CN108453392A - 一种微波基片腔体激光直接加工成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明方法针对微波基片形成腔体结构存在的腐蚀锥度、腐蚀速率低以及腔体尺寸一致性等问题,提出采用聚焦的激光束进行硅基材料的去除从而形成腔体结构的方法。所述制作方法包括:(1)微波基片前处理及电路图形保护;(2)激光束刻蚀微波基片形成一定深度的腔体;(3)微波基片后处理;本发明通过激光束的移动刻蚀出沟槽,而沟槽的重叠可以实现一定区域的材料去除。在需要刻蚀的区域内重复加工实现一定的刻蚀深度,从而形成一定深度的腔体结构。进一步利用激光能量清洁腔体底部,在不损害基体的同时达到清洁的目的。本发明具有控制精度高,效率高,环境友好,腔壁垂直度好,与微波基片电路制作工艺兼容性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域,尤其涉及电子电路基板的激光加工方法,具体为微波基片腔体激光加工方法。
背景技术
在多芯片组件中,常用的氧化铝、LTCC、PCB、硅等多种电路基片不仅作为电子元器件安装的机械支撑载体,并且提供电路的电气互连以及电路散热的通道。随着多芯片组件高集成、高频率、高功率的发展需求,在电子基片上形成腔体结构是其重要的发展方向。制备的腔体结构可以采用埋置的方式安装芯片,可以提高组装密度的同时缩短层间互连线,降低微波不连续性影响,大大提高组件可靠性。因此,在微波基片上制备高质量的腔体结构具有重要意义。
针对不同的基片材料,其腔体的制备方法明显不同。以共烧陶瓷基片和硅基片为例进行说明。HTCC、LTCC基片是采用共烧结制备而成,其腔体结构一般在单层生瓷直接制备,经叠层、加压、烧结后形成相应的腔体。正因如此,腔体形态在层压、烧结过程中容易发生改变,腔体一致性较差。此外,腔体结构的存在,使得烧结时,基板容易发生翘曲。而对于硅基片,其腔体制作通常采用MEMS工艺。首先将硅片进行氧化,使其正反两面形成3-5μm厚度的氧化硅层;双面旋涂光刻胶,正面光刻形成腔体的图形;腐蚀正面的氧化硅层,形成氧化硅开窗图形;最后以氧化硅为研磨,腐蚀硅基板,形成腔体结构。总体说来,硅腔体加工采用了湿法腐蚀的方法,由于硅的腐蚀表现为异性腐蚀,所以硅腔体的上表面窗口比下表面窗口要大,一般情况下,刻蚀侧面存在55度的夹角,随着刻蚀深度的增大,上下表面差异增大。刻蚀锥度的存在不利于高密度的芯片集成。此外,湿法腐蚀速率较慢,一小时的刻蚀深度仅有10μm左右。综合所述,如何提高腔体成型效率、腔体一致性和成型精度,是多芯片组件需要解决的一个重要问题。
发明内容
针对微波基片形成腔体结构存在的腐蚀锥度、腐蚀速率低以及腔体尺寸一致性等问题,本发明提供一种微波基片腔体激光直接加工成型方法。
一种微波基片腔体激光直接加工成型的操作步骤如下:
(1)微波基片前处理及电路图形保护
(1.1)将微波基片清洁干净;
(1.2)在基片表面涂覆光刻胶进行表面电路图形保护,并通过光刻、显影在腔体的加工位置开窗;
(2)激光加工腔体
(2.1)在微波基片上的开窗位置,激光刻蚀使微波基片上形成一个以上的腔体,腔体的腔壁与垂直方向之间的夹角小于5度;
(2.2)激光清洁微波基片上一个以上的腔体内的底部,使腔体内的底部粗糙度Ra达到2-7μm;
(3)去除光刻胶
对腔体进行金属化处理,再通过显影去除微波基片上的光刻胶,得到具有腔体的微波基片;
具有腔体的微波基片的技术要求是:腔体底部的粗糙度Ra不大于10μm、腔体的深度误差不大于10μm、平面尺寸误差小于±10μm;腔体的腔壁与垂直方向之间的夹角小于5度。
进一步限定的技术方案如下:
步骤(1.1)中,所述微波基片为厚度250~550μm的4英寸硅基片或6英寸硅基片或8英寸硅基片或氧化铝陶瓷(Al2O3)或低温共烧陶瓷(LTCC)或高温共烧陶瓷(HTCC)。
