CN106206402B - 一种曲面上精密薄膜电路制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曲面上精密薄膜电路制作方法，包括以下步骤：a)在需要制作电路的工件表面一次性溅射或蒸发多层电路金属层和由内到外为Cr/Cu的双金属辅助层；b)在双金属辅助层上表面对应于需要腐蚀掉的多层电路金属层的位置上微接触印刷烷烃硫醇分子形成腐蚀双金属辅助层的掩膜；c)腐蚀掉烷烃硫醇分子掩膜保护区域外的双金属辅助层；d)脱附烷烃硫醇分子掩膜；e)腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cu，形成Cr掩膜；f)以剩余辅助层的Cr为掩膜对多层电路金属层电镀金；g)以电镀的金为掩膜腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cr以及金掩膜外的多层电路金属层，形成所需薄膜电路。

Description

一种曲面上精密薄膜电路制作方法
技术领域
本发明属于混合集成电路技术领域，具体涉及一种曲面上精密薄膜电路制作方法。
背景技术
随着智能终端、武器装备等向信息化、多功能化发展，有限的空间内需要集成的电子功能模块越来越多，空间越来越拥挤。为了更有效地利用有限的空间，研究人员提出了结构电路一体化的方案，即在结构件、绝缘件、隔离件等等传统上不承载功能电路的地方尽可能的集成功能电路，而这些功能件的表面往往是一个曲面，因此结构电路一体化要求在曲面上制作可靠的电路，传统上基于光刻技术的平面电路制作工艺在曲面上已不再适用。
目前，在曲面上制作电路主要有三种方法：一是采用激光剥离减成法工艺，即先大面淀积所需金属层，然后用激光把电路以外的金属烧蚀掉，这种工艺虽然灵活性高，但需要烧蚀掉大面积金属，速度慢，精度也不够高，且容易损伤基材，同时对于含金电路而言，这种减成法工艺大大增加了成本；第二种方法是采用激光直写加化学镀的加成法工艺，即首先在分散了活性金属颗粒的有机材料表面用激光写出电路图形，激光照射过的区域表层有机材料挥发，露出活性金属颗粒，然后以活性金属颗粒为敏化剂或还原剂进行化学镀，这样激光写过的区域就形成了电路图形。这种方法灵活性高，成本低，便于大批量生产，但电路精度较差，且其基材受限于分散金属颗粒的有机材料；第三种方法是采用微接触印刷的减成法工艺，即先大面积淀积所需金属层，再采用微接触印刷形成有机分子掩膜，然后腐蚀掉非掩膜区域形成所需电路。这种方法虽然简便，但因其属于减成法工艺，导致对含金电路而言金浪费严重，成本很高(通常情况下，电路区域面积要远远小于非电路区域面积)。
薄膜电路相对于厚膜电路、印制板电路等的可靠性高、精度高，很适合高频高带宽应用，薄膜电路的工艺特点也非常适合应用于结构电路一体化，但薄膜电路通常含金，特别是在特殊应用场合，金层厚度还比较厚，因此希望采用加成法工艺制作金层以减少金的浪费。
另外，在某些特殊领域，结构件、绝缘件、隔离件等需采用强度、耐温、绝缘性等综合性能好的陶瓷材料，要在其表面制作精密薄膜电路实现结构电路一体化，上述的曲面电路制作方案均面临诸多缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种简便可靠的曲面上精密薄膜电路制作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种曲面上精密薄膜电路制作方法，包括以下步骤：a)在需要制作电路的工件表面一次性溅射或蒸发多层电路金属层和由内到外为Cr/Cu的双金属辅助层；b)在双金属辅助层上表面对应于需要腐蚀掉的多层电路金属层的位置上微接触印刷烷烃硫醇分子形成腐蚀双金属辅助层的掩膜；c)腐蚀掉烷烃硫醇分子掩膜保护区域外的双金属辅助层；d)脱附烷烃硫醇分子掩膜；e)腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cu，形成Cr掩膜；f)以剩余辅助层的Cr为掩膜对多层电路金属层电镀金；g)以电镀的金为掩膜腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cr以及金掩膜外的多层电路金属层，形成所需薄膜电路。
