MID工藝制程電路圖案金屬化工藝

劉新民 *，劉越

（1.上海瀚悅化工有限公司，上海 201100；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

3D-MID 是英文“ Three-dimensional molded interconnect device”的縮寫，即三維模塑互連器件。3D-MID 技術(shù)是指在注塑成型的塑料殼體的表面，制作有電氣功能的導(dǎo)線、圖形，制作或安裝元器件，從而將普通電路板所具有的電氣互連功能、支承元器件功能和塑料殼體的支撐、防護(hù)等功能以及由機(jī)械實(shí)體與導(dǎo)電圖形結(jié)合而產(chǎn)生的屏蔽、天線等功能集成于一體。

3D-MID 廣泛應(yīng)用于通訊、汽車電子、計算機(jī)、機(jī)電設(shè)備、醫(yī)療器械等行業(yè)領(lǐng)域，如BMW 將該技術(shù)應(yīng)用于汽車方向盤控制系統(tǒng)，Apple、Samsung 則用其制作 手機(jī)天線。MID 技術(shù)日益成為各行業(yè)追求電子元器件小型化和緊湊化的首選工藝。

目前國內(nèi)手機(jī)天線有20%采用MID 技術(shù)，其余仍采用軟性線路板技術(shù)。隨著3D-MID 的推廣，用MID技術(shù)取代軟性線路板已成為趨勢。而且隨著國內(nèi)汽車業(yè)向B 級車及C 級車生產(chǎn)的規(guī)?；~進(jìn)，MID 技術(shù)也將在汽車領(lǐng)域內(nèi)取代汽車軟性線路板。

雙組分注射成型法(Double-shot)和激光直接成型(LDS)是當(dāng)今最成熟的MID 工藝技術(shù)。雙組分注射成型法是用兩種不同性能的塑料注射成一個元件，其中一種塑料在化學(xué)處理后具有可金屬化的性能，線寬可以達(dá)到400 μm。LDS 技術(shù)則是采用含對激光照射敏感的金屬聯(lián)合體的高聚物作為基材，通過激光束直接在工件表面“畫”出需鍍覆的圖形(如圖1所示)，從而省去化學(xué)蝕刻工序，顯著降低了生產(chǎn)成本，提高了加工適應(yīng)性，在對較為復(fù)雜的工件進(jìn)行處理時具有良好的表現(xiàn)，其制作的線寬可以達(dá)到250 μm。

本文介紹的是瀚悅公司為MID 電路圖案金屬化而開發(fā)的整套工藝。上海弘夏等公司使用該系列藥水所生產(chǎn)的產(chǎn)品通過了眾多手機(jī)廠商的認(rèn)證，產(chǎn)品的一次性合格率達(dá)到98%以上。

圖1 典型激光直接成型后表面鍍金的注塑工件Figure 1 Typical injection-molded part with gold plating after laser direct structuring

2 工藝介紹

工藝流程：化學(xué)除油─三級逆流水洗─超聲波清洗殘膠─三級逆流水洗─薄銅(種子銅)─厚銅─水洗2 次─鈀活化─回收─水洗─化學(xué)鎳─回收─三級逆流水洗─化學(xué)金─回收─三級逆流水洗─(金保護(hù))─烘干。

MID 的電路圖案金屬化工藝表面鍍層要求：

(1) 銅 ＞15 μm，鎳 ＞0.5 μm，金 ＞0.1 μm；

(2) 表面無起泡及開裂現(xiàn)象；

(3) 電鍍的界痕(毛刺)不得超過0.03 mm；

(4) 鍍層應(yīng)通過熱沖擊試驗(yàn)、恒溫恒濕試驗(yàn)及中性鹽霧試驗(yàn)。

2.1 HY230 化學(xué)除油

HY230 為不含磷的堿性化學(xué)除油劑，除油徹底并可基本保持金屬原有色澤，配合超聲波使用效果更佳。

工藝條件為：HY230 35～80 g/L(最佳50 g/L)，溫度45～70 °C(55 °C)，以鋼為槽體。

2.2 CU-930 化學(xué)鍍薄銅

CU-930 化學(xué)鍍銅是穩(wěn)定性高、沉積速率快的薄銅工藝，能形成高密度且細(xì)致的銅層。其配置是為了提供細(xì)微的顆粒結(jié)構(gòu)。

