CN113573489A - 激光和化学结合选择性活化绝缘材料制造导电图案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光和化学结合选择性活化绝缘材料制造导电图案的方法，先找出化学和激光加工强度的上下限，在限度内确定加工参数；再实测得出聚焦后的光束束腰直径与电路图案尺寸的对应关系，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成针对该加工任务的激光加工参数、加工数据；然后，在线改变激光参数，并进行激光加工和化学处理，改变材料的表面性能、形貌。本发明控制并累积化学作用和激光作用的效果，只使同时被化学处理，又被激光加工过的区域具备化学镀所需要的活性，以及电镀所需的表面状态。质量可靠，速度快；环境友好，工艺路线明确，参数、指标具体，过程可控。适合在平面和三维塑料、陶瓷、玻璃实体上制造电路。

Description

激光和化学结合选择性活化绝缘材料制造导电图案的方法

技术领域

本发明属于电路制造技术领域，涉及3D-MID器件的制造技术，尤其是一种激光和化学结合选择性活化绝缘材料制造导电图案的方法和设备。

背景技术

3D-MID，即三维模塑互连器件(Three Dimensional Molded InterconnectDevice)，是在注塑成型的工件的绝缘表面上，制造导电图案，形成集塑料壳体的支撑、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、天线等功能于一体的电子器件。因为3D-MID既有机械功能，又有电气功能，也被称为三维机电集成器件(Three DimensionalMechatronic Integrated Device)。

最近几年，增材制造技术的广泛应用，为已有的3D-MID技术开辟了新的应用机会，在增材法技术制造(Additive Manufacturing)得到机械结构件的绝缘表面上，进行3D-MID加工，就可以得到具有机械功能的各种三维机电集成器件，能将智能、通信和感知、控制功能集成在机械系统中，起到增加性能、改善装配空间和降低成本的作用。

制造3D-MID，本质上是按照布局、布线图案，在绝缘材料上选择性制造导电材料层，用不同形状和性能的绝缘基材与不同图案结构的导电层相配合，去实现设计要求的电气、机械等功能。在绝缘材料上选择性制造导电图案是生产电子产品的基础技术，有减成法、加成法和半加成法等多种技术。

减成法是一种选择性地去除非线路部分的导电层，得到需要的导电图案的技术。减成法以表面预先覆有铜箔的绝缘基材-覆铜箔板，作为初始原料，广泛应用于各种印制电路板生产。电路板用于组装电子元器件，实现其各个电气端子间的电气互连和对其物理形体的支承和固定。组装后的电路板或板组，大多数情况下，需要装进某种机械箱体、壳体，以便于操作、保养。因为最终产品形态固定，形状统一为板或者板组，有工业化、大批量生产的社会、经济价值，所以，覆铜箔板本身就是一种工业化量产的商品，市场上早已形成了成熟的供应体系。

3D-MID的特色就是能在普通的电路板基础上再进一步集成上部分机械功能，其潜在的需求是在壳体、箱体等机械件的基础上再进一步集成上电路板功能，其不同于“板”的形状是其存在的前提，与应用场合匹配的三维形状才能体现产品特色，是此设计区别于彼设计、此产品区别于彼产品的特征所在。迄今为止，可能是因为商业价值不高，在市场上尚未见到预先覆有铜箔的三维绝缘材料的商品和制造服务，因此，广泛应用于电路板制造的传统减成法技术，看起来也很难发展、转移成制造3D-MID的主流技术。

与减成法相对，加成法是一种什么地方需要电路，就在哪里添加上导电材料的技术，更加适合在形形色色的三维形状绝缘材料上制导电图案，是国际上制造3D-MID应用较为广泛的主流技术。在Prof.Dr-Ing.Werner Jillek和Dipl.-Phys.GustlKeller编著，德国Eugen G.Leuze Verlag KG出版的《Handbuch der Leiterplattentechnik》，Band 4，Kapitel 11中，作者Prof.Dr.-Ing.K.Feldmann和Dr.-Ing.R.Meier,对当时流行的3D-MID技术进行了描述。2002九月，德国Erlangen举办的Proceedings of the MID 2002 MoldedInterconnect Devices 4^th International Congress上，作者K.Feldmann,T.Bigl,P.Woelflick，发表了题为《Improving MID-Potentials by OptimizedDesign and StableManufacturing Processes》的文章，作者R.Schluetter，B.Roesener,J.Kickelhain，G.Naundorf，发表了题为《Completely Additive Laser-Based Process for theProduction of 3D MIDs–the LPKF LDS Process》的文章，介绍3D-MID技术。在2002年六月，德国Erlangen Research Association Molded Interconnect Devices 3-D MID e.V.发行了由作者T.Krautheim,Dr.F.Poehlau,W.Lorenz,Dr.S.Stampfer,Dr.R.Meier编写的《Manual for Users and Manufactures:Production Progresses,Service Requirementsand Material Characteristics of Molded Interconnect Device 3-D MID》2.Edition,介绍了3D-MID相关的工艺、需求和材料。

其主要步骤和特点归纳如下：

德国LPKF公司的LDS技术，即激光直接成型工艺，一种加成技术，步骤为：工件一次注塑成型→激光活化电路部分→仅在被活化部分化学镀铜→化学镀镍金。此技术的优点是工艺、材料、设备较成熟，是制作天线的主流技术；缺点是要用掺有活性金属的材料，价格贵，要用化学镀，工艺窗口小。

日本松下的激光选择性去抗蚀剂法，一种先加后减技术，步骤为：工件注塑→满板化学镀铜→涂覆抗蚀剂→激光选择性去除抗蚀剂→蚀刻形成导电结构→表面处理/镀镍、镀金等。本技术的优点是不用特殊材料，缺点是工艺复杂。

日本Sankyo Kasei公司双组分塑料工艺，SKW-MID，即两步注塑工艺，加成技术，步骤为：工件中非电路部分用普通塑料注塑成型→电路部分易镀塑料注塑成型→仅在电路部分化学镀铜→化学镀镍金。双组分注塑方法采用对于化学镀活性相差较大的两种不同塑料，用活性小的塑料制作非导电结构部分，而用活性大的塑料制作导电结构部分，这种技术只适合大批量、单一品种生产，电路精密度低。

随着3D-MID产品未来前景看好，涌现出了一些新工艺。2014年九月，德国Erlangen举办的11^th International Congress MID 2014公开的会议资料，《Kongressbuch(englisch)，Proceedings MID 2014+Scientific Proceedings》中，以及在名称为ResearchAssociation Molded Interconnect Devices 3-D MID e.V.机构的网站https://www.3d-mid.de/en/home/上，公开了几种新技术，其主要步骤及特点归纳如下：

德国HSG-IMAT改进的激光直接成型工艺，工艺1，加成技术，步骤为：热固性塑料工件成型→用激光粗化导电结构图案→清洗→湿法化学处理→仅在被粗化的部分化学镀铜→化学镀镍金。工艺2，先加后减技术，步骤为：陶瓷工件→PVD Cr/Cu→化学镀铜→激光选择性去导电层制导电图案→清洗。这些工艺利用激光，可以制作精细的导电图案，但仅适合有限的材料品种，处理速度和质量有限。

美国OPTOMEC公司的AJ/Aerosol Jet工艺，即导电材料呈气溶胶态直接喷印工艺，加成法，步骤为：工件注塑成型→喷印气溶涂料→用氙灯或激光或烘炉烧结。AJ技术采用气体选择涂覆物料的颗粒度，并作为涂覆物料的载体，形成气溶胶，辅以护套气体，由喷头喷向工件，优点是可以喷印包括导电与介电等多种材料，可以在多种材料上喷印，缺点是喷印后需要烧结，对材料的耐热性有要求，目前使用这种方法可以制作50微米的导电结构，制作的MID的高频性能得到广泛认可，但大电流运载能力还不够好。

奥地利公司Plasma Innovations等离子涂覆工艺，是一种加成制造方法，通过阳极和阴极间的电弧产生等离子流，低温、常压的等离子能量将输入的铜颗粒熔化，喷到基材上，直接形成导电结构。等离子技术将被喂到喷嘴内的金属颗粒转变为熔化状态，直接喷到基材上，优点是一步完成导电结构制作，不论是玻璃粉、陶瓷粉、金属粉还是高聚物粉都能喷，应用范围很广，缺点是目前还不能制作精细结构，制出的结构表面也比较粗糙。

上面列举的是在3D-MID行业内公开度较高的技术，共七种。这七种方法中，除日本松下和德国HSG-IMAT工艺2外，五种技术为加成制造方法。其中，后面两种技术的施工方法，即加工工艺在工业中的应用还不够广泛，而且这两种技术都涉及到新材料、新设备的应用，属于尚待成熟的未来技术。七种方法中的前五种方法涉及到塑料化学镀技术，四种方法采用激光实现选择性。日本松下和德国HSG-IMAT工艺2虽然采用激光去除材料-减成，实现最终的选择性，但也是在全幅面塑料化学镀覆导电材料-加成后，再用激光完成所需图案制造的，是一种先加成，再减成的技术，如果以原材料为起点，本质上也是加成方法。这类方法，基于得到广泛应用的塑料化学镀技术和激光加工技术，用激光选择塑料化学镀沉积金属的区域，达到在绝缘材料上制造导电图案的目标，可归类为塑料化学镀+激光方法。其中，塑料化学镀技术，与上游的塑料材料、药液、设备，以及塑料化学镀技术在不同领域的分支，包括在电子行业的应用，已经形成制造产业链，是现代工业中不可或缺的一种基础技术。

总体上，塑料按受热后形态变化有热塑型和热固型两类，按分子结构分有无定形和部分结晶两类，按使用温度有使用温度最高为100℃的普通塑料，使用温度可至150℃的°结构塑料，以及使用温度可超过150℃的高温塑料。经过多年的发展，现在的塑料上化学镀铜，技术经典，应用广泛，属于成熟的基础技术。比如，在机械工业出版社出版，沈品华主编的《现代电镀手册》上，用大篇幅对塑料化学镀的机理进行了详细介绍。书中，给出了ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、PST(聚苯乙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PSF(聚砜)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、POM(聚甲醛)、PPO(聚苯醚)、PASF(聚芳砜)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)等热塑性材料镀铜的操作规范；也给出了PF(酚醛树脂)、(UF)脲醛树脂、EPOXY(环氧树脂)等热固性塑料镀铜的操作规范。在同一手册中，给出了玻璃、陶瓷化学镀铜的配方和操作条件。在该书中，“有电子电镀”、“化学镀”等专门的章节，对在电子行业的塑料化学镀技术进行了详细介绍。同时，或者更早，在美国McGraw-HillCompanies出版物，Clyde F.Coombs等编著的《Printed Circuits Handbook》、在德国EugenG.Leuze Verlag KG的出版物，Guenther Herrmann及Werner Jillek编著的《Handbuch derLeiterplattentechnik》的多个版本中，对应用于电路板制造的塑料化学镀技术的机理、操作流程也有着详细介绍。

