CN1745199A - 模板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成丝网印刷模板的方法，该方法包括用双极电信号电铸模板的步骤。该双极信号包括阴极脉冲(22)和阳极脉冲(24)。当在电铸过程中施加阴极脉冲(22)时，沉积金属。当施加阳极脉冲(24)时，除去金属。阴极脉冲(22)具有比阳极脉冲(24)更长的持续时间。阳极脉冲(24)的幅度与阴极脉冲(22)的幅度的比大于1。

Description

模板的制造方法
技术领域
本发明涉及丝网印刷中所用的模板的制造方法。
背景技术
丝网印刷模板通过模板上的开口区域来限定图案形状。通过模板上的开口区域来印刷材料，于是所印迹与开口区域大致匹配。丝网印刷模板在电子基材制造和电子配装工业中具有广泛的应用。这些应用包括但不限于印刷电路板的印刷、用于电子封装的焊膏和导电粘合剂的沉积以及导体和电阻器电路的印刷。
为了使电子器件更小、更快和更轻，同时具有更高的引线数，导致了采用先进封装技术的趋势，这种封装技术不采用导线来互相连接。先进封装技术的使用能够增加接点的数量、减小封装的尺寸，从而提高封装性能并降低生产成本。封装电子元件的最快和最具有成本吸引力的方法之一是通过模板的孔来丝网印刷互相连接的材料，然后据此封装元件。但是，目前在实际应用方面还受到限制。这是因为已知的制造模板的工艺还不能生产在细微间距上具有理想孔的模板。对于小的图形而言(例如，低于100微米)，理想地形成模板的孔，使得以高容限来使同样体积的糊膏有效地从各个孔中释放出来并印刷是很关键的。
普通金属模板可以用各种方法生产。在最先知道的方法中使用了化学蚀刻。该方法包括首先通过将抗蚀剂施加到金属箔上形成抗蚀剂掩模，并通过掩模以光学法在抗蚀剂上形成图案。然后将抗蚀剂显影，在箔上留下掩模的图案。然后将带有抗蚀剂掩模的箔浸入化学蚀刻剂中。抗蚀剂掩模所覆盖的区域受到了保护，并阻止金属箔被蚀刻掉。相反，未被抗蚀剂掩模所覆盖的暴露区域被蚀刻掉，从而形成贯穿金属箔的孔，由此限定了模板。化学蚀刻模板的缺点是由于蚀刻所导致的钻蚀过程，使得不能可靠地生产具有小的孔和细微间距的化学蚀刻模板。由于糊膏可能会滞留在受钻蚀的侧壁上，因此当使用该模板时可能会产生问题。因此，这种模板仅用于大间距的图形。
在另一种方法中使用了激光切割。该方法包括将金属箔固定在框架内。表示需要形成的理想模板的孔的图像的数据文件存储在计算机中。在计算机的控制下，激光依次烧蚀每个孔，从而描绘出该图像。然而，用于形成丝网印刷模板的激光切割工艺对于形成具有细微间距的孔也存在一些缺陷。值得注意的是激光切割出粗糙的孔壁，这会导致在印刷过程中糊膏或粘合剂滞留在孔中。另一个问题是该工艺会使细微间距部分变得非常不整洁，会在孔周围涌出熔融金属，并且经常导致在某些孔的边缘产生所不期望的凸缘。此外，可能会发生金属的清除不完全，从而留下堵塞的孔。另一个问题是在细微间距孔的直径会发生+/-10微米的变化。
另一种生产模板的方法使用直流电铸。该工艺从适当地制备芯轴开始，典型地是与干膜光致抗蚀剂一起层压的不锈钢板。将该抗蚀剂经掩模暴露于平行光束紫外光源下，然后显影，留下孔的图案。一旦完成该工序，将图案化的芯轴浸入到合适的电镀液中并暴露于高直流电流中，开始电镀工艺。金属离子沉积在光致抗蚀剂周围，直到所需的模板厚度。下一步剥离聚合的光致抗蚀剂，然后将箔以机械法除去。US 5,359,928中介绍了直流电铸工艺的例子。
直流电铸技术的问题是它无法可靠地生产间距低于150微米的模板。因此在这些级别，孔的形状和尺寸各不相同。而且，传统的直流电镀由于电流集聚效应，无法在基材上均匀电镀。这种不均匀的电流密度导致不均匀的电镀率，因此导致模板上电镀金属的总体变化。该工艺还会在孔周围产生凸圈或凸缘，这在印刷工艺过程中可能会导致渗色。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造模板的改进方法和一种高分辨率的模板。
