立体电路制造工艺技术领域[0001] 本发明属智能、柔性制造领域，涉及一种用激光机在塑胶表面形成精密和紧密金属线条的立体电路制造的工艺。背景技术[0002] 电子电器和机电产品制造工艺和相应的材料技术进步的方向是柔性、环保、环境友好、节能。为此，国际上一些先进工业制造强国，如德国与我们同步展开立体电路智能制造的产业化研究，开发出在塑胶表面形成精密和紧密的导电图案的技术，电子元器件可以直接焊接在塑胶外壳或者内壳上，形成无印刷电路板的电子、电器和机电一体化产品。业界称为 3D-MID( “Three-dimensional moulded interconnect device or electronic assemblies” ),本发明称为立体电路。[0003] 制造立体电路的工艺流程主要包含三步：[0004] 步骤一：采用一种激光塑胶原料注塑或者压铸成塑胶件；[0005] 步骤二 ：激光机按用户设计好的CAD文件，扫描塑胶件，形成导电图案，此步骤称为激光处理或激光活化；[0006] 步骤三：经过激光处理的塑胶件化学镀增厚金属层。[0007] 本发明与传统的印刷电路板贴装元器件模式构成互补的关系：把传统的二维空间贴装元器件方式推广到三维空间，元器件可以沿着塑胶表面贴装；把传统的刚性制造变成了柔性制造，如修改电路，只要修改激光机扫描塑胶的电子文件，而不是修改制造印制电路板的冲压模具和菲林片。[0008] 另外从塑胶表面金属化发展来看，省略了酸洗粗化、沉积贵金属钯水的前期不环保流程，因此德国等国外塑胶原料商推出了这种名为LDS改性塑胶原料，如德国巴斯夫公司、美国RTP公司、德国德固赛、DSM等，德国LPKF公司推出了售价几十万欧元一台的激光机，一些厂家开始引进国外LDS·塑胶原料和激光机组建制造线，制成的产品被应用在汽车、 手机、医疗电子、传感器、电子元器件、精密仪器等领域。[0009] 但是立体电路产业处于刚起步状态，工艺不完善，设备不配套，原料种类少且贵。[0010] 例如：激光机是在普通X-Y 二维激光打标机基础上发展起来的，德国LPKF公司在其激光产品中加了 Z轴变焦功能来适应塑胶件表面凹凸起伏的变化。但是激光机光斑行程不大，常用的PCB设计软件不兼容，需要转换格式；待激光扫描的转角区域设计斜度要求不小于25度，待激光扫描的孔和凹槽口设计要求不小于20锥度，这些要求限制了很多应用。 针对立体塑胶件六面激光照射，需要定制特殊的数控转台，而不能做到不用数控转台，对不同大小的复杂的的多面塑胶件，激光机实现三维路径自适应扫描。[0011] 例如：称为LDS塑胶原料是通用材料，针对具有散热应用的高功率LED灯具基座， 没有散热比常规塑胶快3-100倍的专用材料；针对天线塑胶材料，没有导磁率和介电系数都具备的低电磁损耗的双参数材料；[0012] 例如：针对激光快速成型SLS工艺，没有开发出配套的塑胶原料，也没有推出融合SLS工艺的激光机，所以没有办法制造塑胶件内部含电路的产品。电子器件领域有项热点难题：左手效应器件。目前用印制电路板蚀刻C型（或者H型等其它图案）交错90度折叠成空间结构来实现对一些频率电磁波信号的增强。左手材料的研制赫然进入了美国《科学》 杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。然而印制电路板中要填充高介电系数、低电磁损耗且有磁性，低磁损耗的双参数材料来缩小器件的体积，优选有机复合双参数材料来制作这类器件，印制板是硬质或半硬质材料，不适合折叠成异形结构。