CN110708880A - 一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子加工的技术领域，更具体地，涉及一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，包括：在石英玻璃表面制备吸光层，采用飞秒激光器按照导入的电路图案在石英玻璃表面诱导加工微纳结构，通过化镀的方法在微纳结构沉积金属粒子形成电路图案。本发明在涂敷油墨层的石英玻璃表面诱导粗糙且规则的微纳结构，有效增加化镀金属粒子与微纳结构之间的结合力；通过化学镀方法在沉积金属粒子，金属粒子沉积均匀且均为有效沉积，得到线宽为7μm～9μm的各种复杂电路图案，可以满足不同领域、不同系统在石英玻璃上低损耗通电的需求；整个加工过程简便高效，化学镀过程能够实现批量制造，能够很好地适应工业生产中高效、实惠的需求。

Description

一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法
技术领域
本发明涉及微电子加工的技术领域，更具体地，涉及一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法。
背景技术
近来电子技术的发展，在光学器件，显示器，生物芯片和移动通信设备领域，对在玻璃表面上产生导电电路图案的工艺的工业需求正在迅速增加。玻璃材料的电路图案可以用于智能电话和各种物联网(IOT)设备的触摸屏的边缘电路中，或者汽车领域，如技术前玻璃加热和透明天线。然而，由于玻璃的脆性、高硬度、易受热和不存在化学反应等特性，在玻璃上直接制造电路图案是困难的。
目前制备精细电路图案方面主要有两类：一是，运用激光诱导湿式背向刻蚀的方式在玻璃上制备电路，这种方法前期准备工作麻烦，需要准备吸收体溶液，并且在刻蚀过程中太容易出现气泡，刻蚀结果不稳定，易影响电路的质量，且制备出的电路宽度约为40μm；二是，在柔性基材上运用激光直接成型技术(LDS)的方法，但是其使用的基材需要经过预加工，在材料内部添加一定的诱导因子，才能达到效果，制样过程繁琐，并且对现有材料有很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，先在石英玻璃表面形成粗糙的规则微纳结构，使铜粒子稳定地附着在石英玻璃表面，实现在透明玻璃上制备复杂电路图案。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，包括以下步骤：
S10.在石英玻璃表面制备吸光层得到待加工石英玻璃；
S20.飞秒激光加工控制系统根据待加工的电路图案设置飞秒激光器的加工参数，将步骤S10所述待加工石英玻璃加载于XYZ运动平台，飞秒激光加工控制系统控制XYZ运动平台运动及控制飞秒激光器工作，实现飞秒激光加工，在待加工石英玻璃表面诱导加工规则的微纳结构；
S30.取下飞秒激光加工完成的石英玻璃，清洗去除吸光层，并进行干燥，得到待镀石英玻璃；
S40.将步骤S30中所述待镀石英玻璃没入化学镀液中，并在60℃～80℃条件下加热化镀15min～30min，在所述微纳结构处镀上导电层得到导电石英玻璃，所述电路图案的宽度为7μm～9μm；
S50.取出步骤S40中所述导电石英玻璃，清洗干燥。
本发明的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，首先在石英玻璃表面制备吸光层，吸光层的设置为激光加工起到诱导的作用，能够使得电路图案规整化；采用飞秒激光器在石英玻璃表面按预设图案加工复杂电路图案，热影响区较小，沉积只在微纳结构的区域形成；通过化学镀的方法使得导电离子选择性地沉积在有诱导出微纳结构的石英玻璃表面，沉积均匀，形成电路图案；本发明的方法整个过程快捷、方便、无需其他附加工艺，能够实现精密电路图案的低成本制备。
优选地，步骤S10中，所述吸光层为采用油墨笔在需要加工的区域涂写得到或采用液态油墨在需要加工的区域喷涂得到。油墨的吸光性较好，易于获得且价格低廉，并且涂敷之后易于擦除；吸光层的设置可诱导飞秒激光器加工得到粗糙且规则的微纳结构，以在石英玻璃表面形成平整的电路图案；且本发明可通过涂敷油墨的厚度来达到不同的电路效果，具有较好的灵活性和较宽的应用范围。
