车灯用三维线路板LDS工艺过程缺陷分析

黄俭花,朱彩萍

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022)

车灯用三维线路板LDS工艺过程缺陷分析

黄俭花,朱彩萍

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022)

介绍LDS工艺的基本原理、材料及工艺过程。以新型LDS材料为原材料，通过注塑成型、激光化镀、表面贴装等技术完成车灯用三维线路板。重点阐述LDS工艺过程中出现的注塑不良、溢镀、漏镀、镀层气泡和材料鼓泡等缺陷，并对各种缺陷产生的原因进行试验分析。结果表明：三维线路板电气性能和整灯试验均满足试验要求，通过合理选材、改善设计、优化工艺、增加试验验证等手段克服和避免三维线路板过程缺陷，充分说明LDS工艺在车灯运用的可行性。

三维线路板；LDS工艺；缺陷分析

0 引言

目前在汽车车内照明、系统状态指示灯、日间行车灯、雾灯以及后组合灯中，LED应用越来越多，在这其中最常见的还属刹车灯和转向灯。目前汽车前照灯的远近光灯主要使用传统的卤素与氙气光源等单光源系统，大大限制了汽车灯具的造型。随着大功率LED技术发展，LED作为远近光灯的光源成为可能。与此同时，LED可采用多光源组合形式，这将完全改变汽车前照灯的形状和布置方式。过去用卤素灯或氙气灯光源无法实现的概念车造型，使用LED光源都能得以完美的实现。例如，LED光源可以使用多颗光源排列，多只反射镜或透镜进行光学设计，让灯具更加紧凑。设计师们可以使用2颗LED组合成近光灯，也可以用更多的模块来组合出近光灯，而这些模块可以完全服从造型设计师的要求[1]。

目前，装配LED照明灯具的汽车的价格也呈现出越来越低的趋势，例如，自主品牌车型比亚迪、奇瑞，合资品牌上汽通用凯悦等车型的后组合灯也越来越多地使用了LED光源，而且LED在汽车信号灯中已经完全进入了市场中低端车型。其主要原因还在于它相对其他光源具有节能和长寿命的优点。2011年欧洲将全面强制使用昼行灯(DRL)，而LED技术主要针对降低CO2排放与燃油消耗的降低[2]。

3D-MID(Three-dimensional Moulded Interconnect Device)三维模塑互连器件也称三维电路板。3D-MID是指以具有机械功能的模塑零件作为基体，通过在零件表面直接做电子线路布线，形成具有电器功能的导线、图形，从而实现在三维空间的连接，把模塑电子元件的机械与电子功能集为一个有机的整体[3]。3D-MID技术可根据设计需要选择合适的形状，功能多，可减少安装层次、降低元器件数量，目前已经在汽车、工业、计算机、通信等领域得到广泛应用。

1 三维线路板工艺过程

1.1 LDS原理

LDS(Laser Direct Structuring)激光直接成型技术是一种制作MID工艺的完全加成法，这种工艺的基本原理是用激光有选择地对塑料制品的表面进行激光活化，然后对活化表面进行化镀，使得铜、镍、金等金属沉积在活化区域，形成有效电路[4]。LDS主要工艺流程：将LDS材料注塑成型；零件表面激光活化；化镀活化区域形成电路。LDS可以有效控制线路的线宽和间距，并且还是一种环保技术。

1.2 LDS材料

LDS材料是一种内含有机金属复合物改性热塑性塑料。这种金属添加物在聚焦激光束的照射下可以发生物理化学反应，使有机金属复合物释放出金属粒子从而被活化。有机金属复合物的特性：绝缘性；不是催化性活性剂；抗可见光性；可以均匀分散在塑料基体中；激光照射后能释放金属粒子；耐高温，耐化学性；低毒；无逸出，无迁移，抗提取性好。聚合物材料具有质轻、比强度高、成型加工容易、稳定性高等特点，是三维线路板的主要材料[5]。其材料组成见图1。

1.3 注塑成型

初期样件设计完成后设计相应模具，经过干燥和预热的LDS材料塑料颗粒，按照材料供应商提供的注塑参数，在高压下注入模具中，经过冷却后，形成初期样件。LDS样件的化镀过程对产品外观品质要求较高，产品表面粗糙会造成溢镀等问题。影响产品表面粗糙度主要因素有：模具表面粗糙度；材料内玻纤含量。由于材料中含有玻纤较多，热变形温度高，需要采用高温模温机配合注塑，保证产品外观品质较好。

