一种多层互联立体电路的一体化共形制造方法以及产品与流程

本发明属于多层天线制造领域，更具体地，涉及一种多层互联立体电路的一体化共形制造方法以及产品。

背景技术：

曲面电子共形制造技术是指在曲面介质基体(聚合物、陶瓷、玻璃等材料)上制备依基体形貌而定的电路，是集成天线与传感器的关键技术，在柔性制造、智能制造、航空航天等领域有着广泛的应用，如消费类电子领域的触摸屏、民用曲面可穿戴设备以及国防领域的共形天线等。

共形电路的一体化制造技术能最大程度地实现共形电子组件(如共形天线)的减重、小型化、集成化、跨尺度曲面化。该类技术的特征是不仅能实现多层互联共形电路特征结构的制备，还能兼顾曲面介质基体的协同制造。由该技术制备的共形电路能够制备通过一体化设计获得的最优路径的电子结构，能够实现多功能电子组件的复合应用。尤其是对于共形天线而言，能够最大程度上提升射频性能，省略了线缆和金属部件，实现结构功能两种一体化设计。例如，天线领域的球形天线，由介电材料构成介电系数梯度的层层同心球，用于国防与民用领域，可进行360°收集信号，信号接收角特宽，是卫星接收与国防领域的高端产品。

目前，许多国家针对曲面共形电路制定了重大研究计划，如美国fdcasu计划、日本tradim计划、欧盟地平线计划等。相关的科技人员开发了一系列柔性制造/智能制造方案，业界称之为3d-mid(“three-dimensionalmoldedinterconnectdeviceorelectronicassemblies”)。

申请号为201710915067.1的专利申请介绍了一套用电喷印工艺在复杂曲面进行制备共形天线的方式与设备，利用电子墨水与基体的电势差，通过泰勒锥制备亚微米级的电路。但是，以电喷印为代表的电流体打印技术目前能选用的打印材料有限，喷印效率较低，且让大尺寸介质基体与电子墨水产生电势差需要耗费的电能较高，难以实现跨尺寸制造。

申请号为201420579036.5的专利申请与申请号为201720886476.9的专利申请提出的贴片/装配法制备的共形电路，是将电路先封装在固定的基片/模块上，然后通过贴装/组装的模式安装在基体的表面。该方法虽然电路的可靠性高，但是对于航天以外的工业而言，精度、轻量化、共形能力均显不足，也无法开发夹层电路。

德国乐普科电子有限公司提出的lds(laser-direct-structuring)技术是指通过激光的二次物化效应，将特制树脂材料中的金属粒子还原在基材的表面，然后通过成熟的化学镀/电镀工艺将电路增厚。该技术所采用的基体材料是基于常用树脂掺杂金属颗粒或者金属化合物而成，在未经激光活化时可作为介质材料，仅在被激光辐照的区域才会实现金属化。该技术成型效率高，故障率低，在电子消费产品中得到广泛的应用。但是该技术必须配合化学过程才能实现电路的最终成型，存在环保问题。该技术选用的材料必须定制，价格较高，且介电性能因金属粒子的影响而不及同类树脂材料。

美国optomec公司生产的aerosoljet5x设备将五轴机床和气溶胶喷印装置相结合，通过柔性喷印制备曲面图案化电路。但气溶胶喷印方法设备造价高，不能解决传统喷印中常见的线宽过宽、难以精确定位问题，且工艺复杂，无法在深孔中制备垂直互联电路。

美国mescoscribe公司提出用热喷涂的方式实现共形电路的柔性制造，并制备了高可靠性的集成电路、天线与传感器等，部分成果已交付美国国防部使用。但是热喷涂直写技术只能用于制备膜厚30um以上，线宽240um以上的高可靠性电路，无法制备精细的电路结构。而且，热喷涂制备的导线无法有效的填塞过孔结构，无法用于制备垂直互联结构。不仅如此，热喷涂加工时的热效应明显，无法适应树脂类的介质基体。