包括塑料在内的绝缘材料化学镀技术，一般可分为前处理和化学镀两大步骤。其中，不同的材料品种化学镀过程及所用的化学药液及配方大致相同，流程为：敏化→活化→化学镀，配方中，敏化多采用氯化亚锡和盐酸，活化多采用离子或胶体钯体系，化学镀铜多采用硫酸铜、甲醛、EDTA和氢氧化钠体系；而前处理步骤，不同的材料品种不尽相同，基本上包括去应力→除油→粗化三个步骤，粗化使塑料表面状态发生变化，形成微观粗糙且亲水的效果，有利于后续的敏化、活化步骤时物质的附着，增加镀层结合力，是塑料化学镀解决附着力的关键步骤。

机械工业出版社出版，沈品华主编的《现代电镀手册》中“化学镀”一章中的观点认为，附着力的大小取决于塑料化学镀的镀层与塑料基体结合的机理，即，机械结合论，认为是因为镀层嵌入了基材上的燕尾状凹坑，形成锁扣；化学结合论，认为塑料与金属镀层之间产生了化学作用，提高了结合强度；机械-化学结合论，认为塑料与金属镀层的结合既有机械结合，又有化学结合，而且以机械结合为主。

实践中应用较多的有机械粗化、有机溶剂粗化和化学粗化三种方法：机械粗化适合精度要求不高的需求；溶剂粗化步骤少、不用含铬溶液，但适用材料品种少、难控制；而化学粗化应用最为广泛，步骤清楚，较容易控制，大都需要使用铬酸酐、浓硫酸、磷酸中两种以上物质，其中以铬酸酐为主的粗化溶液占大多数。比如，沈品华主编的《现代电镀手册》上，给出的ABS粗化的两个典型配方如下：

配方1：铬酸酐(CrO₃)/(g/L)浓度为400～430；硫酸(ρ＝1.84g/cm³)/(mL/L)浓度为180～220；温度/℃范围为60～70；时间/min范围为10～20。

配方2：铬酸酐(CrO₃)/(g/L)浓度为180～200；硫酸(ρ＝1.84g/cm³)/(mL/L)浓度为1000；水(H₂O)400mL；温度/℃范围为40～60；时间/min范围为60～120。

印制电路板基板材料的主要成份是树脂，电路板孔金属化是在孔壁上涂覆金属的过程，属于塑料化学镀技术的分支，但与通常塑料化学镀相比，有两处显著不同：一是电路板基板材料中大都掺有玻璃纤维织物，用以增强树脂的机械性能；二是被镀覆表面是孔壁，是钻头上的切削刃对材料剪切加工后形成的，经历了一个机械粗化过程。

双面电路板孔金属化过程一般为：去毛刺→除油→微蚀/粗化→活化→化学镀。这个过程，采用碱溶液除油，用稀硫酸-过氧化氢进行微蚀刻，没有用铬酸、浓硫酸体系，也能获得合格的结合力，在于钻孔对孔壁的机械粗化作用，降低了对化学粗化强烈程度的要求。多层电路板孔金属化在去毛刺后，增加了去钻污步骤。伴随着高速旋转的钻头对材料的挤压、摩擦，产生大量的热，温度超过200℃，材料发生重熔、结痂，可在孔壁上形成厚度达5μm的钻污层。如果在钻孔后只进行常规的除油就化学镀铜，因常规除油溶液无法去除树脂污渍，就会引起铜镀层不连贯，造成多层板内层信号连接不通或连接不可靠。传统的铬酸、硫酸体系去钻污，环境成本高，而且还有破坏增加层间附着力的黑化/棕化层，产生粉红圈和分层；对玻璃纤维蚀刻速度比对树脂快，造成渗镀；强酸的反应残余物很难彻底清洗，吸潮会导致焊接时爆孔或其它质量问题等等缺点，逐渐被高锰酸钾体系或等离子处理替代。等离子法生产效率低，成本偏高，多在聚酰亚胺或者特殊材料电路板生产中应用。高锰酸钾法不仅能很好地清洗孔壁树脂、去除钻污，还能改善孔壁树脂的表面结构，提供镀层与基体的结合力，其操作步骤为：溶胀→去钻污→还原→调整。

上述的塑料化学镀技术，实现了往绝缘材料表面上涂覆导电金属的功能，各种粗化处理技术，保证了被涂覆的金属与绝缘材料有足够的附着力。但是，对于3D-MID制造，现有的塑料粗化处理技术、现有的塑料化学镀技术，大都是将工件浸入溶液，粗化溶液、化学镀溶液与工件表面的全部区域发生作用，不能有效地区别处理工件不同的区域，不具备仅在需要的部分选择性粗化、选择性化学镀的功能。激光，方向性好、颜色纯、功率大，投照到工件表面，可以改变材料形态，在很多领域里得到了广泛的应用。当然，作为现代工业最重要的工具之一，在电子产品领域，激光加工技术，特别是其选择性，也广受关注，跨界应用于制造3D-MID制造，同时，独立的，或者配合塑料材料技术、塑料化学镀技术，有大量相关的专利出现。

德国发明人Gerhard Naundorf和Horst Wissbrock，在专利DE 197 23 734和DE197 31 346及各自对应的专利US6,319,564和US6,696,173中，介绍了当时用激光产生化学镀所需种子的方法，并公开了将不导电的，含重金属钯/Pd/palladium的有机金属螯合物，涂覆于多孔绝缘材料表面，再用波长为248nm的准分子激光破坏有机物质与金属物质间的配合作用，露出金属钯，作为后续化学镀时沉积金属物质的种子，实现在绝缘材料上选择性制造导电图案的技术方案。这两位发明人，在专利DE 101 32 092和US7,060,421B2中还公开了在热固性塑料中掺入不导电的，含铜元素和另一种阳离子的尖晶石类金属氧化物，再用激光光蚀塑料释放出金属核并形成粗糙的表面，作为后续化学镀时成核种子和金属物质附着的起始区的制电路结构方案，以便消除之前技术存在的成核物质比例大，不耐无铅焊接高温，不容易进行注塑等问题。针对这两位德国发明人专利的局限，中国发明人林云等，在申请公布号为CN103589065A的《含二茂金属酰腙型配合物的复合材料及制备方法》专利中，以及中国专利持有人深圳市微航磁电技术有限公司，在申请公布号CN 101859613 A的《立体电路制造工艺及激光塑胶原料的复合组份、制造方法》的专利中，都提出了新方案，采用了替代性物质或改进性物质作为添加剂，掺入塑料中，以在激光加工后，释放出后续化学镀沉积金属用的种子。与向绝缘塑料本体均匀掺加活性物质不同，专利申请人深圳市泛友科技有限公司，在申请公布号CN102242354A的《选择性化学镀工艺和相应的激光涂料及其制备方法》专利中，公布了一种制造3D-MID方法。该方法中，将含有活性金属氧化物添加剂的涂料，涂覆在塑料物体表面，用以在激光加工后，释放出能在化学镀沉积金属起种子作用的物质。

基于金属氧化物可以释放出金属的思路，在专利DE102006017630.8中，发明人Gerhard Naundorf还公开了用激光加工含氮化铝材料，释放出铝物质，作为后续化学镀时的起始活性物质的技术方案。为了解决掺入的含铜、铬金属氧化物导致塑料热降解问题，专利US9,676,927B2公布了用无机硅酸盐作为金属氧化物的包覆壳，形成核-壳结构，掺入塑料中，然后再用激光加工的方案。申请公布号CN 103088321 A的专利《塑料基材上选择性形成金属的结构及制造方法》申请中，持有人深圳市微航磁电技术有限公司提出了另外一种核壳添加剂方案。方案中，用偶联剂包覆含镍和锌的无机盐、氧化锡铟材料后，形成核壳结构的添加剂，掺入塑料中，在激光加工后，可以释放出活性基团，作为化学镀沉积金属的种子。

在塑料内预先掺入某种活性物质技术不断发展的同时，也出现了塑料内部不掺加活性物质制电路结构的技术。专利CN106211611A《在非导电性基板表面建立连续导电线路的方法及导电线路》、CN105744749A《于基材绝缘表面形成导电线路的方法》、CN103477725A《在非导电性基板表面建立连续导电线路的无害技术》公开了在绝缘材料上加成法制导电结构的技术方案，这些方法基于通用的塑料化学镀和电镀技术，在对工件全局性进行活化，及进行化学镀加工之后，用激光沿需要的导电图案的外包络线去除添加在绝缘材料表面上活性金属基团，或者用激光沿需要的导电图案的外包络线去除绝缘材料表面上的化学镀沉积金属层及其下面的活性金属基团，使需要的导电图案与非图案区电气绝缘，成为电气分离的两个区域；然后，进行区域选择性电镀，只往需要的电路图案区域上电镀导电金属，使导电图案区域的导电层厚度大于非导电图案区域的导电层厚度；最后，用差分蚀刻等方法去除原来活化和化学镀沉积在非导电图案区域上的未经电镀加厚薄导电层，制成产品。专利CN1039995559A《导电迹线结构的制备方法及具有导电迹线结构的基材》、CN104221135A《双面电路板及其制备方法》、CN103547055A《具有电路图案的电路基板及其制造方法》、CN104451794A《镀层厚度均匀之电镀方法及其产品》、CN104902710A《具有二维线路结构的壳体及其制造方法》，对上述专利方法进行了改进，在进行活化及化学镀之前，增加了用激光在绝缘材料表面上预制导电图案步骤，即用激光进行区域选择性加工，仅粗化需要的导电图案区域的表面，以增加导电层与绝缘材料的附着力；再后，进行全局性活化和化学镀，即在工件全部区域上添加活性金属基团，在工件全部区域上用化学镀方法在材料上添加第一金属层；随后，用激光沿选定的路径去除绝缘材料表面上的化学镀沉积金属层及其下面的活性金属基团，形成绝缘沟道，把活化金属基团层及其上的第一金属层分离成为相互电气绝缘的两个区域；随后，进行区域选择性电镀，仅在含导电图案的区域上电镀沉积第二金属层；最后，利用差分腐蚀或利用表面附着力的差异去除非导电图案区域的导电材料，获得产品。在申请公布号CN102612271A《结构件上的立体电路及其制作方法》的专利中，发明人王咏等，公布了先涂覆导电涂料，再用激光移除导电图案以外多余的导电材料的不用塑料化学镀的技术方案。

