CN110729173A - 一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，属于微波集成电路精细加工技术领域。采用特定性能的紫外激光对上述基板表层进行阵列刻线式刻蚀粗化处理，采用特定的温度曲线，在高温条件下对上述经过粗化后的基板进行高温煅烧，使得基板表面获得的粗糙度Ra值稳定在0.25～0.3mm范围内，并具有良好的粗化均匀性，提高了高介电常数基板作为基材在制作微波集成薄膜电路的过程中金属膜层与基材的附着力。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，属于微波集成电路精细加工技术领域，所述的高介电常数陶瓷基板是指TD-36基板或SF210K基板。
背景技术
微波集成电路薄膜陶瓷基片(简称MIC片)的电路图形具有多层金属结构，一般基材为硬质陶瓷。因金属膜层需要耐受微波组装过程，先后涉及到的焊接、金丝键合、金带键合以及导电胶粘接等多种外界作用，故而对金属膜层附着力的要求很高。其中最主要的两项指标包括：1.要求250μm金带压焊的破坏性拉力值在50g以上；2.要求0.5mm直径的镀银丝焊环破坏性拉力值在3Kg以上。
高介电常数基板属于陶瓷体系基板，主要以锆酸镁盐、钛酸盐、稀土成分和硅酸盐等多种混合物混合烧结而成。此基板的应用对于星载功率部件小型化、轻量化有重要意义。但由于高介电常数基板具有极高的表面光洁度，这使得在对基板表面不作任何处理的情况下，仅使用常规的薄膜制作工艺加工的电路图形，基板表面的金属膜层附着力较差，仅能耐受金丝键合以及导电胶粘接，在业内普遍限制了其上组装工艺的应用。另外该类基板还具有较高的硬度以及良好的化学抗腐蚀性能，传统的物理研磨、等离子微蚀以及化学腐蚀等粗化技术均不适用于该类材料。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足之处，提供了一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，解决了高介电常数基板在薄膜领域的金属附着力差的问题，为该类基板材料的广泛应用提供可能。
本发明的技术方案是：
一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，步骤如下：
(1)在待加工的高介电常数陶瓷基板(以下简称基板)的上表面和下表面分别进行粗化处理；
(2)对粗化处理后的基板进行清洗；
(3)对清洗后的基板进行高温煅烧；
(4)使用磁控溅射工艺在高温煅烧后的基板上表面和下表面分别制作薄膜金属层，随后进行图形制作，得到所需微波电路图形。
所述的步骤(1)中，待加工的高介电常数陶瓷基板是指介电常数为36.5±2的TD-36基板或介电常数为21.5±0.5的SF210K基板；
所述的步骤(1)中，粗化处理是指采用紫外激光进行阵列刻线式刻蚀粗化处理，紫外激光的波长为365nm，紫外激光的频率为60KHz，紫外激光的平均输出功率为2.3W；紫外激光的粗化模式为阵列刻线式刻蚀粗化过程，紫外激光的光斑直径为18μm，阵列刻线间距为13μm，离焦量为100μm，刻线重复2遍，重复模式为横纵叠加；
所述的步骤(2)中，对粗化处理后的基板进行清洗是指首先使用研磨剂对基板表面进行抛擦，然后使用去离子水反复冲洗，最后将基板依次放入到丙酮、乙醇中进行超声清洗，超声清洗结束后使用去离子水反复冲洗，将冲洗后的基板放入到铬酸中浸泡，浸泡时间为12-16h，浸泡结束后使用去离子水反复冲洗；再将基板放入到去离子水中煮沸5-10min，再放入到乙醇中进行超声脱水3-5min，超声脱水结束后在红外灯下烘烤30-60s；
所述的研磨剂为含有碳酸钙、磷酸氢钙、焦磷酸钙以及二氧化硅等成分的膏状物，主要起到物理摩擦去除颗粒污渍的作用；
所述的步骤(3)中，高温煅烧工艺为：
第一阶段，从室温升温至200℃，升温时间为8min；
第二阶段，从200℃升温至400℃，升温时间为15min；
第三阶段，从400℃升温至830℃，升温时间为30min，保温时间60min；
第四阶段，从830℃降温至600℃，降温时间为17min；
第五阶段，从600℃自然降温至室温；
通过高温煅烧，使经过紫外激光刻蚀粗化后凹凸起伏刻痕过于锐利的状态得到改善，提高基板表面膜层沉积的均匀性，减少缺陷，可以有效避免在后续图形制作过程中，金属膜层腐蚀不净，残留缺陷的产生，降低图形加工难度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用“紫外激光刻蚀粗化”方式，在高介电常数基板的正反表面制作出一层厚度约为几微米、具有凹凸起伏形态的刻痕锐利的激光刻蚀层，该刻蚀层可使基材表面得到一定的粗化。随后在特定的温度曲线控制下，通过高温煅烧，使经过紫外激光刻蚀粗化后的刻痕过于锐利的状态得到改善。可以有效避免在后续图形制作过程中，金属膜层腐蚀不净，残留缺陷的产生，降低图形加工的难度。
