CN113133195A - 三维电路的制作方法和电子元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维电路的制作方法，包括：通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳(10)的表面(11)上形成金属打底层(21)；利用三维激光设备在表面(11)上的图形区域(12)与非图形区域(13)之间照射激光，以去除边界处的金属打底层(21)而形成绝缘隔离带(14)；在图形区域(12)中电镀铜层(25)；以及蚀刻掉非图形区域(13)中的金属打底层(21)。该方法能够在不改变材料介电性能和增加电磁损耗的情况下，同时实现材料界面光滑或低粗糙度的金属化和较高的结合力，而且更加环保，并有利于提升三维电路的小间距线路图形的加工能力。本发明还涉及电子元件，其包括绝缘材料外壳以及通过上述方法在绝缘材料外壳上制备得到的三维电路，该电子元件为手机天线、基站天线、雷达天线或汽车无线防撞组件。

Description

三维电路的制作方法和电子元件
技术领域
本发明涉及一种电路的制作方法，尤其是三维电路的制作方法，以及具备该三维电路的电子元件。该三维电路可以应用于手机天线、基站天线、雷达天线或汽车无线防撞组件等电子元件中。
背景技术
三维电路又称三维立体电路，是指三维成型的塑料、玻璃或陶瓷等绝缘材料上的互连器件或电子组件，主要是指模塑成型的塑料壳体表面上的三维模塑互连器件(亦称3D-MID，Three dimensional Molded Interconnect Device)。3D-MID技术已被广泛地应用于通讯、汽车电子、计算机、机电设备、医疗器械等领域中。例如，以FPC印刷电路板作为手机收发天线现在已不复使用，在智能手机的壳体内部或背面直接制作金属化天线图形的3D立体电路是目前的主要解决方案，如图1(a)中所示。立体电路能够使手机的GPS天线、主天线、Wi-Fi天线、5G基站天线振子或其他射频器件等同时集成在手机外壳上，从而减小天线尺寸并提高集成度，节约设计空间，减少组件数量并降低制造成本。下一代5G移动通信系统将移到毫米波频段，以便获得更大的通信带宽。这将对天线和射频前端模组的设计带来一系列的变化，尤其适合使用3D立体电路。
在汽车电子应用方面，传统汽车需要大量的电线或电缆来相互连接，这耗费大量的材料与人工，同时也会降低可靠性。由于3D立体电路能够大大简化电线电缆的配线连接，将电路板的电气互连和支撑功能与塑料壳体的支撑和防护功能结合起来，从而为汽车提供更多可用空间、更轻更小的电器组件，增大设计自由度，减少汽车组装困难并提高可靠性。图1(b)示出了现有技术中的具有三维电路的汽车无线防撞组件。
目前在塑料壳体或其他材料上制作三维电路的工艺主要包括：喷涂或丝印法、LRP(Laser Restructuring Print，激光重构印刷)、LDS(Laser Direct Structuring，激光直接成型)、LAP(Laser Activating plating，激光活化镀)、LAP+等。
喷涂或丝印法中，将薄型天线埋入手机外壳的表面，将由树脂和金属粉末制成的导电粘结剂喷涂或丝印在表面上，然后加热使粘结剂溶剂挥发、金属粉末露出而形成天线电路。这种方法具有大面积量产、快速、低成本的优点，但其中使用的粘结剂粘度极高，金属粉末容易沉淀，电路易剥离。LRP工艺在不含金属颗粒的绝缘材料上3D印刷或涂敷银浆，然后烘烤并用激光修整图形以形成天线电路。类似PCB板印刷的加成法，LRP工艺具有生产成本低、工作效率高的优点，可解决化学镀带来的废液、安全环保问题，但由于银浆的阻值远低于常规的铜、镍，因而难以调试天线。类似喷涂或丝印法，LRP容易制作简单的3D电路，但难以制作复杂图形，目前还没有量产。