申请人深圳市泛友科技有限公司，在申请公布号CN104975276A《在塑料表面形成选择性金属线路的方法及塑料部件》的专利中，提出了双粗化技术方案，即先对塑料工件的图案区域进性激光粗化，然后再进行化学粗化，以形成对活性基团更强的附着力，随后再进行化学镀导电层制出导电结构。为了改善塑料的表面性能，在US9,924,601B2中，专利申请人LPKF Laser&Electronics AG公开了一种增加塑料件表面粗糙度的方法。该方法使用激光，在注塑模具上制造微结构，工件成型时，这些微结构就嵌入到塑料工件需要制造导电图案区域的表面，因此增加了导电图案区域的表面积，使得该区域与经过化学镀添加的导电层的结合力增加，因此，可以实现选择性地在塑料上制造导电图案的目的。在专利申请CN108476588A中，申请人等离子创新有限公司/Plasma Innovations和LPKF激光和电子股份公司，公开了根据绝缘材料表面性能不同，制造导电结构的方法。通过处理绝缘材料表面，把工件表面分成表面性能不同的两类区域，其中一个区域与导电材料的附着力明显小于另外一个区域，用激光、等离子、化学等方法往工件上涂覆导电材料，然后，控制移除的强度，用干冰清洗等移除方法仅移去与导电材料附着力较小区域上的导电材料，形成导电结构。

这些涉及到在塑料上制造导电结构的专利可以归纳成三类：在塑料中掺活性材料，激光选择性加工，仅释放导电图案区域的活性基团，再区域性化学镀类；全局性活化、化学镀，用激光去除导电材料，对工件表面进行电气分区，局域性电镀类；用激光直接或间接用于在导电图案区域制作粗化表面，以及激光选择性涂覆导电材料类。

第一类专利的技术方案围绕向塑料中掺入可被激光激活的物质进行，被添加的活性物质，一方面在激光加工后裸露在导电图案区域起种子的作用，利于后续的化学镀过程中有更多的活性基团和金属沉积；另一方面，激光加工裸露这些活性物质的过程，也在某处程度上增加了导电图案区域的塑料表面的粗糙度。这类专利的特点在于，在活性基团和增大的表面粗糙度两种作用下，再经过化学镀，最终，在塑料工件上获得导电结构。但是，不得不注意到，掺入活性物质可能定会推高塑料的成本，增加加工过程的复杂性，而且，这些活性物质还可能对塑料固有的性能产生负面影响。

第二类专利的技术方案围绕着化学镀活化后，或化学镀之后，用激光去除活性基团，或者去除化学镀层及其下的活性基团，制出绝缘沟道，以将需要的导电图案区域与非导电图案区域电气隔离，这样，就能仅在图案区域上电镀导电金属，使图案区域导电层厚度远远大于非图案区域导电层厚度，然后，就可以用差分腐蚀等技术去除非图案区域的导电层，从而在绝缘材料上获得需要的导电线路。可是，这类专利中，并没有解决普通的化学镀镀前的粗化流程环境负担过大的问题，而且，对于激光加工参数的技术描述过于笼统，参照实施并不容易。

第三类专利的技术方案关注了塑料化学镀前的粗化步骤，在直接地在图案区制造粗糙表面，或者间接地在图案区域制造粗糙表面后，进行塑料化学镀、电镀沉积导电层，最后，控制移除强度，只移除沉积在导电图案区域以外的多余的导电材料，制出产品。其中，在US9,924,601B2专利中，给出了判断粗糙度的尺度；在CN108476588A专利中，给出了与粗糙度相关的附着力的大小的判断数值，以及去除非图案区域导电层的方法和装置。这类方法虽然意识到粗化对附着力的作用，但在技术上仍有细节问题需要解决，特别是涉及激光参数的选择方面，还需要更多的、可量化的、可实施的信息。

近年来，一方面激光器技术又有很大进步，功率大、脉冲重复率高、脉冲持续时间短，从而大幅度提升了激光光束产生的性能价格比；另一方面，电子产品的进一步精细化、多功能化和应用的广泛化，对3D-MID的质量、成本产生了更高要求。综合上述技术信息和专利方案，可以看出，激光加工与塑料化学镀结合的方法是当前3D-MID制造行业的主流技术。但与激光技术所取得的进步比，美中不足的是，激光加工并没有在决定图案区域的选择性作用的同时，起到大幅度增加附着力的作用；此外，各种加工方法也没有充分利用当今激光器功率大、脉冲重复率高和脉冲持续时间短的先进性，不能物尽其用。本发明正是针对以上可以改进的空间，对目前的激光加工与塑料化学镀结合的方法制造3D-MID技术，进行质量、效率和实用性以及更经济、环保方面的提升。

产品质量是一切制造过程的首要目标，决定3D-MID质量的最重要因素是导电层与绝缘层的附着力，优良的附着力来源于合适的基材表面性能。因此，本发明的首要目标是优化激光加工参数和化学处理方法，使导电材料与基体绝缘材料产生足够的附着力。

上述公开的技术信息和专利表明，经过合适的粗化处理后，大多数塑料，即使不添加特殊的活性材料，化学镀镀层与基体也可以获得良好的附着力。显而易见，激光加工的目标是在投照到塑料工件选定区域后，产生微观粗糙的表面，创造更大的比表面积。然而，并不是投照向工件的激光都能与材料发生作用，而且，即使发生作用，也不一定是有效作用。这是因为，激光束接触材料后会出现反射、透射和被吸收三种现象：

r+a+t＝100％

r为反射率，a为吸收率，t为透射率。吸收率越高，激光能入射材料的深度就越小，激光与材料的作用将发生在光束投照到的表面区域，作用范围局限于薄薄的一层，单位材料上获得的能量大，加工效果好；相反，若吸收率低，透射率高，激光入射材料的深度就越大，大部分光能量不会在材料表面释放，而会在材料的内部穿行，直至透射离开材料，激光与材料的作用将发生在光在材料内部形成的光柱上，作用范围是与入射深度等高的立体，穿行过程中能量在单位材料上的聚集度低，加工效果差。

吸收率的大小与多种因素相关，但主要取决于激光的波长和材料本身。较常见的工业激光设备波长从长到短大致有处于红外波段的10.6μm、1064nm，处于可见光波段的532nm，和处于紫外波段的355nm几类，不同波长的激光的光子能量不同，波长越短，能量越大，相比而言，红外光光子能量小，与材料作用主要是热作用，紫外光光子能量大，与材料的作用主要是化学作用。二氧化碳激光波长在10.6μm左右，处在红外波段的中红外波段，恰好与塑料大分子伸缩、旋转振动频率相当，容易被塑料吸收，但入射深度达百微米级别，且光子能量低，约为0.12电子伏特，热作用大，激光器性价比不高。UV波段的激光容易被塑料吸收，即使是波长为355nm的激光，吸收率仍然足够大，入射深度仅为数微米，且其光子能量也高达3.5左右电子伏特，足够产生对分子本身的破坏，化学作用明显，热效应小，加工过程更接近冷加工。对于可见光以及近红外光，大多数塑料本身是透明或半透明的，意味着光投照到塑料材料表面上后，大部分能量不能被吸收，而是在材料中透射时随着穿行逐渐消耗或者被转移，起不到聚焦于一点的加工作用。光纤激光器是当今市场上的主流，波长为1μm左右，其光子能量约在1.16eV左右，由于吸收率低，能量分散，不足以直接破坏大分子，只能整体上增加分子的运动，热作用大，加工效果并不理想。正是由于这个原因，前述第一类专利中掺入添加剂后，大幅度地改善了加工效果，因为添加剂不仅提供了活性基团，而且还增加了材料的吸收率，使得波长1μm左右的激光能够被更大比例地吸收，在单位材料上集中的能量较大，从而能起到破坏材料结构的作用，产生一定粗化效果。但必须看到，如果用普通的1μm左右的红外光加工不添加特定品种添加剂的塑料，除了吸收率低外，其热作用还会使热塑性塑料重熔，流动，不仅达不到塑料化学镀所需的粗化的效果，反而会使表面更光滑。基于上述对激光与塑料相互作用的机理，本发明具体目标之一是以不含活性材料的塑料的粗化为对象，基于市场上主流激光器，解决现有技术激光粗化时可能出现的光子能量小，热效应大，以及材料对光透射率高，吸收率低为问题，给出明确的激光加工参数，提供一种能保证产品质量的解决方案。

3D-MID既有电气，又有机械功能，用在电子产品中。和其它的电子、机械零件一样，加工效率的高低是其制造技术先进与否的重要判断依据。

如前所述，3D-MID激光加工，是一种图案加工，正常情况下，不同的产品图案形状不同，组成图案的几何图素的宽度不同。然而，当前的激光材料加工设备，只有一种聚焦激光光束，光束束腰直径固定，一般材料微加工设备光束束腰直径在5μm-100μm之间，尤其是15μm-30μm之间；设备配备的数据处理软件和操作软件，也仅以该固定直径提供加工方案。这样的加工系统，适合切割、焊接等应用，对于3D-MID加工，当几何图素的宽度与光束束腰直径不同时，需要若干单激光光束边缘搭接边缘多遍加工，直到所有光束扫描过的宽度恰好与图素宽度相同为止，当图素宽度不是光束束腰直径整数倍时，必定出现相邻两光束罗叠，罗叠区域所承接的激光能量，大于其余区域的激光能量，导致加工区域内能量不均匀；此外，用比如直径为20μm光斑多遍扫描，对于含宽度比较大的图案的产品，加工速度慢，经济性差。基于这些问题，应用当今市场上主流激光光源，针对大多数3D-MID图案情况，通过光学设计、软件设计，给出一种既能保证加工质量，又可以使加工速度更快的技术方案，对于塑料化学镀+激光方法制造3D-MID有很大的经济意义，也是本发明的具体目标之一。

