CN113045209A - 一种玻璃通孔加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种玻璃通孔加工方法，包括：将待加工的平板玻璃置于碱性溶液超声清洗，用去离子水进行冲洗并干燥；采用激光对平板玻璃的目标区域进行照射；通过蚀刻液对平板玻璃进行刻蚀以形成通孔；对蚀刻后的平板玻璃进行超声清洗；按重量份计，蚀刻液按以下组份配制而成：氢氟酸40wt.％10～40份；纯水50～200份；辅酸1～40份；盐0.1～10份；表面活性复配剂0.05～5份；表面活性复配剂由表面活性剂与醋酸或含有1～3个碳原子的醇按照1:1～10比例复配而成；表面活性剂为辛基苯基聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵、α‑烯基磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种。该加工方法打孔良率高，且孔壁光滑规整。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种用作电子封装基板的玻璃通孔加工方法。
背景技术
凭借着出色的化学、机械、电学及光学特性，玻璃在电子行业应用越来越广。除了在CMOS图像传感器(CIS)、微流控及传感器上有较成熟的应用外，玻璃在微电子封装技术领域具有广泛的应用前景，可作为晶圆级封盖和封装基板。
目前的玻璃微加工主要有湿法刻蚀、喷砂、光敏玻璃、等离子体刻蚀、聚焦放电、激光烧蚀等方法。但由于玻璃材料的易碎性和化学惰性，上述的方法普遍效率低且良率低，难以实现量产。其中，激光烧蚀及聚焦放电可以快速加工出玻璃通孔/盲孔，但由于热应力极易出现微裂纹，且孔壁粗糙。
因此，研发一种打孔良率高且孔壁光滑规整的加工方法，以满足玻璃在微电子领域的应用，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃通孔加工方法，该加工方法打孔良率高，且孔壁光滑规整。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种玻璃通孔加工方法，包括以下步骤：
S10、将待加工的平板玻璃置于碱性溶液进行超声清洗，然后用去离子水进行冲洗并干燥；
S20、采用激光对平板玻璃的目标区域进行照射，使所述目标区域的玻璃发生改性；
S30、通过蚀刻液对平板玻璃进行刻蚀，使所述目标区域的玻璃脱落以形成通孔；
S40、对蚀刻后的平板玻璃进行超声清洗，以清除孔壁残留物及残留蚀刻液；
其中，按重量份计，所述蚀刻液按以下组份配制而成：
氢氟酸40wt.％10～40份，例如10份、10.5份、10.8份、11份、11.2份、11.5份、12份、12.5份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、27份、28份、30份、32份、34份、35份、38份或者40份；
纯水50～200份，例如50份、51份、52份、53份、55份、58份、60份、62份、65份、68份、70份、72份、75份、78份、80份、85份、90份、95份、100份、105份、110份、120份、130份、140份、150份、160份、170份、180份、190份或者200份；
辅酸1～40份，例如1份、1.1份、1.3份、1.5份、1.8份、2.份、2.5份、3份、3.5份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份、10.5份、10.8份、11份、11.2份、11.5份、12份、12.5份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、27份、28份、30份、32份、34份、35份、38份或者40份；
盐0.1～10份，例如0.1份、0.12份0.15份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、1份、1.1份、1.3份、1.5份、1.8份、2.份、2.5份、3份、3.5份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或者10份；
表面活性复配剂0.05～5份，例如0.05份、0.08份、0.1份、0.12份0.15份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、1份、1.1份、1.3份、1.5份、1.8份、2.份、2.5份、3份、3.5份、4份或者5份；
所述表面活性复配剂由表面活性剂与醋酸或含有1～3个碳原子的醇按照1：1～10(优选为1:4)比例复配而成；所述表面活性剂为辛基苯基聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵、α-烯基磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种。
本发明中，改性后的平板玻璃在采用传统的蚀刻液刻蚀时，会在刻蚀表面产生氢气泡，而氢气泡下的区域无法接触蚀刻液而形成金字塔状凸起，本发明优选辛基苯基聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵、α-烯基磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种作为表面活性剂，一方面，该表面活性剂与缓蚀剂醋酸或者含有1～3个碳原子的醇按照特定比例复配，可以提高表面活性剂的分子层的表面张力，破坏氢气泡的成长并使得生成的气泡更容易从溶液中排出，从而减少金字塔状凸起的形成，改善通孔内壁的表面粗糙度；另一方面，醋酸、含有1～3个碳原子的醇作为表面活性剂的缓蚀剂，与表面活性剂辛基苯基聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵、α-烯基磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种按照1：1～10比例复配之后添加到蚀刻液中，可以增强刻蚀溶液的润湿性能，使其能深入玻璃孔内部发生反应，以改善玻璃通孔的形貌，有利于电镀的等壁填充，同时防止刻蚀产物再次附着在玻璃表面。