以色列的nanodimension公司提出了一整套关于曲面电子喷墨制造的方案，该方案可用于各类曲面电路、传感器、led灯座、bga小球、柔性电路板、极限电流微传感器等典型电路板基本组件。基于喷墨打印直接制备的劣势在于线宽难以控制，而且可用的通用材料仅有ag与一种特定的光固化树脂材料。由于加工精度上存在较大的缺陷，因此无法精确定位到通孔的位置，进而制备电子工业级的过孔电路。

以上技术虽然各具特色，但均未实现共形电路的一体化制造。青岛理工大学虽然在专利申请号为201811018667.9的专利申请中描述了一种可用电路与介质一体化集成制造的设备，融合了现有的fdm技术与喷墨打印技术，可实现基于3d打印介质基体的共形电路制造。该技术的本质仍是两个相对独立的过程，即fdm过程与喷印过程。然而，喷印在制备共形电路时的缺陷已经如上所述。

综上所述，现有技术在实现多层垂直互联共形天线及电路一体化快捷制造方面面临着巨大的挑战，因此，需要开发一种新型的多层互联电路结构的制造方法，能够快速、高质量、廉价地制备曲面单层/多层介质互联电路。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多层互联立体电路的一体化共形制造方法以及产品，其目的在于，全程采用3d打印制造方法，实现快速、高质量、廉价地制备曲面单层、尤其是多层介质互联电路。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种多层互联立体电路的一体化共形制造方法，包括如下步骤：

s1：采用3d打印方式制备多层互联立体电路的支撑结构基体，

s2：在步骤s1获得的支撑结构基体表面制备具有催化能力的活化图案，

s3：在活化图案上沉积金属，获得与活化图案相一致的金属图案层，首次制备的金属图案层为第一金属图案层，

s4：制备介质层，介质层用于隔离相邻两层金属图案层，首次制备的介质层为第一介质层，

s5：制备穿透介质层的垂直互联通孔，该垂直互联通孔具有导电能力以能互联相邻两层金属图案层，

s6：在第一介质层上制备第二金属图案层。

进一步的，所述支撑结构基体材质为聚合物、陶瓷或/和金属，

聚合物的3d打印方式包括熔融沉积(fdm)方式、立体光固化(sla)方式和喷墨3d打印(3dp)方式；陶瓷的3d打印方式包括sla+烧结方式和3dp+烧结方式；金属的3d打印方式包括激光选区融化(slm)方式、激光选区烧结(sls)方式和电子束选区熔化(ebsm)方式，金属作为支撑结构时需制备一层介质层后方能进行后续的多层电子结构制造。

进一步的，反复依次执行步骤s4、s5、s6，用于制备第n介质层和第(n+1)金属图案层，获得多层互联立体电路，所述n为自然数，n大于等于2。

进一步的，步骤s2中，具有催化能力的活化图案制备方法如下：采用激光辐照含钯离子的固体薄膜，以使支撑结构基体表面的激光辐照区形成沟槽结构，该沟槽结构内的钯离子在光化学作用与光热作用下被还原为原子态或氧化态物质，原子态或氧化态物质能作为活化中心催化金属离子的沉积，沟槽结构部分组成活化图案。

进一步的，步骤s3中，制备金属图案层方法为：在介质层或者支撑结构基体表面执行化学镀，利用活化图案的属性对金属离子的沉积作用涂镀金属膜层，获得与活化图案形状一致金属图案层，或者先采用化学镀在介质层或者支撑结构基体表面附着金属，然后再采用电镀附着同质或者异质金属。

进一步的，步骤s4中，介质层的制备方式包括fdm、喷墨打印、微笔直写、静电喷涂、热喷涂、喷涂和涂覆。

进一步的，步骤s5中，所述的垂直互联孔的制备方法包括激光钻孔和机械钻孔。

进一步的，支撑结构基体表面制备具有催化能力的活化图案之前，对支撑基体表面执行表面抛光处理；在介质层上制备金属图案层前，对介质层执行表面抛光工艺。

进一步的，步骤s5中，在垂直互联通孔内部预置含钯离子固体薄膜，然后进行激光辐照，之后进行化学镀或/和电镀，从而使其具有导电能力；步骤s6中在第一介质层上制备第二金属图案层方法为：在第一介质层上表面制备具有催化能力的活化图案，活化图案与待制备的金属层图案相一致，在活化图案表面采用化学镀方式涂镀金属层，形成第二金属图案层。

