臺灣博碩士論文加值系統

現今的3C通訊及電子產品的小型化是科技進步的重要趨勢,而運用三維模型互連器件3D-MID (Three Dimensional Molded Interconnect Device)的技術可使電器與機械性能相互結合，並可靈活運用於迴路設計和縮短生產流程的品質與技術更為重要，它主要是利用近紅外光（Near-Infrared,NIR)雷射光和特殊的塑膠材料之間相互反應來建構具有導電性的線路製程，而最常見的尤其以LDS(Laser Direct Structuring)製程為主,但是此專用材料相較昂貴。
LDS製程是由射出成型、雷射光活化、金屬化、組裝等四步驟完成,此研究是找尋相似LDS功能的雷射敏感活化粉末(Laser Sensitive Activate Powder)後，將此粉末混鍊添加於塑膠原料中做均勻的混合,再透過LDS相同的製程的結果研究出取代的可能性。
再運用信賴性條件加以驗證，將以市售的雷雕加工粉末添加於PC塑料做混合，並做成射出成型產品後再用雷雕加工及化鍍沉積方式做出測試的圖形線路，條件是光纖式的雷雕機以光波長1064nm為基礎，而添加配方粉末比例為每公斤的PC塑料中混加40~45g的雷雕粉末，雷雕加工機參數由功率(P)：6W、頻率(F)：40~55mHz、速度(S)：2500mm/sec、雷射光間距(H)：45μm，化鍍參數以銅(Cu)：8~16μm、鎳(Ni)：2~6μm、金(Au)0.05μm,來研究出最佳效果，透過信賴測試有百格測試、高溫高濕、恆溫恆濕來確認並與原有的LDS原料比較,讓材料成本有降低的方案及可能性，藉此成為技術研究的方法與目的。
對於未來可以發展不同特性的高分子材料運用,例如:混合於各種高分子物性、不同的顏色,當使用LDS原材料發生限制時,則此研究的結果可供另一種選擇,可提供電子產業不同的思維及不同工程領域應用。

關鍵字: 3D-MID、NIR、LDS、雷射敏感活化粉末、金屬化、百格測試、高溫高濕、恆溫恆濕。

Miniaturization of 3C communication and electronic product is an important trend in technology. A Technology is using 3D-MID (Three Dimensional Molded Interconnect Device) to combine electrical and mechanical performance of material and it could apply flexibly to design electronic circuit and reduce the production quality and technology of manufacture process. The technology that is by using interaction between NIR (Near-Infrared) laser and special plastics to create the electronic circuit. The most common technology is called LDS (Laser Direct Structuring). But the LDS specialized material cost is expensive.
LDS has four processes that are injection molding, Laser activation, Chemical coating and assembly. This report study the Laser Sensitive Activate Powder which performance is similar with the LDS material. It mixed the Laser Sensitive Activate Powder and high polymer material. The material could be applied on LDS manufacture process to get the product which has the same function with LDS product and replace the LDS material. Verify the product by reliability condition.
The product is using the material that is mixed Laser Sensitive Activate Powder and PC plastics to create the injection product, then using Laser to activate and chemical deposition to create the test circuit. The base condition is using Fiber Laser Engraving Machine with 1064nm wavelength and using mixed power formulation proportion is 40~45g of Laser Sensitive Activate Powder per kilogram of PC plastic. The optimization manufacture parameter of Laser Engraving Machine are Power (P):6Watt, Frequency (F):40~55mHz,Speed (S):2500mm/sec and distance of the laser light Hatch (H)：45μm. the optimization manufacture parameters of chemical deposition are Copper (Cu):8~16μm; Nickel (Ni):2~6μm; Gold (Au):0.05μm.Then test the finished product by adhesion test, High Temperature & High Humidity test and Constant Temperature & Humidity test. Check the result of the product using new material and product using LDS material. The study purpose is to do cost down antenna product or the plastic attach the circuit.
It can extent the application of the different performance of high polymer material in the future. For example: Using mixing Laser Sensitive Activate Powder and color or physical properties high polymer material when the LDS material cannot meet the requirement. The study could apply a better choice for different electronics industry or the application on other technical area.

Keywords: 3D-MID, NIR, LDS, Laser Sensitive Activate Powder, Metallization, Cross-Cutting test, High Temperature & High Humidity test, Constant Temperature & Humidity test.