步骤(1.2)中,所涂敷的光刻胶厚度为5~10μm。
步骤(1.2)中,所述开窗的窗口平面尺寸为1mm*1mm~30mm*30mm之间,且光刻、显影开窗的窗口平面大小应与腔体大小一致。
步骤(2.1)中,激光波长为355nm,光斑直径为0.015mm;光斑重叠率为50%-90%;激光加工参数:激光能量3W-8W,频率30-45KHz,激光标刻速率100-300mm/s。
步骤(2.1)中,激光标刻采用横向和纵向按加工遍数交叉依次进行,所述腔体深度不大于450μm,加工开始时激光光斑聚焦在微波基片表面,加工开始后聚焦高度根据激光能量大小向下补偿0.002-0.025mm/遍。
步骤(2.1)中,通过调节加工遍数,实现不同深度腔体的加工;激光加工深度偏差不大于10μm。
步骤(2.1)中,所述腔体为普通无台阶腔体或台阶型腔体;所述台阶型腔体中,大尺寸腔体位于上部,小尺寸腔体位于下部,台阶数不超过3个。
步骤(2.2)中,采用低激光能量对腔体底部进行激光清洁,激光能量2W-3W,频率40-45KHZ,激光标刻速率200-300mm/s,去除浮尘。
步骤(3)中,所述金属化处理为溅射处理或电镀处理,且腔体金属化不影响腔体之外的微波电路。
本发明的有益技术效果体现在以下方面:
(1)微波基片的激光加工控制精度高、效率高,还可以实现台阶型腔体等复杂腔体结构的加工。对于250μm深度的2mm*2mm大小的腔体,加工时间仅需要5分钟。
(2)柔性加工,与硅基片电路制作工艺兼容性好。环境友好,避免腐蚀液等带来的环境污染。
(3)采用本发明方法加工的腔体的腔壁垂直度好,腔壁与垂直方向之间的夹角小于5度。
(4)激光清洁腔体内的底部,避免超声、机械等清洁方法对硅基片电路的损伤。
(5)本发明方法腔体成型尺寸精度高,一致性好,避免烧结、层压过程对腔体成型的影响。
附图说明
图1是微波基片示意图。
图2是光刻胶掩模和腔体开窗示意图。
图3是激光束作用于微波基片烧蚀示意图。
图4是激光束横向移动扩大烧蚀平面尺寸示意图。
图5是激光束纵向移动扩大腔体深度示意图。
图6是激光清洁后获得的一定深度和台阶型腔体的结构示意图。
图7是金属化处理并去除光刻胶后获得的一定深度和台阶型腔体的结构示意图。
上图中序号:基片1、光刻胶2、激光束3、激光烧蚀区域4、腔体区域5、区域6、腔体7、台阶型腔体8、金属化层9。
具体实施方式
下面结合附图,通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
以0.4mm厚6英寸硅材料的基片1上加工平面尺寸2mm×2mm、深度为100μm腔体为例。
具体的加工操作步骤如下:
(1)6英寸基片的前处理及电路图形保护
(1.1)将基片1清洁干净;
(1.2)参见图1和图2,将清洁完成的基片1表面涂覆光刻胶2进行表面电路图形保护,光刻胶2的厚度在5-10μm,并通过光刻、显影在腔体加工位置开窗。
(2)激光束刻蚀基片形成腔体
(2.1)参见图3-5,在基片1上的开窗位置,激光刻蚀使基片1上形成一个以上的腔体7,腔体7的腔壁与垂直方向之间的夹角小于5度;
选择波长355nm、光斑直径为0.015mm的激光束3,激光加工参数为:激光能量8W,激光光斑重叠率70%,激光频率45KHz, 标刻速率200mm/s, 焦点补偿0.018 mm/遍,加工遍数5遍。激光标刻采用横向和纵向按加工遍数交叉依次进行,参见图4,激光束3横向移动烧蚀形成腔体区域5;参见图5,激光束3纵向扫描烧蚀形成区域6,激光束3扫描按照遍数增加交叉依次进行调整。参见图4,最终获得的腔体深度94.8μm,腔体底部粗糙度Ra为3.32μm。
(2.2)激光束清洁腔体底部;激光清洁参数:激光能量2W,激光光斑重叠率70%,激光频率40KHz,标刻速率300mm/s, 焦点补偿0.00mm/遍,加工遍数5遍。激光清洁对腔体深度的影响小于10μm,腔体底部无浮尘,粗糙度Ra至2.1μm。