作为一种优选的方案，所述工件材料为陶瓷、或聚酰亚胺、或聚醚醚酮，所述工件表面粗糙度小于100nm。
作为一种优选的方案，所述的多层电路金属层和双金属辅助层溅射或蒸发后用高纯惰性气体保护备用。
作为一种优选的方案，所述的多层电路金属层由内到外为Cr/Cu、或Cr/Cu/Ni、或Ti/Cu、或TiW/Ni、或TiW/Cu，其中Cr、Ti、TiW金属的厚度在30nm～200nm之间，其他金属的厚度在0.1μm～10μm之间；所述双金属辅助层中Cr层厚度在30nm～200nm之间，所述双金属辅助层中Cu层厚度在50nm～1000nm之间。
作为一种优选的方案，所述的多层电路金属层中Cr、Ti、TiW金属的厚度为80nm，所述的多层电路金属层中其他电路层金属的厚度为3μm；所述双金属辅助层中Cr层厚度为100nm，所述双金属辅助层中Cu层厚度为200nm。
作为一种优选的方案，所述微接触印刷所用母版为聚二甲基硅氧烷凹版，微接触印刷的烷烃硫醇为碳原子数在16～22之间的正烷烃硫醇，印刷方式为滚动印刷或贴附印刷。
作为一种优选的方案，腐蚀双金属辅助层的Cu采用有机大分子腐蚀液；腐蚀双金属辅助层的Cr用盐酸腐蚀液，腐蚀时用不锈钢镊子轻触Cr表面。
作为一种优选的方案，微接触印刷的烷烃硫醇为碳原子数在18的正烷烃硫醇；所述有机大分子腐蚀液为3-硝基苯磺酸-聚乙烯胺腐蚀液。
作为一种优选的方案，以Cr为掩膜电镀金时，镀金液为氰化物镀金液，镀金阳极为金箔或金片。
作为一种优选的方案，脱附烷烃硫醇分子掩膜采用在四氢呋喃有机溶剂中利用超声或搅拌的方式进行脱附。
本发明的有益效果是：本方法在电路金属层上覆盖辅助工艺金属层，再结合传统微接触印刷工艺，实现了在曲面上用加成法制作带金薄膜电路的目的，克服了传统光刻技术不便于在曲面上制作薄膜电路的不足，和传统微接触印刷技术不便于以加成法工艺制作薄膜电路的不足，进而为结构电路一体化提供了一种新的便利可靠的制作工艺。
由于多层电路金属层和由内到外为Cr/Cu的双金属辅助层用溅射或蒸发工艺一次形成，工艺便利且成本低。
由于曲面上不便于进行光刻，不便于形成光刻胶电镀掩膜。而微接触印刷便于在Cu、Au、Ag曲面上形成烷烃硫醇自组装分子层掩膜，这种掩膜不能作为良好的电镀掩膜(通电状态下容易脱附且缺陷处会形成漏镀)，却可以作为良好的湿法刻蚀掩膜，特别是在铜表面，在使用有机大分子腐蚀液情况下，能起到很好的掩蔽作用。鉴于这种情况，本方法首先用微接触印刷在廉价的铜表面形成阴版湿法刻蚀掩膜，腐蚀掉最外面薄薄的一层工艺辅助金属Cr/Cu；然后去除微接触印刷的自组装烷烃硫醇分子层，再腐蚀掉最外面的Cu层，这样就形成了Cr金属的镀Au掩膜层(Cr金属在氰化物镀金液中可作为镀金掩膜)。这样，电路中所需的Au以加成法工艺实现，大大降低了Au的浪费。
附图说明
图1-7是本方法实施过程的示意图。
具体实施方式
实施例1如图1-7所示，一种氧化铝陶瓷杆(直径10mm的)表面上精密薄膜电路制作方法，包括以下步骤：
a)在需要制作电路的工件表面(表面粗糙度小于100nm)一次性溅射或蒸发多层电路金属层和由内到外为Cr/Cu的双金属辅助层；
所述的多层电路金属层由内到外为Cr/Cu，其中Cr金属的厚度为50nm，其他金属的厚度在3.2μm；所述双金属辅助层中Cr层厚度为100nm，所述双金属辅助层中Cu层厚度为200nm。溅射或蒸发加工的真空室充惰性气体如高纯氮气或氩气保护后再迅速取出工件，并放于充惰性气体的工件盒子内备用。Cu表面轻微的本征氧化不影响后续微接触印刷的有机分子层作为腐蚀掩膜的效果。