LDS工艺的主要步骤为：对含金属颗粒的材料表面进行激光诱导活化，以形成金属铜核和粗糙化；按三维电路图形选择性Pd活化；选择性化学沉铜；镀各表面处理，以实现防氧化和可焊性功能。由于含有金属颗粒，因而不仅价格高、工艺成本高，而且还会影响材料介电常数，导致手机天线调试过程变困难，降低生产效率。而且，传统的化学沉铜工艺存在甲醛等环保问题。随着5G技术的推广，许多三维成型材料必须使用LCP、PPE或PTFE等高频材料，但在高频材料中掺入金属颗粒将会改变其介电性能和增加电磁损耗，从而严重地制约三维电路在高频材料上的应用。
LAP工艺的主要步骤为：对绝缘材料表面进行3D激光选择性粗化，只在电路图形区域中形成蜂窝状界面；化学Pd活化和水洗，去除非粗化区域内的Pd，但蜂窝状材料的电路图形仍残留有Pd；选择性化学沉铜；镀各表面处理。LAP+工艺的主要步骤为：对绝缘材料表面进行喷砂或化学除胶粗化；在整个表面进行化学Pd活化和化学镀镍(Ni≥0.5um)；利用3D激光烧掉图形区域与非图形区域之间的金属以形成隔离带(宽度≥1mm)；按图形电镀铜(8-20um)；在微蚀槽中蚀刻电路图形以外的Ni/Pd金属，同时微蚀电路图形的部分铜；镀各表面处理。LAP/LAP+工艺在天线调试方面比LDS工艺更容易，成本更低，适合较大尺寸的三维电路，但是都存在化学镀步骤，有废液排放问题。更重要的是，LAP/LAP+工艺需要激光粗化或喷砂化学除胶粗化，形成了蜂窝状材料界面，这将严重影响天线或其他射频器件的插损或者其他电学性能，导致器件能耗增加。
发明内容
本发明是鉴于上述问题做出的，其目的在于，提供一种三维电路的制作方法以及具备这种三维电路的电子元件，这种方法能够避免上述现有工艺中存在的缺陷，能够在不损害材料介电性能和增加电磁损耗的情况下，同时实现材料界面光滑或低粗糙度的金属化和较高的结合力，而且更加环保，有利于提升三维电路的小间距线路图形的加工能力。
根据一方面，本发明提供了一种三维电路的制作方法，包括：通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳的表面上形成金属打底层；利用三维激光设备在表面上的图形区域与非图形区域之间照射激光，以去除边界处的金属打底层而形成绝缘隔离带；在图形区域中电镀铜层；以及，蚀刻掉非图形区域中的金属打底层。
根据另一方面，本发明提供了另一种三维电路的制作方法，包括：通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳的表面上形成金属打底层；利用三维激光设备在表面上的非图形区域上照射激光，以去除非图形区域中的金属打底层；以及，在图形区域中电镀铜层。这种方法尤其适用于外壳上形成的三维电路图形的面积占比较高的情况，能够减少三维电路的制作工序，从而提高生产效率并降低制造成本
可选地，PVD离子镀包括：利用等离子体或霍尔源对绝缘材料外壳的表面进行前处理；通过离子注入工艺，将第一金属注入到绝缘材料外壳的表面下方以形成注入层；以及通过磁过滤等离子体沉积和/或溅射工艺，在绝缘材料外壳的表面上方形成由第二金属组成的沉积层。
可选地，第一金属包括Ni、Ti、Ai、Cr或它们之间的合金，第二金属与第一金属相同或者包括Cu。
可选地，沉积层的厚度为0.05~0.5μm，优选地0.05~0.1μm，并且电镀形成的铜层具有8μm以上的厚度。
可选地，蚀刻掉非图形区域中的金属打底层包括：蚀刻整个表面，以同时去除非图形区域中的全部金属打底层、以及电镀形成的铜层的部分厚度。
可选地，上述方法还包括对铜层进行后处理，以实现防氧化和可焊性功能，其中后处理包括电镀银、电镀锡、化学沉镍金、化学沉银、化学沉锡中的一种或多种。
可选地，绝缘材料外壳不含金属颗粒，并且是通过将如下材料中的一种或多种注塑形成的：LCP、PPS、PTFE、PPE、PPA、PBT、PET、PC、PI、PA、POM、ABS塑料、玻纤、玻璃、陶瓷、耐高温尼龙，成型为平板状、圆柱形、圆锥形、阶梯圆盘形、抛物面或球形。
可选地，三维激光设备包括机械臂和激光器，机械臂和/或激光器能够在三维空间内移动，以去除金属打底层的特定部分，该激光器发射波长为193~1064nm的激光束，并采用输入电流2~5A、脉冲频率2~25kHz、扫描速度500~2500mm/s的加工参数。