优选地，步骤S20中，设置飞秒激光器参数为：激光波长为515nm，功率为1.04W，能量密度为2.079J/cm2，扫描速度为350mm/s，加工次数为1次。由于石英玻璃的高透光性，若采用纳秒激光器直接加工会损伤玻璃形貌，导致化镀时易出现沉积不均匀和严重堆积边缘的现象，而采用上述参数的飞秒激光器进行加工时，热影响区较小，可直接在石英玻璃表面一步诱导出微纳结构，从而制备出金属离子均匀且为有效沉积的平整电路图案。
优选地，步骤S30中，加工完成的石英玻璃经酒精超声清洗3min～5min去除油墨。油墨在酒精中易于去除，在化镀之前去除油墨，避免油墨对化镀反应的不良影响。
优选地，步骤S40中，所述导电层选自铜层、镍层、锡层中的一种或几种的组合。设置铜层、镍层、锡层作为导电层，导电层具有较好的导电性能，且能够采用化镀的方法制备。
优选地，步骤S40中，所述导电层为铜层。铜层因其原料易得、具有较高的电阻率而作为一种优选的方式。
优选地，步骤S40中，所述化学镀液包括：0.2mg/ml～0.4mg/ml的氧化石墨烯水溶液，3mg/L～5mg/L的亚铁氰化钾，40g/L～50g/L的次磷酸钠，0.8g/L～1g/L的硫酸镍，20g/L～40g/L的硼酸，0.3mol/L～0.5mol/L的甘氨酸，6g/L～10g/L的无水硫酸铜，4mol/L～6mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH至9～10。
优选地，步骤S40中，所述化学镀液包括：0.3mg/ml的氧化石墨烯水溶液，4mg/L的亚铁氰化钾，45g/L的次磷酸钠，0.9g/L的硫酸镍，30g/L的硼酸，0.4mol/L的甘氨酸，8g/L的无水硫酸铜，5mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH＝9.5。将待镀石英玻璃没入化学镀液中，化学镀液与待镀适应玻璃发生金属原子氧化还原反应，由于微纳结构处具有很强的表面结合力，铜粒子均匀地沉积在微纳结构形成精确的复杂电路图案。
优选地，步骤S40中，待镀石英玻璃与化学镀液的化镀反应温度为恒温70℃，反应时间为20min。所选取的反应条件是为了获得较快的反应速率和较好的沉积效果而做出的优选，并不作为限制性的规定。
优选地，步骤S50中，所述导电石英玻璃置入酒精溶液中，超声清洗5min～8min。超声清洗一方面可去除导电石英玻璃表面残留的化学镀液，一方面可以去除沉积在微纳结构区域之外的导电层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在涂敷油墨层的石英玻璃表面诱导粗糙且规则的微纳结构，通过化学镀方法在沉积金属粒子，金属粒子沉积均匀且均为有效沉积，得到线宽为7μm～9μm的各种复杂电路图案；本发明的方法能够简洁、直接、高效地达到导电的功能，可以满足不同领域、不同系统在石英玻璃上低损耗通电的需求。
附图说明
图1为在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法的流程图；
图2为在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法步骤S20微纳结构的SEM图；
图3为实施例二中在石英玻璃上制备的电路图案的示意图；
图4为实施例三中在石英玻璃上制备的电路图案的示意图；
图5为实施例四中在石英玻璃上制备的电路图案的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示为本发明的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法的实施例，包括以下步骤：
S10.在石英玻璃表面制备吸光层得到待加工石英玻璃；
S20.飞秒激光加工控制系统根据待加工的电路图案设置飞秒激光器的加工参数，将步骤S10所述待加工石英玻璃加载于XYZ运动平台，飞秒激光加工控制系统控制XYZ运动平台运动及控制飞秒激光器工作，实现飞秒激光加工，在待加工石英玻璃表面诱导加工规则的微纳结构；
S30.取下飞秒激光加工完成的石英玻璃，清洗去除吸光层，并进行干燥，得到待镀石英玻璃；
S40.将步骤S30中所述待镀石英玻璃没入化学镀液中，并在60℃～80℃条件下加热化镀15min～30min，在所述微纳结构处镀上导电层得到导电石英玻璃，所述电路图案的宽度为7μm～9μm；
S50.取出步骤S40中所述导电石英玻璃，清洗干燥。
