镍层、锡层、锌层或铝层中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述非惰性金属层的厚度为2微米以下。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，激光雕刻的波长为 200_1200nm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，激光雕刻的激光光斑直径小于等于O.05mmo
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，激光雕刻的频率为15-50KHZ，雕刻速度为 500-2000 mm/s，功率密度为 105_107W/cm2。
9.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，电路区域与非电路区域的间距为 50 -100 微米。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述酸性或碱性电镀液选自酸性电镀铜液、酸性电镀镍液、酸性电镀锡液、碱性电镀锡液、酸性电镀锌液、碱性电镀锌液中的一种。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述非导电基材为非导电塑料基材、非导电玻璃基材、非导电橡胶基材、非导电木制品或非导电陶瓷基材。
12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述非导电塑料基材选自丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物基材、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰亚胺、尼龙液晶高分子聚合物、聚丙烯或聚碳酸酯基材；所述非导电陶瓷基材选自氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或钛酸钡陶瓷。
全文摘要
本发明提供了一种三维连接器件的制备方法，包括以下步骤A、对非导电基材进行金属化，在非导电基材表面形成非惰性金属层；B、对非导电基材表面的非惰性金属层进行激光雕刻，将非惰性金属层分割为完全分开的电路区域和非电路区域；C、将非导电基材表面的电路区域与电源负极接通，将电镀阳极材料与电源正极接通，然后将非导电基材与电镀阳极材料置于酸性或碱性电镀液中进行电镀处理，电路区域的非惰性金属层表面形成电镀加厚层，非电路区域的非惰性金属层被电镀液被酸性或碱性电镀液腐蚀去除。本发明提供三维连接器件的制备方法，对基材没有特殊要求，具有较高的加工效率，同时电路精度得到大大提高。
文档编号H05K3/18GK103025060SQ20111028865
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者连俊兰 申请人:比亚迪股份有限公司