3D-MID器件，将机电功能集成于一体，有着广泛的应用可能，其制造是一个涉及到多种材料、多种设备、多种操作条件的过程，需要明确、具体的工艺流程、参数。首先，塑料品种很多，塑料的粗化、化学镀处理需要选择的参数包括，药液成分、温度、处理时间等选项。同时，激光加工质量的高低、速度的快慢也取决于设备的软硬件配置、技术参数的取舍。可见，激光加工与塑料化学镀结合的方法制造3D-MID受多重因素影响，每个因素都有各种固有的作用和局限，增加工程上实施该技术的难度。本发明另外一个目标是，试图找出激光加工和化学处理过程中各个因素间的影响关系，给出一种独立地或综合地优化激光加工参数与塑料化学镀前处理参数的方法，建立激光粗化与化学粗化之间的边界条件，确定工艺参数的范围，使激光加工与塑料化学镀结合的方法制造3D-MID技术发展成成熟稳定的生产工艺，更容易实施。

发明内容

本发明针对现有制造3D-MID技术的不足，提供一种激光加工和化学处理相结合选择性活化绝缘材料制造导电图案的方法和设备，提出了利用化学处理和激光加工的累积效果实现选择性活化塑料的技术方案。本发明的方法，工艺流程明确，参数、指标具体，过程可控，能更充分，更容易地利用市场上主流激光器资源，加工质量更好，加工效率更高，加工过程更加环境友好。

本发明的技术方案，适合多种材料，多种药液，多种激光设备以及多种产品，通过控制并累积化学处理和激光加工的效果，只使同时被化学处理，又被激光加工过的区域具备化学镀所需要的活性，以及电镀所需的表面状态，实现选择性制造导电图案的目的。首先，针对一种确定材料，一种确定的药液体系，以及一种确定激光设备，找出化学处理参数的上下限和激光加工强度的上下限，并在限度内确定加工参数；然后，实测镀覆后的导电图形的宽度，得出光束束腰直径与电路图案尺寸的对应关系，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成针对该加工任务的激光加工参数、加工数据；再后，通过在线改变激光与材料作用的光束束腰直径、光能量密度、光功率密度，优化激光加工，在化学处理基础上改变材料的表面性能、形貌；最后，通过对化学处理和激光加工结果的检查、测量和评估，对生产参数进行综合优化，实现生产过程的闭环。其步骤为：

(1)确定化学处理参数的上限和激光加工强度的下限。

确定的方法和判断依据是：以通用的塑料化学镀工艺条件为起点，参考通用塑料化学镀所需的时间，逐步降低化学药液的活性，直至化学处理不能在未经激光处理材料表面上沉积铜，作为化学处理参数的上限；逐步增加激光加工强度，用100～1000倍放大镜观察，直至在化学处理参数的上限基础上能实现被激光加工区域上95％面积上有铜沉积，作为激光加工强度的下限。其中，所谓化学药液的活性，指对药液品种关于环境影响负面程度、氧化性、酸性从高到低的分类，还指药液中环境影响度高、氧化及酸碱性强的成份的浓度百分比，还指化学处理操作温度、处理时间。所谓激光加工强度，指投照向材料的激光脉冲功率、重复率、重叠率等影响材料处理的质和量的参数。

其中，化学处理上限的确定从对某确定材料传统的化学处理方法开始，以已知的化学处理配方为基础，首先应减去对环境影响大的物质组份，然后，再降低强氧化性、酸、碱物质的浓度，降低反应温度、时间等，直至经该强度的化学处理后，在未经激光加工的表面上，该已知配方对应的化学镀过程不再发生有效金属层沉积。

(2)确定化学处理参数的下限和激光加工强度的上限。

确定的方法和判断依据是：在激光加工强度的下限基础上增加激光加工强度直至材料因激光作用临界于出现发黑、变色、碳化、生纹、重熔、焦裂、结痂、瘤化等现象之一，作为激光加工强度上限；在化学处理参数上限基础上逐步降低化学处理的活性至在激光加工面积上沉铜面积占比低于规定值，作为化学处理参数的下限。

上述步骤(1)和步骤(2)是确定操作窗口大小的过程。

(3)确定化学处理参数和激光加工参数。

确定的方法和判断依据是：同时或轮番从上限降低激光加工强度和化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数；或者，同时或轮番从下限增加激光加工强度和化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数；或者，同时或轮番从下限增加激光加工强度，从上限减少化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数，或者，同时或轮番从上限降低激光加工强度，从下限增加化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数。

步骤(3)是确定最佳化学处理参数和激光加工参数的过程。

(4)实测试加工结果，建立图案尺寸与光束束腰直径的对应关系。

用符号d表示图案尺寸，对镀覆层进行测量，用符号d_r表示实测值为d的镀覆层所对应的光束束腰直径。

操作要点在于：用满足加工参数的激光加工系统具有的最大光束束腰直径和最小光束束腰直径加工，再化学处理后得到的导电图案，实测镀覆后图案的尺寸，通过一次或多次测量、做图、经验关系式等方法得出光束束腰直径与相应的图形间的补偿值，建立激光加工参数与最终镀覆结果图案尺寸间的对应关系。

现有的技术方案，通常以系统固有的光束束腰直径为基础确定激光进行材料加工轨迹。但事实上，同一光束，与不同的材料，在不同的环境下，作用的效果也大不相同，光束在材料上形成的图案实际尺寸往往与已知的光束束腰直径尺寸有偏差，本征光束束腰直径并不恰好等于与材料作用后的实际宽度，对于精密加工，产生的偏差不容忽视。以系统固有的光束束腰直径为基础确定加工轨迹，并不能适应所有的材料，不能适合所有的加工任务。更进一步，对于3D-MID制造，激光加工后需要进行至少一个镀种以上化学镀，化学镀后，一大部分产品还需要进行电镀导电金属层、保护金属层，而每次化学镀、电镀处理后，得到的导电层图案尺寸又往往且分别不同于原有的基础图案尺寸，特别是当3D-MID应用于高频、微波频率范围时，这一系列现象更容易导致图案的尺寸精密度问题。

本发明通过尺寸补偿方式，用实测出的图案尺寸去对应光束束腰直径，作为确定激光加工路径的依据，可以根据最终产品对镀覆技术、镀覆品种、镀覆层厚度的需要，通过改变激光光束束腰直径以及激光加工路径，使最终的3D-MID导电图案尺寸符合电气设计要求，特别是满足高频、微波频率产品技术条件。

(5)根据导电图案结构，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成激光对应于加工任务的参数和加工数据。

确定激光加工参数的要点在于，光束束腰直径是变量，其数值可在加工过程中随图素的宽窄在线变化，遇到宽度窄的图素时，变为小束腰直径加工；遇到宽度大的图素时，变为大束腰直径加工。其中，在步骤(3)中确定的激光能量密度、激光功率密度是恒量，步骤(4)中建立的图案尺寸与需要的光束束腰直径的对应关系是光束束腰直径改变的依据，用软件生成激光加工参数，包括：能量密度值、功率密度值、光束束腰直径、重复率、重叠率、加工路径等。确定光束束腰直径时，以加工速度快为优先条件，相邻光束作用区域搭接时无罗叠为约束条件，保持投照于单位面积上的激光能量、单位面积上激光功率不变。

(6)进行激光加工。

加工操作要点在于，将工件固定于激光加工设备工作台上，确定激光光束与工件特征结构之间的相对几何位置，以使激光投照后产生的图形与工件的特征结构间的尺寸在允许的公差范围内，在开启吸尘系统，按照步骤(5)确定的参数，进行激光加工。

激光加工包括使用同一种波长、脉冲宽度的激光一遍加工完成，以及不同波长、脉冲宽度的激光，在不同的光斑直径、焦深，以及不同光功率密度等参数下多遍加工完成。比如，用纳秒紫外脉冲激光制造凹坑，再用皮秒激光改变材料表面状态。再如，用连续光纤激光或纳秒光纤脉冲激光对材料进行初次处理，再用紫外脉冲激光或皮秒激光改变材料表面状态。

(7)进行化学处理。

操作的要点在于，对工件的化学处理在激光加工后24小时内进行，按照步骤(3)确定的参数操作，对工件进行化学粗化、化学镀，或化学粗化、化学镀及电镀。在进行步骤(7)之前，进行步骤(8)，在步骤(7)进行中，化学镀后，进行步骤(8)。

在进行步骤(7)之前，进行步骤(8)所需处理的项目为，根据国家标准GB/T 10610-2009、GB/T 9286-1998(国际标准ISO 4288:1996、ISO 2409:1992)，确定被加工区域的粗糙度范围，检测表面状态和形貌，评估凹坑尺寸、密度。

(8)检查、测量、评估加工结果。

检查操作由人工或机械视觉进行，以判断图形内、外化学镀、电镀效果，在图形内，检查是否有超出允许范围的漏镀、针孔；在图形外部，检查是否有超出允许范围的溢镀点、斑。测量操作用于确定图形是否符合设计要求，包括几何尺寸测量和位置测量，即测量图形的长、宽、圆等几何形状，以确定图形与原设计的尺寸匹配程度，以及测量图形的特征点与工件的特征点间的尺寸，以确定加工出的图形与工件本体的定位偏差。评估操作用于判断镀覆的内在质量，按照已知的标准进行，包括评估镀覆层与工件基体的附着力、镀覆层的总厚度以及各层的厚度，需要时还要评估成品的机械、电气性能。

(9)修正激光加工参数、化学处理参数，重复步骤(6)、(7)、(8)，直至加工结果满足要求后，进行批量生产。

步骤(8)后，当漏镀点数、面积值之一分别大于溢镀点数、面积值之一时，增加化学处理强度，降低激光加工强度；当漏镀点数、面积值之一分别小于溢镀点数、面积值之一时，降低化学处理强度，增加激光加工强度。

现有3D-MID技术中的激光加工设备，一般只提供一种束腰直径的光束与材料作用。这样的技术，在小束腰直径光束加工宽度大图素时，需要多次错位扫描才能遍及全部图素区域，加工速度慢。此外，只有一种光束束腰直径的技术，遇到图素宽度不是光束束腰直径整数倍时，需要罗叠加工部分区域，才能实现遍及全部图案区域的加工，这会造成搭接区域被多遍加工，所受光能量密度明显大于其它区域，加工质量不一致。