(3)去除光刻胶
通过溅射沉积TiW和Au,并电镀Au对腔体进行金属化。最后通过显影和清洗去除光刻胶,获得腔体具有金属化层9的微波基板,见图7。
实施例2
在0.4mm厚6英寸硅片上加工具有二个台阶的台阶型腔体;台阶型腔体中大尺寸腔体位于上部,小尺寸腔体位于下部。大尺寸腔体的平面尺寸2mm×2mm、深度为100μm,小尺寸腔体的平面尺寸1.5mm×1.5mm、深度为200μm。
具体的加工操作步骤如下:
步骤1:硅基片前处理及电路图形保护;将清洁完成的硅基片表面涂覆光刻胶进行表面电路图形保护,光刻胶的厚度在5-10μm,并通过光刻、显影在腔体加工位置开窗。
步骤2:激光束刻蚀硅基片形成上层腔体;选择波长355nm、光斑为0.015mm的激光,激光标刻按照遍数增加采用横向和纵向交叉依次进行。激光加工参数:激光能量3W,激光光斑重叠率50%,激光频率32KHz,标刻速率100mm/s,焦点补偿0.003 mm/遍,加工遍数32遍。最终获得的腔体深度为97.2μm,腔体底部粗糙度Ra为1.63μm。
步骤3:激光束刻蚀硅基片形成下层腔体;加工图形设置成1.5mm×1.5mm,激光初始聚焦在上层腔体底部,激光加工参数:激光能量3W,激光光斑重叠率70%,激光频率32KHz,标刻速率200mm/s, 焦点补偿0.003 mm/遍,加工遍数70遍。最终获得的下层腔体深度为201μm,底部粗糙度Ra为1.12μm。最终实现台阶型腔体8,见图6。
步骤4:通过显影和清洗去除光刻胶,获得台阶型腔体结构,见图7。
实施例3
在1.2mm厚LTCC基片上,加工平面尺寸2mm×5mm、深度为200μm腔体为例。
LTCC基片腔体激光加工的具体操作步骤如下:
步骤1:LTCC基片前处理及电路图形保护
参见图1和图2,将清洁完成的LTCC基片表面涂覆光刻胶进行表面电路图形保护,光刻胶的厚度在5-10μm,并通过光刻、显影在腔体加工位置开窗。
步骤2:激光束刻蚀LTCC基片形成腔体
参见图3-5,选择波长355nm、光斑为0.015mm的激光,激光标刻采用横向和纵向按加工遍数交叉依次进行。激光加工参数:激光能量4.5W,激光光斑重叠率75%,激光频率32KHz,标刻速率200mm/s, 焦点补偿0.005 mm/遍,加工遍数45遍。最终获得的腔体深度194μm,腔体底部粗糙度Ra为6.24 μm。
步骤3:激光束清洁腔体底部;激光清洁参数:激光能量2.5W,激光光斑重叠率75%,激光频率42KHz, 标刻速率200mm/s, 焦点补偿0.001 mm/遍,加工遍数10遍。激光清洁对腔体深度增加约为8μm,腔底无浮尘,粗糙度Ra可至3.8 μm。
步骤4:通过显影和清洗去除光刻胶,直接在LTCC上获得腔体结构。
实施例4
在1.0mm厚Al2O3(96%)基片上,加工平面尺寸2mm×5mm、深度为100μm腔体为例。
Al2O3基片腔体激光加工的具体操作步骤如下:
步骤1:LTCC基片前处理及电路图形保护
参见图1和图2,将清洁完成的Al2O3基片表面涂覆光刻胶进行表面电路图形保护,光刻胶的厚度在5-10μm,并通过光刻、显影在腔体加工位置开窗。
步骤2:激光束刻蚀Al2O3基片形成腔体
参见图3-5,选择波长355nm、光斑为0.015mm的激光,激光标刻采用横向和纵向按加工遍数交叉依次进行。激光加工参数:激光能量5W,激光光斑重叠率75%,激光频率32KHz, 标刻速率200mm/s, 焦点补偿0.005 mm/遍,加工遍数25遍。最终获得的腔体深度95μm,腔体底部粗糙度Ra为7.42μm。
步骤3:激光束清洁腔体底部;激光清洁参数:激光能量2W,激光光斑重叠率75%,激光频率32KHz,标刻速率200mm/s,焦点补偿0.001 mm/遍,加工遍数10遍。激光清洁对腔体深度增加约为3μm,腔底无浮尘,粗糙度Ra最低可至4.2 μm。
