車燈用三維線路板LDS工藝過程缺陷分析

黃儉花,朱彩萍

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

車燈用三維線路板LDS工藝過程缺陷分析

黃儉花,朱彩萍

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

介紹LDS工藝的基本原理、材料及工藝過程。以新型LDS材料為原材料，通過注塑成型、激光化鍍、表面貼裝等技術完成車燈用三維線路板。重點闡述LDS工藝過程中出現的注塑不良、溢鍍、漏鍍、鍍層氣泡和材料鼓泡等缺陷，并對各種缺陷產生的原因進行試驗分析。結果表明：三維線路板電氣性能和整燈試驗均滿足試驗要求，通過合理選材、改善設計、優化工藝、增加試驗驗證等手段克服和避免三維線路板過程缺陷，充分說明LDS工藝在車燈運用的可行性。

三維線路板；LDS工藝；缺陷分析

0 引言

目前在汽車車內照明、系統狀態指示燈、日間行車燈、霧燈以及后組合燈中，LED應用越來越多，在這其中最常見的還屬剎車燈和轉向燈。目前汽車前照燈的遠近光燈主要使用傳統的鹵素與氙氣光源等單光源系統，大大限制了汽車燈具的造型。隨著大功率LED技術發展，LED作為遠近光燈的光源成為可能。與此同時，LED可采用多光源組合形式，這將完全改變汽車前照燈的形狀和布置方式。過去用鹵素燈或氙氣燈光源無法實現的概念車造型，使用LED光源都能得以完美的實現。例如，LED光源可以使用多顆光源排列，多只反射鏡或透鏡進行光學設計，讓燈具更加緊湊。設計師們可以使用2顆LED組合成近光燈，也可以用更多的模塊來組合出近光燈，而這些模塊可以完全服從造型設計師的要求[1]。

目前，裝配LED照明燈具的汽車的價格也呈現出越來越低的趨勢，例如，自主品牌車型比亞迪、奇瑞，合資品牌上汽通用凱悅等車型的后組合燈也越來越多地使用了LED光源，而且LED在汽車信號燈中已經完全進入了市場中低端車型。其主要原因還在于它相對其他光源具有節能和長壽命的優點。2011年歐洲將全面強制使用晝行燈(DRL)，而LED技術主要針對降低CO2排放與燃油消耗的降低[2]。

3D-MID(Three-dimensional Moulded Interconnect Device)三維模塑互連器件也稱三維電路板。3D-MID是指以具有機械功能的模塑零件作為基體，通過在零件表面直接做電子線路布線，形成具有電器功能的導線、圖形，從而實現在三維空間的連接，把模塑電子元件的機械與電子功能集為一個有機的整體[3]。3D-MID技術可根據設計需要選擇合適的形狀，功能多，可減少安裝層次、降低元器件數量，目前已經在汽車、工業、計算機、通信等領域得到廣泛應用。

1 三維線路板工藝過程

1.1 LDS原理

LDS(Laser Direct Structuring)激光直接成型技術是一種制作MID工藝的完全加成法，這種工藝的基本原理是用激光有選擇地對塑料制品的表面進行激光活化，然后對活化表面進行化鍍，使得銅、鎳、金等金屬沉積在活化區域，形成有效電路[4]。LDS主要工藝流程：將LDS材料注塑成型；零件表面激光活化；化鍍活化區域形成電路。LDS可以有效控制線路的線寬和間距，并且還是一種環保技術。

1.2 LDS材料

LDS材料是一種內含有機金屬復合物改性熱塑性塑料。這種金屬添加物在聚焦激光束的照射下可以發生物理化學反應，使有機金屬復合物釋放出金屬粒子從而被活化。有機金屬復合物的特性：絕緣性；不是催化性活性劑；抗可見光性；可以均勻分散在塑料基體中；激光照射后能釋放金屬粒子；耐高溫，耐化學性；低毒；無逸出，無遷移，抗提取性好。聚合物材料具有質輕、比強度高、成型加工容易、穩定性高等特點，是三維線路板的主要材料[5]。其材料組成見圖1。