材料和制作工艺阻碍了左手器件的商品化，本发明的多层立体电路，采用本发明的激光塑胶来制造， 能批量制造此类左手器件。天线领域还有一类球状透镜天线，是介电材料构成介电系数梯度变化的一层层同心球，用于舰艇等国防领域，日本住友公司用于民用卫星接收机，接收方位可以是360度球型空间，此类天线由于接收角度特宽，一直是卫星接收、国防领域高端产品，若微型化并批量制造，也需要用到立体电路工艺并融合激光SLS技术，实现球内线路互联。[0013] 例如：行业中没有专门针对立体电路电镀开发 快速化学镀的工艺。依然沿用印刷电路板化学镀铜工艺。使得沉积7-10微米厚的铜至少2小时以上。[0014] 例如：没有考虑到有些应用需要光洁的金属图案需求，行业里没有开发抛光的配套工艺。[0015] 由于激光照射塑胶表面，会引起热解有机金属复合物的同时，使得沉积金属的区域微观结构上不光滑，化学镀增厚金属后，仍然不光滑，一些应用会影响美观：例如用于制作塑胶表面的商标、型号等装饰性的图案时候。[0016] 以上存在的问题使得立体电路这一里程碑式的组装技术没有得到快速推广。发明内容[0017] 本发明的目的在于开发出系列功能型的激光塑胶原料，尤其是具有磁性和介电性的双参数天线激光塑胶原料、具有导热快的灯具激光塑胶原料、适合激光分层烧结（SLS) 工艺的快速成型激光塑胶原料、具有耐高压、高绝缘的激光塑胶原料等等，并独创和完善立体制造的诸多工艺，使得立体电路制造产业降低普及的成本和使得采用立体制造工艺的最终产品有性价比优势。[0018] 本发明的另一个目的是要包容现有工艺，即：现有其它厂家LDS塑胶型号可用本工艺制造通用塑胶产品，本发明的激光塑胶除制作通用产品外，可以制作诸于高散热、磁性塑胶天线等产品和适合激光分层烧结（SLS)工艺。[0019] 为实现上述目的，本发明采取如下措施：[0020] 步骤一：激光塑胶原料的合成[0021] 激光塑胶原料其复合组份是：在选定的载体母胶中添加：表面活性剂、增容剂、光吸收剂、功能无机材料、改性有机金属化合物，其含量为：每1000克制成的激光塑胶原料中添加：表面活性剂1-10克；增容剂5-200克；光吸收剂O. 1-5克；功能无机材料5-750克； 改性有机金属复合物30-50克；其余为载体母胶。复合成份总和均需满足100%。[0022] 可选的载体母胶是常用的热塑性塑料一种或者多种共聚物。称量选定的载体母胶，照上述比例的表面活性剂、光吸收剂、降粘剂、增容剂、功能无机材料、改性有机金属复合物放入搅拌机内，加温至载体母胶熔融，搅拌至混合均匀为止，再取出冷却后粉碎、造粒成激光塑胶原料，激光塑胶原料选用的载体母胶是尼龙66、尼龙11、尼龙1010、尼龙6、尼龙12、丙烯腈，丁二烯，苯乙烯三者的共聚物、聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、含PBT单体、、聚苯硫醚、聚丙烯、聚氯乙烯、有机玻璃、聚四氟乙烯、PC/ABS、液晶高分子、间规聚苯乙烯，添加含有激光热解能分解出金属的改性有机金属复合物。其表面活性剂为具有分散作用的表面活性剂，对于尼龙原料，选用十二烷基苯磺酸纳、甲撑二异丙基苯磺酸纳；增容剂为接枝或者嵌段共聚物：PP-g_MAH、PE-g-MAH、EVA、 氯磺化聚丙烯；光吸收剂为紫外线吸收剂：环状亚胺酸脂化合物，或者近红外线吸收剂：双 (I，3-二磺酰六氟亚丙基亚胺酸）N，N，N，N-四（对二苯乙基氨苯基）_对苯二亚铵，双（1， 3_ 二磺酰六氟亚丙基亚胺酸）N，N, N, N-四（对二丁基氨苯基）_对苯二亚铵，最大吸收波长1064nm附近，摩尔吸光系数104000左右；所述的的降粘剂为无机材料，例如选：碳酸钙、 玻璃球等；所述的功能无机材料为导磁或者介电或者导热等材料，视激光塑胶制品最终用途来添加。