CN115023059B - 一种介质材料表面共形导电线路的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子制造技术领域，并具体公开了一种介质材料表面共形导电线路的制造方法，其首先在介质材料工件表面均匀预置一层不含贵金属的、廉价的、自身无催化活性的磷酸镍粉末；然后按照预设线路图形进行激光刻蚀，分解磷酸镍产生具有催化活性的氧化镍附着在激光刻蚀区域；再将激光刻蚀后的工件进行清洗，以去除未被激光照射的磷酸镍粉末；最后进行无电沉积，氧化镍催化金属选择性沉积在激光刻蚀区域，在工件表面获得导电线路图形。本发明能够在二维和三维工件表面制造导电线路，对介质材料种类和工件形状尺寸没有特殊要求，介质材料无需事先掺杂，工艺简单，成本低，所获得的导电线路图形选择性好，分辨率高，结合强度高。
Description
技术领域
本发明属于电子电路制造技术领域，更具体地，涉及一种介质材料表面共形导电线路的制造方法。
背景技术
在介质材料表面制造共形导电线路，将电气和机械功能集成在基材上，使得电子电器产品更加小型化、轻量化、柔性化，在诸多领域（例如汽车、可穿戴智能电子设备、无线通讯、微波组件等）都有广泛而重要的应用。传统的导电线路制造技术，有溅射-光刻-蚀刻、激光直接刻蚀等减材技术，丝网印刷、喷墨打印等增材技术。但这些技术不仅工艺复杂，成本高昂，而且不适合或难以实现三维共形导电线路的制造。
激光直接成型（LDS）技术是目前制造三维共形导电线路比较成熟的方法之一，其工艺流程为将激光活性物质和塑料原料掺杂混合注塑制成LDS料，利用激光照射分解活性物质产生催化活性中心，以催化后续无电沉积时的铜金属沉积，获得金属铜导电线路。专利文献CN02812609.2公开了一种在不导电承载材料上的导体轨道结构及其制造方法，该方法将具有尖晶石结构的含铜氧化物作为激光活性物质，掺杂在不导电承载材料内部制成LDS料，再经过激光扫描、无电沉积工艺获得导体轨道结构。专利文献CN200910106506.X公开了一种立体电路制造工艺，该工艺将有机金属复合物（如改性草酸二铜络合物、改性无水甲酸铜等）掺杂在塑胶原料内部制成LDS料，再经过激光扫描、无电沉积工艺获得立体电路。首先，激光活性物质的掺杂不仅提高了成本，而且增加了工艺难度。其次，掺杂会在一定程度上影响介质材料基材的物理（介电常数）和机械性能（易产生微裂纹）。而且含铜化合物通常都是深色的，不适合用于透明或浅色系基材的掺杂。最重要的是，LDS技术并不适用于已经注塑成型的普通塑料基板（即非LDS料）。
对于普通介质材料基材，一般采用外部预置活性物质层的方法。专利文献CN98800775.4公开了一种在非导电基材上制造电路结构的方法。该方法将贵金属钯络合物涂覆在基材的微孔表面上，利用248nm的氪-氟准分子激光照射使钯络合物分解产生含金属钯的晶核并进行无电沉积获得电路结构。专利文献CN201410146680.8公开了一种在塑料表面形成选择性金属线路的方法，该方法将塑料基材进行激光粗化和化学粗化（双粗化工艺）形成粗糙表面，然后将粗化后的基材依次浸入胶体钯和银氨溶液中吸附贵金属离子进行双活化，再进行无电沉积获得金属线路。外部预置活性物质层的方法，多采用贵金属如银、钯、或其盐溶液作为活性物质，不仅成本高昂，而且这些含贵金属的活性物质在激光作用前，自身就具有很强的催化活性，而激光作用后，产生的物质也具有催化活性，无电沉积时容易溢镀，导致线路选择性差，甚至造成短路，严重影响线路性能和应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷或改进需求，本发明提供了一种介质材料表面共形导电线路的制造方法，其通过激光直接照射预置在介质材料表面的不含贵金属的、廉价的、自身无催化活性的磷酸镍粉末层，磷酸镍与激光发生特定的相互作用，产生具有催化活性的氧化镍附着在激光刻蚀的区域，再进行无电沉积选择性沉积金属，获得导电线路。本方法使用的激光活性物质为磷酸镍，既不属于尖晶石结构的含铜氧化物和有机金属复合物，而是一种贱金属无机盐，因此成本更低，选择性好，绿色环保。此外，该方法还具有工艺流程简单、制造效率高、适用材料范围广等优点，而且尤其适用于三维共形导电线路的制造。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种介质材料表面共形导电线路的制造方法，具体包括以下步骤：
S1、在介质材料工件表面预置一层不含贵金属的、廉价的、自身无催化活性的磷酸镍粉末；
S2、按预设线路图形在预置了磷酸镍粉末的工件表面进行激光刻蚀；
S3、清洗激光刻蚀后的工件，以去除未被激光照射的磷酸镍粉末；
S4、将清洗后的工件放入镀液，沉积金属获得相应的导电线路图形。
作为进一步优选地，S1所述的介质材料为以下任意之一：有机高分子材料、有机-无机复合材料、陶瓷材料、玻璃材料、铁氧体材料。
