CN105047618B - 一种有机复合材料厚膜器件基板 - Google Patents

一种有机复合材料厚膜器件基板 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子材料与元器件技术领域，尤其涉及一种有机复合材料厚膜器件基板。该基板包括：基板结构加强层、平坦层、互连层电路、互连通孔、连接外部引脚的焊盘、极化电极端、切割槽和集成其他器件用的焊盘。基板结构加强层采用玻纤、半玻纤或聚四氟乙烯制作；平坦层采用聚酰亚胺PI，其厚度为1μm‑100μm；互连层电路是1μm‑50μm厚度的铜箔，通过热压法制备于两PI平坦层表面，并通过湿法腐蚀铜箔形成电路连接图案、集成其他器件用的焊盘、连接外部引脚的焊盘和极化电极端。本发明提供的基板能够实现厚膜器件与基板材料的集成制备的同时，具有成本低、工艺简单、满足批量生产的要求。

Description

一种有机复合材料厚膜器件基板
技术领域
本发明属于电子材料与元器件技术领域。
背景技术
厚膜器件是一类重要的电子器件，它具有性能优良、可靠性好、应用广泛等特点，在工业、农业、军事、环境和医疗等领域有着广泛的应用。在厚膜器件中实现器件功能的各种功能材料是核心，其特征决定了厚膜器件的仪器设备的性能和应用领域，对于不同的应用功能材料各不相同；而基板是最重要的基础材料，所有的厚膜器件都需要制作在相应的基板上，基板材料需要与相应的功能材料制备和器件集成工艺相适应。传统厚膜器件使用的BaSrTiO3(BST)、PbSrTiO3(PST)以及PbZrTiO3(PZT)等氧化物材料作为器件的功能材料，制备温度高达800℃以上，这就决定了这些厚膜器件只能采用氧化铝等陶瓷材料作为基板。同时，需要采用丝网印刷法将导电浆料印制到陶瓷基板上形成相应电路图案，并在一定温度下烧结形成电路连接。由于氧化铝基板的表面平整度较差，通常需要进行表面釉化处理提高平整度，才能满足厚膜材料制备和电路印刷的要求。综上所述，氧化物厚膜器件需要经过多次烧结才能完成，器件集成工艺复杂、能耗高，集成度低，不便与其他场效应晶体管、运算放大器等半导体器件混合集成。
近年来，有机聚合物功能材料和有机-氧化物复合功能材料的研究进展迅速，已经逐步进入器件集成研发和产品生产阶段。与氧化物厚膜材料相比，有机聚合物功能材料和有机-氧化物复合功能材料的制备温度低于200摄氏度，不需要进行高温烧结即可实现功能材料制备和器件集成。这类低温制备厚膜材料的发展使得采用新型基板材料成为可能。同时，器件集成度的提高需要充分利用基板的面积，实现器件的小型化和双面集成；此外降低器件的成本，不仅需要降低器件工艺的能耗等成本，还需要尽可能降低基片材料的成本，使其更方便地与各类半导体器件与厚膜元件集成起来。器件集成技术的需求使得新型基板材料的研发十分必要。
传统的厚膜器件首先在需要陶瓷衬底上采用厚膜工艺制作电路图形，然后在电路图形上制作功能材料厚膜并图形化，最后采用厚膜工艺形成上电极完成器件制备，工艺复杂并且集成度不高。因此，基板表面必须具有一定平整度才能满足后期器件工艺的要求。同时，如何以简单的方法在基板上形成可靠的电路连接是新型基板必须首先解决的问题。为了提高器件集成度，必须有效利用基板面积，在基板两面均可集成相应元件，这就要求基板两面必须具有可靠的电路连接。传统陶瓷基板通过钻孔和嵌入导电材料的方式实现通孔连接，成本高、而且会降低陶瓷基板的力学强度，给器件可靠性带来隐患。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明针对低温制备的有机、复合功能厚膜器件应用需求，提供了一种有机复合材料厚膜器件基板。
该有机复合材料厚膜器件基板包括：基板结构加强层(1)、平坦层(2)、互连层电路(3)、互连通孔(4)、连接外部引脚的焊盘(5)、极化电极端(6)、切割槽(7)和集成其他器件用的焊盘(8)。
所述基板结构加强层(1)采用玻纤、半玻纤或聚四氟乙烯制作，其厚度为100μm-500μm。
所述平坦层(2)采用热压法制备于基板结构加强层两表面，由聚酰亚胺PI构成，其厚度为1μm-100μm，用于满足制备厚膜器件对基板表面平整度的要求。
所述互连层电路(3)是1μm-50μm厚度的铜箔为基材，通过热压法制备于两PI平坦层(2)表面，并通过湿法腐蚀铜箔形成电路连接图案、集成其他器件用的焊盘(8)、连接外部引脚的焊盘(5)和器件电学性能预处理的极化电极端。厚膜器件产生的电信号输送到连接外部引脚的焊盘(5)该焊盘可根据工艺需要制作成贯通焊盘，集成其他器件用的焊盘(8)实现与其他器件如场效应管、电容和电阻等器件集成。互连层电路根据器件加工工艺和功能进行图形化，图形化方法为掩模法、光刻剥离法或激光刻蚀。
所述互连通孔(4)为金属化通孔，实现基板上下表面的电连接，采用激光或机械钻孔，金属化材料为金或铜。
所述极化电极端(6)用于实现器件的基本电路功能和器件电学性能预处理，为实现批量化处理，极化电极端在互连层电路设计时设计为公共电极端并图形化，再配合相适宜的切割槽(7)，沿其切割后得到单个厚膜器件基板。
本发明通过采用聚酰亚胺PI层作为基板平坦层、腐蚀铜箔互联层形成电路连接，植入结构加强材料获得足够的力学性能。另一方面，通过热压、腐蚀等工艺能够实现基板的可靠结合和电路图形的实现。
本发明的基板采用聚酰亚胺PI作为平坦层和电气绝缘层。与传统陶瓷基板相比，PI做为电气绝缘层具有质量轻、平整度高等特点，可以满足制备厚膜器件对基板表面平整度的要求，并能够提高基板表面流延厚膜的平整度。对于热释电传感器等核心传感器而言，具有极低热导率(0.1-0.4W/m.k)的PI材料还可以作为绝热层，提高器件的性能。
该基板表面具有一层通过热压法制备在PI膜表面的铜箔作为互连层，进一步通过湿法腐蚀铜箔形成电路连接图案。电路连接图案依照器件功能和空间布局要求进行设计，从而在基板上实现厚膜元件的集成。由铜箔腐蚀形成的焊盘具有良好的可焊性，可以采用成熟的表面贴装技术(SMT等)完成与半导体器件的混合集成，具有可靠性高、综合成本较低等优点。
该基板材料具有层间互连导体，通过在基板形成通孔并在通孔内电镀铜或金，实现双面、多层基板的表层、内层通孔金属化，形成的层间互连导体实现上下层、或者多层电路内部的电连接。这种基板通过通孔金属化可以实现基板上下表面或者多层基板的层间电路连接，可以保证不同平面器件的可靠互连，从而充分利用基板面积，提高器件集成度。
该基板具有玻璃纤维层或半玻璃纤维层，作为基板材料的结构加强层，实现对厚膜器件的支撑，满足实际应用中对器件力学性能如抗冲击特性的要求。
该基板设置有连接引脚的焊盘，通过将引脚焊接到焊盘上，方便实现器件与电路其他部分的连接。
综上所述，本发明的优点是：采用聚酰亚胺(PI)作为平坦层具有质量轻、平整度高的特点，可作为绝热层提高器件的性能；由铜箔腐蚀形成的焊盘具有可靠性高、综合成本较低和方便与电路其他部分连接的特点；金属化的互连通孔可充分利用基板面积，提高器件集成度；基板结构加强层对厚膜器件的支撑，满足实际应用中对器件力学性能的要求。
附图说明
图1是本发明基板实施例立体示意图；
图2是本发明基板实施例的上表面示意图；
图3是本发明基板实施例的下表面示意图；
图4是本发明基板实施例的原型实物图；
图5是在本发明基板上制作的厚膜材料平面图；
图6是本发明实施例中制作的厚膜器件图；
图7是本发明实施例中厚膜器件电压响应曲线图。
附图标记：1-基板结构材料，2-聚酰亚胺层，3-互连电路图形，4-层间互连通孔，5-连接外部引脚的焊盘，6-批量极化公共电极端，7-切割槽，8-集成其他器件用的焊盘。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步地详细描述。
1、选取具有良好绝缘、绝热特性的PI作为基板的电气绝缘层，PI层厚度25微米，热导率为0.2W/m.k，体电阻率大于1014欧姆·米。
2、采用热压法，在玻璃纤维的基板结构加强层两面压制步骤1的PI膜，玻璃纤维厚度为为0.4mm。
3、采用热压法，在PI膜上压制一层厚度为30μm Cu箔。
4、按照电路功能设计并制作互联线和极化公共电极端，采用HCl+FeCl3+H2O2腐蚀液在铜箔上腐蚀出图形化电路。
5、按照电路功能设计并制作层间互连通孔，并采用电镀铜对通孔进行金属化。
6、按照电路功能设计并制作焊盘，进一步对焊盘进行沉金处理以提高其导电性和可焊性。
7、预留划片分割槽，便于完成厚膜器件制备后，通过机械切割、激光切割等方式实现器件分割。
图7是本实施例中厚膜器件电压响应曲线图。

