激光直接成型實(shí)現(xiàn)低成本3D集成電路

激光直接成型(LDS)技術(shù)利用激光燒蝕和金屬化等步驟，在注模塑料部件上創(chuàng)建電子線路，同時(shí)為表面貼裝元件提供安裝面，最終實(shí)現(xiàn)三維模塑互聯(lián)元件(3D-mid)。

　　激光直接成型技術(shù)在一個(gè)注塑成型的塑料元件殼體上，沿著殼體輪廓在其表面上燒蝕電路走線痕跡，從而創(chuàng)建出一個(gè)三維模塑互連器件(3D-mid)(見(jiàn)圖1)。在加工過(guò)程中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)方案在塑料元件殼體上用激光燒蝕電路走線痕跡，然后再對(duì)經(jīng)過(guò)激光燒蝕的部分進(jìn)行金屬化鍍層，這樣在殼體上就形成了電子線路。元件殼體要使用耐高溫的熱塑性材料，這樣就能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的回流焊工藝安裝表面貼裝元件。3D-mid帶來(lái)了非常明顯的設(shè)計(jì)和制造優(yōu)勢(shì)：零部件布局更加緊湊、產(chǎn)品更加小型化、質(zhì)量更輕、裝配時(shí)間大大縮短、產(chǎn)品可靠性更高，同時(shí)其還有望在醫(yī)療、汽車(chē)、工業(yè)和軍事/國(guó)防領(lǐng)域的一些新興應(yīng)用中，降低總體系統(tǒng)成本。

　　圖1：三維模塑互連器件(3D-mid)將注塑成型的元件外殼和電子線路整合在一起

　　三維直接成型

　　LDS過(guò)程從一個(gè)已經(jīng)用熱塑性復(fù)合材料注塑成型的元件開(kāi)始。在這種熱塑性材料中，一種有機(jī)金屬添加物被混合到其聚合物陣列中。實(shí)際上，這種有機(jī)金屬添加物是一種用有機(jī)涂層包裹的金屬微粒，其并沒(méi)有顯著改變熱塑性材料的固有屬性。常用的熱塑性材料有液晶聚合物(LCP)、耐高溫尼龍(PA6/6T)、聚鈦酸脂(PPA)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、PBT/PET和聚碳酸酯/ ABS塑料等。

　　首先，注塑成型的熱塑性元件被固定在一個(gè)激光系統(tǒng)中準(zhǔn)備進(jìn)行表面活化。在進(jìn)行表面活化之前，激光系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)設(shè)計(jì)人員的編程，輸入了相應(yīng)的CAD數(shù)據(jù)。這一過(guò)程通常被稱為“孵化”，這是制造最佳成型部件的關(guān)鍵一環(huán)，因?yàn)橐鶕?jù)電子線路的布局，選擇一種最佳的激光工作模式。

　　電路走線痕跡是采用功率為16W的二極管泵浦的摻釹釩酸釔(Nd：YVO4)激光器燒蝕出來(lái)的。該激光器的聲光Q開(kāi)關(guān)，確保其能夠提供高度穩(wěn)定的脈沖(脈沖到脈沖之間的穩(wěn)定性優(yōu)于1.5%)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)部件的均勻活化至關(guān)重要。波長(zhǎng)為1064nm的Nd：YVO4激光源，提供20~100kHz的脈沖重復(fù)頻率，同時(shí)該系統(tǒng)還使用了一個(gè)高速掃描儀和光學(xué)Z-軸，用于實(shí)現(xiàn)三維光束傳輸。該激光系統(tǒng)的最大掃描速度為4.0m/s，燒蝕電路走線痕跡和焊盤(pán)的光束的直徑為65μm。

　　針對(duì)特定的刻蝕材料，第一遍鍍層會(huì)對(duì)是否需要調(diào)整或優(yōu)化激光參數(shù)給出一個(gè)很好的暗示。根據(jù)目前所能提供的LDS模塑等級(jí)的寬度，激光功率的設(shè)置范圍是2.0~7.0W，頻率的設(shè)置范圍是40~100kHz，刻蝕速度的設(shè)置范圍是2.0~4.0m/s。當(dāng)然，對(duì)于上述三個(gè)參數(shù)，每種材料都有一個(gè)推薦設(shè)置值，但是如果用推薦參數(shù)不能獲得最佳的刻蝕表面，還可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　當(dāng)激光接觸到注塑成型元件的表面時(shí)，形成的表面活化會(huì)達(dá)到兩種不同的效果。首先，激光能量打破有機(jī)金屬微粒的有機(jī)涂料，將金屬微粒暴露在元件的表面。其次，元件沿著激光束的痕跡被刻蝕，進(jìn)而創(chuàng)造出易于實(shí)現(xiàn)金屬化的粗糙表面(見(jiàn)圖2)。根據(jù)元件所用材料的類(lèi)型和激光參數(shù)設(shè)置(主要是功率設(shè)置)的不同，激光刻蝕作用會(huì)在元件上形成一個(gè)非常小的通道(深度10μm)或是一個(gè)非常小的山脊。在沒(méi)有進(jìn)行激光刻蝕的區(qū)域，有機(jī)金屬的表面并沒(méi)有受到影響。接下來(lái)要對(duì)元件經(jīng)過(guò)激光活化的部分進(jìn)行金屬鍍層。