根据又一方面，本发明提供了一种电子元件，其包括绝缘材料外壳、以及通过上述任何一种制作方法在绝缘材料外壳上制备得到的三维电路，该电子元件为手机天线、基站天线、雷达天线或汽车无线防撞组件。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
(1). 注塑外壳的绝缘材料不包含金属颗粒，因而不像LDS工艺那样在绝缘材料中掺杂有金属颗粒，从而损害材料介电性能并增加电磁损耗。
(2). PVD离子镀工艺能够在注塑外壳的光滑表面与其上方的金属层之间提供高结合力，因此不需要对外壳表面进行激光粗化或喷砂、化学除胶粗化等，不像LAP、LAP+工艺那样导致材料界面的粗糙度过大，从而严重影响天线或其他射频器件的插损和其他电学性能，导致器件能耗增加。PVD离子镀除了Ni以外，还可以采用Ti、Ti-Al、Al、Cr等其他非磁性金属或合金来保证高结合力，因而具有更高的选择灵活度和更广泛的适用范围。
(3). 在排放废水等环保方面，PVD离子镀比LAP/LAP+中的化学镀镍更加环保，不涉及甲醛、EDTA等废物的排放。
(4). PVD离子镀形成的金属打底层的厚度为0.5μm以下，甚至为0.1μm或者0.05μm以下，因而能够将隔离带的宽度缩小至0.5mm甚至0.1mm以下。这有利于提升三维电路的小间距线路图形的加工能力，可大大降低激光烧蚀的强度、能量和时间，最大限度地降低对绝缘材料外壳表面的损伤，保证线路间不渗镀短路。
(5). 通过调整三维激光设备中的机械臂和激光器的相对运动，能够方便地使激光对准所要烧蚀的位置，从而获得精确、复杂的三维电路图形。
附图说明
在参照附图阅读以下的详细说明后，本领域技术人员将更容易理解本发明的这些及其他的特征、方面和优点。为清楚起见，附图不一定按比例绘制，而是其中有些部分被夸大以示出细节。在所有附图中，相同的参考标号表示相同或相似的部分。
图1(a)示出现有技术中的具有三维电路的手机天线，图1(b)示出现有技术中的具有三维电路的汽车无线防撞组件。
图2(a)至2(f)示出根据第一实施例的三维电路的制作方法的流程示意图。其中，图2(a)示出绝缘材料外壳，图2(b)示出金属打底层，图2(c)示出绝缘隔离带，图2(d)示出图形区域中的电镀铜层，图2(e)示出非图形区域中的金属打底层已被去除，图2(f)示出保护层。
图3(a)至3(f)示出在根据第一实施例的三维电路的制作方法中，绝缘材料外壳表面上的图形区域的剖面的变化过程示意图。其中，图3(a)示出绝缘材料外壳，图3(b)示出注入层，图3(c)示出沉积层，图3(d)示出电镀铜层，图3(e)示出电镀铜层的部分厚度已被去除，图3(f)示出保护层。
图4(a)至4(e)示出根据第二实施例的三维电路的制作方法的流程示意图。其中，图4(a)示出绝缘材料外壳，图4(b)示出金属打底层，图4(c)示出非图形区域中的金属打底层已被去除，图4(d)示出图形区域中的电镀铜层，图4(e)示出保护层。
图5(a)至5(e)示出在根据第二实施例的三维电路的制作方法中，绝缘材料外壳表面上的图形区域的剖面的变化过程示意图。其中，图5(a)示出绝缘材料外壳，图5(b)示出注入层，图5(c)示出包括第一和第二沉积层的沉积层，图5(d)示出电镀铜层，图5(e)示出保护层。
附图标记：
1 电子元件
10 绝缘材料外壳
11 绝缘材料外壳的表面
12 图形区域
13 非图形区域
14 绝缘隔离带
20 三维电路
21 金属打底层
22 注入层
23、24 沉积层
25 铜层
d1、d2 铜层的厚度
26 保护层。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。本领域技术人员将理解，本文仅仅列举了本发明的示例性实施例，而决不意图限制本发明的保护范围。例如，在本发明的一个附图或实施例中描述的元素或特征可以与在其它附图或实施例中描述的其它元素或特征相结合。此外，为了方便描述各个材料层之间的位置关系，在本文中使用了空间相对用语，例如“上”和“下”、“内”和“外”等，但这些术语均是相对于外壳表面而言的。