(2)本发明由于直接在基材表层上进行粗化处理，对于常规的薄膜制作工艺技术而言，不影响掩膜版、磁控溅射、电镀等工序的加工制作。同时由于粗化刻蚀层经过高温煅烧后，改善了凹凸起伏刻痕过于锐利的粗化状态，大大降低了光刻工序中，图形腐蚀金属膜层残余的风险，提高了光刻工序的产品一次交验合格率，对光刻工序也没有本质影响，不增加操作难度。相对于现有的薄膜制作工艺技术也不需要增加额外的化学材料或者工装工具，可以广泛应用于相关材料薄膜电路产品的制作工艺中。
(3)本发明一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，包括：提供待粗化的特定高介电常数基板，介电常数为36.5±2的TD-36基板以及介电常数为21.5±0.5的SF210K基板；采用特定性能的紫外激光对上述基板表层进行阵列刻线式刻蚀粗化处理，并反复叠加2次，使得基板获得具有均匀凹凸起伏状态刻痕的粗化表面；采用特定的温度曲线，在高温条件下对上述经过粗化后的基板进行高温煅烧，使得基板表面获得的粗糙度Ra值稳定在0.25～0.3mm范围内，并具有良好的粗化均匀性，提高了高介电常数基板作为基材在制作微波集成薄膜电路的过程中金属膜层与基材的附着力。本发明的优点在于，采用紫外激光表面粗化与高温煅烧相结合的新颖方式，制作出表面粗糙度稳定均匀的基板表面，在提高了金属膜层附着力的同时不增加常规薄膜电路制作工艺的难度，提高了高介电常数基板作为基材制作微波集成薄膜电路的产品良率及可靠性能。
附图说明
图1是高介电常数基板结构示意图；
图2是紫外激光原理示意图；
图3是紫外激光在基板材料上阵列刻线式刻蚀示意图；
图4是紫外激光在基板材料上刻蚀重复叠加示意图；
图5是经过紫外激光粗化后基板正反面结构示意图；
图6是高温煅烧温度曲线示意图；
图7是高温煅烧前后刻蚀层局部放大对比图；
图8是高介电常数微波电路基板正面电路结构示意图；
图9是高介电常数微波电路基板侧面电路结构示意图。
具体实施方式
紫外激光粗化是利用特定的紫外激光器，通过控制激光参数等一系列操作，利用紫外激光的能量，在待加工基板的表面，以直线行进的方式浅浅的刻蚀出排列紧密的微细沟槽，经过横、纵反复两次的叠加刻蚀，在基板表面刻蚀出齿牙状凹凸起伏的粗化结构，以达到破坏基板表面光亮平整的效果。再经过高温煅烧，使粗化后的基板表面轻微熔融，适当的消弱凹凸起伏结构“峰”“、“谷”处的锐利结构，使紫外激光刻蚀后的粗化结构得到一定程度的“润化”。最终获得粗化效果均匀，Ra值在0.25～0.3mm之间的粗化表面，最终达到提高金属膜层附着力的目的。
针对高介电常数基板在微波集成电路制作过程中，金属膜层附着力差的问题，本发明提出了一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，结合图1至图9所示，包括如下流程步骤：
a)准备特定的高介电常数基板1，如图1所示。
b)采用特定的紫外激光对上述基板的正面进行阵列刻线式刻蚀粗化处理，如图2所示，紫外激光束2按照线性轨迹运动作用于高介电常数基板1的表面，在激光能量的作用下，将表面部分材料烧蚀成气化物3而去除。在基板表面形成凹陷4和凸起5。如图3所示，随着激光位移，激光的圆形光斑6重复堆叠形成规律排布的线性激光刻痕7。这一过程所使用的激光参数为：紫外激光的波长365nm，频率为60KHz，平均输出功率为2.3W，紫外激光光斑6直径为18μm，阵列刻线间距d为13μm，离焦量为100μm，以此来控制激光刻痕的深度及刻痕间距。横向刻蚀高介电常数基板1的表面之后，需要在纵向上再反复重叠刻蚀一次，做出纵向排列的激光刻痕8，如图4所示。横纵重复刻蚀之后，将高介电常数基板1翻面，按照上述过程及参数，在基板背面进行刻蚀粗化，完成紫外激光刻蚀粗化处理的基板如图5所示，正反两面均存在一层厚度为几微米的粗化表层9、10。
c)对粗化后的基板进行清洗；进行清洗是指首先使用研磨剂对基板表面进行抛擦，然后使用去离子水反复冲洗，最后将基板依次放入到丙酮、乙醇中进行超声清洗，超声清洗结束后使用去离子水反复冲洗，将冲洗后的基板放入到铬酸中浸泡，浸泡时间为12-16h，浸泡结束后使用去离子水反复冲洗；再将基板放入到去离子水中煮沸5-10min，再放入到乙醇中进行超声脱水3-5min，超声脱水结束后在红外灯下烘烤30-60s；
d)将清洗后的基板放入高温炉内，按照如6所示的加热曲线，对基板进行高温煅烧，其中T1、T2、T3为控制升温阶段，T4为恒温阶段，T5为控制降温阶段，T6为自然降温阶段，具体如下：
T1阶段：时间8min，目标温度200℃；
T2阶段：时间15min，目标温度400℃；
T3阶段：时间30min，目标温度830℃；
T4阶段：时间60min，目标温度830℃；
T5阶段：时间17min，目标温度600℃；