所述的改性有机金属复合物为改性草酸二铜络合物如改性草酸二【（3-乙炔） 铜（I)】或改性草酸二【（降冰片烯）铜（I)】等受热裂解的改性有机金属复合物，视塑胶原料熔融温度来选择种类；改性有机金属复合物热解温度高于激光塑胶原料熔融温度。改性有机金属复合物的途径包括有机或者无机包覆、偶联剂处理等途径。[0023] 步骤二 ：激光装备和激光扫描激光塑胶的工艺参数；[0024] 采用近红外激光机或者紫外激光机，近红外激光机功率在400w内（1064纳米）； 紫外激光机IOOw内。扫描线宽O.1mm左右，最小间距O. 2mm左右，红外或紫外光的瞬时能量高于载体母胶内改性有机金属热解阀值，并使得改性有机金属分解出气体和还原出金属粒子。[0025] 激光机要实现对多面体塑胶件的立体扫描，优选配置多自由度机械装 置，例如机械手。且其激光振镜（Galvanometer scanner)在机械手末端上。本发明描述的这种激光机还可以解决扫描行程大的需求，扫描幅度可以达I平方米以上，用于飞机、汽车、火车车厢、 塑胶衣箱等大型塑胶件的扫描。[0026] 本发明描述的激光机具备Z轴变焦功能，适应塑胶表面凹凸不平的特点，自动调整，使得光斑大小和圆度不变。[0027] 本发明描述的制造多层立体电路的另一种激光机融合了激光烧结（SLS)和激光扫描功能，且带化学镀槽。其特征是具有多个工作腔或多工位结构。工作流程是：采用激光塑胶原料粉末，首先激光烧结一层，之后塑胶工件连带夹持塑胶的组件移动到快速化学镀槽内快速化学镀，化学镀完成后再移动回烧结室，烧结下一层，如此反复，实现立体电路成型。采用这种工艺，可以制作左手效应的微波器件，解决了困扰微波器件领域的左手效应器件无法立体加工并填充磁性和介电物质的难题。[0028] 另一类应用是飞机工程，飞机开始大量采用高分子化合物来做部件，这些部件结构复杂，开注塑模具周期长，批量少、价格贵，有些塑胶件太复杂，不能注塑，因为无法脱模， 因此波音、空客等飞机制造商大量采用激光烧结快速成型技术（SLS)来制造零件，本发明的工艺技术可以把SLS分层成型时，实施金属化，实现在塑胶结构中内嵌功能性电路；尤其重要的是，激光SLS技术存在的致命缺陷：采用材料单一，制作承重结构抗剪切力不强，得以革命性改观。因为可以在原有SLS技术烧结成型的塑胶里面埋置类似金属骨架电路结构，与目前建筑上采用混凝土加钢筋结构一样。这将极大促进激光快速成型技术的发展，并催生一个依托大型、超大型激光快速成型装备加本发明的立体电路工艺和激光塑胶原料作智能制造的产业兴起，广泛用于飞机、汽车、车厢、电子、电子等等行业。[0029] 步骤三：快速化学镀设计[0030] 本发明采用超声波原理来改进化学镀工艺，把经过上述所述步骤激光处理的注塑件放置在有超声波发生器的槽中，化学液中添加了气泡剂，在超声波引导下，更多产生空泡。利用超声波产生空泡效应，液体分子时而受拉时而受压，不断有镀液在待沉积的塑胶导电图案附近撞击，提高了阳离子到达阴离子的速度，加速了反应界面的阴阳离子连续运动， 减少了浓差极化，使镀液中铜离子还原沉积在导电图案表面，均匀致密并附着良好。与目前传统化学镀相比，生产的时间缩短了一半以上，且可以制作小型家用冰箱大小的设备来适应小批量、小体积塑胶件的化学镀。