作为进一步优选地，S1所述的介质材料工件为未掺杂激光活性物质的普通介质材料，工件的待加工表面为平面或三维曲面。
作为进一步优选地，S1所述的磷酸镍粉末不含铜和贵金属成分，不含络合剂、螯合剂、粘结剂。
作为进一步优选地，S1所述的磷酸镍粉末层厚度为0.1nm~1mm。
作为进一步优选地，S2所述的激光不做限定。
作为进一步优选地，S2所述的激光刻蚀，激光功率为1W~500W，脉冲重复频率为1Hz~500KHz，扫描速度为1mm/s~5000mm/s，扫描间距为0.005mm~1mm。
作为进一步优选地，S2所述的激光刻蚀具有粗化和活化的双重作用，粗化工件材料，提高工件的粗糙度，以增强金属层与工件的结合强度；同时活化工件，利用激光辐照磷酸镍产生氧化镍，催化后续无电沉积时金属选择性沉积在激光刻蚀区域。
作为进一步优选地，S3所述的清洗为超声清洗。
作为进一步优选地，S4所述的沉积金属的时间为30min~90min。
作为进一步优选地，S4所述的金属为铜。
作为进一步优选地，S4中，在沉积铜层后，还包括：在所述铜层上继续沉积金属镍、锡、金和/或银。
第二方面，本发明提供了一种介质材料表面共形导电线路，采用如第一方面所述的制造方法得到。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明使用的激光活性物质是磷酸镍，属于贱金属无机盐，不含贵金属成分，成本更低。
（2）本发明将磷酸镍粉末预置在工件表面，无需掺杂，工艺简单，成本低。不仅不会影响工件基材的物理和机械性能，而且适用于有机高分子、有机-无机复合材料、陶瓷、玻璃、铁氧体等众多广泛的普通介质材料。
（3）本发明使用的磷酸镍激光活性物质，只在激光作用后产生的氧化镍才具有催化活性，其自身无催化活性，且激光未刻蚀的区域不会产生具有催化活性的氧化镍，无电沉积时氧化镍催化金属只选择性地沉积在激光刻蚀的区域内，所获得的金属层选择性好，分辨率高，性能优异。
（4）本发明提出的共形导电线路制造方法不仅适用于平板工件，更适合于三维工件表面。
附图说明
图1为本发明实施例提供的介质材料表面共形导电线路的制造方法流程示意图。
图2为本发明实施例提供的磷酸镍粉末。
图3和图4分别为本发明实施例提供的激光刻蚀前、后PC表面磷酸镍的O1s分峰图谱。
图5为本发明实施例提供的PC平板工件表面导电线路图。
图6为本发明实施例提供的ABS平板工件表面导电线路图。
图7为本发明实施例提供的PEEK圆柱形工件表面三维共形天线。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
具体而言，本发明在介质材料工件表面预置一层不含贵金属的、廉价的、自身无催化活性的磷酸镍粉末，利用激光按照预设的导电线路图形进行刻蚀，分解磷酸镍产生具有催化活性的氧化镍附着在激光刻蚀区域，然后经过清洗、化镀，在工件表面获得导电线路。本发明无需对工件进行事先掺杂，直接将磷酸镍粉末预置在工件表面，工艺简单，成本低，基底材料适用范围广，所获得的导电线路层选择性好，边缘清晰，分辨率高，与基板的结合强度高。
参阅图1，本发明实施例提供的一种介质材料表面共形导电线路的制造方法，包括如下步骤：
S1、在介质材料工件表面预置一层磷酸镍粉末；
具体地，介质材料包括但不限于有机高分子材料、有机-无机复合材料、陶瓷、玻璃、铁氧体等；工件的待加工表面可以是平面也可以是曲面；工件的形状和尺寸不作限定；磷酸镍粉末不含铜和贵金属成分，不含络合剂、螯合剂、粘结剂，如图2所示；磷酸镍粉末层的厚度优选为0.1nm~1mm。
S2、按预设图形在预置了磷酸镍粉末的工件表面进行激光刻蚀；
具体地，将预置了磷酸镍粉末的工件装夹在激光加工设备上。经精确定位并设置合适的激光加工参数，按预设的线路图形进行激光刻蚀。激光刻蚀的作用是粗化基板材料，提高基板的粗糙度，以增强金属层与基板的结合强度；同时活化基板，利用激光分解磷酸镍产生具有催化活性的氧化镍（如图3和图4所示），催化后续无电沉积时金属选择性沉积在激光刻蚀区域。具体地，激光加工设备一般包括激光器，扫描振镜，动态聚焦镜，五轴（x-y-z三个坐标轴和两个转动轴）联动数控工作台。激光刻蚀的参数优选为激光功率1W~500W，脉冲重复频率优选为1Hz~500KHz，扫描速度优选为1mm/s~5000mm/s，扫描间距优选为0.005mm~1mm。
S3、清洗激光刻蚀后的工件，以去除未被激光照射的磷酸镍粉末；
具体地，将激光刻蚀后的工件放入去离子水中进行超声清洗。
S4、将清洗后的工件放入镀液，沉积金属获得相应的导电线路图形。
具体地，沉积金属层优选为铜层。可根据设计需求，在铜层上再进行沉积金属镍、锡、金和/或银；也可再进行电镀增厚。
以下为实施例：
实施例1
在聚碳酸酯（PC）平板工件表面预置一层磷酸镍粉末，使用1064 nm纳秒脉冲光纤激光按照预设图形进行刻蚀，将刻蚀后的工件放入去离子水中超声清洗1min，再将清洗后的工件浸入镀铜液中化镀1 h，即可在PC表面获得导电线路图形，如图5所示。按美国材料协会D3359-08标准，经测试铜层与基板间的结合强度能达到最高的5B级。