目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 1
1-3 本文架構 3
1-4 文獻回顧 3
1-4-1 研究LPKF材料與製程相關的專利分析: 4
1-4-2 研究雷射製作電路塗料相關的專利分析： 4
1-4-3 研究雷射電路製作方法的分析： 5
1-4-4 研究金屬化鍍製作相關方法的分析： 5
第二章 3D-MID簡介 7
2-1 LDS發展介紹與技術應用 7
2-2 LDS的製程介紹 9
2-3 LDS的應用材料 13
2-3-1 LDS材料需要的特性： 13
2-3-2 LDS的運用領域: 16
2-4 LDS的設計規範 17
2-5 LDS的設備與加工技術的限制 20
2-6 雷雕粉末結合塑料與雷射光加工簡介 22
2-6-1 雷雕粉末與塑膠成型材料混練的介紹: 22
2-6-2 雷射光敏感性粉末的介紹: 24
2-6-3 雷雕圖形製作方法及原理: 25
2-6-4 使用雷雕加工在曲面運用: 27
第三章 實驗設備與方法 28
3-1 實驗材料 28
3-1-1 材料選用: 28
3-1-2 材料混鍊: 29
3-2 實驗設備與儀器 30
3-2-1 雷雕機台的設備: 30
3-2-2 塑料射出成型機器設備: 32
3-2-3 實驗使用的檢驗儀器: 32
3-2-4 實驗使用的化鍍線設備: 37
3-3 雷雕加工設計要領 37
3-4 實驗方法 40
3-4-1 實驗作業流程: 40
3-4-2 實驗開始前的驗證說明: 41
3-4-3 實驗作法的步驟說明: 42
3-4-4 實驗的特徵圖示說明:
3-4-5 實驗方法: 45
3-5 測試方法 49
3-5-1 百格測試: 49
3-5-2 鹽水噴霧測試: 49
3-5-3 高溫高濕循環測試: 49
3-5-4 低溫老化測試: 50
3-5-5 乾燥高溫測試: 50
3-5-6 恆溫恆濕測試: 50
3-5-7 冷熱衝擊測試: 50
第四章 實驗結果與討論 51
4-1 比對LDS材料與雷雕粉末添加的成份差異 51
4-2 研究雷雕粉末的分子含量狀態檢測 52
4-3 混鍊粉末於高分子材料中對雷射光產生的作用 53
4-4 混鍊後的塑膠材料配合雷雕參數的測試結果 55
4-5 判讀數據分析結果的雷雕參數說明，如表4-2所示: 56
4-6 化鍍膜厚與百格測試結果 57
4-7 各種信賴度的測試結果 59
4-8 信賴性實驗問題發生的解決方法 61
4-9 雷雕圖案呈現及電氣迴路的作用結果 62
第五章 結論與發展方向 64
5-1 結論 64
5-2 未來發展方向 64
參考文獻 66