本工艺先化学镀铜，可以再化学镀镍和金。快速化学镀技术与激光烧结（SLS)结合,使得激光分层烧结时,等待下层烧结时间大大缩短。[0031] 一种化学镀铜镀液配方为：[0032] 还原剂：乙醛酸；[0033] 主盐：硫酸铜；[0034] 络合剂：乙二胺四乙酸（EDTA)[0035] 稳定剂：联卩比啶[0036] 气泡剂：聚乙二醇和苯基聚氧乙烯醚磷酸钠（RE-610)[0037] 超声波参数：频率20-80KHZ，功率50-250W，PH 11-13，温度40度-70度，反应时间3-45分钟左右，超声波重复频率••每1-5分钟振动I秒。可以再在铜上化学镀镍、化学镀金，原理和步骤都类似，化学液配方不同。铜-镍-金镀层一种厚度组合是：7μπι-18μπι化学 铜（起始层）、4-6 μ m室温化学镍、O.1 μ m闪镀金。[0038] 步骤四：等离子非接触抛光（可选步骤，视市场需求)[0039]目前金属装饰行业，例如手机外壳不锈钢件，开始流行等离子非接触抛光工艺，等离子抛光工艺也称为电脉冲或放电-电解质抛光工艺：将金属电极沉入溶液中，在高压的作用下，电极表面气体层出现等离子与电化学反应过程。等离子电解质抛光工艺与机械抛光、电化学抛光工艺相比有以下优点：环保卫生。不使用酸、碱及其它有害溶剂，加工中去除的极薄的金属表层可转化为氢氧化物加以回收利用；抛光过程是在浓度3-6%，PH = 4-8的无机盐溶液中进行的，冲洗用水中不含重金属。同时由于工艺操作简便，对操作人员没有特殊要求；可为复杂形态的产品抛光。等离子电解质抛光工艺可大幅度提高表面的光洁均匀性，降低粗糙度。[0040] 行业中还没有把等离子抛光用于塑胶表面沉积的金属抛光。因为塑胶表面金属图案有很多是不连续的细小结构，例如手写体签字，公司标志、产品型号，等离子抛光有上述很多优点，但是也有致命缺点：要把被抛光的金属做阳极来接通电流回路，显然被抛光的金属图案不连续且细小会使得工艺操作不方便、成本高、效率低。[0041] 本发明针对塑胶表面金属图案用于装饰性需求，用精密探针来制作阳极夹具，利用探针针尖来接触电源阳极和被抛光金属图案，成功的实现了操作简便、成本低、效率高的目的。本发明采用的探针是电子制造行业广泛采用的测试辅料，具有成本低，来源广的特IA表示多自由度激光机结构、激光处理塑胶件部分工艺流程；其中：IAl表示激光塑胶注塑件；1A2表示激光处理注塑件；1A3表示经过激光处理后的塑胶件形成了金属层；1A4表示多自由度激光机械手；1A5表扫描振镜等光学系统含在机械手末端。1A6表示激光机透镜组件；1A7表激光机振镜；1A8表不激光光源。IB所示本发明激光塑胶中添加红外光吸收剂后，激光塑胶对红外光吸收率。2是本发明实施实例一：有源GPS塑料天线2A是塑料天线部分，用本发明双参数（导磁、介电）材料制造；2B是本发明塑料电路板；2C是直接焊接在塑料电路板上的GPS放大电路； 2D是用本发明的工艺制造的塑料天线金属层；3是本发明实施实例二 ：多面高功率LED塑胶灯座。3A是焊接在激光塑胶件表面的高功率LED灯；3B是本发明导热型激光塑胶件制成的LED基座；3C是LED正负极端子焊接引线；3D是LED灯基座背面的散热金属层；3E是LED正负极端子焊接引线弯曲到背面的部分。4是本发明实施实例三，在汽车、飞机等领域使用。4A在汽车车门上应用图示；4B在汽车车内装饰塑胶件上应用图示；4C在飞机座椅扶手塑胶内壁上应用图示。