实施例2
在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）平板工件表面预置一层磷酸镍粉末，使用1064 nm纳秒脉冲光纤激光按照预设图形进行刻蚀，将刻蚀后的工件放入去离子水中超声清洗1min，再将清洗后的工件浸入镀铜液中化镀1 h，即可在ABS表面获得导电线路图形，如图6所示。按美国材料协会D3359-08标准，经测试铜层与基板间的结合强度能达到最高的5B级。
实施例3
在聚碳酸酯（PC）平板工件表面预置一层磷酸镍粉末，使用355 nm纳秒脉冲激光按照预设图形进行刻蚀，将刻蚀后的工件放入去离子水中超声清洗1min，再将清洗后的工件浸入镀铜液中化镀1 h，即可在PC表面获得导电线路图形。按美国材料协会D3359-08标准，经测试铜层与基板间的结合强度能达到最高的5B级。
实施例4
在氧化锆陶瓷平板工件表面预置一层磷酸镍粉末，使用355 nm纳秒脉冲激光按照预设图形进行刻蚀，将刻蚀后的工件放入去离子水中超声清洗1min，再将清洗后的工件浸入镀铜液中化镀1 h，即可在氧化锆陶瓷表面获得导电线路图形。铜层与基板间的结合强度经拉力测试为43 MPa。
实施例5
在聚醚醚酮（PEEK）圆柱形工件（底面外径14mm，壁厚1mm，高度86 mm）表面90°范围内预置一层磷酸镍粉末，使用1064 nm纳秒脉冲光纤激光按照预设图形进行刻蚀。将工件旋转90°继续预置磷酸镍粉末并激光刻蚀，重复旋转-预置-刻蚀工艺直至预设图形被完整加工。将刻蚀后的工件放入去离子水中超声清洗1min，再将清洗后的工件浸入镀铜液中化镀1h，即可在PEEK工件圆柱面获得三维共形导电线路图形，如图7所示。按美国材料协会D3359-08标准，经测试铜层与基板间的结合强度能达到最高的5B级。
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。
Claims (10)
1.一种介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在介质材料工件表面预置一层自身无催化活性的磷酸镍粉末；
S2、按预设线路图形在预置了磷酸镍粉末的工件表面进行激光刻蚀，产生具有催化活性的氧化镍附着在激光刻蚀的区域；
S3、清洗激光刻蚀后的工件，以去除未被激光照射的磷酸镍粉末；
S4、将清洗后的工件放入镀液，沉积金属获得相应的导电线路图形。
2.根据权利要求1所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S1所述的介质材料为以下任意之一：有机高分子材料、有机-无机复合材料、陶瓷材料、玻璃材料、铁氧体材料。
3.根据权利要求1或2所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S1所述的介质材料为未掺杂激光活性物质的普通介质材料，工件的待加工表面为平面或三维曲面。
4.根据权利要求1所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S1所述的磷酸镍粉末层厚度为0.1nm~1mm。
5.根据权利要求1所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S2所述的激光刻蚀具有粗化和活化的双重作用，粗化工件材料，提高工件的粗糙度，以增强沉积金属层与工件的结合强度；同时活化工件，利用激光与磷酸镍之间的特定相互作用产生氧化镍，催化后续无电沉积时金属选择性沉积在激光刻蚀区域。
6.根据权利要求5所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S2所述的激光刻蚀，激光功率为1W~500W，脉冲重复频率为1Hz~500KHz，扫描速度为1mm/s~5000mm/s，扫描间距为0.005mm~1mm。
7.根据权利要求1所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S3所述的清洗为超声清洗。
8.根据权利要求1所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S4所述的金属为铜。
9.根据权利要求8所述的介质材料表面共形导电线路的制造方法，其特征在于，S4中，在沉积铜层后，还包括：在所述铜层上继续沉积金属镍、锡、金和/或银。
10.一种介质材料表面共形导电线路，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的制造方法得到。
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