本发明采用激光对玻璃内部微结构进行改性，以破坏玻璃内部的化学键，使目标区域的玻璃性质发生变化，更易于与本发明中特定的刻蚀溶液发生化学反应。
本发明所研制出的特定的蚀刻液，与未激光改性的玻璃表面几乎不反应，不会对玻璃表面产生刻蚀作用。而对玻璃已改性的区域，会发生化学反应进而产生刻蚀效果。
本发明中，含有1～3个碳原子的醇优选为乙二醇。
步骤S10中，碱液优选NaOH溶液，对玻璃进行超声清洗，能除去玻璃表面的有机污渍，同时使玻璃表面润湿性增强，以利于玻璃刻蚀处理。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，所述辅酸为硫酸、磷酸、硝酸中的一种或多种。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，所述辅酸的质量分数为50wt.％。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，所述盐为氯化钾、硫酸铜、硝酸钠、磷酸二氢钠、氯化铁、氟化氢钾、氟化氢铵、氟化铵中的一种或多种。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，步骤S30中的刻蚀时间为15～60min。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，所述蚀刻液的温度为20～60℃，例如20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、30℃、32℃、35℃、38℃、40℃、42℃、45℃、48℃、50℃、55℃、58℃或者60℃。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，所述平板玻璃为钠钙酸盐玻璃、高硅氧玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，发射所述激光的激光器的类型为红宝石光纤激光器、Nd3+:YAG光纤激光器、Nd:YLF光纤激光器、Nd:YVO4光纤激光器、钛蓝宝石激光器、二氧化碳激光器、准分子激光器中的任一种。
作为玻璃通孔加工方法的一种优选方案，发射所述激光的激光器的类型为钛蓝宝石飞秒激光器，脉冲能量为2uJ，激光扫描速度为0.35mm/s。采用该参数下的激光对平板玻璃的目标区域进行改性，可以使最终加工制得的玻璃通孔的深径比L/D高达15:1。
本发明的有益效果：本发明采用激光对平板玻璃的目标区域进行刻蚀以破坏对该目标区域内的化学键，使目标区域的玻璃性质发生变化，再将氢氟酸40wt.％、辅酸、盐、纯水以及表面活性复配剂按照特定重量份复配作为蚀刻液，用以对平板玻璃的改性区域进行刻蚀，以形成孔壁光滑规整的玻璃通孔。
采用本发明的蚀刻液对改性后的平板玻璃进行刻蚀时，一方面，由于蚀刻液中的表面活性剂与缓蚀剂醋酸或者含有1～3个碳原子的醇按照特定比例复配，可以提高表面活性剂的分子层的表面张力，破坏氢气泡的成长并使得生成的气泡更容易从溶液中排出，从而减少金字塔状凸起的形成，改善通孔内壁的表面粗糙度；另一方面，可以增强刻蚀溶液的润湿性能，使其能深入玻璃孔内部发生反应，以改善玻璃通孔的形貌，有利于电镀的等壁填充，同时防止刻蚀产物再次附着在玻璃表面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1所述的玻璃通孔的加工方法的流程示意图。
图2是本发明实施例5所述的玻璃通孔的加工方法的流程示意图。
图3是本发明实施例1的电镀填孔测试后的示意图。
图4是本发明对比例1的电镀填孔测试后的示意图。
图5是本发明实施例1-4及对比例1-2加工后的玻璃通孔孔壁的SEM图。
图中：
1、平板玻璃；2、目标区域；3、通孔。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：
(1)、玻璃清洁：将待加工的平板玻璃1置于溶度为12％的NaOH溶液中超声清洗20min，然后采用去离子水进行冲洗20min，在120℃的条件下干燥1h。
(2)、激光改性：划定平板玻璃待开孔的区域作为目标区域2，然后将平板玻璃1置于钛蓝宝石飞秒激光器下，脉冲能量为2uJ，激光扫描速度为0.35mm/s，对目标区域2进行环形照射，使目标区域的玻璃发生改性。
(3)、玻璃刻蚀：将0.5重量份的辛基苯基聚氧乙烯加入到2重量份的无水乙醇中，搅拌均匀后静置1小时待其泡沫消失，配制成表面活性复配剂；
将10重量份的40wt.％的氢氟酸加入100重量份的纯水中，再加入10重量份的50wt.％的硫酸以及2重量份的氯化钾，最后加入上述表面活性复配剂，混合后制成蚀刻液；
将激光改性后的平板玻璃1用30℃的蚀刻液进行喷淋30min，使目标环形区域内的玻璃脱落以形成通孔3。
(4)、玻璃清洗：将蚀刻后的平板玻璃置1于去离子水进行超声清洗20min，以清除孔壁残留物及残留蚀刻液；将清洗的玻璃置于120℃的条件下干燥1h，完成通孔玻璃1的加工(如图1所示)。
实施例2：
本实施例与上述实施例一基本相同，区别在于步骤(3)中表面活性复配剂的配制：
