CN111681965B - 一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法，该方法基于激光加工技术在陶瓷基片上制作微通孔，辅助通孔填充与表面平坦化，膜层溅射、布线线条制作等流程，实现高密度微通孔双面互联光电陶瓷基片的制造。基于激光对AlN陶瓷的精细加工技术，研究高密度微通孔互连光电器件制作技术，通过对高密度微通孔双面互连技术，使得基片的双面通过通孔连接，通孔中填充的为Au，解决光电模块器件电路的背面也要具备相应的功能并与正面图形互连及可靠性问题；基于磁控溅射技术制备金属膜层，实现了高密度微通孔互连光电器件制作技术，通过金属化层进行图形化工艺技术，高效实现厚膜填孔工艺和薄膜图形化工艺的有效结合。
Description
【技术领域】
本发明属于光电基片的制造技术领域，具体涉及一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法。
【背景技术】
随着电子封装技术逐渐向着小型化、高密度、多功能和高可靠性方向的发展，对器件提出了更高的要求。光电基片作为微电子制造的核心器件，其高可靠组装必须与相应发展规划保持一致。为提高光电基片的组装密度，必须实现器件的高精度双面互连。目前，激光加工技术在航空、航天器部件的加工领域得到了广泛应用，如激光打孔技术和刻蚀技术。由于AlN陶瓷具有较高的硬度和热导率，且在该陶瓷上制作的Ti/Pt/Au膜层可得到性能优异的功率器件，因此使其在军用电子装备器件中受到广泛应用。但是薄膜工艺技术在AlN陶瓷上制备Ti/Pt/Au 膜层时存在众多问题，例如：薄膜方法制备该膜层流程多，工艺复杂，加工效率低；Pt膜层图形化难度大，同Au膜层同时图形化时，精度误差较大；膜层附着力差且成品率低等。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法；以克服现有技术中AlN陶瓷上制备Ti/Pt/Au膜层时，流程复杂，加工效率低，Pt 膜层图形化难度大，精度误差大等问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，在基片按照设计的形状制备所有通孔；
首先在基片涂覆光刻胶，然后通过激光打孔在基片上加工出通孔，通过磷酸去除基片上的熔渣和重铸层，去胶、清洗并烘干基片后制备出开设有通孔的薄膜基片，所述薄膜基片的两面均覆盖有薄膜，所述基片为AlN陶瓷材质；
步骤2，填充并抛光通孔；
在通孔内填充Au浆料，烧结后抛光，重复填充、烧结和抛光至通孔孔口处的金属浆料填充完全并平整，制得填充有金属浆料的薄膜基片；
步骤3，在填充有金属浆料的薄膜基片上制备表面金属并刻蚀图形；
通过磁控溅射方法在填充有金属浆料的基片的正面和背面上溅射Ti、Pt和Au金属层；溅射后通过激光在金属层上刻蚀出线条图形，得到刻蚀有图形的薄膜基片；
步骤4，切割刻蚀有图形的薄膜基片的边缘，得到边界光滑的薄膜基片，为高密度通孔互连的双面光电基片。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，所述基片粗糙度小于10nm；基片在涂覆光刻胶前通过酸性清洗剂和去离子水冲洗，冲洗后烘干，然后涂覆光刻胶。
优选的，步骤1中，所述通孔的直径为100μm，通孔进口孔径和出口孔径的误差均小于 4μm。
优选的，步骤1中，将带有通孔的薄膜基片在磷酸中浸泡，浸泡时间为12min，浸泡温度为80℃。
优选的，步骤2中，通过厚膜半自动印刷机在通孔内填充Au浆料，填充过程中返料速度为200mm/s—300mm/s，印刷行程为80mm—150mm，印刷压力为9kg—11kg，印刷速度为10mm/s—20mm/s。