根据本发明的一个方面，提供了一种形成模板的方法，该方法包括用包括多个双极波形的双极电信号对模板进行电铸。
与传统的直流电铸相比，使用双极电铸具有几个固有的优点。最显著的是它能够控制材料分布，从而在模板上提供了均匀的金属沉积，这意味着用这种方法形成的图形具有优异的边缘清晰度。而且，可以控制材料的性能，例如，硬度、内应力、脆性、延展性和晶体结构。此外，提高了电流效率，这减少了氢气的形成，因此减少了蚀损斑并降低了残余应力。另外，在实践中，使用该方法减少或消除了对使用有机添加剂的需要。
双极波形是指包含正脉冲和负脉冲的波形。电铸工艺过程中，当施加双极波形的正脉冲时，沉积金属。将该正脉冲称为阴极脉冲。当施加负脉冲时，除去金属。将该负脉冲称为阳极脉冲。
优选阴极脉冲具有比阳极脉冲更长的持续时间。优选阴极脉冲的持续时间至少是阳极脉冲的两倍。阴极脉冲持续时间与阳极脉冲持续时间的比可以在2∶1到100∶1的范围内。
优选阴极脉冲具有比阳极脉冲更低的峰值。阴极脉冲高度与阳极脉冲高度的比可以在1∶1.5到1∶20的范围内。阳极脉冲高度基本可以达到阴极脉冲高度的1.5倍。阳极脉冲高度基本可以达到阴极脉冲高度的20倍。
该方法可以涉及双极波形的改变。例如，初始时可以使用适合于提供光滑的模板侧壁的双极波形，接下来，到工艺将结束时，可以改变波形以提供粗糙的上表面。可以通过改变频率，和/或阴极脉冲和阳极脉冲的持续时间，和/或阴极脉冲和阳极脉冲的幅度，和/或阴极脉冲和阳极脉冲的相对宽度，和/或阴极脉冲和/或阳极脉冲的相对幅度来实现这一点。
波形可以是方波、尖波或正弦波。
通常优选双极波形为电流波形。在此情况下，电压受到控制，改变的是电流。当然，双极波形同样可以为电压波形。在此情况下，电压波形相对于电流而变化。
当双极波形为电流波形时，可以具有在1ms(毫秒)～999ms的毫秒级范围内的脉冲宽度。在此情况下，电压范围取决于基材的尺寸。
阳极脉冲的平均电流密度小于阴极波形的平均电流密度。
电流的峰值密度可以为1A/dm2～50A/dm2，其中A/dm2＝安培每平方分米，1平方分米是100cm2。
平均电流密度可以为3A/dm2～15A/dm2，其中平均电流密度是一个波形中的电流的平均值。
对模板进行电铸的步骤可以包括：在导电表面上提供模具，该模具限定了导电表面的暴露区域；将模具和导电表面浸入离子溶液中，用双极电流或电压信号电镀模具所暴露的区域。
可以将模具提供在导电表面所携带的中间层上。中间层可以是使模板很容易从基材上除去的消耗性的剥离层。
根据本发明的另一方面，本发明提供了用于形成在导电表面上具有掩模的模板的系统，该掩模限定了导电表面上的暴露区域，本发明还提供了用双极电流或电压信号来电镀被掩模所暴露的区域的装置，所述双极电流或电压信号包括各自具有阴极脉冲和阳极脉冲的多个波形。
优选阴极脉冲具有比阳极脉冲更长的持续时间。优选阴极脉冲的持续时间至少是阳极脉冲的两倍。阴极脉冲持续时间与阳极脉冲持续时间的比可以在2∶1到100∶1的范围内。
优选阴极脉冲具有比阳极脉冲更低的峰值。阴极脉冲高度与阳极脉冲高度的比可以在1∶1.5到1∶20的范围内。阳极脉冲高度基本可以达到阴极脉冲高度的1.5倍。阳极脉冲高度基本可以达到阴极脉冲高度的20倍。
双极波形优选具有较大的阳极/阴极脉冲比，和具有比阴极脉冲时间更短的阳极脉冲时间。
波形可以是方波、尖波或正弦波。
双极波形可以为电流波形。可选择地，双极波形可以为电压波形。
当双极波形为电流波形时，阳极脉冲的平均电流密度优选小于阴极波形的平均电流密度。
当双极波形为电流波形时，平均电流密度可以为3A/dm2～10A/dm2。波形可以具有7A/dm2的平均电流密度、20Hz(50ms)的频率、在10A/dm2时45ms的阴极脉冲持续时间和在20A/dm2时5ms的阳极脉冲的持续时间。
当双极波形为电流波形时，可以具有在1ms～999ms的毫秒级范围内的脉冲宽度。在此情况下，电压范围取决于晶片的尺寸。
当双极波形为电流波形时，电流的峰值密度可以为1A/dm2～50A/dm2中的任意值，其中A/dm2＝安培每平方分米，1平方分米是100cm2。
