CN110923624B - 一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法 - Google Patents

一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，所述离子束印刷系统包括放置在真空中的卷对卷印刷机以及安装在所述卷对卷印刷机上的中高能宽域离子源、中低能宽域离子源以及低能离子源；所述离子束印刷方法包括：对聚酰亚胺基体先涂覆干膜，按照预设电路图形对所述干膜进行刻蚀，然后采用离子束印刷系统在所述电路图形上沉积宽域能金属离子，形成薄膜基体，最后对所述薄膜基体进行干膜剥离，得到印刷电路板。本发明采用离子束印刷系统沉积宽域能金属离子，可以制备超精细的线路，其线宽线距可小于3微米，沉积膜层致密性好，膜层表面光滑特性好，制作成本低，适合高频高速传输应用，并且不存在电镀液污染环境的问题，更加环保。

Description

一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法
技术领域
本发明涉及电子线路印刷技术领域，特别是涉及一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法。
背景技术
随着科技的发展，特别是电子信息行业的飞速发展，对电子线路的要求越来越高。现在具有体积小、低耗能、重量轻等特点的电子产品越来越受到消费者的青睐。在轻型化和微型化的需求和发展趋势下，电子线路的线宽线距也越来越小。随着线宽线距减小，现有的蚀刻方法由于刻蚀液体具有表面张力，因此很难使刻蚀液渗入到线槽内进行刻蚀，或者部分进入到线槽内进行刻蚀，导致线槽内刻蚀不到或者刻蚀不干净的问题，这就使得制备的线路很难达到设计的要求。用现有的蚀刻方法做出的电子线路的线宽线距很难做到20微米以下，且成品率很低，制备成本高，这已成为限制电子信息行业发展的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，以解决现有的电子线路刻蚀方法做出的电子线路的线宽线距很难做到20微米以下，且制备的电子线路板成品率低、成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，所述离子束印刷系统包括放置在真空中的卷对卷印刷机以及安装在所述卷对卷印刷机上的中高能宽域离子源、中低能宽域离子源以及低能离子源；所述离子束印刷方法包括：
准备聚酰亚胺基体；
在所述聚酰亚胺基体表面涂覆干膜；
按照预设电路图形对所述干膜进行刻蚀，形成刻蚀后基体；
采用所述离子束印刷系统在所述刻蚀后基体的所述预设电路图形上沉积宽域能金属离子，形成金属薄膜基体；
将所述金属薄膜基体表面的干膜进行剥离，得到印刷电路板。
可选的，所述宽域能金属离子为镍离子或者铜离子；所述宽域能金属离子的能量范围为30ev-20Kev。
可选的，所述采用所述离子束印刷系统在所述刻蚀后基体的所述预设电路图形上沉积宽域能金属离子，形成金属薄膜基体，具体包括：
采用所述中高能宽域离子源产生的中高能宽域离子束对所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置进行表面处理，形成表面处理后的基体；
采用所述中低能宽域离子源产生的中低能宽域离子束在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置沉积超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体；
采用所述低能离子源产生的低能离子束在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置进行金属沉积加厚，形成所述金属薄膜基体。
可选的，所述采用所述中高能宽域离子源产生的中高能宽域离子束对所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置进行表面处理，形成表面处理后的基体，具体包括：
采用所述中高能宽域离子源在所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置注入中高能宽域离子束，注入电压为8～30kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×1015～1×1016个/cm2，注入深度为70～120nm。
可选的，所述采用所述中低能宽域离子源产生的中低能宽域离子束在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置沉积超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体，具体包括：