2.2.1 溶液配制(以1 L 溶液為例)

2.2.2 工藝條件

每周需將槽液過濾至清潔的槽中，將槽底的沉淀以去銅藥水去除。

2.2.3 工藝維護(hù)

(1) 每添加CU-930A 10 mL/L，銅含量升高1 g/L。當(dāng)補(bǔ)充CU-930A 10 mL/L 后，同時也要相應(yīng)添加CU-930MS 5 mL/L。

(2) 每添加CU-930CS 4 mL/L，氫氧化鈉含量升高1 g/L。

(3) 每添加37%甲醛2.5 mL/L，甲醛含量升高1 g/L。甲醛應(yīng)緩慢加入并伴有良好攪拌。

(4) 每添加CU930MS 4 mL/L，總螯合劑含量提高1 g/L。

(5) 連續(xù)生產(chǎn)時，每小時應(yīng)添加0.2～0.5 mL/L 的CU-930S，停止生產(chǎn)時要加入0.3 mL/L 的CU930S。

(6) 每天生產(chǎn)完畢前減少一次添加，維持70%藥液濃度停工。

(7) 使用溶液的老化會導(dǎo)致溶液相對密度升高，應(yīng)定期檢測溶液密度。24 °C 時溶液相對密度應(yīng)低于1.12，超過1.12 時應(yīng)抽取20%溶液排放，并以新開缸的溶液替代。

(8) 若長時間(如長假期間)不操作，建議將槽液冷卻至室溫并通過1 μm 的濾芯過濾至一個干凈的槽內(nèi)。貯存期間以干凈、干燥的空氣保持適度攪拌，而且最好將槽液pH 調(diào)至9～10。

2.3 CU-960 化學(xué)鍍厚銅

CU-960 高速沉銅溶液非常穩(wěn)定，可生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)致密、延展性好的厚化學(xué)銅層。該體系藥水濃縮程度高、添加量少，工作液密度低、流動性好。

2.3.1 溶液配制(以1 L 溶液為例)

2.3.2 工藝條件

2.3.3 工藝維護(hù)

(1) 每添加CU-960A 10 mL/L，銅含量升高1 g/L。當(dāng)補(bǔ)充CU-960A 10 mL/L 后，要相應(yīng)添加CU-960M 5 mL/L。

(2) 每添加CU-960C 4 mL/L，氫氧化鈉含量升高1 g/L。

(3) 每添加37%甲醛2.5 mL/L，甲醛含量升高1 g/L。甲醛應(yīng)緩慢加入，并伴有良好攪拌。

(4) 每添加CU960M 4 mL/L，總螯合劑含量提高1 g/L。

(5) 連續(xù)生產(chǎn)時，每小時應(yīng)添加0.1～0.2 mL/L 的CU-960S；停止生產(chǎn)時，要加入0.3 mL/L 的CU960S。

(6) 每天生產(chǎn)完畢前減少一次添加，維持70%藥液濃度停工。

(7) 使用溶液的老化會導(dǎo)致溶液密度升高，應(yīng)定期檢測溶液密度，24 °C 時應(yīng)低于1.12，若超過1.12，抽取20%溶液排放并以新開缸的溶液替代。

(8) 若長時間(如長假期間)不操作，建議將槽液冷卻至室溫并通過1 μm 的濾芯過濾至一個干凈的槽內(nèi)。貯存期間以干凈、干燥的空氣保持適度的攪拌，而且建議將槽液pH 調(diào)整至9～10。

2.4 NI-883 化學(xué)鎳

NI-883 是一種高速、穩(wěn)定、低到中磷(含磷量6%～9%)的化學(xué)鍍鎳工藝，鍍速高，且鍍層光亮度極佳。其鍍液壽命持久，可保持6 個周期(MTO)以上的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2給出了兩種工件化學(xué)鍍銅鎳后的外觀照片。

圖2 不同成型工藝所得工件化學(xué)鍍銅鎳后的外觀Figure 2 Appearance of the parts structured by different processes after electroless copper and nickel plating