1.4 激光活化

LDS材料是一种添加了特殊有机金属复合物的耐高温热塑性聚合物材料，经过注塑加工，形成初期样件。根据电路设计方案用激光活化初期样件(激光活化后的样件表面微观图见图2)，然后对经过激光活化的样件区域进行金属化镀，这样在初期样件上就形成了电子线路[6]。激光活化一方面由激光能量引发一种物理化学反应，打断金属原子与高分子物之间的结合键，使有机金属复合物释放出金属粒子，另一方面在基体表面形成微观粗糙表面，激光融化了高聚物基体，不会融化其中的填充物，生成微观粗糙表面，这些微细的凹坑和豁口为金属化增加附着力，从而能使后续的涂覆层更好地附着在制品表面[7]。

1.5 化镀金属化

LPKF-LDS 工艺的金属化部分第一步是清洁以除去激光加

工的碎屑，然后激光后样品放入化学镀液中，样品中被激光活化过的位置将暴露出金属原子，能镀上金属铜，没有被激光活化的位置，因为没有暴露的金属原子，样品表面光滑，化学镀时没有变化。金属化后的样件表面微观图见图3。此工艺的一个优势是无需普通镀铜工艺中的初期活化工序。它的沉淀速度为3～5 μm/h，若需要更厚的铜层，可以用电镀法对其进行加厚，如果对涂覆层有特殊要求，还可以依要求在上面镀上镍、金、锡、锡/铅、银、银/钯等，直到满足各种对涂覆层的要求。文中的样品主要化镀过程是镀铜+镀镍，铜层一般在6～18 μm，镍层一般0.5～6 μm。主要的化镀流程：化学粗化→水洗→活化→水洗→还原→水洗→超声波清洗→水洗→触发镀铜→化学镀铜→水洗→酸预浸→钯活化→水洗→化学镀镍→水洗→镀镍钝化→水洗→烘干。

1.6 组装

SMT(Surface Mount Technology)工艺技术是电子先进制造技术的重要组成部分，三维立体表面贴装、组装形式是其发展和进步主要方向之一。表面贴装技术的正常工艺流程：印刷/点胶→贴装→固化→回流焊→清洗→检测→返修。

许多可以用激光进行活化的塑料都具有高度的热变形稳定性，如PA6/6T、LCP 和交联PBT 等，它们都可以进行回流焊接，与标准的SMT工艺完全匹配。在表面在同一平面上的样件上利用模板印刷进行焊锡涂覆是可行的。如果需要在不同的高度上或在腔内进行涂锡，采用分步注锡或添加人工辅助的方法是比较理想的。 贴装SMD元件也一样，如果样件上所有元件都在同一平面上，可以利用标准的自动贴片设备完成自动贴装。如果元件拾取头有Z轴调节功能，凸起的表面也可以进行自动贴装。在斜面上和无规则表面上进行自动贴配很复杂，需要手工贴配进行辅助。

由于目前的表面贴装设备无法实现此项目的贴装，因此，该部分印刷和贴装两道工序是由手工完成的。为了适应LDS样件的复杂性及产量效率等情况，贴装设备可以进行改造或者采购其他替代设备。图4中是LDS样件外观形状及完成表面贴装后的实际样件。

1.7 LDS样件性能试验

为保证LDS样件各方面性能满足汽车车灯要求，需要对LDS样件电路性能及样灯性能进行相关试验。

LDS样件的电路各方面性能要求良好，参照公司标准条例XYN72035进行相关电气性能试验。LDS样件电路性能试验主要有长时间过电压试验、短时间过电压、电压波动、极性变换可靠性试验，试验结果显示电路性能良好。过电压试验要求电路能正常点亮且满足配光要求；电压波动试验要求整个电压工作范围内，各颗LED之间无明显亮度差。试验结果表明：LDS样件电路完全符合实验要求。

选取正常通电有效的电路板，装入整灯。图5中显示了部分灯具功能零件。除了LDS样件的电路性能要求良好，装入LDS样件的灯具需要满足汽车车灯各方面性能要求，因此对样灯进行整灯试验是有必要的。按照车灯性能试验要求，目前主要安排振动试验、点亮试验和配光试验3种整灯试验考察样件结构可靠性、材料脆韧性、散热及材料热量对LED光衰的影响问题。试验结果表明：样件无松动、断裂、碎屑，结构可靠性良好，满足灯具振动试验要求，配光基本满足要求，热量显示C样材料的散热性能较B样好。

2 LDS工艺过程主要缺陷

LDS样件生产过程复杂，会出现了多种样件缺陷问题，且样件的缺陷问题都是在金属化操作后才能体现。LDS工艺过程最主要的缺陷问题：溢镀、漏镀、样件材料鼓泡、镀层气泡问题。