优选的，步骤2中，烧结温度为855℃±10℃，烧结时间为12min±2min。
优选的，步骤2中，金属浆料填充完整后，通过X光检查填充效果，填充至通孔中的金属没有空隙。
优选的，步骤3中，Ti、Pt和Au金属层的厚度分别为70nm、140nm和3000nm。
优选的，步骤3中，通过皮秒激光加工机刻蚀图形，刻蚀功率为4W，刻蚀频率为 100～133.3KHz。
优选的，步骤4中，切割薄膜基片边缘时，切割速度为1mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法，该方法基于激光加工技术在陶瓷基片上制作微通孔，辅助通孔填充与表面平坦化，膜层溅射、布线线条制作等流程，实现高密度微通孔双面互联光电陶瓷基片的制造。基于激光对AlN陶瓷的精细加工技术，研究高密度微通孔互连光电器件制作技术，通过对高密度微通孔双面互连技术，使得基片的双面通过通孔连接，通孔中填充的为Au，解决光电模块器件电路的背面也要具备相应的功能并与正面图形互连及可靠性问题；基于磁控溅射技术制备金属膜层，实现了高密度微通孔互连光电器件制作技术，通过金属化层进行图形化工艺技术，高效实现厚膜填孔工艺和薄膜图形化工艺的有效结合。
进一步的，限定陶瓷基片表面的粗糙度，保证的加工的基片能够满足设计基片需求，在整个基片的处理前通过酸性清洗剂和去离子水去除基片表面的杂质。
进一步的，限制通孔的直径，保证加工出的通孔符合设计要求。
进一步的，激光加工陶瓷微孔表面熔渣及孔内的粗糙度直接影响金属浆料填充质量，同时激光与AlN之间作用容易使Al析出，使得本为绝缘体的AlN变成半导体，影响基片的绝缘性能。因此利用激光加工理论和优化工艺，研制出满足高密度布线需求的AlN基板，微通孔熔渣堆积和孔内粗糙度需辅助必要的化学处理方法，磷酸浸泡，以实现AlN基板激光加工析出Al的去除，保证基片绝缘性。
进一步的，采用厚膜浆料填充设备，优化浆料黏度、填充压力、流平时间、烧结参数等参数实现AlN基板微孔的填充，并采用X光等检查手段对AlN基板微孔填充效果进行检测，确保通孔互连可靠性。另外，厚膜填充烧结后，Au浆料的收缩不可避免会出现微孔出口处浆料下凹现象，影响后续基片表面布线质量与可靠性。基于此，采用多步复填工艺与抛光方法，实现微孔孔口处金属浆料填充完全且平整。
进一步的，金属层附着有三层，从下到上依次为Ti、Pt和Au，通过设置三层金属层，Ti 层能够增加其与AlN基板间的膜层附着力，Pt层能够减小电路中信号的损耗，Au层能够提高基片在组装过程中的可靠性。
进一步的，应用市场需要用到的Pt属于难腐蚀金属，而刻蚀方法的效率相对较差，使得激光膜层刻线方法的优势显著体现出来。采用激光直接烧蚀的方法，直接将不需要的部分烧蚀掉，避免复杂的涂胶-光刻工艺流程，提升生产效率。但在此项研究中不可避免会碰到激光与金属-陶瓷复合作用形成导电物质，降低基片布线线条间的绝缘电阻，使得线条间本应绝缘变成半导体状态，降低了基片互连可靠性。基于此，采用激光复烧技术，将激光加工过程中未完全去除的金属以及形成的金属-陶瓷固溶物去除掉，辅助激光加工工艺的优化，实现AlN陶瓷衬底金属激光高质量加工。
【附图说明】
图1为工艺总路线图；
图2为AlN基高密度通孔互连双面光电基片示意图；
图3为光电基片通孔示意图；
图4 为100μm通孔制作工艺流程图；
图5为AlN陶瓷基片100μm通孔示意图；
图6为基片填孔工艺流程图；
图7为厚膜浆料通孔填充示意图；
图8为通孔烧结温度曲线图；
图9为AlN薄膜基片通孔填充示意图；
图10为基片通孔填孔后X光图；
图11为AlN基板磁控溅射膜层剖面示意图；
图12为光电基片正面示意图；