2.4.1 工藝條件:

2.4.2 故障的原因分析及處理

2.4.2.1 鍍速過快(15 min 內(nèi)大于3 μm)

(1)pH 過高：用10%的硫酸將pH 調(diào)整到4.6～5.1，最好在4.8 左右。

(2) 穩(wěn)定劑不足：以每次120 mL 穩(wěn)定劑補(bǔ)充，使鍍速下降。

(3) 槽體形成鎳粒：倒槽，建議每3 天倒槽一次。

(4) 鎳濃度過高：停止補(bǔ)充883A 和883C，直至鎳濃度回歸正常范圍。

2.4.2.2 鍍速過慢(15 min 內(nèi)小于3 μm)

(1) pH 過低：用濃氨水將pH 調(diào)整至4.6～5.1，最好在4.8 左右。

(2) 穩(wěn)定劑過多：停止添加穩(wěn)定劑，延長掛鍍時間。

(3) 鎳濃度過低：補(bǔ)充883A 和883C，使鎳質(zhì)量濃度在5.5～6.2 g/L。

(4) 槽液已使用6 MTO：更換新槽。

2.4.2.3 槽液分解

原因是pH 一直高于5.1 或鎳質(zhì)量濃度一直高于6.8 g/L。更換新槽后要控制pH 值及鎳濃度在正常范圍內(nèi)。

2.4.2.4 漏鍍

(1) 鈀活化不足：增加鈀離子濃度，延長浸鈀時間。

(2) 化學(xué)鎳活性不夠：分析鍍液(包括還原劑)，根據(jù)鍍液的成分和pH 進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

(3) 槽液已經(jīng)超過6 MTO：更換新槽。

2.4.2.5 溢鍍

(1) 化學(xué)鎳活性過強(qiáng)：增加300～500 mL 穩(wěn)定劑。

(2) 槽液已經(jīng)到6 MTO：更換新槽。

(3) 化學(xué)銅溢鍍：檢查化學(xué)銅槽液。

2.5 DC-308 化學(xué)金

DC-308是在化學(xué)鎳鍍層上所使用的置換型化學(xué)鍍金液，在正常的情況下可以沉積厚度0.10 μm 以下的金層，具有良好的焊錫性和致密性。該工藝非常穩(wěn)定，單一的添加劑易于操作及維護(hù)。工藝條件如下：

以化學(xué)純氨水或10%檸檬酸溶液調(diào)整鍍液pH。加熱裝置采用PTFE 熱交換器或石英加熱器，槽材質(zhì)為PP(聚丙烯)、Teflon(特氟龍)或FRP(玻璃鋼)。施鍍過程需要搖擺。

不同工件上化學(xué)鍍金的效果見圖3。

圖3 不同工件上電路圖案的化學(xué)鍍金效果Figure 3 Effect of electroless gold plating on circuit patterns of different parts

2.6 PRO AU-80 金保護(hù)劑

PRO AU-80 專用于電子工業(yè)中金表面產(chǎn)品保護(hù)，既有良好防護(hù)性能，又有良好焊接性能，而且不含有對環(huán)境有危害的六類物質(zhì)，可以通過目前歐洲的各項環(huán)保要求并滿足高端客戶24 h 中性鹽霧試驗(yàn)的要求。工藝條件如下：

3 結(jié)語

電子制造業(yè)持續(xù)追求電子元器件的小型化和緊湊化，市場對電子產(chǎn)品功能的要求有增無減。使用MID技術(shù)可以將電路整合到塑料框架的表面上，這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電路板的功能，從而代替了傳統(tǒng)印刷電路板。MID 通過整合連接器、插口或者其他裝置來減少元器件的數(shù)量并降低成本。

目前MID 技術(shù)已廣泛使用在手機(jī)天線上。而隨著國內(nèi)高檔汽車生產(chǎn)的增長，MID 技術(shù)也將取代傳統(tǒng)的汽車線路板而得以快速增長。

瀚悅公司提供的3D-MID 工藝制程塑模電子互連部件鍍覆工藝及化學(xué)鍍產(chǎn)品滿足了市場日益擴(kuò)大化的需求。