将0.5重量份的十六烷基三甲基氯化铵加入到2重量份的无水乙醇中，搅拌均匀后静置1小时待其泡沫消失，配制成表面活性复配剂。
实施例3：
本实施例与上述实施例一基本相同，区别在于步骤(3)中表面活性复配剂的配制：
将0.5重量份的α-烯基磺酸钠加入到2.5重量份的无水乙醇中，搅拌均匀后静置1小时待其泡沫消失，配制成表面活性复配剂。
实施例4：
本实施例与上述实施例一基本相同，区别在于步骤(3)中表面活性复配剂的配制：
将0.5重量份的聚乙二醇辛基苯基醚加入到3重量份的无水乙醇中，搅拌均匀后静置1小时待其泡沫消失，配制成表面活性复配剂。
实施例5：
本实施例与实施例一类似，区别在于，当加工的玻璃孔径小于300um时，激光将对目标区域2内区域进行完整照射，则目标区域的玻璃在刻蚀溶液刻蚀时将全部脱落，以形成玻璃通孔3(如图2所示)。
对比例1：
(1)、玻璃清洁：将待加工的平板玻璃置于溶度为12％的NaOH溶液中超声清洗20min，然后采用去离子水进行冲洗20min，在120℃的条件下干燥1h。
(2)、激光改性：划定平板玻璃待开孔的区域作为目标区域，然后将平板玻璃置于光纤激光器下，调整激光器的焦距、功率强度及运动速度，对目标区域进行环形照射，使目标区域的玻璃发生改性。
(3)、玻璃刻蚀：将10重量份的40wt.％的氢氟酸加入100重量份的纯水中，加入10重量份的硫酸，制成蚀刻液；将激光改性后的平板玻璃用30℃的蚀刻液进行喷淋30min，使目标环形区域内的玻璃脱落以形成通孔。
(4)、玻璃清洗：将蚀刻后的平板玻璃置于去离子水进行超声清洗20min，以清除孔壁残留物及残留蚀刻液；将清洗的玻璃置于120℃的条件下干燥1h，完成平板玻璃1的通孔3的加工。
对比例2：
本对比例与上述对比例一基本相同，区别在于蚀刻液的配制：
将0.5重量份的十二烷基苯磺酸钠加入到2重量份的无水乙醇中，搅拌均匀后静置1小时待其泡沫消失，配制成表面活性复配剂；
将10重量份的40％的氢氟酸加入100重量份的纯水中，加入10重量份的硫酸及2重量份的氯化钾，最后加入所述表面活性复配剂，混合后制成蚀刻液。
电镀填孔测试：
将实施例1和3制成的通孔玻璃1分别放入磁控溅射机溅镀上100um的Ti层及500um的Cu层，再放入商用镀铜液内通电以在玻璃表面及孔壁上形成25um的铜层。结果表明，按照实施例1制成的玻璃电镀填孔后的孔径均匀，横截面呈较规则的矩形状，以使得孔壁形成的铜层等厚(如图3)。而按对比例1制成的玻璃电镀填孔后的孔径不一致，横截面呈较规则的蝶形状(如图4)。
刻蚀的玻璃孔壁观测：
将实施例1-4及对比例1-2制作的通孔玻璃分别制作横截面切片，然后用扫描电子显微镜SEM对其进行观测，结果如图5所示，从SEM图中可以看出，在蚀刻液中加入本发明所采用的特定的表面活性复配剂，能减少氢气泡的出现及生长，从而降低玻璃通孔孔壁的表面粗糙度。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。
Claims (9)
1.一种玻璃通孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、将待加工的平板玻璃置于碱性溶液进行超声清洗，然后用去离子水进行冲洗并干燥；
S20、采用激光对平板玻璃的目标区域进行照射，使所述目标区域的玻璃发生改性；
S30、通过蚀刻液对平板玻璃进行刻蚀，使所述目标区域的玻璃脱落以形成通孔；
S40、对蚀刻后的平板玻璃进行超声清洗，以清除孔壁残留物及残留蚀刻液；
其中，按重量份计，所述蚀刻液按以下组份配制而成：
所述表面活性复配剂由表面活性剂与醋酸或含有1～3个碳原子的醇按照1：1～10比例复配而成；所述表面活性剂为辛基苯基聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵、α-烯基磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，所述辅酸为硫酸、磷酸、硝酸中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，所述辅酸的质量分数为50wt.％。
4.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，所述盐为氯化钾、硫酸铜、硝酸钠、磷酸二氢钠、氯化铁、氟化氢钾、氟化氢铵、氟化铵中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，步骤S30中的刻蚀时间为15～60min。
6.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，所述蚀刻液的温度为20～60℃。
7.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，所述平板玻璃为钠钙酸盐玻璃、高硅氧玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃。
8.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，发射所述激光的激光器的类型为红宝石光纤激光器、Nd3+:YAG光纤激光器、Nd:YLF光纤激光器、Nd:YVO4光纤激光器、钛蓝宝石激光器、二氧化碳激光器、准分子激光器中的任一种。
9.根据权利要求1所述的玻璃通孔加工方法，其特征在于，发射所述激光的激光器的类型为钛蓝宝石飞秒激光器，脉冲能量为2uJ，激光扫描速度为0.35mm/s。
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