5是本发明实施实例四：在手机配件领域应用图示，其中：5A所示是手机中激光塑胶支架，在上面有多组天线和焊接端子，其中：5A1手机GSM或者3G天线；5A2手机WiFi频段天线；5A3手机喇叭等焊接端子。5B所示是一体化聚合物锂电池,其中：5B1是聚合物锂电池；5B2是激光塑胶注塑的外框；5B3是电池正负极片和检测端引出端；[0078] 图5B4是激光塑胶外框的外罩；[0079] 图5B5是锂电池电路保护电路；[0080] 图5B6是激光塑胶件上焊接端子；[0081] 图5B7是聚合物锂电池正负极片。[0082] 图6是本发明实施实例五：左手效应电路中应用图示。[0083] 图6A是常规的印制电路板上蚀刻的规则排列的导电C型环；[0084] 图6B是常规的印制电路板上蚀刻的C型环背后的金属杆；[0085] 图6C是本发明立体电路加激光烧结技术制作的立体电路，内含导电金属结构， 如：[0086] 图6D依附于激光塑胶面的导电C型环；[0087] 图6E依附于激光塑件表面的导电金属杆。[0088] 图7是本发明实施实例六：塑料电路板，其中：[0089] 图7A是平面型塑料电路板；[0090] 图7B是曲面型立体塑料电路板； [0091] 图7C是电子元器件焊接在曲面行立体塑料电路板上。[0092] 图1图解了本发明部分工艺流程：激光塑胶（图1A1)含有吸收激光能量的吸收剂等物质，激光扫描激光塑胶表面（图1A2)发生热解反应示意图，气体逸出，形成空泡结构， 化学镀形成的金属填充后形成紧密牢靠的连续金属结构（图1A3)。其中多自由度激光机械手（图1A4)(本发明又可称之为立体电路成型机），扫描振镜（图1A7)和透镜组件（图1A6) 构成光学系统（图1A5)含在机械手臂末端，实现三维自适应路径规划和大面积扫描。激光光源（图1A8)可以是1064nm的红外激光，也可以是紫外激光。当采用红外激光扫描时，相应的激光塑胶里面含有红外吸收剂，使得塑胶在激光照射下选择性吸收光能（图1B)。[0093] 本发明制造工艺都用到这种激光处理流程，下面再结合优选的实施实例来进一步讲述本发明其它特点和优点，或者从该以下详细说明中明白本发明的其它特点和优点。具体实施方式[0094] 下面参考附图，描述本发明优选实施例。[0095] 实施实例一：有源GPS塑料天线[0096] 如图2所示，有源天线由天线（图2A和图2D)加天线放大部分（图2C)组成，天线金属图案（图2D)布置在以聚乙烯（PE)或者间规聚苯乙烯（SPS)为载体母胶的激光塑料上（图2A)，载体母胶中复合组份为：表面活性剂1-10克；增容剂5-200克；光吸收剂O. 1-5 克；降粘剂O. 5-30克；功能无机材料5-750克；改性有机金属复合物30-50克；其余为载体母胶。复合成份总和均需满足100%。[0097] 采用立体电路制造工艺，激光机采用近红外激光（1064nm)或者紫外激光扫描；再快速化学镀铜；最后引线与放大电路部分压接在一起；功能无机材料为镍锌铁氧体粉和陶瓷粉，其有效介电系数为4-8，有效磁导率为1. 1-1. 3。放大电路（图2C)直接焊接在激光塑胶（图2B)上，其载体母胶是尼龙PA6，其复合组份是：1000克制成的激光塑胶含，表面活性剂1-10克；增容剂5-200克；光吸收剂O. 1-5克；降粘剂O. 5-30克；功能无机材料5-700 克；改性有机金属复合物30-50克；其余为载体母胶。复合成份总和均需满足100% ；[0098] 采用立体电路工艺制作，功能无机材料为成核剂和玻璃纤维等物质；激光机采用紫外激光扫描；再化学镀铜、镍、金。