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简析无掩模布线形成技术

  无掩模布线形成技术,换言之无光致蚀刻(Photoetching Less)技术因其成本降低效果非常显著而受到安装技术者的极大关注。无掩模这一术语的广义是作为不使用掩模的技术,已有使用激光等使光致抗蚀剂直接曝光的直接成像(Diret Imaging,DI),通过掩模印刷银胶的丝网印刷,从喷嘴喷出胶的配送料(D i spe n s e)等,但是本文关注的是通过使用喷墨的纳米油墨在PCB或半导体封装上形成布线的无掩模布线形成技术。
  1基板上的布线形成法
  PCB是以环氧树脂等有机物为绝缘体,在绝缘体上形成铜线路, l(a)表示在基板全面的铜箔或镀铜层上涂布光致抗蚀剂,曝光显影(未曝光的部分溶解),保留相当于布线部分的抗蚀剂膜。然后蚀刻铜,保留抗蚀剂下面的铜而形成线路。这种方法称为减成法(布线物质除去法,Subtract),它是最广泛使用的方法。
  (b)称为半加成法(Semiadditive,部分的布线物质附加法)。采用化学镀法镀覆全面薄铜层(称为植晶层,S e ed),涂布光致抗蚀剂,曝光显影,与图l(a)相反,除去布线部分的抗蚀剂,以植晶层为电极进行电镀,除去抗蚀剂以后蚀刻除去植晶层。虽然工程复杂,但(b)中的布线截面呈现漂亮的矩形和正确的细线宽度。植晶层作为电镀时的电极是必需的。在半导体中,有时把植晶层置于抗蚀剂上,这时采用化学机械研磨法(CMP,Chemical Mechanical Poilsh)研磨表面镀层,形成平滑的布线。该法称为埋嵌象嵌法(Damaxine),应用于半导体芯片的微细布线制造。 (a)和图(b)都需要光致掩模,而图l(c)是把布线物质添加到原样的基板上,称为全加成法(Fullaclditive,完全布线物质附加法),无须光致掩模。虽然传统的全加成法还没有达到实用水平,但是正在开发含有金属微粒子的称为纳米油墨的油墨,在电脑中记忆布线图形的数据,采用喷墨打印机(Inkjet Printer)印刷导电物质(导电性油墨),可以描绘成布线,这种技术引起人们的关注。
  2喷墨法的优点
  经过比较传统的代表性PCB和原理上喷墨法的工程,喷墨法不使用光致掩模工程数少,无须由此产生不必要装置,无须废液处理和干燥工艺等。虽然喷墨布线在原理上具有若干优点,但是为了使这种新的制造技术实用化,通常需要从多种角度进行研究。喷墨法的优点(o)、问题点(△)和不明白点(?)。 “o”项目在原理上是优良的,它比传统技术具有压倒性的优势。但是一种技术要在工业上稳定立足,必须克服许多技术团体正在继续的积极开发,期盼着不久的将来付诸实用。与其说全面应用于PCB,还不如说从利用无掩模特征的特别封装或者小型装置的应用着手。
  3纳米金属粒子和纳米油墨
  纳米金属粒子是喷墨法的重要因素。传统使用于焊膏或者银胶中的金属微粒子为数微米的粒径,而纳米粒子的粒径约为它1/100的10nm以下。如果粒子越小,表面上产生强活性原子的比例就会增加。例如中10um的粒子与内部的原子相比,其表面的原子几乎可以忽视,然而5nm的粒子表面的原子数约为40%,熔点大幅度见。例如金的熔点为l 337℃,粒径2nm时降低到400℃。
  这种纳米粒子即使在常温下也会相互融合,因此如图3所示采用特别的涂覆剂覆盖纳米例子的表面,使其独立存在于有机溶剂中。如果在较低温度下(例如200℃)加热这种液体(例如银粒子时),因为液体中含有别的物质吸收涂覆剂,所以粒子之间相互溶接。溶剂蒸发,残留金属,成为低温烧结的状态。纳米金属粒子的制造方法有气体中蒸发法、溅射法、激光法和胶体法等,各公司正在开发廉价的制造方法。现在以银和金的纳米粒子为主,还有其它容易制造的纳米金属粒子
  如果普通图形物质的粒子存在于液体中,则会提高液体的黏度,然而由于纳米粒子非常小,仍然保持溶剂的液体的黏度,可以用作喷墨用的油墨。虽然还不清楚微粒子的分散液体作为油墨的调整方法或者物质,但是油墨中的金属微粒子的可能浓度最大约为60%。
  4墨滴的附着和金属膜的生成
  采用喷墨制作导电膜时,从喷嘴喷出的液滴的大小约为数pL。现在如果假设2pL的液滴是球形,直径为15um。这种液滴冲击在基板上,就会扩散为由20um~40um,中心部的厚度约为10um。这种状态的基板加热到150℃-300℃,溶剂蒸发而保留纳米粒子,金属纳米粒子的浓度约为30%,金属膜的厚度约为1um~2um,从而获得了标准线宽15um-20um,厚度为1um-2um的银布线。
  这种喷墨液滴的扩展决定了布线宽度。液滴的扩展取决于基板的表面状态通常采用接触角来测量。亲水性表面即湿润状态的接触角为0度-5度,控制液滴扩展是困难的。如果采用Ar等离子处理基板表面,则可使表面成为难以湿润的疏水性表面。如图5所示,聚酰亚胺膜经过5min一10min的等离子处理过的接触角为53度~55度。为了谋求采用喷墨法时的膜厚,接触角宜大一些,因此今后希望多用等离子处理。但是等离子处理存在着设备和处,理时间的问题,埋没了喷墨法的优点,因此期盼着开发更简便的处关于布线的膜厚,一般PCB的铜线路厚度为5um-12um,喷墨法的膜厚比它薄得多。PCB使用铜膜,而喷墨法使用Ag,即使考虑到固有电阻,喷墨法的电阻率也高一些。如果膜太薄,则有影响耐迁移性等可靠性的可能性。如果膜太薄,则有影响耐迁移性等可靠性的可能性。如果重复喷墨则会增加膜厚,但是大大降低了喷墨法的优点。喷墨法的开发初期是关注可以微细布线的优点,但是PCB的线路宽度为30um-70um,特殊情况下为20um-40um,现在已经研究了50um左右的线宽可行性。

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