b)在双金属辅助层上表面对应于需要腐蚀掉的多层电路金属层的位置上微接触印刷烷烃硫醇分子形成腐蚀双金属辅助层的掩膜；由于混合集成电路中用的薄膜电路其特征尺寸大，通常在十微米以上，且金属电路的面积远小于衬底面积，因此，用凹版可增强印刷可靠性。所述微接触印刷所用母版为PDMS(聚二甲基硅氧烷)凹版母版，微接触印刷的烷烃硫醇为碳原子数在16～22之间的正烷烃硫醇，优选为碳原子数为18的正烷烃硫醇，印刷方式为滚动印刷。
c)腐蚀掉烷烃硫醇分子掩膜保护区域外的双金属辅助层；腐蚀双金属辅助层的Cu采用有机大分子NBSA-PEI(3-硝基苯磺酸-聚乙烯胺)腐蚀液；这样即使印刷的有机分子层有微小缺陷，大分子腐蚀剂也不能穿透有机分子层导致错误腐蚀；腐蚀双金属辅助层的Cr用盐酸腐蚀液，腐蚀时用不锈钢镊子轻触Cr表面，可破坏Cr表面的钝化层，使得腐蚀迅速，能够观察到Cr的瞬间腐蚀现象，界面明显。
d)脱附烷烃硫醇分子掩膜；采用在四氢呋喃有机溶剂中利用超声或搅拌的方式进行脱附。
e)采用有机大分子NBSA-PEI(3-硝基苯磺酸-聚乙烯胺)腐蚀液腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cu，形成Cr掩膜；
f)以剩余辅助层的Cr为掩膜对多层电路金属层电镀金；镀金液为氰化物镀金液，镀金阳极为金箔或金片，金层厚度为2μm，金只会镀在Cu上而不会镀在Cr上。
g)以电镀的金为掩膜腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cr以及金掩膜外的多层电路金属层(可采用步骤c中方法)，形成所需薄膜电路。
本实施例1的电路最小线宽/间距为20μm，电路完成后，在显微镜下观察，电路的导线图形干净整齐，无残缺，无多余金属。
实施例2一种氧化锆陶瓷锥形表面(局部区域做电路)上精密薄膜电路制作方法，包括以下步骤：
a)在需要制作电路的工件表面(表面粗糙度小于100nm)一次性溅射或蒸发多层电路金属层和由内到外为Cr/Cu的双金属辅助层；
所述的多层电路金属层由内到外为TiW/Ni，其中TiW金属的厚度为50nm，其他金属的厚度为2μm；所述双金属辅助层中Cr层厚度为100nm，所述双金属辅助层中Cu层厚度为200nm。溅射或蒸发加工的真空室充惰性气体如高纯氮气或氩气保护后再迅速取出工件，并放于充惰性气体的工件盒子内备用。
b)在双金属辅助层上表面对应于需要腐蚀掉的多层电路金属层的位置上微接触印刷烷烃硫醇分子形成腐蚀双金属辅助层的掩膜；所述微接触印刷所用母版为PDMS(聚二甲基硅氧烷)凹版母版，微接触印刷的烷烃硫醇为碳原子数在16～22之间的正烷烃硫醇，优选为碳原子数为18的正烷烃硫醇，印刷方式为贴附印刷。
c)腐蚀掉烷烃硫醇分子掩膜保护区域外的双金属辅助层；腐蚀双金属辅助层的Cu采用有机大分子NBSA-PEI(3-硝基苯磺酸-聚乙烯胺)腐蚀液；腐蚀双金属辅助层的Cr用盐酸腐蚀液，腐蚀时用不锈钢镊子轻触Cr表面。
d)脱附烷烃硫醇分子掩膜；采用在四氢呋喃有机溶剂中利用超声或搅拌的方式进行脱附。
e)采用有机大分子NBSA-PEI(3-硝基苯磺酸-聚乙烯胺)腐蚀液腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cu，形成Cr掩膜；
f)以剩余辅助层的Cr为掩膜对多层电路金属层电镀金；镀金液为氰化物镀金液，镀金阳极为金箔或金片，金层厚度为3μm。
g)以电镀的金为掩膜腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cr以及金掩膜外的多层电路金属层，形成所需薄膜电路。