采用所述中低能宽域离子源在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置采用磁过滤沉积方式沉积一层超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体；所述磁过滤沉积方式采用的弧流为90～150A，弯管磁场电流为1.0～4.0A。
可选的，所述采用所述低能离子源产生的低能离子束在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置进行金属沉积加厚，形成所述金属薄膜基体，具体包括：
采用所述低能离子源在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置采用磁过滤沉积方式进一步沉积一层加厚金属层，形成所述金属薄膜基体；所述磁过滤沉积方式采用的弧流为100～150A，弯管磁场电流为2.0～4.0A。
可选的，所述中高能宽域离子源通过阴极脉冲触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出阳极外设置中高能射频电源；所述中高能射频电源的电压范围为0-1000V，频率范围为0.1-3MHz。
可选的，所述中低能宽域离子源通过直流触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出管道外设置中低能射频电源；所述中低能射频电源的电压范围为0-100V，频率范围为0.1-3MHz。
可选的，所述低能离子源通过直流触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出管道外无射频电源，但在引出管道上设置引出磁场。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，所述离子束印刷系统包括放置在真空中的卷对卷印刷机以及安装在所述卷对卷印刷机上的中高能宽域离子源、中低能宽域离子源以及低能离子源；所述离子束印刷方法包括：对聚酰亚胺基体先涂覆干膜，按照预设电路图形对所述干膜进行刻蚀，然后采用离子束印刷系统在所述电路图形上沉积宽域能金属离子，形成薄膜基体，最后对所述薄膜基体进行干膜剥离，得到印刷电路板。本发明采用离子束印刷系统沉积宽域能金属离子，可以制备超精细的线路，其线宽线距可小于3微米，沉积膜层致密性好，膜层表面光滑特性好，制作成本低，成品率高，适合高频高速传输等应用，同时不存在电镀液污染环境的问题，更加节能环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的离子束印刷系统的结构示意图；
图2为本发明提供的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法流程图；
图3为本发明提供的离子束印刷系统的中高能宽域离子源的原理示意图；
图4为本发明提供的离子束印刷系统的中低能宽域离子源的结构示意图；
图5为本发明提供的离子束印刷系统的低能离子源的结构示意图。
符号说明：
201第一中高能宽域离子源、202冷辊、203辅助辊、204第一中低能宽域离子源、205冷辊、206第二中低能宽域离子源、207不锈钢腔室、208第三中低能宽域离子源、209第二不锈钢腔室隔板、210收卷辊、211右下真空腔室、212低能离子源、213冷辊、214第二中高能宽域离子源、215第一准直检测器、216左真空腔室、217放卷室、218第二准直检测器、219第一不锈钢腔室隔板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，以解决采用现有的电子线路刻蚀方法做出的电子线路的线宽线距很难做到20微米以下，且制备的电子线路板成品率低、成本高的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的离子束印刷系统的结构示意图。图2为本发明提供的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法流程图。如图1、2所示，本发明所述的离子束印刷方法基于一种离子束印刷系统，所述离子束印刷系统包括放置在真空中的卷对卷印刷机以及安装在所述卷对卷印刷机上的中高能宽域离子源(包括第一中高能宽域离子源201和第二中高能宽域离子源214)、中低能宽域离子源(包括第一中低能宽域离子源204、第二中低能宽域离子源206和第三中低能宽域离子源208)以及低能离子源212。所述卷对卷印刷机包括各冷辊(202、205、213)、辅助辊203、收卷辊210、准直检测器(215、218)、放卷室217等必要部件。所述卷对卷印刷机的各部件分别放置在左真空腔室216、不锈钢腔室207以及右下真空腔室211提供的真空环境中。