本发明采用可以固定激光光能量密度和光功率密度，但光束直径可变的加工方案。首先，固定的光能量密度、光功率密度，能保证加工质量的一致性；其次，光束直径可变，在加工中能按照3D-MID电路各个独立的图素宽度，匹配相应扩束倍率。这样，当图素宽度大时，采用与之宽度匹配的束腰直径的光束加工，速度快，能充分利用激光光源的功率资源，在加工宽度大图素时，不需要多次错位扫描，一次性遍及全部区域。此外，光束直径可变的加工技术，在加工更大宽度图素时，用束腰直径相加恰等于其宽度的两个及两个以上相同束腰直径或不同束腰直径的光束，边缘与边缘相邻，不需要罗叠，完成图素内全部区域扫描，区域内各处加工密度相同，加工质量一致。

本发明3D-MID生产中，对于有着确定激光光源和光束传输系统的激光加工设备，确定的药液体系，确定的塑料品种，有默认光束束腰直径d_r0，固有的最小光束束腰直径d_rmin和最大光束束腰直径d_rmax，分别对应图案宽度为d₀，d_min和d_max。本发明注意到，在材料表面作用处的激光光束直径，与激光加工后，化学处理前，化学处理的各个阶段，以及化学处理后图案的宽度并不一定相等，但有一一对应关系。为了明确，除了有特别说明，本发明所述图案宽度均指化学处理后的图案宽度，而激光光束直径均指获得该图案宽度所对应的光束束腰直径。本发明认为，光束束腰直径范围，应该在激光设备功率的5％-90％范围内选择，更进一步，最佳的光束束腰直径范围，应该在激光设备功率的10％-80％范围内选择，其尺寸选择方案如下：

当图案宽度为d＝d₀时，优先选择光束束腰直径d_r0进行单行/独行加工；

当图案宽度为d_min≤d≤d_max时，优先选择光束束腰直径d_rmin≤d_r≤d_rmax进行单行/独行加工；

当图案宽度d≥d_max时，在满足d_rmin≤d_r≤d_rmax条件下，优先选择d_r，使n为整数且最小时满足n*d_r＝d，进行多行并行接续的扩宽加工。

激光与材料的作用是个复杂过程，与塑料的品种和激光的性质及施加激光的能量密度和功率密度相关。塑料吸收激光能量后，会出现温度升高、熔化、汽化、升华等一种或多种现象，可以导致塑料被移除，可以导致塑料表面形态发生变化。本发明的方法制造3D-MID，可以利用激光移除塑料的加工实现，也可以利用激光改变塑料表面形态的加工实现，还可以利用激光移除塑料和改变塑料表面形态两种加工的结合实现。

移除塑料加工指在图案区域内，利用激光移除塑料的功能，制造有一定分布密度的，尺寸在一定范围的凹坑。活化后，相比沉积于凹坑外的活性基团，沉积在这些凹坑中的活性基团，与基材的附着性更好，解胶后，仍然留存于基材上，在后续的化学镀的氧化还原过程中，作为种子，引发铜离子被还原成金属铜的反应，从而形成导电层图案；而沉积于凹坑之外的活性基团，解胶后，被从基材上脱附离开，没有凹坑的区域，没有活性基团，在后续的化学镀的氧化还原过程中，没有种子，不能引发铜离子被还原成金属铜的反应，铜不会沉积，形不成导电层。如前所述，处于红外光频率段的激光，光子能量较低，与塑料的耦合度较低，吸收率小，透射率高，而且热效应明显。因此，对于红外激光，靠加热机理实现加工，大多数塑料的加工性并不好，体现在需要较大的功率，塑料工件被加工区域由于过量受热而重熔，微观粗糙度低，其加工性能需要借助塑料中的添加物改善。紫外频段的激光，光子能量高，光化学作用明显，与塑料的耦合度较高，吸收率大，透射率低。因此，即使没有添加剂，对于紫外激光，高能量光子也能作用于高聚物分子内部的化学键，分解、破坏材料的结构，热影响低，塑料工件被加工区域微观粗糙度较高，大多数塑料的加工性能好。相比于红外和可见频段的激光，紫外激光，更适合用于移除塑料，制造凹坑。移除材料的效果，在激光功率超过去除该种塑料所需的最低功率的门槛值后，主要取决于投照在材料表面上的激光能量。本发明制造凹坑时，要先试出单位面积上的激光能量值，即能量密度的上下限，作为激光加工参数，当激光光束束腰直径随导电图案的宽度变化时，用激光功率控制系统，进行补偿，保持投照于材料表面单位面积上的激光能量稳定在该上下限范围内。

用于3D-MID的加工系统，大多数采用脉冲激光源，脉冲持续时间固定，是常量，可以通过控制激光器功率调节激光器向工件上投照光的能量。若默认光束束腰直径为d_r0，其所对应的图案宽度为d₀，对应于制造合适凹坑的激光投照功率上下限分别P_0max和P_0min，对应的单位面积上的激光能量值，即能量密度的上下限分别为w_max(J/cm²)和w_min(J/cm²)；当图案宽度为d时，此时，投照激光光束束腰直径应该改变为d_r，按照本发明的方法，对应的单位面积上的激光能量值，即能量密度的上下限仍然应该分别为w_max(J/cm²)和w_min(J/cm²)，但所对应的制造合适凹坑的激光投照功率上下限P_max和P_min则应该分别为[(1/4)*π*d_r ²]/[(1/4)*π*d_r0 ²]*P_0max和[(1/4)*π*d_r ²]/[(1/4)*π*d_r0 ²]*P_0min，即：

P_max＝(d_r/d_r0)²*P_0max，以及

P_min＝(d_r/d_r0)²*P_0min。

化学沉铜的本质是在活性基团的作用下产生金属沉积，因此活性基团的在基材上的附着及保持，以及金属沉积层对基材的附着力是获得良好的化学沉铜效果的关键。除了在基材上制造凹坑以外，本发明利用激光加工和化学处理相结合的方法，改变基材表面状态，在图案区域上，制造有一定粗糙度且更亲水的表面。如前所述，化学处理或激光加工中的任何一种，如果强度足够大，都能产生可以发生化学镀的表面。本发明控制化学处理强度，使仅被化学处理的区域达不到引发化学镀的临界状态，但这样的化学处理施加于已经被激光加工的表面上后，激光加工的表面处理作用及加工的选择性，累加上化学处理的效果，使得仅有同时被两种作用后的区域，具备适合化学沉积且有良好沉积附着力的表面状态。本发明中，具有这样表面状态的区域，两种作用效果的积累性的罗叠，在活化后，对含有活性基团的液体，有一定的保持和涵养作用，在该区域上形成一层含活性基团的液体膜，解胶后，仍然有足够多的活性基团得以保留，对比于本发明中未经激光加工的区域，附着的活性基团分布的密度大，化学沉积金属后，能形成连续的导电层。而且，该区域因为比其它区域多一步激光处理过程，微观表面状态更粗糙，化学沉积的导电金属与之有更大的附着力。这样，未被激光加工的区域，活性基团附着密度很小，化学沉积附着力低，不能形成连续的导电层，而被激光加工区域，活性基团密度大，金属离子被还原的沉积效果好，能保证导电图案顺利形成。

与制造凹坑的机理不同，改变塑料表面状态的效果并不完全取决于移除塑料的量，而在于改变塑料的表面性质。在实验过程中，本发明注意到，施加于材料表面上激光的波长、能量，与材料表面性质改变的效果相关性不大，但作用于材料表面上的激光光强度，即施加在材料表面单位面积上的激光功率，对材料表面性质的改变起重要的作用。在皮秒、飞秒级别超短脉冲产生的高强度激光束的照射下，工件表面有可能同时吸收几个、甚至几十个光子，这种几乎在同一时间发生的多光子吸收，总能量虽然不大，作用深度和体积很小，但却可以改变所作用区域的物质，特别是浅表面的表面状态。塑料类高分子材料，成份、结构相对复杂，其性质改变的机理很多，可以是主链，也可以是支链，还可以是高聚物中某个基团的改变，既可以是成份改变，还可以是相互间的关系改变，多光子吸收效应，因为有足够多的光子同时与材料作用，满足导致改变的能级变化所需的各级能量，能够引发这样的改变。

本发明注意到，当光功率密度足够大时，即光束在同一时间作用于材料的光子数足够多时，多光子效应对加工效果的影响大于激光频率的对加工效果的影响。用红外激光加工，当其脉冲宽度处在皮秒、飞秒量级，虽然单点脉冲能量不高，在几十至上百微焦耳之间，但功率可达百万、千万，甚至上亿瓦。这样，当功率密度超过一定的门槛值，靠多光子效应，也能获得理想的加工效果。本发明利用多光子效应，使用皮秒、飞秒激光器，控制单位时间向单位面积上投照的激光功率值，即激光功率密度，或激光强度，在单位时间内，向单位面积上投照足够多的光子，使材料发生升华、离子化，从而改变其表面性质。这就意味着，即使不在塑料中掺入阻光、吸光添加剂，也能对材料进行加工。更进一步，这种加工不是通常的热加工，而是仅作用于表面的一种升华、离子化的微去除加工，是一种冷加工。

本发明激光改变材料表面性质时，要先试出单位面积上的激光功率值的上下限，作为激光加工参数，当激光光束束腰直径随导电图案的宽度变化时，用激光功率控制系统，进行补偿，保持投照于材料表面单位面积上的激光功率值，即功率密度稳定在该上下限范围内。

大多数激光加工系统，通过控制激光器功率调节激光器向工件上投照光的功率密度。若默认光束束腰直径为d_r0，其所对应的图案宽度为d₀，对应的改变塑料表面状态的激光投照功率上下限分别P_0max和P_0min，对应的单位面积上的激光功率的上下限分别为I_max(W/cm²)和I_min(W/cm²)；当图案宽度为d时，此时，投照激光光束束腰直径应该改变为d_r，按照本发明的方法，对应的单位面积上的激光功率的上下限仍然应该分别为I_max(W/cm²)和I_min(W/cm²)，则对应的改变塑料表面状态的激光投照功率上下限P_max和P_min应该分别为[(1/4)*π*d_r ²]/[(1/4)*π*d_r0 ²]*P_0max和[(1/4)*π*d_r ²]/[(1/4)*π*d_r0 ²]*P_0min，即：