1.3 注塑成型

初期樣件設計完成后設計相應模具，經過干燥和預熱的LDS材料塑料顆粒，按照材料供應商提供的注塑參數，在高壓下注入模具中，經過冷卻后，形成初期樣件。LDS樣件的化鍍過程對產品外觀品質要求較高，產品表面粗糙會造成溢鍍等問題。影響產品表面粗糙度主要因素有：模具表面粗糙度；材料內玻纖含量。由于材料中含有玻纖較多，熱變形溫度高，需要采用高溫模溫機配合注塑，保證產品外觀品質較好。

1.4 激光活化

LDS材料是一種添加了特殊有機金屬復合物的耐高溫熱塑性聚合物材料，經過注塑加工，形成初期樣件。根據電路設計方案用激光活化初期樣件(激光活化后的樣件表面微觀圖見圖2)，然后對經過激光活化的樣件區域進行金屬化鍍，這樣在初期樣件上就形成了電子線路[6]。激光活化一方面由激光能量引發一種物理化學反應，打斷金屬原子與高分子物之間的結合鍵，使有機金屬復合物釋放出金屬粒子，另一方面在基體表面形成微觀粗糙表面，激光融化了高聚物基體，不會融化其中的填充物，生成微觀粗糙表面，這些微細的凹坑和豁口為金屬化增加附著力，從而能使后續的涂覆層更好地附著在制品表面[7]。

1.5 化鍍金屬化

LPKF-LDS 工藝的金屬化部分第一步是清潔以除去激光加

工的碎屑，然后激光后樣品放入化學鍍液中，樣品中被激光活化過的位置將暴露出金屬原子，能鍍上金屬銅，沒有被激光活化的位置，因為沒有暴露的金屬原子，樣品表面光滑，化學鍍時沒有變化。金屬化后的樣件表面微觀圖見圖3。此工藝的一個優勢是無需普通鍍銅工藝中的初期活化工序。它的沉淀速度為3～5 μm/h，若需要更厚的銅層，可以用電鍍法對其進行加厚，如果對涂覆層有特殊要求，還可以依要求在上面鍍上鎳、金、錫、錫/鉛、銀、銀/鈀等，直到滿足各種對涂覆層的要求。文中的樣品主要化鍍過程是鍍銅+鍍鎳，銅層一般在6～18 μm，鎳層一般0.5～6 μm。主要的化鍍流程：化學粗化→水洗→活化→水洗→還原→水洗→超聲波清洗→水洗→觸發鍍銅→化學鍍銅→水洗→酸預浸→鈀活化→水洗→化學鍍鎳→水洗→鍍鎳鈍化→水洗→烘干。

1.6 組裝

SMT(Surface Mount Technology)工藝技術是電子先進制造技術的重要組成部分，三維立體表面貼裝、組裝形式是其發展和進步主要方向之一。表面貼裝技術的正常工藝流程：印刷/點膠→貼裝→固化→回流焊→清洗→檢測→返修。

許多可以用激光進行活化的塑料都具有高度的熱變形穩定性，如PA6/6T、LCP 和交聯PBT 等，它們都可以進行回流焊接，與標準的SMT工藝完全匹配。在表面在同一平面上的樣件上利用模板印刷進行焊錫涂覆是可行的。如果需要在不同的高度上或在腔內進行涂錫，采用分步注錫或添加人工輔助的方法是比較理想的。 貼裝SMD元件也一樣，如果樣件上所有元件都在同一平面上，可以利用標準的自動貼片設備完成自動貼裝。如果元件拾取頭有Z軸調節功能，凸起的表面也可以進行自動貼裝。在斜面上和無規則表面上進行自動貼配很復雜，需要手工貼配進行輔助。

由于目前的表面貼裝設備無法實現此項目的貼裝，因此，該部分印刷和貼裝兩道工序是由手工完成的。為了適應LDS樣件的復雜性及產量效率等情況，貼裝設備可以進行改造或者采購其他替代設備。圖4中是LDS樣件外觀形狀及完成表面貼裝后的實際樣件。