Claims (5)

1.一种有机复合材料厚膜器件基板，包括基板结构加强层、平坦层、互连层电路、互连通孔、连接外部引脚的焊盘、集成其他器件用的焊盘和极化电极端，其特征在于：
所述基板结构加强层采用玻纤、半玻纤或聚四氟乙烯制作，其厚度为100μm-500μm；
所述平坦层采用热压法制备于基板结构加强层两表面，由聚酰亚胺PI构成，其厚度为1μm-100μm，用于满足制备厚膜器件对基板表面平整度的要求；
所述互连层电路是1μm-50μm厚度的铜箔为基材，通过热压法制备于两PI平坦层表面，并通过湿法腐蚀铜箔形成电路连接图案、集成其他器件用的焊盘、连接外部引脚的焊盘和器件电学性能预处理的极化电极端；厚膜器件产生的电信号输送到连接外部引脚的焊盘，集成其他器件用的焊盘实现与其他器件如场效应管、电容和电阻器件集成；
所述互连通孔为金属化通孔，实现基板各表面的电连接。
2.如权利要求1所述有机复合材料厚膜器件基板，其特征在于：所述互连层电路根据器件加工工艺和功能进行图形化，图形化方法为掩模法、光刻剥离法或激光刻蚀。
3.如权利要求1所述有机复合材料厚膜器件基板，其特征在于：所述互连通孔采用激光或机械钻孔。
4.如权利要求1所述有机复合材料厚膜器件基板，其特征在于：所述互连通孔的金属化材料为金或铜。
5.如权利要求1所述有机复合材料厚膜器件基板，其特征在于：所述极化电极端在互连层电路设计时设计为公共电极端并图形化，再配合相适宜的切割槽，沿切割槽切割后得到单个厚膜器件基板，实现批量化处理。
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