可以提供控制器以控制双极信号的参数。可以操作该控制器以在电铸工艺中的不同阶段改变双极信号的参数。该参数可以是频率和/或阴极脉冲和阳极脉冲的持续时间，和/或阴极脉冲和阳极脉冲的幅度，和/或阴极脉冲和阳极脉冲的相对宽度，和/或阴极脉冲和/或阳极脉冲的相对幅度。
通过在电铸工艺中的不同阶段改变信号的参数，可以导致在其不同区域模板具有不同的物理特性。这意味着在工艺的早期阶段，可以控制脉冲，从而提供非常光滑的侧壁边界轮廓，但在后面的阶段，一旦电镀基本完成，可以改变参数使模板具有粗糙的上表面。提供粗糙的上表面对于印刷工艺是有帮助的，这是因为它可以对将糊膏辊压到模板上进行改善。具有光滑的侧壁有助于印刷，因为它可以更好地促使材料从孔中释放出来。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种方法，该方法包括：通过在导电表面上提供模具而形成模板，该模具限定了导电表面上的暴露区域；用双极电流或电压信号对导电表面的暴露区域进行电镀，从而形成模板，并用该模板将图形印刷到板或基材或某些其他合适的介质上。
附图说明
现在仅参考附图通过举例的方式介绍本发明的各个方面，其中：
图1是形成模板中所使用的基材的透视图；
图2是沉积有抗蚀剂的图1的基材的透视图；
图3是施加有掩模的图2的基材的透视图；
图4是将抗蚀剂形成图案并显影后图3的基材的透视图；
图5是对模板进行电铸的系统的示意图；
图6是在基材上经电铸的模板的透视图；
图7显示了在电镀工艺过程中施加双极脉冲的实例；
图8是图7的模板从基材上除去后的透视图，和
图9是最终模板的透视图。
具体实施方式
模板形成工艺中的起始材料是如图1所示的例如玻璃基材10。当然，可以使用任何其它合适的基材，例如，诸如硅或陶瓷等电介质材料。可以使用任何适当的方法，例如通过依次浸入甲醇、丙酮和食人鱼溶液(piranha solution，硫酸和过氧化氢的混合物)，随后浸入去离子水中来清洗该基材10。然后将金属12的导电籽晶层沉积在玻璃晶片10的上表面上。这可以通过用电子束蒸发器或任何其它合适的技术，例如溅射或热蒸发来实现。金属12必须具有足以使其导电的厚度。该厚度可在0.1微米到0.3微米的范围内。
可以将各种金属单独或作为双金属或三金属层结构的一部分用于籽晶层12。然而，作为实例，可以使用钛，也可以是钛/铜/钛层状结构或铬/铜/金层状结构。当使用玻璃基材时，基底金属层优选为钛或铬。这是因为这些金属促进了与基材的粘合。作为选择，除了使用涂布有金属的玻璃基材以外，还可以使用金属基材。
如图2所示，一旦形成了金属层12，则将光致抗蚀剂沉积于其上。可以使用任何适当的光致抗蚀剂14，但优选的实例是SU-8。众所周知，这是一种负性抗蚀剂。该光致抗蚀剂14可以以任何适当的方式沉积，例如旋转涂布。为了使光致抗蚀剂的厚度近似为50微米，旋转速度应约为3000转/分钟。当然，这可以根据所需模板的厚度而变化。另外，抗蚀剂可以作为膜而施加，或者用刮涂机(也称为刮刀涂布机)来施加。然后将该涂布有抗蚀剂的玻璃晶片/基材在50℃～130℃范围内的温度，如90℃下，在加热板上或烘箱中烘焙1分钟到2小时。应当理解，这里的绝对温度和时间取决于光致抗蚀剂的厚度。光致抗蚀剂越厚则烘焙时间越长。
将光致抗蚀剂14烘焙后，如图3所示，用光刻法通过光掩模16形成图案。光掩模是铬在玻璃之上的掩模(chrome-on-glass mask)，虽然还可以使用在高分辨率光电绘图仪上制作的掩模。用具有适当波长的高度平行的光源经掩模16对抗蚀剂14进行曝光。对于SU-8，波长典型为大约350nm到400nm，优选为365nm。所使用的光的能量在100mJ/cm2～5000mJ/cm2的范围内。然而，应当理解，所使用的波长和能量取决于抗蚀剂的感光度。然后将图案化的抗蚀剂14用例如加热板或烘箱进行烘焙。烘焙温度在50℃～130℃的范围内，优选为90℃。烘焙的持续时间取决于光致抗蚀剂的厚度，可以是1分钟到2小时之间的任何时间。当然，应当理解，这种形成图案后的烘焙对于其他类型的抗蚀剂可能是不必要的。