1.7 LDS樣件性能試驗

為保證LDS樣件各方面性能滿足汽車車燈要求，需要對LDS樣件電路性能及樣燈性能進行相關試驗。

LDS樣件的電路各方面性能要求良好，參照公司標準條例XYN72035進行相關電氣性能試驗。LDS樣件電路性能試驗主要有長時間過電壓試驗、短時間過電壓、電壓波動、極性變換可靠性試驗，試驗結果顯示電路性能良好。過電壓試驗要求電路能正常點亮且滿足配光要求；電壓波動試驗要求整個電壓工作范圍內，各顆LED之間無明顯亮度差。試驗結果表明：LDS樣件電路完全符合實驗要求。

選取正常通電有效的電路板，裝入整燈。圖5中顯示了部分燈具功能零件。除了LDS樣件的電路性能要求良好，裝入LDS樣件的燈具需要滿足汽車車燈各方面性能要求，因此對樣燈進行整燈試驗是有必要的。按照車燈性能試驗要求，目前主要安排振動試驗、點亮試驗和配光試驗3種整燈試驗考察樣件結構可靠性、材料脆韌性、散熱及材料熱量對LED光衰的影響問題。試驗結果表明：樣件無松動、斷裂、碎屑，結構可靠性良好，滿足燈具振動試驗要求，配光基本滿足要求，熱量顯示C樣材料的散熱性能較B樣好。

2 LDS工藝過程主要缺陷

LDS樣件生產過程復雜，會出現了多種樣件缺陷問題，且樣件的缺陷問題都是在金屬化操作后才能體現。LDS工藝過程最主要的缺陷問題：溢鍍、漏鍍、樣件材料鼓泡、鍍層氣泡問題。

2.1 溢鍍

激光活化后樣件進行金屬化操作，樣件出現不同程度的溢鍍，嚴重的溢鍍樣件表面幾乎全部附著金屬，無法形成有效的回路。輕微溢鍍樣件表面電路完整，呈現點狀溢鍍，但輕微溢鍍樣件電路通電情況良好。溢鍍樣件如圖6所示。

2.2 漏鍍

部分樣件化鍍后鍍層不均勻，局部地方長時間化鍍仍未能沉銅或者沉銅很少不能有效形成電路，如圖7所示。

2.3 樣件鼓泡

生產過程中樣件內部存在注塑缺陷氣泡、填充不足或原材料未充分烘干，經回流焊后樣件局部出現氣泡狀鼓泡甚至破裂，如圖8所示。

2.4 鍍層氣泡

LED樣件表面貼裝工藝過程中發現樣件金屬層出現大小不一致的氣泡，部分氣泡會出現細小裂紋，如圖9所示。

3 LDS工藝缺陷分析及改善措施

LDS工藝過程存在溢鍍、漏鍍、材料鼓泡、鍍層氣泡多種樣件缺陷問題，初步分析主要由樣件材料、注塑工藝、激光參數、金屬化工藝、設計經驗等原因造成，以上缺陷可以通過試驗有效避免和預防。

3.1 溢鍍

嚴重溢鍍的直接原因是樣件表面粗糙，致使光潔度不夠，金屬化過程化鍍液中金屬容易附著沉積在材料表面，從而產生溢鍍；間接原因是模具表面粗糙。觀察嚴重溢鍍樣件，修模前樣件表面存在頂針印、表面粗糙不平等外觀不良及注塑缺陷現象。經測量，修模前樣件表面平均粗糙度18.5 μm。因此，對模具進行拋光處理，提高樣件表面粗糙度(尤其是需要激光活化電路的表面)，盡量要求表面粗糙度不大于5 μm。修模后，樣件表面光滑，尤其是需要化鍍電路的表面光滑如鏡，測量修模后樣件表面平均粗糙度3.97 μm。產品樣件修模前后對比如圖10、圖11。

輕微溢鍍的原因比較多，主要原因有：化鍍液比例偏差，化鍍液中金屬含量增加；注塑前期工藝參數不準確或工藝操作不當造成樣件表面有輕微浮纖、外觀輕微不良。輕微溢鍍解決辦法：(1)樣件在激光活化后，化鍍前進行超聲波清洗可以有效減少溢鍍發生；(2)通過改善注塑工藝過程，表面效果會大大提高，并且極少出現浮纖，不使用脫模劑保持注塑樣件表面外觀良好。浮纖一般可以從材料、工藝兩個方面去解決，材料建議使用短纖和低黏度的PA基材，短纖注塑性能較長纖好；工藝最主要的是配備高溫模溫機，增高模具溫度，能有效改善浮纖和樣件外觀質量。