具体的，左真空腔室216通过连接通道连接不锈钢腔室207，不锈钢腔室207的下侧连接右下真空腔室211。左真空腔室216内部设置有第一不锈钢腔室隔板219，该隔板219主要功能为保持压差，使得左真空腔室206上、下两部分存在103Pa的压差。不锈钢腔室207与右下真空腔室211之间设置有第二不锈钢腔室隔板209，该隔板209的主要功能是保持压差，使得不锈钢腔室207与右下真空腔室211存在103Pa的压差。所述第一中高能宽域离子源201、第二中高能宽域离子源214分别设置在左真空腔室216两侧。所述第一中低能宽域离子源204设置在不锈钢腔室207的一侧；所述第二中低能宽域离子源206和所述第三中低能宽域离子源208设置在所述不锈钢腔室207的另一侧。两个所述低能离子源212设置在右下真空腔室211内部。所述中高能宽域离子源、所述中低能宽域离子源以及所述低能离子源均至少设置两个，以实现电子线路的正反面印刷。
参见图1和图2，所述离子束印刷方法包括：
步骤1：准备聚酰亚胺(Polyimide，PI)基体。
步骤2：在所述聚酰亚胺基体表面涂覆干膜。
步骤3：按照预设电路图形对所述干膜进行刻蚀，形成刻蚀后基体。
基于设计的预设电路图形对干膜进行光刻，光刻出所需的预设电路图形。具体的，利用紫外光或者其他手段对干膜进行刻蚀，形成所需要的电路图形。然后基于所得的刻蚀后基体进行宽能域离子束印刷，在获得的电路图形上基于离子束技术进行宽域能离子束沉积。离子束进行处理过程中因为离子的半径为10-10m数量级，因此在超细线路处理过程中不存在因为线路过窄而发生的线路不完整、形状不一致等问题。最后对剩余干膜进行去除，从而得到印刷有预设电路图形的印刷电路板。
步骤4：采用所述离子束印刷系统在所述刻蚀后基体的所述预设电路图形上沉积宽域能金属离子，形成金属薄膜基体。
对所述刻蚀后基体的处理顺序为：先经过左真空腔室216，由第一中高能宽域离子源201以及第二中高能宽域离子源214产生的中高能宽域离子束对所述刻蚀后基体进行表面处理，具体为在所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置注入中高能宽域离子束，所述中高能宽域离子束中的宽能域金属离子为Ni(镍)或者Cu(铜)元素离子；然后经过不锈钢腔室207，由第一中低能宽域离子源204、第二中低能宽域离子源206以及第三中低能宽域离子源208产生的中低能宽域离子束进行超薄层金属沉积，金属沉积层的金属元素为Ni或Cu，且厚度为1～2nm；最后，经过右下真空腔室211，由低能离子源212产生的低能离子束进行金属加厚沉积，加厚沉积层的金属元素为Ni或Cu，且厚度为1～2微米。
进一步的，所述步骤4具体包括：
步骤401：采用所述中高能宽域离子源产生的中高能宽域离子束对所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置进行表面处理，形成表面处理后的基体。
图3为本发明提供的离子束印刷系统的中高能宽域离子源的原理示意图。如图3所示，所述中高能宽域离子源通过阴极脉冲触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出阳极外设置中高能射频电源产生射频电场，所述中高能射频电源的电压范围为0-1000V，频率范围为0.1-3MHz。脉冲触发形成等离子体后，先通过射频电场对等离子进行能域展宽，随后进入加速系统进行分别加速，最后进行引出得到宽域离子束。
具体的，所述中高能宽域离子源通过阴极脉冲触发形成等离子体，在引出阳极外设置射频电源，其中辅助射频电源共激发，随后不同能量的离子通过磁引出管道的加速系统离子进行二次加速，最终获得中高能宽域能离子束。
具体的，所述步骤401包括：采用所述中高能宽域离子源在所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置注入中高能宽域离子束，注入电压为8～30kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×1015～1×1016个/cm2，注入深度为70～120nm。
步骤402：采用所述中低能宽域离子源产生的中低能宽域离子束在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置沉积超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体。
图4为本发明提供的离子束印刷系统的中低能宽域离子源的结构示意图。如图4所示，所述中低能宽域离子源通过直流触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出管道外设置中低能射频电源，所述中低能射频电源的电压范围为0-100V，频率范围为0.1-3MHz。具体的，直流触发形成等离子体后经过阳极筒，随后进入到磁弯管内；进入磁弯管内先被射频磁场进行选择性加速，使其能量进行展宽，最后进行磁场引出，磁场由线圈产生；在磁弯管内始终受到磁弯管磁场的控制，弯管磁场主要作用是将中低能宽域离子束引出。