按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述方法制备获得的多层互联立体电路。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比能够取得下列有益效果：

通过采用3d打印技术与激光活化金属化技术相结合，简单、高效、精准地实现多层互联电路的制备，尤其是多层互联共形天线的一体化成型。具体的，首先通过3d打印支撑结构，或者封装结构能够有效的提升设计自由度，便于直接打印异型结构。其次，借助激光表面改性结合化学镀技术可在3d打印成型基体表面快速实现精密金属图案的制备。3d打印方式制备多层互联共形天线的支撑结构基体，保证了可以制备异型结构，配合激光表面改性和涂镀，实现了在异型结构上制备电路。多次制备金属层，实现了多层电路的制备，在介质层中制备通孔，再将通孔金属化，实现了不同金属层间的垂直互联。微小的金属互联通孔通过激光活化金属化技术实现金属化，从而具备导电功能。本发明方法灵活高效，能够实现高度的集成化、轻质化、小型化、多功能结构一体化。尤其是可以面向未来需求设计并制备多层互联共形天线，在进一步提高集成度的同时兼容导航、信号收发、传感等功能，推进电子装备的智能化进程。

附图说明

图1是本发明实施例中多层互联立体电路的一体化共形制造的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中的一种可实现多层互联电路结构的3d打印制造方法是一种针对多层电路结构的制造方法，本发明采用3d打印配合激光活化金属化技术，彻底突破了传统装配类共形天线的制造限制，能够快速、高质量、廉价地制备曲面单层/多层介质互联电路。

本发明方法主要包括如下步骤：

(1)3d打印多层互联立体电路的支撑结构基体：根据电子组件的服役环境选择适合的材料体系和3d打印工艺。

(2)支撑结构基体表面处理：根据支撑结构基体的介电性能与表面粗糙度，对支撑结构进行表面处理，譬如表面抛光。

(3)在支撑结构基体的表面上制备活化图案：在支撑结构基体表面预置一层含钯离子的固态薄膜，采用激光活化的方式(激光活化方式在此指激光辐照)在支撑结构基体表面选择性地制备具有催化能力的活化图案。

(4)清洗去除未经激光辐照地钯离子薄膜。

(5)采用无电沉积(无电沉积包括譬如化学镀)的方法在活化图案上沉积金属膜层。

(6)在金属膜层的表面制备介质层，在介质层中制备垂直互联孔结构。

(7)对介质层的表面和垂直互联孔内壁进行抛磨和微蚀处理。微蚀处理譬如为硫酸浸泡腐蚀。

(8)在介质层表面与垂直互联孔内部进行选择性的活化。选择性活化譬如为先预置一层含钯离子的固态薄膜，然后进行激光辐照。

(9)采用无电沉积(无电沉积包括譬如化学镀)的方法在经过活化的介质层表面或者垂直互联孔上沉积金属膜层，实现介质层表面选择性图案与孔壁内部的活化与金属化。

至此，制备获得两层电路层或者两层金属层电路。在实际工程中，根据需要，选择性依次重复步骤(6)、步骤(7)、步骤(8)和步骤(9)，获得多层互联立体电路。

作为本发明的一种改进，步骤(1)中的基体材料若使用热塑性高分子材料，如pla，abs，pa66，pa12，peek等，可以采用fdm工艺进行3d打印。还可以选择直接向上述热塑性材料中添加金属络合物后进行fdm打印，以便直接与激光相互作用选择性地形成活化区域。