步骤S10，所述吸光层为采用油墨笔在需要加工的区域涂写得到或采用液态油墨在需要加工的区域喷涂得到。油墨的吸光性较好，易于获得且价格低廉，并且涂敷之后易于擦除；吸光层的设置可诱导飞秒激光器加工得到粗糙且规则的微纳结构，以在石英玻璃表面形成平整的电路图案；且本实施例可通过调整油墨涂敷的厚度来达到不同的电路效果，从而赋予本发明较好的使用灵活性和较宽的应用范围。
步骤S20中，设置飞秒激光器参数为：激光波长为515nm，功率为1.04W，能量密度为2.079J/cm2，扫描速度为350mm/s，加工次数为1次。由于本实施例中的基材石英玻璃具有高透光性的特点，对激光器波长的受限较大：若采用纳秒激光器直接刻划石英玻璃表面则易出现严重崩边、堆陷等损伤玻璃表面形貌的情况，且由于其较大的热影响区，导致微纳结构的形成不规则、化镀过程沉积不均匀、重叠部分大、边缘堆积严重；本实施例采用飞秒激光器并采用上述的特定参数，结合吸光层的作用，热影响区域较小，形成的微纳结构规则平整，如图2所示；金属离子可稳定地附着在石英玻璃表面，化镀过程金属粒子沉积均匀且均为有效沉积，只在微纳结构的区域沉积，因而可得到线宽为7μm～9μm的各种复杂电路图案；7μm～9μm的线宽较传统铜电线路线宽小15～20倍，利于实现电路的小型化和集成化。需要说明的是，对于上述飞秒激光器的特定参数，操作人员可在保持较小的热影响区的前提下进行参数调整。
步骤S30中，加工完成的石英玻璃经酒精超声清洗3min～5min去除油墨。由于油墨易溶于酒精中，将石英玻璃置于酒精中超声，如此，便可以去除加工完成的石英玻璃表面的油墨，有效避免油墨对化镀反应的不良影响。
步骤S40中，因铜层的原料易得，具有较高的电阻率，本实施例采用铜层作为导电层，但并不作为限制性的规定，本实施例还可采用化镀的方法在微纳结构镀上镍层、锡层或者铜层、镍层、锡层中至少两种的复合层。
其中，化学镀液包括：0.2mg/ml～0.4mg/ml的氧化石墨烯水溶液，3mg/L～5mg/L的亚铁氰化钾，40g/L～50g/L的次磷酸钠，0.8g/L～1g/L的硫酸镍，20g/L～40g/L的硼酸，0.3mol/L～0.5mol/L的甘氨酸，6g/L～10g/L的无水硫酸铜，4mol/L～6mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH至9～10。本实施例不限于采用上述组分组成的化学镀液，市售化学镀液也适用于本发明。
步骤S50中，所述导电石英玻璃置入酒精溶液中，超声清洗5min～8min。一方面可去除导电石英玻璃表面残留的化学镀液，一方面可以去除沉积在微纳结构区域之外的导电层。清洗完成的导电石英玻璃，可在铜线的两端构建正负电极，外接电源控制电路实现石英玻璃表面的通电做功，满足不同系统的导电需求。
本实施例所得导电石英玻璃置于酒精溶液中清洗多次，清洗溶液中无固体铜，铜粒子与微纳结构间具有较好的粘附性，由此制备的电路图案具有很好的工作稳定性；
测试本实施例所得导电石英玻璃上导电图案的电阻率，其电阻率为0.0167Ω·mm2/m，而20℃时纯铜的电阻率为0.01851Ω·mm2/m，可见，本实施例制得的电路图案的电阻率与纯铜的电阻率接近，具有很好的导电性能；
本实施例在石英玻璃上制备复杂电路图案的整个过程简洁，包括吸光层的制备、激光平台扫描复杂图案的过程以及化学镀的过程，整个过程耗时20min～25min，且化学镀的过程能够实现批量制造，本实施例能够很好地适应工业生产中高效、实惠的需求。
经过以上步骤，本实施例在石英玻璃的表面成功制备线宽为7μm～9μm的复杂电路图案，且整个制备过程快捷、方便，无需其他附加工艺，能够实现精密电路图案的低成本制备。
实施例二
本实施例为实施例一在加工井字型电路图案的应用实施例，本实施例与实施例一类似，包括以下步骤：
S10.在石英玻璃表面制备吸光层得到待加工石英玻璃；
S20.飞秒激光加工控制系统根据待加工的电路图案设置飞秒激光器的加工参数，将步骤S10所述待加工石英玻璃加载于XYZ运动平台，飞秒激光加工控制系统控制XYZ运动平台运动及控制飞秒激光器工作，实现飞秒激光加工，在待加工石英玻璃表面诱导加工规则的微纳结构，本实施例的微纳结构为井字型；
S30.取下飞秒激光加工完成的石英玻璃，清洗去除吸光层，并进行干燥，得到待镀石英玻璃；