P_max＝(d_r/d_r0)²*P_0max，以及

P_min＝(d_r/d_r0)²*P_0min。

现有的激光加工设备，在工作距离上，其光学系统一般只设计一种光束直径，需要较大光束直径时，操作者往往通过采用改变工作距离，在偏离聚焦光束束腰位置的状态下加工。偏离激光焦平面加工，容易导致加工在超出激光光束有效作用范围内进行，位置敏感度很高，控制难。设备本身的精度、材料表面的平整度的负面影响，在激光光束有效加工范围以外会被放大，会引起投照的能量密度、功率密度发生大幅度变化，甚至导致投照激光的位置偏移，影响加工的一致性，是产生质量缺陷的原因之一。

本发明设备的光学系统，设计有可变倍数的扩束镜，用改变扩束倍数的方法，改变聚光激光光束束腰直径。加工过程中，设备数据处理系统和控制系统在维持激光能量密度、功率密度不变条件下，根据被加工图案中各个图素的尺寸，选择出合适的光束束腰直径d，扩束控制系统改变扩束倍数，产生与之对应的直径为D的光束，完成光束束腰直径的改变。扩束输出光束的直径与聚焦光束束腰直径的关系如下式：

d＝(4/π)*λ*(f/D)*M²+β*(D³/f²)

其中，d为聚焦后的光束束腰直径，λ为激光波长，f为聚焦透镜焦距，M²为激光束质量参数，β为球差折射率函数，与波长、透镜结构/形状、材料相关。

与现有技术只可以采用离焦方法改变作用在材料表面的光束直径不同，本发明的技术方案，保持能量密度、功率密度不变，随被加工图案尺寸，优化的加工参数和加工数据，在线改变扩束倍数以改变光束束腰直径，并改变与材料表面的工作距离，保证激光与材料相互作用的加工过程在光束的瑞利长度内进行，有效加工范围大，加工一致性好。

实现上述发明方法的设备由一套或者多套数据获取与处理系统、设备操作系统、激光光源、光束整形及传输系统、激光聚焦系统、工件夹持及工件的旋转、翻转系统，工件与光束间的运动与控制系统，工件自动和手动上料与下料系统，定位及检测视觉系统，激光功率监测及补偿系统，清洁、恒温系统，激光及设备安全使用系统等组成。激光光源参数范围为：

波长：266nm-10700nm；

脉冲宽度：10fs-1000μs；

脉冲重复率：1KHz-100MHz；

平均功率：1W-10000W。

激光功率监测及在线补偿系统是设备保证加工质量一致性的重要手段，设备配置有激光功率监测及在线补偿系统包括设置在工作台面上的激光功率计，以及根据台面激光功率调整激光器输出功率的控制系统。设备的光束整形及传输系统不仅包括用光学器件扩大或缩小激光束直径，还包括使光能量在与其传输方向垂直的截面上均匀化分布的光学处理系统，以保证全部被加工范围内，加工质量在整体上和局部上都一致。

通常情况下，激光器输出的激光为高斯光，其能量/功率在空间分布呈钟型，中间高，周边低，在光束与材料作用的圆形区域内不均匀，圆心周边和圆周附近能量/功率相差较大，当光束束腰直径较大时，或采用数字微镜、衍射光学器件作为光束传输手段时，光能量/功率分布不均匀现象更加明显，影响加工质量。本发明的设备，采用扩束之后加入能使激光分布更均匀的器件的设计，比如加入光学均匀器，比如加入衍射光学整形器件Top-Hat/Flat-Top，将高斯光整形成平顶光，然后再经光束传输、聚焦之后，投照向工件表面。这样，本发明通过保持能量密度、功率密度恒定，在光束束腰直径改变后，使得与工件作用的任意激光脉冲之间的能量密度、功率密度，在整体上均匀一致；通过在扩束后，用匀光器件进行光束整形，再向工件上传输、投照，使得每个激光脉冲作用区域内的能量密度、功率密度，在局部上也均匀一致。

在扩束、匀光以后，本发明的设备，采用了更适合高脉冲重复频率的激光源，比如紫外、皮秒和飞秒脉冲激光器的光束传输手段，包括：衍射光学元件/DOE、电光调制器件/EOD、声光调制器件/AOD、多棱镜扫描仪/Polygon Scanner、共振扫描器件/ResonantScanner、振镜扫描仪/Galvanic Scanner、压电及微机电扫描器/Piezo-&MEMS Scanners、微扫描器/Microscanner、数字微镜器件/DMD。这些光束传输器件，可以单独使用，也可以混合使用。

比如，使用多棱镜扫描仪，借助高速旋转的反射镜组，将均匀化后的激光束传输到光学聚焦系统。相比于振镜扫描仪，可以以矢量化方式将光脉冲定位于指定位置上，用多棱镜传输光束，光脉冲以逐点逐行点阵扫描方式定位于指定位置，但单位时间内可分辨反射的光脉冲更多，适合的脉冲重复率更高，可达10MHz，甚至20MHz。

又比如，单独使用数字微镜器件/DMD，将经过均匀化的激光光束，按照图案的形状，构成与某一个或几个图素或图案或其片段的形状、尺寸相对应的多点结构光，然后，同时将构成多点结构光的光束集反射向后续的光学聚焦镜上。数字微镜器件作为光束传输手段，是用数以十万计的光束元素组成与图案匹配的结构光，形成光束集，以投影方式反射传输。无论是与振镜扫描仪的矢量化扫描加工相比，还是与多棱镜扫描仪的点阵化扫描加工相比，数字微镜器件的投影反射是大范围的盖章式加工，速度更快。

再比如，将一对AOD或者EOD串联后，分别在X轴向、Y轴向的小范围/角度内高速传输光束至一对串联的振镜扫描仪，振镜扫描仪接续AOD发送的光束后，再分别在较大范围/角度内沿X轴向、Y轴向继续光束的传输。AOD和EOD是基于光学机理的扫描器件，通过向晶体施加声波、电波，改变晶体对光的折射率，从而改变通过晶体激光的传输方向，实现激光束在不同位置上的分配。与振镜、多棱镜等基于机械机理的扫描装置不同，AOD、EOD中没有运动的机械零件，反应速度快，扫描分辨率高，不存在机械运动惯性引起的反应速度慢，以及由惯性导致的角度分辨率低的问题。但是，AOD、EOD的光学扫描机理，决定着其折射率的改变量有限，扫描范围小，光学数值孔径比较小，不适合在材料微加工领域单独应用。本发明将AOD、EOD与振镜串联应用，把AOD、EOD反应速度快，分辨率高的优点，与振镜扫描范围大的优点相结合，克服了AOD、EOD数值孔径小、扫描范围小的缺点。此外，光学扫描机理扫描器件与机械扫描仪串联，还能克服靠机械运动的振镜反应速度慢，分辨率低的缺点。这样，把两种扫描机理串联应用，使光束传输系统的性能得到了优化，更适合现在的皮秒、飞秒等高脉冲重复率的激光光源，以及应用这些光源进行的微加工。

还比如，将几个衍射光学元件/DOE并行装到光路中，形成可选光路，用可电动改变反射角度的反射镜选择某确定光路，并联的各个衍射光学元件分别对应一种光束尺寸并将其处理为点数不同的多点光，投向后续的振镜扫描仪或多棱镜扫描仪后，经再次反射后，进入光学聚焦镜聚集，之后投向工件表面。

大多数3D-MID器件，需要在曲面上加工电路图案。本发明，加工3维工件曲面时，有能随Z向位置变化，使光束在被加工面上保持聚焦状态，并与被加工面垂直状态的Z向聚焦系统。系统由光学和机械部分组成。其中，光学部分选用的是焦距随工件表面高度变化而变化的聚焦镜。聚焦镜由一个静镜片组和一个动镜片组构成，动镜片组受控制系统控制，随工件表面高度变化而进行相应的运动，从而，保证在动态的加工过程中，激光光束的聚焦点一直处在工件的曲面上。Z向聚焦系统的机械部分，由工件的轴向转动机构，和径向转动机构构成。其轴向转动机构带动工件沿其长轴整体旋转，使立体工件的全部表面均可通过转动，面向铅直向下的激光束，处在待加工状态下；而其径向转动机构，带动其在径向转动，以使工件向上的待加工表面，保持与铅直的激光束处于垂直状态。

本发明的一个特征是实测加工结果，得出激光参数与加工结果的关系，并将其通过数据处理系统、设备控制系统应用于加工过程中。设备通过定位及检测视觉系统实测加工结果，系统包括识别、检查和测量工件以及工件上图案特征结构的照相系统，以及能动态匹配材料质地、纹理和颜色的照明光源；系统包括将光束定位投照于工件上确定位置的光学和机械结构；系统还包括用于驱动、控制上述照相、照明、定位运动的软件，以及用于识别、检查、测量、定位的数据采集、处理、输出软件。

加工精细导电结构，需要清洁的环境，恒定的温度；保持设备性能，延长设备寿命也需要清洁的环境，恒定的温度。本发明设备设计有清洁、恒温系统，均受设备操作系统控制，其中，恒温系统设置在设备内部或顶端；清洁功能由吹气和吸尘系统实现。吸尘系统的吸气口更接近工件，位于加工头下部，在加工头下部，吸气口的对面，与吸气口水平相同位置，设有截面小于吸气口截面积的装有过滤网的进气孔；吹气系统的吹气口更接近光学保护镜和聚焦镜，处在加工头中上部，水平位置高于吸气口，加工头中部，吹气口对面，与吹气口水平相同位置，设有装有过滤网的排气孔；吸气口与吹气口设置在加工头同侧，或相向设置；吹气与吸气的模式，根据加工进程，可以同时开启，或交替、间替进行，包括去除材料时为吸气模式，切透或钻透材料形成切割或钻孔起始点后切换为吹气模式。

在本发明中，数据获取与处理系统、设备操作系统、激光光源、光束整形及传输系统、激光聚焦系统、工件夹持及工件的旋转、翻转系统，工件与光束间的运动与控制系统，工件自动和手动上料与下料系统，定位及检测视觉系统，激光功率监测及补偿系统，清洁、恒温系统，激光及设备安全使用系统的运行、控制和驱动使用同一电路主板构成的计算机及通信系统，或使用多电路板构成的计算机及通信系统。数据获取与处理系统，与设备操作系统分别为两个独立的软件包，使用不同用户界面；或者为一个软件包，使用相同用户界面。