作为本发明的一种改进，步骤(1)中的基体材料若使用陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、氮化硅陶瓷等，可以将陶瓷颗粒制备成具备特定流体性能与的悬浮液，采用3dp打印+烧结进行制备，或者采用光固化光敏陶瓷浆料+烧结进行制备。

作为本发明的一种改进，步骤(1)中的基体材料若使用金属材料，如铝合金、钛合金、铜合金、高温合金等，可以使用上述金属材料的粉末作为原料，采用slm、sls进行3d打印成型。

作为本发明的一种改进，步骤(1)中的3d打印基体可以包含复杂的内部热流道，用于增强电子组件的主动冷却性能。

作为本发明的一种改进，如果支撑结构基体的材质采用金属材质，步骤(2)中的表面处理包括在金属基体表面制备介质涂层。介质涂层的材质包括但不仅限于氧化铝、氧化锆、聚酰亚胺、环氧树脂或其他复合材料成分。介质涂层的制备方法包括但不仅限热喷涂、阳极氧化、溶胶凝胶、反应磁控溅射、化学气相沉积、涂覆等方法。

作为本发明的一种改进，步骤(2)中的表面处理包括平面/曲面研磨工艺，用于降低支撑结构基体表面(或者介质层表面)的表面粗糙度，使得表面粗糙度降低到电子材料级别。

作为本发明的一种改进，步骤(2)中的表面处理包括低温等离子处理，用于改善含钯离子固态薄膜的附着力。

作为本发明的一种改进，步骤(3)中的含钯离子固态薄膜的制备方法包括但是不仅限于旋涂、提拉、涂覆、喷涂等方法。优选的，可用含钯离子的溶液作为制备固态薄膜的原料，该溶液可以是醋酸钯、氯化钯、硝酸钯等钯盐中的至少一种组成的溶液，溶液浓度通常为0.01mol/l～1mol/l。

作为本发明的一种改进，步骤(3)中激光活化时所使用的激光器可采用但不仅限于1064nm的光纤近红外激光，脉冲重复频率为50-200khz，最大功率10-70w之间，对应的扫描速度一般选择10-3000mm/s，激光光斑直径10-30um。可通过控制激光输出平均功率、脉冲重复频率、扫描速度、离焦量、扫面线间距和扫面次数等参数，控制激光能量密度和能量输入，最终使激光按照二维/三维cad软件设计的路径在二维/三维基体上进行能量密度可控的扫描。

作为本发明的一种改进，步骤(3)中被激光扫描后的陶瓷介质表面形成微槽结构，并且在沟槽内部生成与基体形成机械咬合结构的氧化钯或钯颗粒。而陶瓷热影响区的钯离子也被还原成钯原子，但是并未因重熔而与介质层形成高附着力结合的咬合结构。经过含醇类酸性液体或者除钯剂清洗后，未被激光辐照的区域的钯离子固态涂层与热影响区结合不牢固的钯原子被清除。

作为本发明的一种改进，步骤(5)中的无电沉积可以采用化学镀的方式，将铜导体或者其他导体选择性地沉积在活化部分。进一步可选择性地，在导体表面可以进一步通过电镀液的方式，加厚金属膜的厚度。进一步可选择性地，在导体表面可以通过电镀或者化镀的方式，沉积0.5um～20um厚的镍膜。进一步可选择性地，在镍层的表面可以继续通过电镀或者化镀的方式沉积0.1um～10um的金膜。上述涉及的镀液配方可选择：

化镀铜液配方：cuso4·5h2o10g/l，edta30g/l，甲醛10ml/l，酒石酸钾钠40g/l，双甲联吡啶10mg/l，亚铁氰化钾100mg/l，聚乙二醇10mg/l，化镀温度35-60℃，ph值12.1-12.9。