S40.将步骤S30中所述待镀石英玻璃没入化学镀液中，并在70℃恒温条件下加热化镀20min，在所述微纳结构处镀上导电层得到导电石英玻璃，所述电路图案的宽度为7μm；本实施例所选取的反应条件是为了获得较快的反应速率和较好的沉积效果而做出的优选，并不作为限制性的规定。
S50.取出步骤S40中所述导电石英玻璃，清洗干燥。
步骤S30中，加工完成的石英玻璃经酒精超声清洗4min去除油墨。
步骤S40中，所述化学镀液包括：0.3mg/ml的氧化石墨烯水溶液，4mg/L的亚铁氰化钾，45g/L的次磷酸钠，0.9g/L的硫酸镍，30g/L的硼酸，0.4mol/L的甘氨酸，8g/L的无水硫酸铜，5mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH＝9.5。将待镀石英玻璃没入化学镀液中，化学镀液与待镀适应玻璃发生金属原子氧化还原反应，由于微纳结构处具有很强的表面结合力，铜粒子均匀地沉积在微纳结构形成精确的复杂电路图案。
步骤S50中，所述导电石英玻璃置入酒精溶液中，超声清洗6min。
经过以上步骤，本实施例在石英玻璃表面制得井字型电路图案，如图3所示；将导电石英玻璃置于酒精溶液中清洗多次，清洗溶液中无固体铜，铜粒子与微纳结构间具有较好的粘附性；井字型电路的电阻率为0.0175Ω·mm2/m，具有很好的导电性能。
实施例三
本实施例为实施例一在加工集成式电路图案的应用实施例，本实施例与实施例一类似，包括以下步骤：
S10.在石英玻璃表面制备吸光层得到待加工石英玻璃；
S20.飞秒激光加工控制系统根据待加工的电路图案设置飞秒激光器的加工参数，将步骤S10所述待加工石英玻璃加载于XYZ运动平台，飞秒激光加工控制系统控制XYZ运动平台运动及控制飞秒激光器工作，实现飞秒激光加工，在待加工石英玻璃表面诱导加工规则的微纳结构，本实施例用于加工集成电路型电路图案；
S30.取下飞秒激光加工完成的石英玻璃，清洗去除吸光层，并进行干燥，得到待镀石英玻璃；
S40.将步骤S30中所述待镀石英玻璃没入化学镀液中，并在60℃恒温条件下加热化镀30min，在所述微纳结构处镀上导电层得到导电石英玻璃，所述电路图案的宽度为8μm；
S50.取出步骤S40中所述导电石英玻璃，清洗干燥。
步骤S30中，加工完成的石英玻璃经酒精超声清洗5min去除油墨。
步骤S40中，所述化学镀液包括：0.2mg/ml的氧化石墨烯水溶液，5mg/L的亚铁氰化钾，50g/L的次磷酸钠，0.8g/L的硫酸镍，20g/L的硼酸，0.3mol/L的甘氨酸，10g/L的无水硫酸铜，4mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH＝9。将待镀石英玻璃没入化学镀液中，化学镀液与待镀适应玻璃发生金属原子氧化还原反应，由于微纳结构处具有很强的表面结合力，铜粒子均匀地沉积在微纳结构形成精确的复杂电路图案。
步骤S50中，所述导电石英玻璃置入酒精溶液中，超声清洗8min。
经过以上步骤，本实施例在石英玻璃表面制得集成电路型电路图案，如图4所示；将导电石英玻璃置于酒精溶液中清洗多次，清洗溶液中无固体铜，铜粒子与微纳结构间具有较好的粘附性；井字型电路的电阻率为0.0180Ω·mm2/m，具有很好的导电性能。
实施例四
本实施例为实施例一在加工复杂电路图案的应用实施例，本实施例与实施例一类似，包括以下步骤：
S10.在石英玻璃表面制备吸光层得到待加工石英玻璃；
S20.飞秒激光加工控制系统根据待加工的电路图案设置飞秒激光器的加工参数，将步骤S10所述待加工石英玻璃加载于XYZ运动平台，飞秒激光加工控制系统控制XYZ运动平台运动及控制飞秒激光器工作，实现飞秒激光加工，在待加工石英玻璃表面诱导加工规则的微纳结构，本实施例用于加工复杂型电路图案；
S30.取下飞秒激光加工完成的石英玻璃，清洗去除吸光层，并进行干燥，得到待镀石英玻璃；
S40.将步骤S30中所述待镀石英玻璃没入化学镀液中，并在70℃恒温条件下加热化镀20min，在所述微纳结构处镀上导电层得到导电石英玻璃，所述电路图案的宽度为9μm；
S50.取出步骤S40中所述导电石英玻璃，清洗干燥。
步骤S30中，加工完成的石英玻璃经酒精超声清洗3min去除油墨。
步骤S40中，所述化学镀液包括：0.4mg/ml的氧化石墨烯水溶液，3mg/L的亚铁氰化钾，40g/L的次磷酸钠，1g/L的硫酸镍，40g/L的硼酸，0.5mol/L的甘氨酸，6g/L的无水硫酸铜，6mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH＝10。将待镀石英玻璃没入化学镀液中，化学镀液与待镀适应玻璃发生金属原子氧化还原反应，由于微纳结构处具有很强的表面结合力，铜粒子均匀地沉积在微纳结构形成精确的复杂电路图案。