本实施例2的电路最小线宽/间距为10μm，电路完成后，在显微镜下观察，电路的导线图形干净整齐，无残缺，无多余金属。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种曲面上精密薄膜电路制作方法，包括以下步骤：a)在需要制作电路的工件表面一次性溅射或蒸发多层电路金属层和由内到外为Cr/Cu的双金属辅助层；b)在双金属辅助层上表面对应于需要腐蚀掉的多层电路金属层的位置上微接触印刷烷烃硫醇分子形成腐蚀双金属辅助层的掩膜；c)腐蚀掉烷烃硫醇分子掩膜保护区域外的双金属辅助层；d)脱附烷烃硫醇分子掩膜；e)腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cu，形成Cr掩膜；f)以剩余辅助层的Cr为掩膜对多层电路金属层电镀金；g)以电镀的金为掩膜腐蚀掉剩余双金属辅助层的金属Cr以及金掩膜外的多层电路金属层，形成所需薄膜电路。
2.根据权利要求1所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：所述工件材料为陶瓷、或聚酰亚胺、或聚醚醚酮，所述工件表面粗糙度小于100nm。
3.根据权利要求1所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：所述的多层电路金属层和双金属辅助层溅射或蒸发后用高纯惰性气体保护备用。
4.根据权利要求1所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：所述的多层电路金属层由内到外为Cr/Cu、或Cr/Cu/Ni、或Ti/Cu、或TiW/Ni、或TiW/Cu，其中Cr、Ti、TiW金属的厚度在30nm～200nm之间，其他金属的厚度在0.1μm～10μm之间；所述双金属辅助层中Cr层厚度在30nm～200nm之间，所述双金属辅助层中Cu层厚度在50nm～1000nm之间。
5.根据权利要求4所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：所述的多层电路金属层中Cr、Ti、TiW金属的厚度为80nm，所述的多层电路金属层中其他电路层金属的厚度为3μm；所述双金属辅助层中Cr层厚度为100nm，所述双金属辅助层中Cu层厚度为200nm。
6.根据权利要求1所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：所述微接触印刷所用母版为聚二甲基硅氧烷凹版，微接触印刷的烷烃硫醇为碳原子数在16～22之间的正烷烃硫醇，印刷方式为滚动印刷或贴附印刷。
7.根据权利要求6所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：腐蚀双金属辅助层的Cu采用3-硝基苯磺酸-聚乙烯胺腐蚀液；腐蚀双金属辅助层的Cr用盐酸腐蚀液，腐蚀时用不锈钢镊子轻触Cr表面。
8.根据权利要求7所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：微接触印刷的烷烃硫醇为碳原子数在18的正烷烃硫醇。
9.根据权利要求1所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：以Cr为掩膜电镀金时，镀金液为氰化物镀金液，镀金阳极为金箔或金片。
10.根据权利要求1所述的曲面上精密薄膜电路制作方法，其特征在于：脱附烷烃硫醇分子掩膜采用在四氢呋喃有机溶剂中利用超声或搅拌的方式进行脱附。
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