圖目錄
圖1-1. 塑膠件與金屬化接觸面交鎖固定的結構示意圖 2
圖1-2. PC塑料添加複合體之化學鍵結示意圖 2
圖2-1. [18] LDS技術的手機天線製作圖示 8
圖2-2. 參考LPKF，Steering wheel controls (Source: TRW Automotive for BMW) 8
圖2-3. 參考LPKF，醫療助聽器的互連器件應用 8
圖2-4. 參考LPKF，LDS技術的IC迴路基座示意 9
圖2-5. [19]高密度PCB互連器件總成 9
圖2-6. 參考LPKF，LDS技術的塑膠殼結構的引線框架 9
圖2-7. LDS的四種階段製程 10
圖2-8. 雷射光照射於LDS等級的材料雕刻進行活化 10
圖2-9. 參考LPKF，Surface after laser structuring 11
圖2-10. 參考LPKF，Surface after metallization 11
圖2-11. 生產用的化鍍線示意圖 11
圖2-12. 參考LPKF，透過SMT製程組上電子元件示意圖 12
圖2-13. 過渡與台階面的壁厚狀態比較 17
圖2-14. 建議的最佳入射角度 α≤60° 18
圖2-15. 說明側牆斜度與線路間距的建議 18
圖2-16. [20] Bevel the ejector pin''s circumference with a maximum angle of 30° 19
圖2-17. 說明縱向與橫向的錐度建議 19
圖2-18. LPKF LDS雷雕加工設備 20
圖2-19. 3D TREATING LDS加工設備 21
圖2-20. LDS塑料造粒流程示意圖 23
圖2-21. 塑膠材料與雷雕粉末添加的方法示意圖 23
圖2-22. 原材料中添加無機與非導電性添加劑示意圖 24
圖2-23. 金屬核電磁被雷射光輻射燒結支撐鍵後促進凝合的表面 25
圖3-1. 作為研究用的兩款雷雕輔助添加的粉末 28
圖3-2. 進行混鍊重新造粒機器示意 29
圖3-3. 適合塑膠件上做精密線路的雷雕加工設備 (MicroLine 3D) 30
圖3-4. 適合於塑膠件做雷雕加工的設備 31
圖3-5. 適合於塑膠件做雷雕加工的設備 32
圖3-6. 鹽霧實驗機 32
圖3-7. 冷熱衝擊測試機 33
圖3-8. 恆溫恆濕測試機 33
圖3-9. 能量射散型X-Ray有害物質含量檢測儀 (SEM machine:EDX720) 34
圖3-10. 能量色散型螢光X-Ray分析儀 (SEM machine:EDX1800) 34
圖3-11. 數值顯示恆溫水浴鍋 (型號:HH-6) 35
圖3-12. 化學鍍層膜厚分析儀，機型: (Fischer XULM-Xym) 35
圖3-13. 化鍍液濃度檢驗儀設備(火焰分析式) 36
圖3-14. 化鍍最後脫水步驟使用的烘乾機 36
圖3-15. 化學鍍槽生產線示意圖 37
圖3-16. 雷射加工平面與高度區域有效範圍 38
圖3-17. 因高溫粉塵回黏在週圍表面的溢鍍現象 38
圖3-18. 產生線路相接微短路狀況，線路寬度為0.2mm，放大倍率約80倍的狀態 38
圖3-19. 產生線路錯位的狀況，線路寬度0.2mm，偏位多出1.5倍的狀態 39
圖3-20. 靠破孔面設計大小頭互靠最佳方式 39
圖3-21. 以SEM分析表面高分子PC材料經雷射雕刻後的形貌 41
圖3-22. PC複合材料經過雷雕及化鍍銅及DOE雷雕參數 41
圖3-23. 3D設計各式可能使用的圖案資料同步進行 46
圖3-24. 雷雕機加工相關參數與路徑示意圖 47
圖4-1. 此為日本三菱化學的PC/ABS LDS3720材料測得數據 51
圖4-2. 此為SABIC的PC DX11355材料測得數據 51
圖4-3. 此為添加Iriotec 8835與SABIC PC EXL1414-BK1066材料測得數據 52
圖4-4. 此為添加Iriotec 8825與SABIC PC EXL1414-WH9A320材料測得數據 52
圖4-5. 差異在於Iriotec 8825含錫、Iriotec 8835含鐵 53
圖4-6. 添加30~45g雷雕粉末，没有以鈀活化後化镀，仍然無法上镀 54
圖4-7. 初期不加鈀活化，用增長初化薄銅時間，厚銅時有仍然局部未上銅狀況 54
圖4-8. 比對無或有鈀活化所產生截然不同的上銅狀況 54
圖4-9. 淺色的百格測試與膜厚量測的數據報告 57
圖4-10. 黑色的百格測試與膜厚量測的數據報告 58
圖4-11. 以切片配合高倍率工具顯微鏡量測各層膜厚尺寸 59
圖4-12. 採用各種老化實驗確認製作後的信賴性 61
圖4-13. 化鍍液濃度檢驗儀設備(滴管式) 62
圖4-14. 本研究方法的圖案可適應各種彈性的設計 63
圖4-15. 使用本研究方法可得到此可行的實驗結果 63

表目錄
表2-1. 3D-MID技術的LDS演進歷程: 7
表2-2. 比較三大類的塑料簡易參數差異: 13
表2-3. 比較三大類的塑料烘料參數表: 16
表2-4. 一般類型與MID之LDS加工方法與轉型技術的評等比較表: 22
表3-1. 使用材料型號: 28
表3-2. 塑膠烘料時間參數: 29
表3-3. LPKF雷射加工機基本規格: 30
表3-4. 拓博瑞雷射加工機基本規格: 31
表3-5. 管控化鍍每個階段項目的溫度、時間: 48
表3-6. 麥德美MID 100B標準参數表: 48
表4-1. 雷雕粉末及雷雕加工機設定參數: 55
表4-2. 黑色與淺色配合雷雕參數測試狀態評分結果: 56

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