具体的，所述步骤402包括：采用所述中低能宽域离子源在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置采用磁过滤沉积方式沉积一层超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体；所述磁过滤沉积时，弧流为90～150A，弯管磁场电流为1.0～4.0A，弧流为阴极起弧电流，弯管磁场电流为引出磁场电流强度。
步骤403：采用所述低能离子源产生的低能离子束在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置进行金属沉积加厚，形成所述金属薄膜基体。
图5为本发明提供的离子束印刷系统的低能离子源的结构示意图。如图5所示，所述低能离子源通过直流触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在磁引出管道外无射频电源，但在磁引出管道上设置线圈，从而形成引出磁场。
具体的，所述步骤403包括：采用所述低能离子源在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置采用磁过滤沉积方式进一步沉积一层加厚金属层，形成所述金属薄膜基体；所述磁过滤沉积时，弧流为100～150A，弯管磁场电流为2.0～4.0A，弧流为阴极起弧电流，弯管磁场电流为引出磁场电流强度。
步骤5：将所述金属薄膜基体表面的干膜进行剥离，得到印刷电路板。
宽能域离子束处理完后，对所述金属薄膜基体表面的剩余干膜进行剥离，得到印刷有所需预设电路图形的印刷电路板(或称印刷线路板)。
本发明基于所述离子束印刷系统的宽域能离子源解决超精细线路的制备问题；通过宽能域离子束印刷的方法避开蚀刻这道工序，彻底解决了精密线路成型困难的技术瓶颈。
本发明的宽域能是通过在磁管道外设置射频电源共激发来实现的，所述射频电源的频率是来回进行扫描的，不同m/z(质子数/电荷数)的离子在不同时间段受到射频电源的共振激发，获得能量加速，其他m/z的离子不加速。因此离子产生时间段不同获得的能量也不一致，从而形成宽域能离子束。
采用本发明公开的离子束印刷方法，可以制备超精细的线路，其线宽线距可小于3微米，铜箔厚度最薄可为2微米。线路的铜膜是通过加成法沉积上的，沉积技术为宽能域离子束技术；宽能域离子束技术中能量范围为30ev-20Kev，其能量宽度大，沉积膜层致密性好，膜层表面光滑特性好，适合高频高速传输等应用。宽域离子束技术中能量的差别获取是通过射频电源实现，通过射频的频率与离子m/z发生共振吸收能量而得到加速。采用宽域离子束技术制备的线路板完全为环境友好型，可以摒弃传统的蚀刻液的污染问题，同时也不存在电镀污染的问题。
因此，本发明公开的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法与现有技术相比，主要有以下优势：
1、本发明方法将宽能域离子束沉积在聚合物基底表面，以宽能域中高能的离子注入形成高结合强度的金属层，与传统技术相比，本发明方法混合了低、中、高能的离子束沉积金属，能量选择性好，沉积致密性好，结合强度更高。能量高可直接注入在聚合物表面形成混合层，因此混合层和后续金属能进行很好的化学键合，结合强度大大增加。
2、本发明方法在印刷过程中分别使用了中高能宽域能离子束、中低能宽域能离子束以及低能离子束技术对基体进行处理；能量的控制主要通过辅助射频电源的电压、射频频率等参数进行控制，与传统的能量控制的方式有着明显的区别。本发明采用的射频电源频率可进行调控，频率的调控过程中可实现不同荷质比m/z的离子的加速和赋能。
3、本发明方法在镀铜时，由于仅对电路图形部分进行镀铜，故不需要刻蚀过程来刻蚀多余的铜，相比于传统技术，本发明采用的超精细宽能域离子束印刷技术过程中不引入蚀刻工序，不存在污染环境且难以处理的刻蚀废液，对环境无污染。
4、本发明提出的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其印刷电路的线宽线距仅限于光刻技术，现光刻技术可为纳米级，因此采用本发明方法制备的线宽线距可远低于现传统技术的20微米左右的线宽线距，对集成线路的轻型化和微型化提供了有力的手段。
5、本发明公开的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，因其宽能量域的特性，制备的铜膜致密性高，可制备铜箔的厚度最低可为2微米，相比传统的最薄铜厚度为7微米有很大的提升。
6、本发明公开的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法能解决传统技术解决不了的COF(覆晶薄膜)线路的制备问题，本发明方法的制备效果非常适合高精细COF线路的制备，其在平整性、线路质量等方面均得到了提高。