2.1 溢镀

激光活化后样件进行金属化操作，样件出现不同程度的溢镀，严重的溢镀样件表面几乎全部附着金属，无法形成有效的回路。轻微溢镀样件表面电路完整，呈现点状溢镀，但轻微溢镀样件电路通电情况良好。溢镀样件如图6所示。

2.2 漏镀

部分样件化镀后镀层不均匀，局部地方长时间化镀仍未能沉铜或者沉铜很少不能有效形成电路，如图7所示。

2.3 样件鼓泡

生产过程中样件内部存在注塑缺陷气泡、填充不足或原材料未充分烘干，经回流焊后样件局部出现气泡状鼓泡甚至破裂，如图8所示。

2.4 镀层气泡

LED样件表面贴装工艺过程中发现样件金属层出现大小不一致的气泡，部分气泡会出现细小裂纹，如图9所示。

3 LDS工艺缺陷分析及改善措施

LDS工艺过程存在溢镀、漏镀、材料鼓泡、镀层气泡多种样件缺陷问题，初步分析主要由样件材料、注塑工艺、激光参数、金属化工艺、设计经验等原因造成，以上缺陷可以通过试验有效避免和预防。

3.1 溢镀

严重溢镀的直接原因是样件表面粗糙，致使光洁度不够，金属化过程化镀液中金属容易附着沉积在材料表面，从而产生溢镀；间接原因是模具表面粗糙。观察严重溢镀样件，修模前样件表面存在顶针印、表面粗糙不平等外观不良及注塑缺陷现象。经测量，修模前样件表面平均粗糙度18.5 μm。因此，对模具进行抛光处理，提高样件表面粗糙度(尤其是需要激光活化电路的表面)，尽量要求表面粗糙度不大于5 μm。修模后，样件表面光滑，尤其是需要化镀电路的表面光滑如镜，测量修模后样件表面平均粗糙度3.97 μm。产品样件修模前后对比如图10、图11。

轻微溢镀的原因比较多，主要原因有：化镀液比例偏差，化镀液中金属含量增加；注塑前期工艺参数不准确或工艺操作不当造成样件表面有轻微浮纤、外观轻微不良。轻微溢镀解决办法：(1)样件在激光活化后，化镀前进行超声波清洗可以有效减少溢镀发生；(2)通过改善注塑工艺过程，表面效果会大大提高，并且极少出现浮纤，不使用脱模剂保持注塑样件表面外观良好。浮纤一般可以从材料、工艺两个方面去解决，材料建议使用短纤和低黏度的PA基材，短纤注塑性能较长纤好；工艺最主要的是配备高温模温机，增高模具温度，能有效改善浮纤和样件外观质量。

溢镀是目前发展LDS需要克服的一个问题。通过实际验证，溢镀问题是样件制作过程中可克服问题，改善注塑工艺参数，修改模具光洁度，提高注塑产品表面光洁度，要求样件表面粗糙度不大于5 μm；对于基材含有玻纤的材料，产品表面要求不露纤；激光活化后，进行超声波清洗，可以有效减少溢镀发生。通过一系列注塑工艺改善后，并对模具表面光洁度进行修改后试模样件，重新激光化镀，效果良好，形成清晰可见的电路，经试验LDS样件电路完全有效，全部LED均能正常工作。

3.2 漏镀

部分样件化镀后镀层不均匀，局部地方长时间化镀仍未能沉铜或者沉铜很少不能有效形成电路。经分析造成漏镀的原因主要是活化区域激光能量不足。造成激光能量不足主要是：激光工艺参数设定不合理；单工位激光头使得部分斜面激光入射角不符合设计要求，斜面激光能量偏低。因此，不同的LDS材料需要设定相符的激光工艺参数，从而保证足够的激光能量；同时也可以采用多激光加工单元或控制激光入射角与被处理表面的法线夹角小于60°，增强斜面照射激光能量，保证样件各个面上均能受到足够的激光能量，从而有效改善斜面的激光活化效果。

3.3 样件鼓泡

生产过程中样件内部存在注塑缺陷气泡、填充不足或原材料未充分烘干，经回流焊后样件局部出现气泡状鼓泡甚至破裂。分析原因有以下两点解决措施：按照材料供应商提供的注塑工艺参数，提高注塑工艺可以有效改善注塑缺陷产生；原材料采用除湿干燥机或真空烘箱干燥，并控制烘箱的托盘数量不大于2、托盘内材料厚度不大于5 mm和每隔1～2 h均匀搅拌原材料等干燥手段，确保原材料充分、均匀地烘干，保证注塑前原料水分含量低于0.1%。