在附图中，图2(a)至2(f)示出根据第一实施例的三维电路的制作方法的流程示意图，图3(a)至3(f)示出在该制作方法中绝缘材料外壳表面上的图形区域的剖面的变化过程示意图。图4(a)至4(e)示出根据第二实施例的三维电路的制作方法的流程示意图，图5(a)至5(e)示出在该制作方法中绝缘材料外壳表面上的图形区域的剖面的变化过程示意图。下面，将参照这些附图来详细地说明根据本发明的三维电路的制作方法、以及通过该方法制备得到的电子元件。
(第一实施例)
根据第一实施例的三维电路的制作方法主要包括以下步骤：通过注塑工艺，由不含金属颗粒的绝缘材料形成外壳；通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳的表面上形成金属打底层；利用三维激光设备，在外壳表面上的图形区域与非图形区域之间照射激光，以去除边界处的金属打底层，形成绝缘隔离带；通过电镀，在外壳表面上的图形区域中形成铜层；蚀刻掉外壳表面上的非图形区域中的金属打底层，只保留图形区域中的金属打底层和电镀铜层，此时电镀铜层的部分厚度也被去除；以及对电镀铜层进行后处理，例如镀各表面处理，以实现防氧化和可焊性功能。
图2(a)示出绝缘材料外壳10，在该绝缘材料外壳的表面上形成根据本发明的三维电路。绝缘材料外壳是通过将如下绝缘材料中的一种或多种注塑而形成的：LCP、PPS、PTFE、PPE、PPA、PBT、PET、PC、PI、PA、POM、ABS塑料、玻纤、玻璃、陶瓷、耐高温尼龙。介质陶瓷材料可以包括例如：钨青铜结构的BaO~Ln2O3~TiO2(BLT)系列、CaTiO3改性系列和改性铅基钙钛矿系列，主要用于低频率范围内的民用移动通信系统中作为介质谐振器；以BaTi4O9、Ba2Ti9O20和(Zr，Sn)TiO4等为基础的微波介质陶瓷材和低介电常数物质与CaTiO3、SrTiO3等的复合材料，主要用于中等频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件；以及复合钙钛矿结构型材料，主要用于高频率范围内的微波介质陶瓷。除此之外，还可以使用其他绝缘材料，例如各种树脂等。绝缘材料外壳可以根据所要应用的电子元器件或组件的外壳来确定形状，例如可以成型为手机的外壳形状或者汽车无线防撞组件的外壳形状，例如为成型为平板状、圆柱形、圆锥形、阶梯圆盘形、抛物面或球形等。
注塑外壳的绝缘材料不包含金属颗粒，因而不像现有技术的LDS工艺那样在绝缘材料中掺杂金属颗粒，从而损害材料介电性能并增加电磁损耗。
图2(b)示出金属打底层21，该金属打底层是通过PVD离子镀工艺在绝缘材料外壳10的表面上形成的。金属打底层21可以形成在绝缘材料外壳10的整个表面上，或者形成于其中一部分表面上。PVD离子镀工艺主要包括以下步骤：利用等离子体或霍尔源对绝缘材料外壳的表面进行前处理；通过离子注入工艺，将第一金属注入到绝缘材料外壳的表面下方，以形成注入层；以及通过磁过滤等离子体沉积和/或溅射工艺，在绝缘材料外壳的表面上方形成由第二金属组成的沉积层。
前处理可以包括加热处理，以及等离子体处理或者霍尔源处理。加热处理可以排出绝缘材料外壳的表面和内部的空气和水分，有利于提高金属打底层与绝缘材料之间的结合力。等离子体处理或者霍尔源处理可以根据绝缘材料的具体种类和三维电路的性能要求来调整所用的电压、电流和处理时间等。通过进行等离子体或霍尔源处理，能够清洗掉绝缘材料外壳表面的有机物，提高表面活性，从而有利于提高金属打底层与绝缘材料之间的结合力。
