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陶瓷薄膜电路的关键生产工艺

陶瓷薄膜电路

从20世纪90年代起,电子微组装进人了高速发展阶段,在军、民用户端的产品微型化、小型化的需求推动下,混合集成电路也逐步往轻、薄、小的趋势发展,而薄膜电路是电子微组装中的重要电子元器件组成部分,薄膜电路绝大部分选用氧化铝、氮化铝等陶瓷作为衬底基材。

     薄膜陶瓷基板(Thin Film Ceramic Substrate,TFC)一般采用溅射工艺直接在陶瓷基片表面沉积金属层。如果辅助光刻、显影、刻蚀等工艺,还可将金属层图形化制备成线路,由于溅射镀膜沉积速度低(一般低于1um/h)。因此TFC基板表面金属层厚度较小(一般小于1um),可制备高图形精度(线宽/线距小于10um)陶瓷基板,主要应用于激光与光通信领域小电流器件封装。其主要的工艺流程为:研磨减薄、磁控溅射种子层、表面处理、图形化、划切。

TFC陶瓷薄膜基板生成工艺流程

1.研磨和抛光

元器件的小型化,也意味着衬底基材需要更高精度的减薄工艺加工,其中常见的减薄工艺是研磨和抛光,但两者的加工目的不一样,研磨是以厚度的大幅度减薄为目的,通常削薄的厚度超过数十微米,而抛光是以改善基片表面状态为目的,即降低粗糙度为主,通常削薄的厚度只有几微米。

1)陶瓷的表面状态

陶瓷的表面状态会影响薄膜电路金属膜层与陶瓷之间的结合力,陶瓷的表面状态分为即烧、研磨、抛光三种状态:

即烧型和研磨型陶瓷基板

(1)即烧指的是陶瓷在高温烧结后形成的表面状态,特征是表面致密、连贯,一致性好,粗糙度小于0.1μm,薄膜电路的制作会优先选择即烧状态,可以获得良好的金属与陶瓷之间的结合力;

(2)研磨指的是陶瓷在单面研磨或双面研磨加工后的状态,表面比较粗糙,呈波浪起伏状态,粗糙度因加工的研磨液粒径、成分差异比较大,一般大于0.1μm;

(3)抛光指的是陶瓷在即烧或研磨加工后,再次进行粗抛、精抛等工序,以获得接近光亮镜面、平滑的表面状态,一般粗糙度小于0.05μm。

同种陶瓷粗糙度从大到小的表面状态关系为:研磨>即烧>抛光。

2)单面研磨与双面研磨

对于研磨工艺,加工后的厚度公差是判断研磨工艺良莠的最重要的指标之一。陶瓷加工的目标厚度越大,精度越差,主流的标准是:陶瓷加工的厚度公差为厚度初始值的十分之一。按设备的加工方式和工作原理分类,分为单面研磨和双面研磨两大类。

(1)单面研磨的工作原理,是将陶瓷基片固定倒扣到混有金属的树脂研磨盘中,滴入粒径10~20μm的金刚石研磨液,基片与研磨盘同向转动加工,优点是可以保留即烧状态的一个面制作金属化图形,获得良好结合力的产品,缺点是由于线速度角速度的差异过大造成的基片厚度公差波动大。

(2)双面研磨的工作原理,是将陶瓷基片放置到特定结构的夹具中,滴人与单面研磨粒径一致的金刚石研磨液,基片与研磨盘反向转动加工,优点是可以获得精度更高的厚度公差、均匀的加工压力,缺点是破坏了基片正反面的即烧状态,需要后工序的表面再处理降低了生产效率。

同种厚度、尺寸规格的陶瓷基片加工到相同的目标厚度范围,使用单面研磨加工的公差一般比双面研磨大10~20μm。

2.磁控溅射

陶瓷薄膜基板镀膜的方式有蒸发镀膜、溅射镀膜、溶液镀膜、化学气相沉积等,其中溅射的工艺稳定性、重复性最好,因而应用最广泛。

磁控溅射工作原理

磁控溅射的基本原理是在一个高真空密闭高压电场容器内,注入少许氩气,使氩气电离,产生氩离子流,轰击容器中的靶阴极,靶材料原子一颗颗的被挤溅出,分子沉淀积累附着在陶瓷基板上形成薄膜。

3.图形化

图形化技术是影响陶瓷薄膜电路线条精度的关键因素。通过光刻、显影、刻蚀、电镀等工艺,将金属层图形化制备成特定的线路及膜层厚度。

薄膜陶瓷基板(TFC)产品

薄膜电路基板图形的制作方法有三种:

1)整板电镀深腐蚀法,即先整板电镀后光刻成型,属于减成法制作工艺;
2)先光刻图形后电镀法,即先经过沉积种子层、光刻,然后电镀金属层而达到要求;
3)底层连接电镀法,即先对真空镀膜的基板进行光刻,腐蚀去除电路图形以外的表面膜层而保留下面的打底层(如Cr、TiW、Ta或TaN),利用打底层来实现图形的电连接,然后进行电镀,这样就可在图形上镀上金属而在打底层上镀不上金属,最后腐蚀除去打底层即可。

4)图形电镀法,即带光刻胶电镀法,是指在真空镀膜的基础上先用反版做出光刻胶掩膜(除所需要的图形暴露外,其余的全用光刻胶掩膜掩蔽),然后依靠光刻胶下面的金属种子层做图形的电连接进行电镀功能层,最后去胶腐蚀出图形。


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