溢鍍是目前發展LDS需要克服的一個問題。通過實際驗證，溢鍍問題是樣件制作過程中可克服問題，改善注塑工藝參數，修改模具光潔度，提高注塑產品表面光潔度，要求樣件表面粗糙度不大于5 μm；對于基材含有玻纖的材料，產品表面要求不露纖；激光活化后，進行超聲波清洗，可以有效減少溢鍍發生。通過一系列注塑工藝改善后，并對模具表面光潔度進行修改后試模樣件，重新激光化鍍，效果良好，形成清晰可見的電路，經試驗LDS樣件電路完全有效，全部LED均能正常工作。

3.2 漏鍍

部分樣件化鍍后鍍層不均勻，局部地方長時間化鍍仍未能沉銅或者沉銅很少不能有效形成電路。經分析造成漏鍍的原因主要是活化區域激光能量不足。造成激光能量不足主要是：激光工藝參數設定不合理；單工位激光頭使得部分斜面激光入射角不符合設計要求，斜面激光能量偏低。因此，不同的LDS材料需要設定相符的激光工藝參數，從而保證足夠的激光能量；同時也可以采用多激光加工單元或控制激光入射角與被處理表面的法線夾角小于60°，增強斜面照射激光能量，保證樣件各個面上均能受到足夠的激光能量，從而有效改善斜面的激光活化效果。

3.3 樣件鼓泡

生產過程中樣件內部存在注塑缺陷氣泡、填充不足或原材料未充分烘干，經回流焊后樣件局部出現氣泡狀鼓泡甚至破裂。分析原因有以下兩點解決措施：按照材料供應商提供的注塑工藝參數，提高注塑工藝可以有效改善注塑缺陷產生；原材料采用除濕干燥機或真空烘箱干燥，并控制烘箱的托盤數量不大于2、托盤內材料厚度不大于5 mm和每隔1～2 h均勻攪拌原材料等干燥手段，確保原材料充分、均勻地烘干，保證注塑前原料水分含量低于0.1%。

3.4 鍍層氣泡

初步分析鍍層回流焊后出現氣泡的主要原因有以下3方面：(1)LDS工藝處理后樣件長期放置空氣中樣件吸水受潮；(2)樣件材料的吸水率；(3)樣件及電路設計細節不規范。

樣件完成LDS工藝后貼裝LED電子元器件、回流焊的工藝過程中，發現樣件金屬層出現大小不一致的氣泡，部分氣泡會出現細小裂紋，不同材料樣件的氣泡數量不一致。A樣較B樣氣泡數量多，C樣基本沒有氣泡出現，初步分析鍍層回流焊后出現氣泡是LDS工藝處理后樣件長期放置空氣中樣件吸水受潮所致。為了進一步驗證鍍層氣泡出現的具體原因，針對3種不同材料的LDS樣件(A樣、B樣、C樣)進行了氣泡還原試驗、樣件干燥對比試驗。

樣件干燥對比試驗。表面貼裝前對樣件進行不同處理(預烘干處理、未預烘干處理)，表面貼裝后，氣泡數量差異明顯，A樣、B樣未預處理樣件的氣泡數量明顯多于預烘干處理樣件，試驗可以看出：A樣、B樣預烘干后出現氣泡的概率和數量較未處理時下降明顯，有效說明樣件受潮是導致鍍層氣泡的原因。

其中，C樣預烘干處理與未預烘干處理樣件均未出現氣泡問題，針對LDS樣件材料吸水受潮進行進一步分析，可以將LDS材料分為高吸水率材料(A樣、B樣)、低吸水率材料(C樣)。試驗表明：在正常狀態(常溫空氣)中，低吸水率材料樣件未出現金屬層氣泡問題；而高吸水率材料樣件受潮后很容易產生氣泡。

