激光直接成型化学镀工艺在手机天线制造中的应用

杨剑萍，华丽霞

（1.浙江工商职业技术学院，浙江 宁波 315012；2.义乌工商职业技术学院，浙江 义乌 322000）

LDS(激光直接成型)工艺是一种塑料制品3D(三维)电路直接成型技术，主要被应用在手机天线、汽车用电子电路、提款机外壳及医疗级助听器，尤其是手机天线。目前手机通信设备的尺寸越来越小，留给手机天线的空间也就更小，同时对天线的性能要求在不断提高(如小型化、多频段、内置化等)，传统的FPC(可挠性印制线路板)天线、金属片天线已经不能满足上述要求[1]。LDS可将天线电路直接化学镀在手机塑料外壳上，从而有效利用手机后壳的空间(见图1)。本文介绍了LDS化学镀的工艺流程设计要点，及其应用在手机天线塑料支架上的常见问题和对策。

图1 FPC天线(左)与LDS天线(右)Figure 1 FPC antenna (left) and LDS antenna (right)

1 工艺流程

如图2所示，LDS产品成型的一般流程为：准备原材料(含有机金属复合物的注塑粒子)→注塑成型→激光活化→金属化(化学镀)→喷涂组装。

1.1 激光活化

图2 手机天线LDS化学镀的工艺流程Figure 2 Process flow for electroless plating on LDS mobile phone antenna

图3 激光活化原理和效果Figure 3 Principle and effectiveness of laser activation

聚焦激光束照射热塑性塑料使其表面的有机金属复合物发生物理化学反应而被活化，从而形成微沟道。如图 3所示，微沟道表面粗糙，有许多微细的凹坑和豁口，有利于后续化学镀铜层牢固地附着[2]。镭雕光斑一般为0.08 mm。浅色(如灰色)原材料的激光功率为8～10 W，深色(如黑色)原材料的激光功率为4～8 W[3]。在实际生产中要根据原料的特性进行细微的调整。如图4所示，镭雕区域不能设计成垂直面，应将镭雕壁设计成与激光束扫过的平面之间呈一定角度(一般要求大于30°)的斜面。

图4 镭雕区域的设计规范Figure 4 Schematic diagram showing the design specification of laser etching area

1.2 化学镀

LDS 化学镀通常是化学镀铜/镍或铜/镍/金，各种镀层的厚度为：铜 8～10 μm，镍 2～4 μm，金 0.10 ～0.15 μm。以某手机天线支架为例，其主要流程为：上料→超声波清洗→化学镀铜→预浸→活化→化学镀镍→钝化→下料→甩干(三足离心机，转速1 000 r/min，时间20～30 min)→烘干(网带烘干机，温度80 °C，时间 1.0～1.5 h)。

1.2.1 超声波清洗

目的是除去部分镭雕粉尘和表面污物。采用水基清洗剂，功率密度0.35 W/cm2，频率35～40 kHz，温度 50～60 °C，时间 5～10 min。

1.2.2 化学镀铜

包括预镀和加厚镀。预镀是在镭雕层上镀一层薄铜，镀液组成和工艺条件为：NaOH 3.0～4.0 g/L，Cu2+1.5～2.5 g/L，HCHO 2.5～4.0 g/L，配位剂 EDTA(乙二胺四乙酸)23～32 g/L，温度 50～55 °C，时间 20～50 min。加厚镀的配方和工艺条件为：NaOH 4.0～6.0 g/L，Cu2+2.5～3.5 g/L，HCHO 3～5 g/L，EDTA 32～40 g/L，温度 50 ～55 °C，施镀时间依厚度而定(厚度为 8～10 μm 的镀层耗时 1～2 h)。

1.2.3 预浸

目的是除去铜氧化层，保证活化稳定性。采用10～20 mL/L硫酸溶液，时间3～10 min。

1.2.4 活化

在铜层表面置换得到一层镍，为化学镀镍提供活化中心，工艺条件为：NiSO4⋅6H2O 10 g/L，常温，时间 8～10 min。

1.2.5 化学镀镍

Ni2+5.4～6.0 g/L，NaH2PO2⋅H2O 27～33 g/L，pH 4.7～5.1，温度 80～87 °C，时间 15 min。

1.2.6 钝化

磷酸 2～3 g/L，重铬酸钾 4～6 g/L，常温，时间 5～10 min。

2 电路设计要点

2.1 线宽和线距

如图5所示，布线在平面或者接近平面的面上时，最小线宽为0.2 mm，最小线距为0.3 mm。布线在转角面或者图形需要2次镭雕连接起来的表面时，最小线宽为0.3 mm，最小线距为0.5 mm。