其中：1-刮条；2-填孔浆料；3-漏板；4-薄膜基片；5-多孔石；6-真空；7-通孔；8-薄膜。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法；该方法基于激光加工技术在陶瓷基片制作的微通孔，辅助通孔填充与表面平坦化，膜层溅射、布线线条制作等流程，制作高密度微通孔双面互联陶瓷基片，使得制作出的基片能用作低成本芯片高密度封装用转接基片，实现芯片高效散热与封装尺寸的进一步缩小。参见图1，该方法具体包括以下步骤：
步骤1，通孔7制作：在尺寸为2in×2in，厚度为0.254mm，两表面粗糙度小于10nm的基片上，所述基片为AlN陶瓷基片，按照图2设计出如图3所示的通孔7，为保证基片的最大利用率和可靠性，设计出2行×4列的矩阵列。通孔7制作的操作流程如图4所示，具体步骤可分为5阶段。
步骤1.1基片清洗：将基片放置AP22酸性清洗剂中超声时间5min，再在去离子水中冲洗 5min，取出基片放入干燥箱中进行烘干，烘干温度为140℃，烘干时间为30min。
步骤1.2表面保护：使用匀胶机，在基片的一表面涂覆BN303-45型光刻胶，在温度为80℃时，烘干2min后，再在基片的另一面以同样的方式涂覆光刻胶，在温度为140℃时，烘干60min，在基片的正面和背面各自覆盖一层薄膜8，形成薄膜基片4。
步骤1.3激光打孔：使用光纤激光加工机，在功率为60W，脉宽为350ms，速率为0.3mm/s 时，在0.254mm的AlN陶瓷基片上加工出100μm的通孔7，通孔7进口孔径和出口孔径的误差均小于4μm。
步骤1.4熔渣和重铸层的去除：使用磷酸，在温度为80℃，浸泡12min，熔渣和重铸层全部去除，使通孔7侧壁的粗糙度小于5μm。
步骤1.5基片清洗：将基片放置去离子水中冲洗5min后，再把基片放入干燥箱中，在温度为200℃时烘干60min，制备的通孔7如图5所示，制备出带有通孔7的薄膜基片4。
该步骤的光电基片以氮化铝陶瓷为衬底，根据激光加工硬脆陶瓷的优点，采用旋切加工模式，在厚度为0.254mm的AlN陶瓷上加工出高质量100μm的微通孔7；使用高温磷酸对激光打孔周围的的熔渣及重铸层进行处理，满足后续无裂纹、无重铸层微通孔7的工艺要求；
步骤2通孔7填充及抛光：带有通孔7的薄膜基片4中填充孔工艺需要结合厚膜工艺，采用向薄膜基片4通孔7中填充厚膜浆料的方法可实现基片正反面的金属层化的电连接。具有填充孔的薄膜基片4的主要制作流程如图6所示。
步骤2.1薄膜基片4填孔
采用厚膜半自动印刷机，在薄膜基片4的填充孔中填充Au浆料；如图7所示，在条件：网版与薄膜基片4之间的间隙为1mm，返料速度为200mm/s—300mm/s，印刷行程为80mm—150mm，压力为9kg—11kg，填孔次数2次，印刷速度为10mm/s—20mm/s；通过优化 Au浆料黏度、流平时间等，对带有100μm通孔7氮化铝陶瓷薄膜基片4进行印刷填孔。
步骤2.2烘干
采用链式烘干炉，在条件：烘干温度150℃±5℃，烘干时间10min±5min，带速150mm/min—200150mm/min时，对填充有Au浆料的薄膜基片4进行烘烤。
步骤2.3烧结
采用链式烧结炉，在条件：烧结温度855℃±10℃，烧结时间12min±2min，炉带速度 4in/mim±0.5in/mim，按照图8烧结曲线对填充Au浆料的薄膜基片4进行烧结。
步骤2.4基片4抛光：
采用10000目水砂纸，结合去离子水，手动对填有Au浆料且烧结后的薄膜基片4进行抛光。由于该砂纸较细，不会对薄膜基片4造成影响，薄膜基片4上没有划痕出现；仅抛光掉多余的Au，且效率较高。
重复步骤2.1—2.4，不仅实现薄膜基片4上高深宽比微孔的完全填充和烧结，还能够保证薄膜基片4表面的粗糙度。