如图7所示，经过高温煅烧之后，高介电常数基板的表面状态由11转变为12，锐利状态得到改善。
e)如图8、图9所示，使用磁控溅射工艺在高温煅烧后的基板表面制作薄膜金属层13，随后进行图形制作，得到所需微波电路图形13。
对得到的微波电路图形13分别进行镀银丝焊环破坏性拉力以及金带压焊破坏性拉力测试，结果分别如下：
1.要求250μm金带压焊的破坏性拉力值在50g以上，实测TD-36基板的平均值可以达到130g，最优可以达到160g以上，实测SF210K基板的平均值可以达到78g，最优可以达到90g以上。
2.要求0.5mm直径的镀银丝焊环破坏性拉力值在3Kg以上，实测TD-36基板的平均值可以达到3.8Kg，最优可以达到4.5Kg以上，实测SF210K基板的平均值可以达到3.2Kg，最优可以达到4Kg以上。
不同的基板材料所需要的粗化表层不尽相同，粗化层或者Ra值的确定需要根据组装环节对于金属膜层附着力的需求而定。通过调整紫外激光的粗化刻蚀参数以及高温煅烧曲线可以获得不同粗糙度的粗化表面。从而解决高介电常数基板金属膜层附着力差的问题，有效提高了产品质量以及组装应用的可靠性。
本发明对常规微波薄膜制作工艺中的掩膜版制作、电镀、光刻以及磁控溅射等工序没有本质影响，不增加操作难度，也不需要增加额外的材料或者工装工具，可以广泛应用于相关薄膜电路的制作工艺中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于步骤如下：
(1)在待加工的高介电常数陶瓷基板的上表面和下表面分别进行粗化处理；
(2)对粗化处理后的基板进行清洗；
(3)对清洗后的基板进行高温煅烧；
(4)使用磁控溅射工艺在高温煅烧后的基板上表面和下表面分别制作薄膜金属层。
2.根据权利要求1所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：在步骤(4)的薄膜金属层上进行图形制作，得到所需微波电路图形。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，待加工的高介电常数陶瓷基板是指介电常数为36.5±2的TD-36基板。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，待加工的高介电常数陶瓷基板是指介电常数为21.5±0.5的SF210K基板。
5.根据权利要求1或2所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，粗化处理是指采用紫外激光进行阵列刻线式刻蚀粗化处理。
6.根据权利要求5所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：紫外激光的波长为365nm，紫外激光的频率为60KHz，紫外激光的平均输出功率为2.3W。
7.根据权利要求5所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：紫外激光的光斑直径为18μm，阵列刻线间距为13μm，离焦量为100μm。
8.根据权利要求5所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：刻线重复2遍，重复模式为横纵叠加。
9.根据权利要求1或2所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，对粗化处理后的基板进行清洗过程为：
第一步，使用研磨剂对基板表面进行抛擦，抛擦后使用去离子水反复冲洗，然后将基板放入到丙酮中进行超声清洗，最后将基板放入到乙醇中进行超声清洗；
第二步，超声清洗结束后使用去离子水反复冲洗，将冲洗后的基板放入到铬酸中浸泡，浸泡时间为12-16h，浸泡结束后使用去离子水反复冲洗；
第三步，冲洗结束后再将基板放入到去离子水中煮沸5-10min，煮沸结束后再放入到乙醇中进行超声脱水3-5min，超声脱水结束后在红外灯下烘烤30-60s。
10.根据权利要求1或2所述的一种提高高介电常数陶瓷基板金属膜层附着力的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，高温煅烧工艺为：
第一阶段，从室温升温至200℃，升温时间为8min；
第二阶段，从200℃升温至400℃，升温时间为15min；
第三阶段，从400℃升温至830℃，升温时间为30min，保温时间60min；
第四阶段，从830℃降温至600℃，降温时间为17min；
第五阶段，从600℃自然降温至室温。
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2019
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