步骤4:通过依次在腔体结构中共溅射沉积Cr-Cu、溅射沉积Cu、并电镀Au对腔体进行金属化。最后通过显影和清洗去除光刻胶,获得金属化的微波基板腔体结构。
Claims (10)
1.一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于操作步骤如下:
(1)微波基片前处理及电路图形保护
(1.1)将微波基片清洁干净;
(1.2)在基片表面涂覆光刻胶进行表面电路图形保护,并通过光刻、显影在腔体的加工位置开窗;
(2)激光加工腔体
(2.1)在微波基片上的开窗位置,激光刻蚀使微波基片上形成一个以上的腔体,腔体的腔壁与垂直方向之间的夹角小于5度;
(2.2)激光清洁微波基片上一个以上的腔体内的底部,使腔体内的底部粗糙度Ra达到2-7μm;
(3)去除光刻胶
对腔体进行金属化处理,再通过显影去除微波基片上的光刻胶,得到具有腔体的微波基片;
具有腔体的微波基片的技术要求是:腔体底部的粗糙度Ra不大于10μm、腔体的深度误差不大于10μm、平面尺寸误差小于±10μm;腔体的腔壁与垂直方向之间的夹角小于5度。
2.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:
步骤(1.1)中,所述微波基片为厚度250~550μm的4英寸硅基片或6英寸硅基片或8英寸硅基片或氧化铝陶瓷(Al2O3)或低温共烧陶瓷(LTCC)或高温共烧陶瓷(HTCC)。
3.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(1.2)中,所涂敷的光刻胶厚度为5~10μm。
4.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(1.2)中,所述开窗的窗口平面尺寸为1mm*1mm~30mm*30mm之间,且光刻、显影开窗的窗口平面大小应与腔体大小一致。
5.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(2.1)中,激光波长为355nm,光斑直径为0.015mm;光斑重叠率为50%-90%;激光加工参数:激光能量3W-8W,频率30-45KHz,激光标刻速率100-300mm/s。
6.根据权利要求5所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(2.1)中,激光标刻采用横向和纵向按加工遍数交叉依次进行,腔体深度不大于450μm,加工开始时激光光斑聚焦在微波基片表面,加工开始后聚焦高度根据激光能量大小向下补偿0.002-0.025mm/遍。
7.根据权利要求5所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(2.1)中,通过调节加工遍数,实现不同深度腔体的加工;激光加工深度偏差不大于±10μm。
8.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(2.1)中,所述腔体为普通无台阶腔体或台阶型腔体;所述台阶型腔体中,大尺寸腔体位于上部,小尺寸腔体位于下部,台阶数不超过3个。
9.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(2.2)中,采用低激光能量对腔体底部进行激光清洁,激光能量2W-3W,频率40-45KHZ,激光标刻速率200-300mm/s,去除浮尘。
10.根据权利要求1所述的一种微波基片腔体激光直接加工成型方法,其特征在于:步骤(3)中,所述金属化处理为溅射处理或电镀处理,且腔体金属化不影响腔体之外的微波电路。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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