7、本发明提出的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，采用的是卷对卷处理方式，其处理效率和效能大大增加，比传统技术提高1-2倍产能，并且成品率高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述离子束印刷系统包括放置在真空中的卷对卷印刷机以及安装在所述卷对卷印刷机上的中高能宽域离子源、中低能宽域离子源以及低能离子源；所述离子束印刷方法包括：
准备聚酰亚胺基体；
在所述聚酰亚胺基体表面涂覆干膜；
按照预设电路图形对所述干膜进行刻蚀，形成刻蚀后基体；
采用所述离子束印刷系统在所述刻蚀后基体的所述预设电路图形上沉积宽域能金属离子，形成金属薄膜基体；
将所述金属薄膜基体表面的干膜进行剥离，得到印刷电路板；
所述采用所述离子束印刷系统在所述刻蚀后基体的所述预设电路图形上沉积宽域能金属离子，形成金属薄膜基体，具体包括：
采用所述中高能宽域离子源产生的中高能宽域离子束对所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置进行表面处理，形成表面处理后的基体；
采用所述中低能宽域离子源产生的中低能宽域离子束在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置沉积超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体；
采用所述低能离子源产生的低能离子束在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置进行金属沉积加厚，形成所述金属薄膜基体。
2.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述宽域能金属离子为镍离子或者铜离子；所述宽域能金属离子的能量范围为30ev-20k ev。
3.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述采用所述中高能宽域离子源产生的中高能宽域离子束对所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置进行表面处理，形成表面处理后的基体，具体包括：
采用所述中高能宽域离子源在所述刻蚀后基体表面的预设电路图形位置注入中高能宽域离子束，注入电压为8～30kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×1015～1×1016个/cm2，注入深度为70～120nm。
4.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述采用所述中低能宽域离子源产生的中低能宽域离子束在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置沉积超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体，具体包括：
采用所述中低能宽域离子源在所述表面处理后的基体表面的预设电路图形位置采用磁过滤沉积方式沉积一层超薄金属层，形成沉积超薄金属层后的基体；所述磁过滤沉积方式采用的弧流为90～150A，弯管磁场电流为1.0～4.0A。
5.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述采用所述低能离子源产生的低能离子束在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置进行金属沉积加厚，形成所述金属薄膜基体，具体包括：
采用所述低能离子源在所述沉积超薄金属层后的基体表面的预设电路图形位置采用磁过滤沉积方式进一步沉积一层加厚金属层，形成所述金属薄膜基体；所述磁过滤沉积方式采用的弧流为100～150A，弯管磁场电流为2.0～4.0A。
6.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述中高能宽域离子源通过阴极脉冲触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出阳极外设置中高能射频电源；所述中高能射频电源的电压范围为0-1000V，频率范围为0.1-3MHz。
7.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述中低能宽域离子源通过直流触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出管道外设置中低能射频电源；所述中低能射频电源的电压范围为0-100V，频率范围为0.1-3MHz。
8.根据权利要求1所述的基于离子束印刷系统的离子束印刷方法，其特征在于，所述低能离子源通过直流触发形成等离子体，通过磁管道进行引出，在引出管道外无射频电源，但在引出管道上设置引出磁场。
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