化镀镍液配方：硫酸镍25g/l，次磷酸钠25g/l，乙酸钠20g/l，乙酸15g/l，硫脲10mg/l，温度82-86℃，ph值为4.2-4.5。

化镀金液配方：亚硫酸金钠2g/l，亚硫酸钠15g/l，硫代硫酸钠12.5g/l，硼砂10g/l，温度75℃，ph值为7.0。

作为本发明的一种改进，步骤(5)中若初步沉积了铜膜，可以在铜膜的表面进一步采用化学镀的方式制备一层锡膜，以防止铜氧化。

作为本发明的一种改进，步骤(6)中的介质层材质包括但不仅限于聚酰亚胺、聚醚醚酮、环氧树脂、改性环氧树脂、陶瓷涂料等复合聚合物介质层。

作为本发明的一种改进，步骤(6)中的介质层材料包括但不仅限于氧化铝、氧化铬、氧化铍、氧化锆、氮化硼、氮化铝、氮化硅为主要成分的陶瓷介质层。

作为本发明的一种改进，步骤(6)中的介质层制备方法包括但不仅限于涂刷、喷墨、喷涂、旋涂、提拉、热喷涂、静电喷涂、等离子热喷涂、超音速热喷涂、冷喷涂、磁控溅射、多弧离子镀、化学气相沉积等涂层制备方法。

作为本发明的一种改进，步骤(6)中的互联孔可以采用激光打孔的方法进行制备，为了后续的激光活化金属能够顺利进行，孔壁的锥度不得小于30°。

作为本发明的一种改进，步骤(7)中的介质层表面可以用有机化学溶剂进行熏蒸或者浸泡，对其进行表面化学抛光。有机化学溶剂包括但不仅限于乙醇、丙酮、正丁醇等一种或者多种溶剂成分。

作为本发明的一种改进，步骤(7)还可以采用机械抛光的方法对介质表面进行抛光，抛光的方法包括但不仅限于抛光毛刷、抛光布安装在布轮机、自动扫光机上进行抛光。

作为本发明的一种改进，步骤(7)可选择性地采用含无机酸的复方溶液对介质表面和互联孔内部进行微蚀，通过轻微粗化介质层表面，增加后续膜层界面表面积，提高后续金属膜层的附着力。有机酸的溶液成分包括但不仅限稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸等。

作为本发明的一种改进，步骤(8)可选择采用激光辐照介质表面预置含钯离子的固体薄膜后，采用化学镀的方式制备一层或者多层金属膜。

作为本发明的一种改进，步骤(8)可先采用五轴联动微笔、微喷、点胶设备按照电路设计在复杂结构表面直写含导电成分的电子浆料或者电子墨水，然后采用激光准确辐照电子浆料或者电子墨水的区域，使其热固化或者光固化。

作为本发明的一种改进，步骤(9)中孔金属化的方法可以采用五轴联动微笔、微喷、点胶设备按照电路设计在互联孔内壁表面直写含导电成分的电子浆料或者电子墨水，然后采用激光准确辐照电子浆料或者电子墨水的区域，使其热固化或者光固化。

作为本发明的一种改进，步骤(10)中的多层互联结构包括但不仅限于平面多层互联结构，曲面多层互联结构以及局部多层结构。

图1是本发明实施例中多层互联立体电路的一体化共形制造的流程示意图，如图1所示，采用浸渍的方式将特定金属离子或金属络离子溶液预置于3d打印形成的曲面基板1表面，干燥后形成预置薄膜2，在基板1表面利用激光活化-无电沉积二步法制备金属层3，再通过3d打印技术在基板1上制备具有垂直互联孔4的介质层5；有选择地活化孔内壁并经无电沉积在金属互联通孔的孔中沉积金属6，最终制备得到多层立体互联电路7。

下面结合更加具体的实施例进一步阐述本发明方法。

实施例一：peek基共形天线的制备方法

(1)采用熔融沉积(fdm)设备打印peek天线支撑结构基体，peek原料为直径1.75mm的丝材，打印温度380-430℃，打印的线速度80～120mm/s，支撑结构基体需100％填充。支撑结构基体的拉伸强度95mpa以上，弯曲强度140mpa以上，拉伸模量4gpa，弯曲模量3.7gpa。支撑结构基体的厚度为3mm，，电子组件的投影面积直径达200mm以上。