步骤S50中，所述导电石英玻璃置入酒精溶液中，超声清洗5min。
经过以上步骤，本实施例在石英玻璃表面制得复杂型电路图案，如图5所示；将导电石英玻璃置于酒精溶液中清洗多次，清洗溶液中无固体铜，铜粒子与微纳结构间具有较好的粘附性；井字型电路的电阻率为0.01692Ω·mm2/m，具有很好的导电性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.在石英玻璃表面制备吸光层得到待加工石英玻璃；
S20.飞秒激光加工控制系统根据待加工的电路图案设置飞秒激光器的加工参数，将步骤S10所述待加工石英玻璃加载于XYZ运动平台，飞秒激光加工控制系统控制XYZ运动平台运动及控制飞秒激光器工作，实现飞秒激光加工，在待加工石英玻璃表面诱导加工规则的微纳结构；
S30.取下飞秒激光加工完成的石英玻璃，清洗去除吸光层，并进行干燥，得到待镀石英玻璃；
S40.将步骤S30中所述待镀石英玻璃没入化学镀液中，并在60℃～80℃条件下加热化镀15min～30min，在所述微纳结构处镀上导电层得到导电石英玻璃，所述电路图案的宽度为7μm～9μm；
S50.取出步骤S40中所述导电石英玻璃，清洗干燥。
2.根据权利要求1所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S10中，所述吸光层为采用油墨笔在需要加工的区域涂写得到或采用液态油墨在需要加工的区域喷涂得到。
3.根据权利要求2所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S20中，设置飞秒激光器参数为：激光波长为515nm，功率为1.04W，能量密度为2.079J/cm2，扫描速度为350mm/s，加工次数为1次。
4.根据权利要求3所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S30中，加工完成的石英玻璃经酒精超声清洗3min～5min去除油墨。
5.根据权利要求1至3任一项所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S40中，所述导电层选自铜层、镍层、锡层中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求5所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S40中，所述导电层为铜层。
7.根据权利要求6所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S40中，所述化学镀液包括：0.2mg/ml～0.4mg/ml的氧化石墨烯水溶液，3mg/L～5mg/L的亚铁氰化钾，40g/L～50g/L的次磷酸钠，0.8g/L～1g/L的硫酸镍，20g/L～40g/L的硼酸，0.3mol/L～0.5mol/L的甘氨酸，6g/L～10g/L的无水硫酸铜，4mol/L～6mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH至9～10。
8.根据权利要求7所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S40中，所述化学镀液包括：0.3mg/ml的氧化石墨烯水溶液，4mg/L的亚铁氰化钾，45g/L的次磷酸钠，0.9g/L的硫酸镍，30g/L的硼酸，0.4mol/L的甘氨酸，8g/L的无水硫酸铜，5mol/L的氢氧化钠溶液调节化学镀液的pH＝9.5。
9.根据权利要求6至8任一项所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S40中，待镀石英玻璃与化学镀液的化镀反应温度为恒温70℃，反应时间为20min。
10.根据权利要求1所述的在石英玻璃上制备复杂电路图案的方法，其特征在于，步骤S50中，所述导电石英玻璃置入酒精溶液中，超声清洗5min～8min。
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