步骤2.5检验
采用台阶仪对抛光后的薄膜基片4进行粗糙度测试，使薄膜基片4的粗糙度保持在20nm 左右。采用X光等检查手段对AlN基板微孔填充效果进行检测，确保通孔7互连可靠性，图9为AlN薄膜基片4通孔7填充示意图，由图可以看到，通孔7填孔较平整，无多余Au出现，图10为薄膜基片4的通孔7填孔后X光图，由图可以看到无空隙存在，说明用该方法填孔的通孔7比较致密，没有裂纹、空隙等缺陷的存在，能够保证薄膜基片4在GJB中环境考核试验。
采用如图7所示厚膜浆料填充设备，优化浆料黏度、填充压力、流平时间、烧结参数等参数实现AlN基板上高深宽比微孔的填充，并通过多步复填工艺与抛光方法，实现微孔孔口处金属浆料填充完全且平整；并采用X光等检查手段对AlN基板微孔填充效果进行检测，确保通孔7互连可靠性。另外，为保证微孔孔口处金属浆料填充完全且平整，工艺中还使用了多步复填工艺与抛光技术。
该步骤中，采用厚膜浆料填充设备，优化浆料黏度、填充压力、流平时间、烧结参数等参数实现AlN基板微孔的填充，并采用X光等检查手段对AlN基板微孔填充效果进行检测，确保通孔7互连可靠性。另外，厚膜浆料填充不可避免会出现微孔孔口处填充不完全导致下凹现象，影响后续薄膜基片4表面布线质量与可靠性。基于此，采用多步复填工艺与抛光方法，实现微孔孔口处金属浆料填充完全且平整。
步骤3表面金属化及图形化：采用磁控溅射技术在带填充有浆料的薄膜基片4的正面和背面溅射Ti/Pt/Au膜层，膜层厚度均为70nm/140nm/3000nm，如图11所示，具体的先溅射出正面或背面的Ti/Pt/Au膜层，再溅射出另一面的Ti/Pt/Au膜层。采用皮秒激光加工机，功率设置在4W，频率为100～133.3KHz，通过控制激光扫描速度和工件台位移，按照如图12所示的图形，加工出高精度的正面特定图形，另外由于该薄膜基片4背面为一整面大面积图形，只需要按照要求，背面刻蚀出划片道即可。激光烧蚀金属膜层时，不可避免的会烧蚀AlN陶瓷基板，AlN被还原导电物质，降低了薄膜基片4布线线条间的绝缘电阻，使得线条间本应绝缘变成半导体状态。基于此，采用激光复烧技术，增加激光加工频率，将加工过程中未完全去除的金属以氧化物形成去除掉，实现AlN陶瓷衬底金属激光高质量加工。
由于激光在刻蚀薄膜基片4有效面积上均匀分布，各点的刻蚀速率一致，刻蚀出的线条均匀性较好，精度高，因此可以大幅度提高产能、加快研制速率、产品成品率高、图形完整、阻值误差小。
应用市场需要用到的Pt属于难腐蚀金属，而刻蚀方法的效率相对较差，使得激光膜层刻线方法的优势显著体现出来。采用激光直接烧蚀的方法，直接将不需要的部分烧蚀掉，避免复杂的涂胶-光刻工艺流程，提升生产效率。但在此项研究中不可避免会碰到激光与金属-陶瓷复合作用形成导电物质，降低薄膜基片4布线线条间的绝缘电阻，使得线条间本应绝缘变成半导体状态，降低了薄膜基片4互连可靠性。基于此，采用激光复烧技术，将激光加工过程中未完全去除的金属以及形成的金属-陶瓷固溶物去除掉，辅助激光加工工艺的优化，实现AlN陶瓷衬底金属激光高质量加工。
步骤4高精度切割
使用砂轮划片机，采用树脂基结合剂的刀片P1A851对薄膜基片4进行切割，在主轴转速 20000r/min，划切速度为1mm/s时进行划片，划片后可得到高精度、近似无锥度、边界界面光滑的薄膜基片4，如图12所示。最后，使用砂轮切割，实现AlN基高密度微通孔7双面互连光电基片的制造。
综合以上工艺，可完成以厚度为0.254mm的AlN陶瓷基片为衬底，高密度100μm通孔7为互连的光电基片的制造。