图5 电路布线的线宽和线距Figure 5 Line width and interspace of circuit pattern

2.2 电路图形布线圆角

如图6a所示，线路A立面外直角位置的线路在滚镀、包装和运输过程中容易被磨损而产生漏镀现象；内拐角底部的直角位置也容易因激光能量局部集中而烧焦，镭雕粉尘聚集，导致多镀。因此在设计时，需要布线的位置至少要有R0.5 mm的圆角，见图6a的线路B。电路布线在产品的平面上时，转折处同样应避免直角，也建议设计成圆角R0.5 mm，见图6b。

图6 电路圆角示范Figure 6 Design guide of circuit pattern

2.3 电路图形布线位置

如图7所示，为了避免激光镭雕加工误差导致布线到侧壁斜面上，以及避免激光镭雕产生粉末并成堆地附着在侧壁上，使侧壁和底部角落过镀，图形布线不能紧靠侧壁。若侧壁与平面所成的锐角θ为45°，则布线与它的距离(d)应满足d ≥0.15 mm；若θ为70°，则应满足d ≥0.25 mm的要求。

3 LDS化学镀的常见问题及改善要点

3.1 激光镭雕活化不良导致布线功能失效

如图 8所示，电路布线倾斜的角度小于 30°时，斜面激活不充分，镀层的品质受影响。改善措施是将LDS电路布线的斜面角度加大至30°以上，遵从设计规范。

图7 电路布线位置示范Figure 7 Guide for circuit pattern layout

图8 电路布线的斜面角度对镀层品质的影响Figure 8 Effect of bevel angle of pattern on coating quality

3.2 化学镀漏镀

如图9所示，镭雕线路预镀铜时出现漏镀，局部镭雕线路未完全覆盖上铜层就进入下一道工序，会导致在厚镀工序的漏镀位置未能完全上铜，电路不能导通。具体原因为：预镀铜槽中NaOH的质量浓度过低(才2.5 g/L)，预镀时间太短(即镀前浸泡时间不足，才15 min)。改善措施：将预镀铜溶液的NaOH质量浓度提高至3.5 g/L，以增大预镀铜速率；同时延长施镀时间至20 min，降低部分镭雕区域未能上铜的可能性。

图9 化学镀漏镀不良品Figure 9 A sample with skip plating defect during electroless plating

3.3 镀层发亮

电镀后的制品整体发亮是一种不良现象，不良率有12%。从图10可知，正常成品表面呈哑光的金色，不良品则存在发亮的斑点。对不良品和良品进行膜厚测量和百格测试，结果见表1和图11，可见良品和不良品的膜厚和结合力差异不大，都合格。

通过排查产品生产随工单发现：发亮产品与正常产品的预镀和化学镀镍都在同一槽中进行，只有镀铜槽不在同一产线上，因此对镀铜工艺进行分析，结果见表 2。可见产出不良品的厚铜槽的铜含量超出了工艺管控范围(2.5～3.5 g/L)。

图10 良品和发亮不良品的外观Figure 10 Appearance of normal product and the one with bright spot defect

表1 良品和发亮不良品的膜厚测量结果Figure 1 Thickness measurement result of normal product and the one with bright spot defect

图11 良品和发亮不良成品的百格法结合力测试结果Figure 11 Cross-cut adhesion test results of normal product and the one with bright spot defect

表2 良品和发亮不良成品的镀铜工艺参数Table 2 Process parameters of electroless copper plating for producing normal products and the ones with bright spot defects

改善措施：降低铜含量至工艺范围内，同时提高镀液成分分析监控的频率，从5 000件检测一次变为1 000件检测一次，以防批量性不良品的产生。

由此可见，LDS化学镀工艺过程质量管控要点是至关重要的，工艺参数管控不严可能引起其他的不良问题。在实际生产过程中应按规范操作，具体问题具体分析。

4 结语

与传统的天线设计工艺相比，LDS化学镀工艺具有电路设计灵活、稳定性好等优点。另外，LDS化学镀工艺可以依据手机内部的空间结构来设计手机天线，能实现三维电路布线，大大提高了手机空间的利用率，未来在手机天线设计领域必将得到更广泛的应用。