在离子注入工艺中，使用第一金属材料作为靶材，在真空环境下通过电弧作用使靶材中的金属材料电离而产生离子，在高电压的电场下使离子加速并获得很高的能量；高能的金属离子以很高的速度撞击到绝缘材料外壳的表面上，并且注入到表面下方达一定深度，形成注入层。在绝缘材料与注入的金属材料离子之间可形成稳定的化学键，例如离子键或共价键，有助于提高形成于绝缘材料外壳表面上的金属层与绝缘材料之间的结合力，并抑制金属层的脱落。可以根据绝缘材料的种类来选择第一金属材料，例如可以使用Ni、Ti、Ai、Cr或它们之间的合金，也可以使用Mo、W、Sn等。除金属材料以外，还可以使用导电氧化物、导电碳化物、导电有机物等作为离子注入用的靶材。可以根据绝缘材料和金属靶材的种类、期望的结合力大小、期望的注入层厚度等因素来确定离子注入工艺的各种工艺参数，包括电压、电流和处理时间等。例如，通过增大电压，可以增大注入层的厚度；通过增大电流和时间，可以提高注入层中金属离子的浓度。在一个实施例中，离子注入的电压为10kV~30kV，电流为1mA~5mA，处理时间为1~60分钟，由此得到厚度为1~50nm的注入层，例如厚度为10nm、20nm等。
磁过滤等离子体沉积工艺和溅射工艺都是现有技术中常用的薄膜形成方法。本发明利用这些工艺在绝缘材料外壳的表面上方，具体而言在先前形成的注入层的上方，形成由第二金属组成的沉积层。第二金属材料可以根据注入层的材料或者随后形成于其上的导电材料的具体种类来选择。例如，第二金属材料可以与第一金属材料相同，例如为Ni、Ti、Ai、Cr或它们之间的合金以及Mo、W、Sn等，也可以与后续电镀的铜层相同，即Cu。沉积层可以包括一层或多层，例如可以包括磁过滤等离子体沉积的Cu层和溅射的Cu层，或者磁过滤等离子体沉积的仅仅一个Cu层，或者磁过滤等离子体沉积的Ni层和溅射的Ni层，或者磁过滤等离子体沉积的仅仅一个Ni层，等等。沉积层的厚度可以为0.05~0.5μm，优选地低至0.05~0.1μm。
注塑成型的绝缘材料外壳具有光滑的表面，PVD离子镀工艺能够在该光滑表面与其上方的金属导电层之间提供较高的结合力，例如在0.7-1.5N/mm之间乃至0.8-1.2N/mm之间的结合力。因此，不需要对外壳表面进行激光粗化或者喷砂、化学除胶粗化等，不像LAP、LAP+工艺那样导致材料界面的粗糙度过大，严重影响天线或其他射频器件的插损或其他电学性能，导致器件能耗增加。即，本发明能够同时实现材料界面光滑或低粗糙度(表面粗糙度Rz＜1μm)的金属化和较高的结合力，有利于降低三维天线或基站射频器件的插损并优化其他电学性能，大大降低相关器件的用电能耗。而且，在采用PVD离子镀时，金属打底层的厚度可以从LAP/LAP+工艺的大约0.5μm降低至0.05μm或以下，但仍能保证较高的结合力，能够满足三维电子器件的耐热耐回流焊或其他复杂环境下的高可靠性要求。通常而言，金属打底层的厚度越薄，高频损耗性能越好。进一步，现有的LAP/LAP+工艺必须采用Ni作为打底层，因为其他材料不容易在后续的酸性蚀刻中去除，但是本发明的PVD离子镀除了Ni以外，还可以采用Ti、Ti-Al、Al、Cr等其他非磁性金属或合金来保证高结合力，因而具有更高的选择灵活度和更广泛的适用范围。另外，在排放废水等环保方面，本发明的PVD离子镀比LAP/LAP+中的化学镀镍更加环保，不涉及甲醛、EDTA等废物的排放。
图2(c)示出绝缘隔离带14，该绝缘隔离带是通过在绝缘材料外壳表面上的图形区域12与非图形区域13之间照射激光以去除边界处的金属打底层21而形成的。在此过程中，将形成有金属打底层21的绝缘材料外壳放置在三维激光设备内，将激光器发射的高强度聚焦激光束集中在材料界面的焦点处，烧蚀掉图形区域与非图形区域之间的边界处的金属打底层，使表层的金属气化并被排气抽走，从而直接露出底层的绝缘材料。三维激光设备可包括机械臂和激光器，机械臂和激光器中的至少一者能够在三维空间内移动，其中绝缘材料外壳可以由机械臂保持或者放置在设备内部的基座上。激光器可以采用Nd-YAG紫外激光器、CO2红外激光器、可见光激光器、半导体激光器、光纤激光器等，具有激光晶体以发射波长为193~1064nm的激光束。例如，近红外光激光器可以发射波长为1064nm的激光束。三维激光设备还设置有控制器，用于控制聚焦激光束的投射焦距、投射路径及投射时间等。在一个实施例中，激光器可采用输入电流2~5A、脉冲频率2~25kHz、扫描速度500~2500mm/s的加工参数，并能在边长例如为650mm的立方体空间范围内进行精细的加工。通过调整三维激光设备中的机械臂和激光器的相对运动，能够方便地使激光对准所要烧蚀的部位，从而获得精确、复杂的三维电路图形。