本发明公开了一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法，具体包括：(1)超薄硬脆陶瓷上高密度通孔激光打孔技术，以0.254mm厚AlN陶瓷为衬底，激光制作高密度100μm 的微通孔7，通孔7进口孔径和孔径的误差均小于4μm；(2)微通孔7重铸层去除技术，采用磷酸腐蚀通孔7周围及内壁的重铸层，通孔7侧壁无重铸层且粗糙度小于5μm；(3)厚膜浆料微通孔7填充及抛光技术，使用厚膜Au浆料填充设备对带有100μm通孔7的AlN基片进行填充，填充烧结后抛光使基片表面粗糙度小于20nm；(4)膜层皮秒刻线技术，基于磁控溅射技术制备Ti/Pt/Au膜层，利用皮秒激光加工设备，加工出的高精度的特定图形，使其线条间距满足±2μm误差，膜层表面粗糙度小于10nm，产品成品率大于98％；(5)高精度无锥度砂轮划片技术，使用高精度、无锥度金刚石砂轮切割技术，使其基片边沿精度满足50μm±15 μm精度。
本发明基于激光加工技术在陶瓷基片制作的微通孔7，辅助通孔7填充与表面平坦化，膜层溅射、布线线条制作等流程，制作高密度微通孔7双面互联陶瓷基片，使得该基片能够用作低成本芯片高密度封装用转接基片，实现芯片高效散热与封装尺寸的进一步缩小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高密度通孔互连的双面光电基片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在基片按照设计的形状制备所有通孔(7)；
首先在基片涂覆光刻胶，然后通过激光打孔在基片上加工出通孔(7)，通过磷酸去除基片上的熔渣和重铸层，去胶、清洗并烘干基片后制备出开设有通孔(7)的薄膜基片(4)，所述薄膜基片(4)的两面均覆盖有薄膜(8)，所述基片为AlN陶瓷材质；所述光刻胶为BN303-45型光刻胶；
步骤1中，所述通孔(7)的直径为100μm，通孔(7)进口孔径和出口孔径的误差均小于4μm；步骤1中，将带有通孔(7)的薄膜基片(4)在磷酸中浸泡，浸泡时间为12min，浸泡温度为80℃；
所述基片粗糙度小于10nm；基片在涂覆光刻胶前通过酸性清洗剂和去离子水冲洗，冲洗后烘干，然后涂覆光刻胶；
步骤2，填充并抛光通孔(7)；
在通孔(7)内填充Au浆料，烧结后抛光，重复填充、烧结和抛光至通孔(7)孔口处的金属浆料填充完全并平整，制得填充有金属浆料的薄膜基片(4)；
步骤2中，通过厚膜半自动印刷机在通孔(7)内填充Au浆料，填充过程中返料速度为200mm/s—300mm/s，印刷行程为80mm—150mm，印刷压力为9kg—11kg，印刷速度为10mm/s—20mm/s；
步骤2中，烧结温度为855℃±10℃，烧结时间为12min±2min；
步骤2中，金属浆料填充完整后，通过X光检查填充效果，填充至通孔(7)中的金属没有空隙；
步骤3，在填充有金属浆料的薄膜基片(4)上制备表面金属并刻蚀图形；
通过磁控溅射方法在填充有金属浆料的基片的正面和背面上溅射Ti、Pt和Au金属层；溅射后通过激光在金属层上刻蚀出线条图形，得到刻蚀有图形的薄膜基片(4)；
激光在刻蚀薄膜基片(4)有效面积上均匀分布，各点的刻蚀速率一致，刻蚀出的线条均匀性较好；
步骤3中，Ti、Pt和Au金属层的厚度分别为70nm、140nm和3000nm；
步骤3中，通过皮秒激光加工机刻蚀图形，刻蚀功率为4W，刻蚀频率为100～133.3KHz；
步骤4，切割刻蚀有图形的薄膜基片(4)的边缘，得到边界光滑的薄膜基片(4)，为高密度通孔互连的双面光电基片；
步骤4中，切割薄膜基片(4)边缘时，切割速度为1mm/s。
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