本发明中的激光光束束腰直径随图案尺寸变化，但其能量密度、功率密度不变，根据对镀覆层的实测值，得出激光参数与加工结果的关系，并将其通过数据处理系统、设备控制系统应用于加工过程中，发挥化学处理的优势，排除化学处理的问题，用激光实现选择性。优势为：在掺杂和不掺杂阻光、吸光、活化等添加剂的多种材料上都可以选择性制造导电图案；加工一致性好，质量可靠，速度快；环境友好，工艺路线明确，参数、指标具体，过程可控。适合在平面和三维塑料、陶瓷、玻璃实体上制造电路。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明的技术方案，可使用普通的塑料材料，不用使用掺有活性金属的材料，成本更低，适用材料范围更广。

2、本发明的技术方案，细化控制并累积化学作用和激光作用的效果，最大化可操作的参数范围的同时，可以更好的控制上镀效果。

3、本发明的技术方案，降低了化学镀工艺中对环境的影响，对某种对环境影响巨大的工艺步骤(六价铬化学粗化)甚至可以不用的同时保证有足够的结合力，对环境更加友好。

4、本发明采用可以固定激光光能量密度和光功率密度，但光束直径可变的加工方案。加工速度更快，加工出的图形尺寸和原图形设计尺寸更加接近。对比固定光束直径的加工方法，本发明加工方案可以保证激光与材料相互作用的加工过程在光束的瑞利长度内进行，有效加工范围更大，加工一致性更好。

附图说明

图1为实施例1激光设备原理图；

图中：1为激光光源、2为激光束、3为电动扩束镜、4为AOD、5为扫描振镜、6为远心透镜、7为工件、8为工作台、9为控制电机、10为振镜加工范围、11为AOD加工范围、12为数据、13为计算机、14为激光控制卡、15为运动控制器。

图2a为实施例1、实施例2使用的第一种图案；

图2b为实施例1、实施例2使用的第二种图案；

图3为实施例3使用的图案；

图4为实施例1样品整体外观；

图5为将样品放到放大1000倍的图片。

具体实施方式

以下将结合三个实施实例，对本发明做进一步的说明。下述的实施实例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施实例来限定本发明的保护范围。

实施例1：

(1)确定ABS材料化学处理参数的上限和激光加工强度的下限。

以ABS塑料化学镀工艺条件为起点，首先确认其中一种工艺的化学处理步骤：除油-预浸-活化-解胶-化学沉铜。在本实施例中：

①除油优选使用碱性除油剂，溶液组成为：碳酸钠15g/L、磷酸钠30g/L、氢氧化钠50g/L、表面活性剂2g/L，温度50～80℃，时间5～10min。

②预浸-活化-解胶，其中预浸的溶液组成为：盐酸200ml/L，室温，时间1～3min；活化的溶液组成为：氯化钯0.05g/L、氯化亚锡10g/L、盐酸200ml/L、氯化钠50g/L，温度25～35℃，时间1～5min；解胶的溶液组成为：ethone UDIQUE 8812 ACCELERATOR 250ml/L，温度40～55℃，时间2～10min。

③本实施例优选使用碱性化学沉铜液，溶液组成为：氯化铜13～17g/L、乙二胺四乙酸二钠30～40g/L、氢氧化钠10～15g/L、37％甲醛10～14ml/L、α、α′—联吡啶0.05g/L、亚铁氰化钾0.01g/L，pH值12～13，温度30～45℃，时间10～150min。

这几个步骤中，活化和解胶对活性的影响最大，为了简化过程，只调整解胶时间来改变活性。在其它参数固定的情况下，解胶从2min逐步增加到5min，未经过激光加工的表面开始沉积不上铜。以此作为化学处理的上限，即在其它参数不变的情况下，解胶时间应该不低于5min。

本实施例中优选使用德中(天津)技术发展股份有限公司生产的DirectLaser U6紫外皮秒激光机来进行激光加工。此设备具有变倍扩束系统，设备原理图如图1所示。

在其它参数不变的情况下(初始扩束倍数3倍)，为了简化过程，只调整激光器输出功率来改变激光加工强度，从2％(3w)开始增加功率百分比，直到功率达到8％(12w)，激光加工区域上95％以上面积上有铜沉积(在100～1000倍放大镜观察)。以此作为激光加工强度的下限。

(2)确定化学处理参数的下限和激光加工强度的上限。

在本实施例中，激光加工强度上限为功率100％(150w)。

在其它参数不变的情况下，解胶时间从5min开始增加，直到8min开始出现激光加工区域的漏镀。以此作为化学处理的下限。

(3)确定化学处理参数和激光加工参数。

从化学处理和激光加工的上下限交叉实验，最后确认最佳参数，其它参数不变，解胶时间为6min，激光功率为9％(13.5w)。

(4)实测试加工结果，建立图案尺寸与光束束腰直径的对应关系。

在本实施例中可变倍扩束镜对应的光束束腰直径d_r的范围为(7.5～45.2um)，设置5种d_r进行单独实验，以(3)步骤中最后得出的光功率密度为恒量，计算出对应比例的光功率P，最后测出5个对应的镀覆层最小宽度d。实测d_r、d、P数据如下表：

光束束腰直径d<sub>r</sub>/um：	7.5	9	15	22.6	45.2
						扩束倍数	6	5	3	2	1
激光功率P/w	3.38	4.86	13.5	30.65	122.58
						镀覆后最小线宽d/um	13.5	15	24	30	53

(5)根据导电图案结构，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成激光对应于加工任务的参数和加工数据。

本实施例使用的图案如图2a、图2b

在本实施例中，激光机单线加工的d_min＝13.5um，d_max＝53um；对应的d_rmin＝7.5um，d_rmax＝45.2um。选取实施图案，该图案中的最小线宽d₀>d_min。

当图案宽度为d_min≤d≤d_max时，在d_rmin～d_rmax范围中优先选择对应光束束腰直径dr，进行单行/独行加工；

当图案宽度d≥d_max时，在满足d_rmin≤d_r≤d_rmax条件下，优选d_r，d_r为d₁＝d/n对应的d_r，其中n＝[d/d_max]+1，进行多行并行接续的扩宽加工。

本实施例所采用图形有10种不同线宽，使用德中(天津)技术发展股份有限公司的数据处理软件CircuitCAM 7模拟激光加工，并得出所需扩束倍数分类。然后根据分类生成加工路径文件。

在激光机上使用德中(天津)技术发展有限公司的设备驱动软件DreamCreaTor 3设置操作参数，生成5种参数

(6)进行激光加工。

本实施例采用紫外皮秒(波长355nm)激光进行加工。将样品使用治具固定，扫描一次加工完毕。

(7)进行化学处理。

将激光加工后的样品放入除油槽种除油，除油温度70℃，时间10min。水洗干净后，放入预浸槽中，常温，时间1min。预浸后直接放入活化槽中，温度32℃，时间3min。活化后放入纯水中静置2min，水洗干净后放入解胶槽中解胶，温度46℃，时间6min。水洗干净后放入沉铜槽中沉铜，温度38℃，时间150min。

(8)检查、测量、评估加工结果。

样品无漏镀、溢镀，线宽误差在5％以内，百格测试结果5B。

实施例2：

(1)确定ABS+40％PC材料化学处理参数的上限和激光加工强度的下限。

ABS+PC与ABS材料的化学性能相近，塑料化学镀工艺与ABS相近的工艺步骤，具体为：除油-化学粗化-预浸-活化-解胶-化学沉铜。在实施例中：

①除油优选使用碱性除油剂，溶液组成为：碳酸钠15g/L、磷酸钠30g/L、氢氧化钠50g/L、表面活性剂2g/L，温度50～80℃，时间5～10min。

②化学粗化溶液组成为：硫酸220ml/L，温度65～80℃，时间10～30min。

③预浸-活化-解胶，其中预浸的溶液组成为：盐酸200ml/L，室温，时间1～3min；活化的溶液组成为：氯化钯0.05g/L、氯化亚锡10g/L、盐酸200ml/L、氯化钠50g/L，温度25～35℃，时间1～5min；解胶的溶液组成为：ethone UDIQUE 8812 ACCELERATOR 250ml/L，温度40～55℃，时间2～10min。

④本实施例优选使用碱性化学沉铜液，溶液组成为：氯化铜13～17g/L、乙二胺四乙酸二钠30～40g/L、氢氧化钠10～15g/L、37％甲醛10～14ml/L、α、α′—联吡啶0.05g/L、亚铁氰化钾0.01g/L，pH值12～13，温度30～45℃，时间10～150min。

这几个步骤中，同样是活化和解胶对活性的影响最大，为了简化过程，只调整解胶时间来改变活性。在其它参数固定的情况下，解胶从2min逐步增加到4min，未经过激光加工的表面开始沉积不上铜。以此作为化学处理的上限，即在其它参数不变的情况下，解胶时间应该不低于4min。

在本实施例中优选使用德中(天津)技术发展股份有限公司生产的DirectLaserU6紫外皮秒激光机来进行激光加工。在其它参数不变的情况下(初始扩束倍数3倍)，为了简化过程，只调整激光器输出功率来改变激光加工强度，从2％(3w)开始增加功率百分比，直到功率达到8％(12w)，激光加工区域上95％以上面积上有铜沉积(在100～1000倍放大镜观察)。以此作为激光加工强度的下限。

(2)确定化学处理参数的下限和激光加工强度的上限。

在本实施例中，激光加工强度上限为功率100％(150w)。

在其它参数不变的情况下，解胶时间从4min开始增加，直到17min开始出现激光加工区域的漏镀。以此作为化学处理的下限。

(3)确定化学处理参数和激光加工参数。

从化学处理和激光加工的上下限交叉实验，最后确认最佳参数，其它参数不变，解胶时间为15min，激光功率为9％(13.5w)。

(4)实测试加工结果，建立图案尺寸与光束束腰直径的对应关系。

在本实施例中可变倍扩束镜对应的光束束腰直径d_r的范围为(7.5～45.2um)，设置5种d_r进行单独实验，以(3)步骤中最后得出的光功率密度为恒量，计算出对应比例的光功率P，最后测出5个对应的镀覆层最小宽度d。实测d_r、d、P数据如下表：

(5)根据导电图案结构，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成激光对应于加工任务的参数和加工数据。

本实施例使用的图案如图2a、图2b

在本实施例中，激光机单线加工的d_min＝13.5um，d_max＝53um；对应的d_rmin＝7.5um，d_rmax＝45.2um。选取实施图案，该图案中的最小线宽d₀>d_min。