在现有技术的LAP+工艺中，由于作为打底层的Ni太厚(≥0.5um)，所以当利用3D激光烧掉图形区域与非图形区域之间的金属以形成隔离带时，必须烧出宽度为1mm以上的隔离带，才能保证烧蚀干净或者后续不会渗镀短路，这需要耗费很多的能源，而且容易破坏绝缘材料外壳表面并增加粗糙度。相比之下，在本发明的PVD离子镀中，金属打底层的厚度可达到0.5μm以下，甚至为0.1μm或者0.05μm以下，因而能够将隔离带的宽度缩小至0.5mm甚至0.1mm以下。这有利于提升三维电路的小间距线路图形的加工能力，可大大降低激光烧蚀的强度、能量和时间，最大限度地降低对绝缘材料外壳表面的损伤。特别是，本发明能够烧蚀出小于1mm隔离带且能够烧蚀干净，保证线路间不渗镀短路。
图2(d)示出图形区域中的电镀铜层25，该电镀铜层25是通过仅对图形区域12中的金属打底层21通电并进行电镀而形成的。在电镀过程中，可以根据绝缘材料外壳的尺寸和形状等，适当地选择电镀槽，并且选择氰化镀铜、硫酸盐镀铜、焦磷酸盐镀铜、无氰镀铜等各种工艺，在金属打底层21的表面上进行镀铜。通过调整电镀期间的电流、工作时间等，能够方便且容易地调节电镀铜层的厚度。在一个实施例中，铜层的厚度为8μm以上，例如为10μm、15μm、20μm等。除了铜以外，电镀技术还可以适用于Ni、Sn、Ag以及它们的合金等，用来将这些金属或合金形成于金属打底层21上。此外，还可以代替电镀工艺，采用化学镀、溅射、真空蒸发镀等技术来形成铜层25。
图2(e)示出非图形区域中的金属打底层21已被去除，只留下图形区域12中的金属打底层及其上方的铜层25。在此过程中，可以在微蚀槽或蚀刻槽中对绝缘材料外壳的整个表面进行快速蚀刻，以去除非图形区域13中的金属打底层21。此时，图形区域12中的铜层25的部分厚度也被去除。由于铜层的厚度为8μm以上，而金属打底层的厚度仅为0.05~0.5μm，所以该快速蚀刻过程不会明显地减薄铜层25并影响其后续使用性能。
图2(f)示出保护层26，该保护层26形成于图形区域12中的铜层25上方，以实现防氧化和可焊性功能。即，在形成有铜层25的绝缘材料外壳的表面上进行后处理，以防止铜层25被氧化并使得铜层25能够被焊接在其他的电子元器件上。后处理可以包括现有技术中常见的电镀银、电镀锡、化学沉镍金、化学沉银、化学沉锡等方法中的一种或多种。
图3(a)至3(f)示出在根据第一实施例的三维电路的制作方法中，绝缘材料外壳表面上的图形区域的剖面的变化过程示意图。图3(a)对应于图2(a)，示出注塑成型的绝缘材料外壳10。图3(b)至3(c)对应于形成金属打底层21的图2(b)，分别示出注入层22和沉积层23。其中，注入层22形成于绝缘材料外壳10的表面11下方，并与该表面保持齐平，而沉积层23则形成于绝缘材料外壳10的表面11上方，并与注入层22紧密邻接。图3(d)对应于图2(d)，示出在图形区域12中电镀形成的铜层25，该铜层25具有厚度d1。图3(e)对应于图2(e)，示出电镀铜层25的部分厚度已被去除，只留下厚度为d2的铜层25，其中d2<d1，减薄后的铜层厚度d2例如为7μm以上。图3(f)对应于图2(f)，示出了形成于铜层25上方的保护层26。
在图3(a)至3(f)中并没有示出与图2(c)对应的剖视图，因为图2(c)所示的激光烧蚀过程仅仅是针对图形区域12与非图形区域13之间的边界处进行的，以便去除该边界处的金属打底层21，而并未针对图形区域12内的金属打底层21进行。