制成的产品无印刷电路板和传统的陶瓷天线，性能达到和超过了传统陶瓷天线指标，性价比高。用于移动手持机中。[0099] 实施实例二 ：多面高功率LED塑胶灯座[0100] 传统的LDE灯座是陶瓷基座，采用传统片式陶瓷阻容工艺，在绝缘的陶瓷片上烧结端电极，再化学镀铜、镍、金而成。陶瓷工艺制作不了复杂的多面体形状。[0101 ] 但是LED灯的发光特征是直射光，一般大功率灯由几支LED组合而成，为了使得光源分布在半球空间，如图3所示，理想的布置LED灯（图3A)的方式是多面体布置，用导热型激光塑胶模压或者注塑成塑胶基座（图3B)。[0102] 本发明实例采用导热型激光塑胶原料一种组份是：载体母胶选用CBT，复合组份是：1000克制成的激光塑胶含表面活性剂1-10克；增容剂5-200克；光吸收剂O. 1-5克；降粘剂O. 5-30克；功能无机材料5-750克；改性有机金属复合物30-50克；其余为载体母胶， 复合成份总和均需满足100%。[0103] 此处功能无机材料至少含有导热材料和玻璃纤维两种物质。导热材料可选导热性能良好的直径2微米左右的氧化铝微球，或者其它导热性能良好的氮化铝微粉。视产品导热需求，导热材料添加比例可以达到制成激光塑胶原料的60%。[0104] 其制造流程是：用上述组份和本发明方法合成的激光塑胶，开模具，注塑或者压铸成多面体塑胶件（图3B)，再激光扫描金属电极；化学镀铜、镍、金。焊接上LED灯（图3A) 最终产品再套上透明塑胶罩。本发明的多面体LED灯（图3)，由于LED电极端子的铜 线（图 3C)可以弯曲折叠成散热的空间结构（图3E)，且LED灯座背面空间，可以沉积大面积铜层 (图3D)，使得热阻小于陶瓷LTCC工艺基座。本发明涉及的多面体LED塑胶灯座，特别适合于汽车LED灯、飞机LED灯、家庭15W以上照明LED高功率灯等领域。[0105] 实施实例三：汽车、飞机等领域应用[0106] 汽车、飞机、火车车厢等都有大型塑胶件和需要布置大量线缆，来传递各种电子信号，传统的线缆是通过螺栓螺丝和五金件与塑胶结合在一起，既重又容易在运动时发出响声，对于对重量特敏感的产品，例如飞机，采用本发明的立体电路技术来在塑胶件中预埋大量信号线是一种非常好的措施，既降低了故障率又减轻了重量，且容易维护。塑料用于汽车的主要作用是使汽车轻量化，从而达到节油高速的目的。发达国家将汽车用塑料量作为衡量汽车设计和制造水平高低的一个重要标志，世界上汽车塑料单用量最大的是德国，塑料用量占整体材料的15%以上。近年来我国汽车产业发展迅速，目前汽车年产量超过400万辆，按照行业塑料用量预测，汽车行业年用改性塑胶在100万吨以上，例如如下配件是用高分子塑胶来制作：仪表盘、汽车点火器、加速器及离合器踏板、防冻板、车门把手、阴流板、托架、转向柱护套、装饰板、空调系统配件、汽车外装件、汽车车身板、汽车侧面护板、挡泥板、 汽车门框等、牌照套、车轮罩、反光镜外壳、尾灯罩等、汽车挡泥板、前灯玻璃嵌槽、尾灯壳、 连接盒、保险丝盒、断路开关外壳等、大型挡板、缓冲垫、后阻流板等。汽车行业的发展的方向是高档次、微型化、轻质化和多元化，以塑代钢在汽车应用中的研究变得十分重要。[0107] 以上塑胶配件很多与汽车电子组合在一起，因此采用本发明可以减少线缆和接插件数量，可以设计出创新的汽车零部件。另外一种应用是预埋线，来适应车内电器后装和配置的改变。[0108] 图4A所示，在汽车的车门内侧塑胶件内预埋金属化电路，实现车门内的电器互联，减少了线缆。图4B所示，汽车车内装饰的塑件件内侧可以采用本发明预埋金属线。