当图案宽度为d_min≤d≤d_max时，在d_rmin～d_rmax范围中优先选择对应光束束腰直径dr，进行单行/独行加工；

当图案宽度d≥d_max时，在满足d_rmin≤d_r≤d_rmax条件下，优选d_r，d_r为d₁＝d/n对应的d_r，其中n＝[d/dmax]+1，进行多行并行接续的扩宽加工。

本实施例所采用图形有10种不同线宽，使用德中(天津)技术发展股份有限公司的数据处理软件CircuitCAM 7模拟激光加工，并得出所需扩束倍数分类。然后根据分类生成加工路径文件。

在激光机上使用德中(天津)技术发展有限公司的设备驱动软件DreamCreaTor 3设置操作参数，生成5种参数

(6)进行激光加工。

本实施例采用紫外皮秒(波长355nm)激光进行加工。将样品使用治具固定，扫描一次加工完毕。

(7)进行化学处理。

将激光加工后的样品放入除油槽种除油，除油温度70℃，时间10min。水洗干净后放入化学粗化槽中粗化，温度68℃，时间10min。反复水洗，干净后放入还原槽中还原，常温，时间5min。水洗干净后，放入预浸槽中，常温，时间1min。预浸后直接放入活化槽中，温度32℃，时间3min。活化后放入纯水中静置2min，水洗干净后放入解胶槽中解胶，温度46℃，时间15min。水洗干净后放入沉铜槽中沉铜，温度38℃，时间150min。

(8)检查、测量、评估加工结果。

样品无明显漏镀、溢镀，线宽误差在6％以内，百格测试结果4B。

实施例3：

(1)确定LCP材料化学处理参数的上限和激光加工强度的下限。

以ABS塑料化学镀工艺条件为起点，首先确认其中一种工艺的化学处理步骤：除油-预浸-活化-解胶-化学沉铜。在本实施例中：

①除油优选使用碱性除油剂，溶液组成为：碳酸钠15g/L、磷酸钠30g/L、氢氧化钠50g/L、表面活性剂2g/L，温度50～80℃，时间5～10min。

②预浸-活化-解胶，其中预浸的溶液组成为：盐酸200ml/L，室温，时间1～3min；活化的溶液组成为：氯化钯0.05g/L、氯化亚锡10g/L、盐酸200ml/L、氯化钠50g/L，温度25～35℃，时间1～5min；解胶的溶液组成为：ethone UDIQUE 8812 ACCELERATOR 250ml/L，温度40～55℃，时间2～10min。

③本实施例优选使用碱性化学沉铜液，溶液组成为：氯化铜13～17g/L、乙二胺四乙酸二钠30～40g/L、氢氧化钠10～15g/L、37％甲醛10～14ml/L、α、α′—联吡啶0.05g/L、亚铁氰化钾0.01g/L，pH值12～13，温度30～45℃，时间10～150min。

步骤中，同样只调整解胶时间来改变活性。在其它参数固定的情况下，解胶从2min逐步增加到5min，未经过激光加工的表面开始沉积不上铜。以此作为化学处理的上限，即在其它参数不变的情况下，解胶时间应该不低于5min。

加工LCP材料单使用一种激光光源加工会有结合力不良的情况。在本实施例中所以采用红外皮秒+紫外纳秒方式进行加工。先使用红外皮秒加工来改变被加工区域的表面状态，再使用紫外纳秒更加容易与LCP材料发生相互作用。所以红外皮秒起辅助作用.在本实施例中优选德中(天津)技术发展股份有限公司生产的DirectLaser S2红外皮秒和DirectLaser S5紫外纳秒激光机。

在其它参数不变的情况下，为了简化过程，只调整紫外钠秒激光器输出功率来改变激光加工强度，从5％(2.5w)开始增加功率百分比，直到功率达到30％(15w)，激光加工区域上95％以上面积上有铜沉积(在100～1000倍放大镜观察)。以此作为激光加工强度的下限。

(2)确定化学处理参数的下限和激光加工强度的上限。

本实施例中，激光加工强度上限为功率100％(50w)。

在其它参数不变的情况下，解胶时间从5min开始增加，直到9min开始出现激光加工区域的漏镀。以此作为化学处理的下限。

(3)确定化学处理参数和激光加工参数。

从化学处理和激光加工的上下限交叉实验，最后确认最佳参数，其它参数不变，解胶时间为8min，激光功率为30％(15w)。

受红外皮秒先加工的限制，本实施例的镀覆后最小线宽为48um，本实施例图形的最小线宽为150um。

(4)进行激光加工。

本实施例所采用图形如附图3，有4种不同线宽，使用德中(天津)技术发展股份有限公司的数据处理软件CircuitCAM 7生成加工路径文件。

在激光机上使用德中(天津)技术发展有限公司的设备驱动软件DreamCreaTor 3设置操作参数，生成1种参数

红外皮秒和紫外纳秒的激光加工参数为：

(5)进行化学处理。

将激光加工后的样品放入除油槽种除油，除油温度70℃，时间10min。水洗干净后，放入预浸槽中，常温，时间1min。预浸后直接放入活化槽中，温度32℃，时间3min。活化后放入纯水中静置2min，水洗干净后放入解胶槽中解胶，温度46℃，时间8min。水洗干净后放入沉铜槽中沉铜，温度38℃，时间150min。

(6)检查、测量、评估加工结果。

样品无漏镀、溢镀，线宽误差在5％以内，百格测试结果4B。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光和化学结合选择性活化绝缘材料制造导电图案的方法，特征在于：

针对一种确定材料，一种确定的药液体系，以及一种确定激光设备，找出化学处理参数的上、下限和激光加工强度的上、下限，并在限度内确定加工参数；

实测镀覆后的导电图形的宽度，得出光束束腰直径与电路图案尺寸的对应关系，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成针对该加工任务的激光加工参数、加工数据；

在线改变激光参数，并进行激光加工和化学处理，改变材料的表面性能、形貌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具体步骤为：

(1)确定化学处理参数的上限和激光加工强度的下限；

(2)确定化学处理参数的下限和激光加工强度的上限；

(3)确定化学处理参数和激光加工参数；

(4)实测试加工结果，建立图案尺寸与光束束腰直径的对应关系；

(5)根据导电图案结构，以光束束腰直径为变量，以单位面积上能量和功率为恒量，生成激光对应于加工任务的参数和加工数据；

(6)进行激光加工；

(7)进行化学处理；

(8)检查、测量、评估加工结果；

(9)修正激光加工参数、化学处理参数，重复步骤(6)、(7)、(8)，直至加工结果满足要求后，进行批量生产。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

化学处理参数的上限是通过逐步降低化学药液的活性，直至化学处理不能在未经激光处理材料表面上沉积铜来确定；

激光加工强度的下限是通过逐步增加激光加工强度直至在化学处理参数的上限基础上能实现被激光加工区域上95％以上有铜沉积来确定；

激光加工强度上限是通过在激光加工强度的下限基础上增加激光加工强度直至材料因激光作用临界于出现发黑、变色、碳化、生纹、重熔、焦裂、结痂、瘤化现象的任一种来确定；

化学处理参数的下限是通过在化学处理参数上限基础上逐步降低化学处理的活性至在激光加工面积上沉铜有效面积占比低于规定值来确定。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：同时或轮番从上限降低激光加工强度和化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数；或者，同时或轮番从下限增加激光加工强度和化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数；或者，同时或轮番从下限增加激光加工强度，从上限减少化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数，或者，同时或轮番从上限降低激光加工强度，从下限增加化学处理强度，直至未经激光加工过的区域不沉积铜为止作为加工参数。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：分别用满足加工参数的激光加工系统具有的最大光束束腰直径和最小光束束腰直径加工，再化学处理后得到的导电图案，实测镀覆后图案的尺寸，并建立图案宽度与光束束腰直径的对应关系。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：根据被加工任务中每个图案的几何形状和尺寸，并根据图案宽度与光束束腰直径的对应关系，以光束束腰直径为变量，以加工速度快为优先，相邻光束作用区域搭接时无罗叠为约束条件，以投照于单位面积上的激光能量、单位面积上激光功率为恒量，生成针对该加工任务的激光加工参数、加工数据。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过改变光束传输系统中扩束倍数改变激光焦平面与材料作用的光束直径；或者，在加工过程中通过偏离焦平面改变激光与材料作用的光束直径；或者，通过改变聚焦透镜的工作距离改变激光焦平面与材料作用的光束直径。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：激光加工包括使用同一种波长、脉冲宽度的激光一遍加工完成，以及不同波长、脉冲宽度的激光，在不同的光斑直径、焦深，以及不同光功率密度等参数下多遍加工完成。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：以单位面积上能量和功率为恒量，根据被加工图案中各个图素的尺寸，选择出合适的光束束腰直径；

光束束腰直径d选择按以下规则：

当图案宽度为d＝d₀时，优先选择光束束腰直径d_r0进行单行/独行加工；

当图案宽度为d_min≤d≤d_max时，优先选择光束束腰直径d_rmin≤d_r≤d_rmax进行单行/独行加工；

当图案宽度d≥d_max时，在满足d_rmin≤d_r≤d_rmax条件下，优先选择d_r，使n为整数且最小时满足n*d_r＝d，进行多行并行接续的扩宽加工；

确定激光能量密度时按以下规则：

P_max＝(d_r/d_r0)²*P_0max，以及

P_min＝(d_r/d_r0)²*P_0min；

确定激光功率密度时按以下规则：

P_max＝(d_r/d_r0)²*P_0max，以及

P_min＝(d_r/d_r0)²*P_0min；

其中：d为经化学处理后的图案宽度，d_r为对应于图案宽度为d的激光光束束腰直径；d₀为默认/缺省条件下化学处理后的图案宽度，d_r0为对应于默认/缺省图案宽度的激光设备的默认/缺省光束束腰直径；d_max和d_min分别为用设备可调的最大和最小直径光束加工经化学处理后图案宽度的最大值和最小值，d_rmax和d_rmin分别为设备可调的最大激光光光束束腰直径和最小激光光束束腰直径；P_0max和P_0min分别为激光光束束腰直径为d_r0时，制造合适凹坑时基材允许的最大功率和最小功率；P_max和P_min分别为激光光束束腰直径为d_r时，制造合适凹坑时基材允许的最大功率和最小功率。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：激光光源参数范围为：

波长：266nm-10700nm；

脉冲宽度：10fs-1000μs；

脉冲重复率：1KHz-100MHz；

平均功率：1W-10000W。

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