通过上述第一实施例的制作方法制备得到的电子元件1示出在图2(f)中。该电子元件1包括绝缘材料外壳10和在该绝缘材料外壳10上制作的三维电路20。三维电路20如图3(f)所示包括：具有注入层22和沉积层23的金属打底层21；形成于金属打底层21上方的电镀铜层25；以及形成于电镀铜层25上方的保护层26。其中，注入层22形成于绝缘材料外壳10的表面11下方并与该表面保持齐平，沉积层23形成于绝缘材料外壳10的表面11上方并与注入层22紧密邻接。所形成的电子元件1可以为手机天线、基站天线、雷达天线或汽车无线防撞组件等具有三维电路的各种电子元器件或电子设备。
(第二实施例)
当外壳上形成的三维电路图形的面积占比较高，例如高达70%以上时，适合采用根据本发明的第二实施例的三维电路的制作方法。该制作方法主要包括以下步骤：通过注塑工艺，由不含金属颗粒的绝缘材料形成外壳；通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳的表面上形成金属打底层；利用三维激光设备在外壳表面上的非图形区域上照射激光，以去除非图形区域中的金属打底层；通过电镀，在外壳表面上的图形区域中形成铜层；以及对电镀铜层进行后处理，例如镀各表面处理，以实现防氧化和可焊性功能。与上述第一实施例相比较，第二实施例的区别在于“利用三维激光设备在外壳表面上的非图形区域上照射激光，以去除该非图形区域中的金属打底层”这一步骤，而无需先在外壳表面上的图形区域与非图形区域之间形成绝缘隔离带，然后再蚀刻掉非图形区域中的金属打底层。因此，该方法能够减少三维电路的制作工序，从而提高生产效率并降低制造成本。然而，当外壳表面上的非图形区域占据较大面积时，利用激光烧蚀掉该区域中的金属打底层将会耗费很多的能量，而且也容易损伤绝缘材料外壳的表面，因而不是优选的。
图4(a)至4(e)示出根据第二实施例的三维电路的制作方法的流程示意图。其中，图4(a)类似于图2(a)，示出将绝缘材料注塑形成的绝缘材料外壳10。图4(b)类似于图2(b)，示出通过PVD离子镀工艺在绝缘材料外壳的表面上形成的金属打底层21。图4(c)示出非图形区域13中的金属打底层21已被去除，仅仅保留了图形区域12中的金属打底层21。图4(d)类似于图2(d)，示出对图形区域12中的金属打底层进行电镀而形成的铜层25。图4(e)类似于图2(f)，示出在电镀铜层25的上方形成的保护层26，以实现防氧化和可焊性功能。第二实施例不包括如第一实施例中所述的“蚀刻掉外壳表面上的非图形区域中的金属打底层”这一步骤，因而也不存在与图2(e)对应的剖视图。
图5(a)至5(e)示出在根据第二实施例的三维电路的制作方法中，绝缘材料外壳表面上的图形区域的剖面的变化过程示意图。图5(a)与图4(a)对应且类似于图3(a)，示出注塑成型的绝缘材料外壳10。图5(b)和5(c)与形成金属打底层21的图4(b)、4(c)相对应，且分别类似于图3(b)和3(c)，示出了注入层22和沉积层23、24。其中，注入层22形成于绝缘材料外壳10的表面11下方，并与该表面保持齐平。沉积层23形成于绝缘材料外壳10的表面11上方，并与注入层22紧密邻接，另一沉积层24附着在沉积层23上方。两个沉积层23、24可以由相同的材料组成，例如Cu或Ni，也可以由不同的材料组成，例如分别由Ni、Cu组成。沉积层的整体厚度可以为0.05~0.5μm，优选地低至0.05~0.1μm。当然，也可以如图3(c)中所示，仅仅形成一层沉积层23。图5(d)与图4(d)对应且类似于图3(d)，示出在图形区域12中电镀形成的铜层25。由于没有第一实施例中对电镀铜层进行快速蚀刻的过程，因而该铜层25的厚度维持不变。图5(e)与图4(e)相对应且类似于图3(f)，示出了形成于铜层25上方的保护层26。
通过第二实施例的制作方法制备得到的电子元件1示出在图4(e)中。与图2(f)所示的电子元件1相同，该电子元件1包括绝缘材料外壳10和在绝缘材料外壳上制作的三维电路20。三维电路20如图5(e)所示，包括：具有注入层22和沉积层23、24的金属打底层21；形成于金属打底层21上方的电镀铜层25；以及形成于电镀铜层25上方的保护层26。该电子元件1可以为手机天线、基站天线、雷达天线或汽车无线防撞组件等具有三维电路的各种电子元器件或电子设备。