烘焙后，将光致抗蚀剂14在Microposit EC溶剂(Microposit ECSolvent)或丙酮或任何其他合适的溶剂中显影。显影可以通过完全浸入在溶液中并搅拌或通过向表面喷洒溶液来完成。尽管可以理解显影时间随所使用的显影药品而变化，但使用Microposit EC溶剂来显影抗蚀剂所需的时间约为2到3分钟。一旦将抗蚀剂显影，则抗蚀剂的暴露区域留下了平台18，其它所有抗蚀剂均被除去。如图4所示，这些图案化的抗蚀剂平台18限定了模板上孔的形状。
平台18一旦形成，则进行电铸工艺。图5显示了适合该工艺的系统。该系统包括：可变电流源，可以操作该电流源以输出双极电流信号；阳极和电镀溶液槽。可以用任何适当的溶液进行电镀，但优选为由氨基磺酸镍(330g/L)、硼酸(30g/L)和氯化镍(15g/L)制备的溶液。在此情况下，用纯度为99.99％的镍作为阳极。溶液应为50℃。将晶片浸入电镀槽的溶液中。该工序完成之后，将交流双极电流施加至导电籽晶层12与阳极之间。如图6所示，这导致了模板的形成。
图7显示了所使用的双极交流电流波形的例子。优选地，双极信号包括这些波形的连续流，尽管如果需要和当需要时，可以使用没有施加电流的关闭时间。图7的波形是方形，并且由阴极脉冲22和阳极脉冲24组成。阴极脉冲表示导致金属沉积的那部分双极波形，阳极脉冲表示导致除去金属的那部分双极波形。在如图7所示的波形的情况下，阴极脉冲由正脉冲22来表示，阳极脉冲由负脉冲24来表示。
阴极脉冲22具有比阳极脉冲24长的、优选至少为两倍的持续期间，和较低的正向电流峰值。阳极脉冲24更短，但具有较高的峰值电流。阴极脉冲22的平均电流密度大于阳极脉冲24的平均电流密度。
所使用的双极交流电流波形典型地在1ms～999ms的毫秒级范围内，具有更大的阳极脉冲与阴极脉冲的比，和比阴极脉冲时间短的阳极脉冲时间。电压范围取决于晶片尺寸。例如，对于8英寸晶片，所使用的电压为12V，但1到100伏之间的电压均可使用。应当注意的是，通常优选控制电压而改变电流，当然也可以相对于电流而改变电压波形。电流典型地是1A/dm2到50A/dm2范围内的任何值，其中A/dm2＝安培每平方分米。平均电流密度通常为3A/dm2～10A/dm2。电镀纯镍的典型波形具有7A/dm2的平均电流密度、20Hz(50ms)的频率、在10A/dm2时45ms的阴极脉冲持续时间和在20A/dm2时5ms的阳极脉冲的持续时间。
一旦材料达到所需厚度，则停止电镀工艺，将具有其电铸模板20的晶片从溶液中取出。然后从基材10上除去模板20。这可以仅仅通过将模板20从晶片/基材上剥离而实现。如图8所示，在此阶段，抗蚀剂平台18将孔填实。如图9所示，用合适的溶剂将抗蚀剂除去，从而留下模板20。对于SU-8而言，优选的溶剂是购自美国Miller Stephens Corporation的MS-111。然后清洗模板20，以除去任何残存的MS-111和SU-8。这可以通过在氮气中对模板进行鼓风干燥而实现。然后用常规的固定技术将模板固定到框架(未显示)中，以便使它接下来可以在电子基材生产和电子装配线工业中用于印刷。
使用双极交流电流来电铸金属模板提供了良好的金属沉积均匀性，并且可以限定非常精细的图形。通过改变脉冲参数，可以控制模板的材料性能，例如硬度和表面粗糙度。这是因为，通过控制波形参数，可以在原子水平改变模板的沉积。可以改变的脉冲参数包括频率和/或阴极脉冲和阳极脉冲的相对宽度，和/或阴极脉冲和阳极脉冲的高度。在实践中，现已发现频率较高时可以改善表面光滑度，而频率较低时可以提高表面粗糙度。作为实例，对于上述的特定模板的形成工艺，现已发现使用100Hz的频率提供了光滑的表面，而使用4Hz或直流电流则生产出更粗糙的表面。因此，通过改变频率，可以改变表面性能。
