激光直接成型实现低成本3D集成电路

激光直接成型(LDS)技术利用激光烧蚀和金属化等步骤，在注模塑料部件上创建电子线路，同时为表面贴装元件提供安装面，最终实现三维模塑互联元件(3D-mid)。

　　激光直接成型技术在一个注塑成型的塑料元件壳体上，沿着壳体轮廓在其表面上烧蚀电路走线痕迹，从而创建出一个三维模塑互连器件(3D-mid)(见图1)。在加工过程中，首先根据设计方案在塑料元件壳体上用激光烧蚀电路走线痕迹，然后再对经过激光烧蚀的部分进行金属化镀层，这样在壳体上就形成了电子线路。元件壳体要使用耐高温的热塑性材料，这样就能够使用标准的回流焊工艺安装表面贴装元件。3D-mid带来了非常明显的设计和制造优势：零部件布局更加紧凑、产品更加小型化、质量更轻、装配时间大大缩短、产品可靠性更高，同时其还有望在医疗、汽车、工业和军事/国防领域的一些新兴应用中，降低总体系统成本。

　　图1：三维模塑互连器件(3D-mid)将注塑成型的元件外壳和电子线路整合在一起

　　三维直接成型

　　LDS过程从一个已经用热塑性复合材料注塑成型的元件开始。在这种热塑性材料中，一种有机金属添加物被混合到其聚合物阵列中。实际上，这种有机金属添加物是一种用有机涂层包裹的金属微粒，其并没有显著改变热塑性材料的固有属性。常用的热塑性材料有液晶聚合物(LCP)、耐高温尼龙(PA6/6T)、聚钛酸脂(PPA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、PBT/PET和聚碳酸酯/ ABS塑料等。

　　首先，注塑成型的热塑性元件被固定在一个激光系统中准备进行表面活化。在进行表面活化之前，激光系统已经通过设计人员的编程，输入了相应的CAD数据。这一过程通常被称为“孵化”，这是制造最佳成型部件的关键一环，因为要根据电子线路的布局，选择一种最佳的激光工作模式。

　　电路走线痕迹是采用功率为16W的二极管泵浦的掺钕钒酸钇(Nd：YVO4)激光器烧蚀出来的。该激光器的声光Q开关，确保其能够提供高度稳定的脉冲(脉冲到脉冲之间的稳定性优于1.5%)，这对于实现部件的均匀活化至关重要。波长为1064nm的Nd：YVO4激光源，提供20~100kHz的脉冲重复频率，同时该系统还使用了一个高速扫描仪和光学Z-轴，用于实现三维光束传输。该激光系统的最大扫描速度为4.0m/s，烧蚀电路走线痕迹和焊盘的光束的直径为65μm。

　　针对特定的刻蚀材料，第一遍镀层会对是否需要调整或优化激光参数给出一个很好的暗示。根据目前所能提供的LDS模塑等级的宽度，激光功率的设置范围是2.0~7.0W，频率的设置范围是40~100kHz，刻蚀速度的设置范围是2.0~4.0m/s。当然，对于上述三个参数，每种材料都有一个推荐设置值，但是如果用推荐参数不能获得最佳的刻蚀表面，还可以对这些参数进行适当的调整。

　　当激光接触到注塑成型元件的表面时，形成的表面活化会达到两种不同的效果。首先，激光能量打破有机金属微粒的有机涂料，将金属微粒暴露在元件的表面。其次，元件沿着激光束的痕迹被刻蚀，进而创造出易于实现金属化的粗糙表面(见图2)。根据元件所用材料的类型和激光参数设置(主要是功率设置)的不同，激光刻蚀作用会在元件上形成一个非常小的通道(深度10μm)或是一个非常小的山脊。在没有进行激光刻蚀的区域，有机金属的表面并没有受到影响。接下来要对元件经过激光活化的部分进行金属镀层。