3.4 镀层气泡

初步分析镀层回流焊后出现气泡的主要原因有以下3方面：(1)LDS工艺处理后样件长期放置空气中样件吸水受潮；(2)样件材料的吸水率；(3)样件及电路设计细节不规范。

样件完成LDS工艺后贴装LED电子元器件、回流焊的工艺过程中，发现样件金属层出现大小不一致的气泡，部分气泡会出现细小裂纹，不同材料样件的气泡数量不一致。A样较B样气泡数量多，C样基本没有气泡出现，初步分析镀层回流焊后出现气泡是LDS工艺处理后样件长期放置空气中样件吸水受潮所致。为了进一步验证镀层气泡出现的具体原因，针对3种不同材料的LDS样件(A样、B样、C样)进行了气泡还原试验、样件干燥对比试验。

样件干燥对比试验。表面贴装前对样件进行不同处理(预烘干处理、未预烘干处理)，表面贴装后，气泡数量差异明显，A样、B样未预处理样件的气泡数量明显多于预烘干处理样件，试验可以看出：A样、B样预烘干后出现气泡的概率和数量较未处理时下降明显，有效说明样件受潮是导致镀层气泡的原因。

其中，C样预烘干处理与未预烘干处理样件均未出现气泡问题，针对LDS样件材料吸水受潮进行进一步分析，可以将LDS材料分为高吸水率材料(A样、B样)、低吸水率材料(C样)。试验表明：在正常状态(常温空气)中，低吸水率材料样件未出现金属层气泡问题；而高吸水率材料样件受潮后很容易产生气泡。

气泡还原试验。将正常LDS样件浸泡水中一段时间，基材受潮样件直接进行回流焊，发现样件金属层出现大量气泡，部分气泡破裂，金属层与塑料件明显脱离。说明解决样件金属层气泡问题与样件受潮有直接影响。为预防样件受潮，可以采用增加真空包装、增加预烘干工艺。

烘干工艺可以改善样件气泡问题，但是A样、B样仍有少量气泡存在，说明实验的烘干工艺(温度、时间)不是最准确有效的，可以进一步验证。采用预烘干处理消除金属层气泡问题，并且不同材料需要进行试验验证，寻求相应的预烘干工艺参数。例如：B样件预烘干的最佳工艺参数，当温度达到120 ℃时，对烘干时间要求不是很严格。对于吸水率很低的材料，如C样件，试验过程中回流焊未出现气泡，故增加烘干工艺的效果不明显。

以上试验主要考虑材料与金属层受潮(即材料吸水率)，对金属层气泡问题进行分析验证；相对来说，样件及电路设计细节不规范对气泡问题的影响是次要的。针对LDS样件镀层气泡位置进行统计，得出气泡位置主要分布在斜面、倒角或者边缘地方，可以说明一些极限位置或斜面倒角在设计时要遵循设计规范，保证激光入射角与被处理表面的法线夹角小于60°，避免产生一些不必要影响。

5 结论

以LDS材料为原材料，按LDS工艺和表面贴装技术加工LDS样件。对三维线路板设计、选材和加工工艺有初步了解，了解LDS样件生产过程存在的主要缺陷，分析缺陷产生的主要原因并通过合理的措施解决生产过程中出现的产品缺陷问题。采用LDS工艺完成车灯用三维线路板样件，装配成为整灯零件，通过电路性能与整灯试验表明：样件性能基本满足试验要求，可见LDS工艺在车灯上应用的可行性，为车灯未来三维线路板方向发展提供依据。

【1】 李洋，刘斌.塑料壳体上三维电路制造技术现状分析与应用[J].塑料制造，2013(9)：71-77.

【2】 乐普科(天津)光电有限公司.LDS-激光直接成型法促进3D-MID广泛应用[J].印制电路信息，2007(3)：72.

【3】 邢振发.3D-MIDS改型塑料的激光活化和金属化[J].印制电路信息，2003(2)：37-39.

【4】 张玉娜.模塑材料表面导电线路的直写技术研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

【5】 曹宇.激光-微笔/微喷直写集成制造MEMS微结构关键技术研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

【6】 陈东升.激光与聚合物的相互作用(Ⅲ)银选择性活化化学镀在聚酰亚胺薄膜上制作精细线路[D].上海:上海交通大学，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

黄俭花(1987—)，硕士，工程师，主要从事汽车车灯基础研究和新技术研究方面工作。E-mail:shaoying@xyl.cn。