上文描述的内容仅仅提及了本发明的特定实施例。然而，本发明并不受限于文中所述的特定实施例。本领域技术人员将容易想到，在不脱离本发明的要旨的范围内，可以对这些实施例进行各种显而易见的修改、调整及替换，以使其适合于特定的情形。实际上，本发明的保护范围是由权利要求限定的，并且可包括本领域技术人员可预想到的其它示例。

Claims (10)

1.一种三维电路的制作方法，包括：
通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳的表面上形成金属打底层；
利用三维激光设备在所述表面上的图形区域与非图形区域之间照射激光，以去除边界处的金属打底层而形成绝缘隔离带；
在所述图形区域中电镀铜层；以及
蚀刻掉所述非图形区域中的金属打底层。
2.一种三维电路的制作方法，包括：
通过PVD离子镀，在绝缘材料外壳的表面上形成金属打底层；
利用三维激光设备在所述表面上的非图形区域上照射激光，以去除所述非图形区域中的金属打底层；以及
在所述图形区域中电镀铜层。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述PVD离子镀包括：
利用等离子体或霍尔源对所述绝缘材料外壳的表面进行前处理；
通过离子注入工艺，将第一金属注入到所述绝缘材料外壳的表面下方以形成注入层；以及
通过磁过滤等离子体沉积和/或溅射工艺，在所述绝缘材料外壳的表面上方形成由第二金属组成的沉积层。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一金属包括Ni、Ti、Ai、Cr或它们之间的合金，所述第二金属与所述第一金属相同或者包括Cu。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述沉积层的厚度为0.05~0.5μm，优选地0.05~0.1μm，并且电镀形成的所述铜层具有8μm以上的厚度。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，蚀刻掉所述非图形区域中的金属打底层包括：蚀刻整个所述表面，以同时去除所述非图形区域中的全部金属打底层、以及电镀形成的所述铜层的部分厚度。
7.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，还包括对所述铜层进行后处理，以实现防氧化和可焊性功能，其中所述后处理包括电镀银、电镀锡、化学沉镍金、化学沉银、化学沉锡中的一种或多种。
8.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述绝缘材料外壳不含金属颗粒，并且是通过将如下材料中的一种或多种注塑形成的：LCP、PPS、PTFE、PPE、PPA、PBT、PET、PC、PI、PA、POM、ABS塑料、玻纤、玻璃、陶瓷、耐高温尼龙，成型为平板状、圆柱形、圆锥形、阶梯圆盘形、抛物面或球形。
9.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述三维激光设备包括机械臂和激光器，所述机械臂和/或所述激光器能够在三维空间内移动，以去除所述金属打底层的特定部分，所述激光器发射波长为193~1064nm的激光束，并采用输入电流2~5A、脉冲频率2~25kHz、扫描速度500~2500mm/s的加工参数。
10.一种电子元件，包括绝缘材料外壳、以及通过权利要求1-9中任一项所述的制作方法在该绝缘材料外壳上制备得到的三维电路，其中所述电子元件为手机天线、基站天线、雷达天线或汽车无线防撞组件。
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