(2)用激光打孔的方式在peek支撑结构基体上制备孔径为300μm的馈电孔，采用扫光机降低介质层表面的粗糙度至sa＝3.2μm，用微蚀液对介质结构进行整体处理。微蚀液的成分为：水溶性金属盐20～50g/l，浓硫酸20～40ml/l，30％的双氧水10～30ml/l，微蚀稳定剂10～30ml/l，其余为水。

(3)利用proe做三维导线图，首先的对复杂结构表面进行分形，分形的原则为高度差不可超过30mm，分形最大投影尺寸不超过40×40mm²，激光入射角≥60°。在各投影区内，采用逆向投影的方法绘制三维图形，即现在逆向投影面上绘制平面电路图，按照线间距30um进行填充，然后利用软件建立投影模型，并输出为stl文件。

(4)将peek支撑结构基体浸置于1mol/l氯化钯溶液中，浸泡时间为5-15min，取出后干燥。

(5)采用1064nm纳秒激光按照步骤(3)中的路径进行扫描。激光参数为脉宽10ns，重复频率50khz，扫描速度1000mm/s，激光峰值功率30w。激光辐照区域内的钯离子被还原成原子态植入基板内，作为后续化学镀的催化活性中心。

(6)将样品依次置于5％的naoh溶液，5％的hcl溶液，无水乙醇和50℃的纯水中超声清洗，每次5min，去除未经激光辐照的氯化钯薄膜。

(7)先将经过清洗后的样品置于化学镀铜液中镀薄铜薄膜，化镀的时间为30min，温度为50℃。然后，将样品置于化学镀铜液中，化镀时间为1h，温度50℃。化镀过程中均采用鼓气装置对其补充空气。对铜层表面进行二次活化，然后依次置于化镀镍液中化镀1h，随后在化镀金液中化镀0.5h。

(8)采用fdm的方法在已有金属图形的表面再次打印一层peek介质层，介质层厚度0.2mm。

(9)重复步骤(3)-(7)制备第二层的导电层(也即第二层的金属层，或者称为第二层的电路层)。

实施例二：铝合金冷板基天线的制备方法

(1)采用激光选区熔化(slm)方式按照设计制备曲面冷板，铝合金材质2a21，冷板内流道直径3mm，板厚5mm。

(2)利用微笔系统在冷板的表面制备绝缘介质层，材料采用热固性聚酰亚胺溶液，采用红外灯辐照聚酰亚胺溶液，在180℃以下分温度梯度进行固化。

(3)对聚酰亚胺介质层表面进行微蚀，然后在其表面制备含钯离子的固态薄膜。

(4)采用1064nm纳秒激光按照预设路径进行扫描。激光参数为脉宽10ns，重复频率50khz，扫描速度1500～2000mm/s，激光峰值功率30w，在曲面聚酰亚胺层的表面选择性的活化含钯离子。

(5)将样品依次置于5％的naoh溶液，5％的hcl溶液，无水乙醇和50℃的纯水中超声清洗，每次5min，去除未经辐照的固态薄膜。

(6)采用快速化学镀铜液在活化区域表面沉积铜层，并通过改性镀铜液在铜层的表面进一步沉积铜膜，使得铜层的厚度最终达到10μm。在铜层表面进行二次活化后，依次化镀3～5μm的镍层和0.1～0.5μm厚的金层。

(7)在上述铜层以上使用步骤(2)中的方法再次制备一层聚酰亚胺介质层，通过紫外激光打孔的方法在介质层上制备垂直互联通孔，采用扫光机对表面进行抛光，并用微蚀液对介质层表面进行整体微蚀。之后重复步骤(3)-(6)，以制备第二层金属图案层。

(8)在多层立体互联电路的表面用低温焊料固定一部分电阻元器件，并且通过电磁兼容设计和热控设计制备屏蔽与散热结构，利用微笔直写后紫外激光高精度固化的方式制备功能结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。