氣泡還原試驗。將正常LDS樣件浸泡水中一段時間，基材受潮樣件直接進行回流焊，發現樣件金屬層出現大量氣泡，部分氣泡破裂，金屬層與塑料件明顯脫離。說明解決樣件金屬層氣泡問題與樣件受潮有直接影響。為預防樣件受潮，可以采用增加真空包裝、增加預烘干工藝。

烘干工藝可以改善樣件氣泡問題，但是A樣、B樣仍有少量氣泡存在，說明實驗的烘干工藝(溫度、時間)不是最準確有效的，可以進一步驗證。采用預烘干處理消除金屬層氣泡問題，并且不同材料需要進行試驗驗證，尋求相應的預烘干工藝參數。例如：B樣件預烘干的最佳工藝參數，當溫度達到120 ℃時，對烘干時間要求不是很嚴格。對于吸水率很低的材料，如C樣件，試驗過程中回流焊未出現氣泡，故增加烘干工藝的效果不明顯。

以上試驗主要考慮材料與金屬層受潮(即材料吸水率)，對金屬層氣泡問題進行分析驗證；相對來說，樣件及電路設計細節不規范對氣泡問題的影響是次要的。針對LDS樣件鍍層氣泡位置進行統計，得出氣泡位置主要分布在斜面、倒角或者邊緣地方，可以說明一些極限位置或斜面倒角在設計時要遵循設計規范，保證激光入射角與被處理表面的法線夾角小于60°，避免產生一些不必要影響。

5 結論

以LDS材料為原材料，按LDS工藝和表面貼裝技術加工LDS樣件。對三維線路板設計、選材和加工工藝有初步了解，了解LDS樣件生產過程存在的主要缺陷，分析缺陷產生的主要原因并通過合理的措施解決生產過程中出現的產品缺陷問題。采用LDS工藝完成車燈用三維線路板樣件，裝配成為整燈零件，通過電路性能與整燈試驗表明：樣件性能基本滿足試驗要求，可見LDS工藝在車燈上應用的可行性，為車燈未來三維線路板方向發展提供依據。

【1】 李洋，劉斌.塑料殼體上三維電路制造技術現狀分析與應用[J].塑料制造，2013(9)：71-77.

【2】 樂普科(天津)光電有限公司.LDS-激光直接成型法促進3D-MID廣泛應用[J].印制電路信息，2007(3)：72.

【3】 邢振發.3D-MIDS改型塑料的激光活化和金屬化[J].印制電路信息，2003(2)：37-39.

【4】 張玉娜.模塑材料表面導電線路的直寫技術研究[D].武漢:華中科技大學,2012.

【5】 曹宇.激光-微筆/微噴直寫集成制造MEMS微結構關鍵技術研究[D].武漢:華中科技大學,2009.

【6】 陳東升.激光與聚合物的相互作用(Ⅲ)銀選擇性活化化學鍍在聚酰亞胺薄膜上制作精細線路[D].上海:上海交通大學，2006.

【7】 THOMAS Werner,PFORR Johannes.Design of Power Converter on 3D-MIDs for Driving Three-dimensional LED-lamps[C]// Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2011.

DefectAnalysisofLDSProcessforthe3D-circuitBoardofLamp

HUANG Jianhua,ZHU Caiping

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting System Co.，Ltd.,Changzhou Jiangsu 213022,China)

The basic principle,material and process of LDS technology were introduced.The novel LDS material was used as raw material.3D circuit board of the lamp was completed through injection molding,laser,plating,surface-mount technology.Various defects appeared in the LDS process were introduced mainly,such as injection molding defects,over-metallization,plating leakage,coating-material bubbles on conductive tracks,base-material bubbles.The causes of various defects were tested and analyzed.The results show the electrical performance and the lamp test of 3D circuit board can fulfil the test requirements.The process defects of 3D circuit board can be avoided and overcame,through reasonable material selection,design improvement,process optimization,and tests increase.The results fully show the feasibility of the LDS technology used in automotive lamp.

3D circuit board;LDS technology;Defect analysis

2014-10-28

黃儉花(1987—)，碩士，工程師，主要從事汽車車燈基礎研究和新技術研究方面工作。E-mail:shaoying@xyl.cn。