本发明所包含的双极电铸模板生产技术提供了多种优点。例如，与普通直流技术相反，当使用双极脉冲时，电镀工艺在电镀槽中不需要使用有机添加剂。这些添加剂昂贵且难以保存，将它们从工艺中除去减少了用于对添加剂的混合进行监测的监测设备的需求。该方法还在模板上提供了非常均匀的金属分布。另外，它提供了用于控制材料性能如硬度、内应力和晶体结构的机制。这使得为模板提供粗糙的上表面以帮助印刷、同时提供非常光滑的侧壁以理想地释放糊膏成为可能。此外，改善了电流效率，它减少了氢的形成，因此减少了蚀损斑并降低了残余应力。
技术人员可以理解，所披露的布置可以不脱离本发明而进行变化。例如，虽然如上所述的模板是用负性光致抗蚀剂形成的，但是正性光致抗蚀剂同样可以使用。另外，尽管如上所述模板是从基材上剥离，但是可以存在其它选择。例如，可以在导电表面所携带的中间层上提供模具。该中间层可以是能够被溶解掉的消耗性的剥离层，从而使模板很容易从基材上除去。该消耗性的剥离层(未显示)可以沉积在金属籽晶层和模板层之间。另外，也可以使用能够被溶解掉的消耗性的基材。此外，虽然上述波形均为方形，但尖波和正弦波也是合适的。因此，具体实施方案的上述说明仅仅作为实例，而不是为了限制本发明。本领域技术人员很清楚，可以对上述操作进行小的修改，而不对其进行重大变化。

Claims (34)

1.一种形成模板的方法，该方法包括用双极电信号来电铸模板的步骤，所述双极电信号包括各自具有阴极脉冲和阳极脉冲的多个双极波形。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述阴极脉冲具有比所述阳极脉冲更长的持续时间。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述阴极脉冲具有至少是所述阳极脉冲持续时间2倍的持续时间。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述阴极脉冲持续时间和所述阳极脉冲持续时间的比在2∶1到100∶1的范围内，例如为3∶1。
5.如权利要求1～4任一项所述的方法，其中所述阴极脉冲具有比所述阳极脉冲低的峰值。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述阴极脉冲的峰值与所述阳极脉冲的峰值的比在1∶1.5到1∶20的范围内。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述双极信号是方形或尖形或正弦波形。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述双极波形具有在1ms～999ms范围内的脉冲宽度。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述双极波形为电流波形。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述阳极脉冲的平均电流密度小于所述阴极脉冲的平均电流密度。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中峰值电流密度在1A/dm2～50A/dm2的范围内。
12.如权利要求9～11任一项所述的方法，其中所述平均电流密度在3A/dm2到～10A/dm2的范围内。
13.如权利要求1～8任一项所述的方法，其中所述双极波形为电压波形。
14.如前述任一项权利要求所述的方法，所述方法包括改变所述双极信号。
15.如权利要求14所述的方法，所述方法包括改变信号频率、阴极脉冲和阳极脉冲的持续时间、阴极脉冲和阳极脉冲的幅度、阴极脉冲和阳极脉冲的相对持续时间和阴极脉冲和阳极脉冲的相对幅度中的任何一项。
16.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述的电铸模板步骤包括：在导电表面上提供模具，所述模具限定了所述导电表面的暴露区域；将所述模具和所述导电表面浸入到离子溶液中，并用双极电流或电压信号电镀模具所暴露的区域。
17.一种模板形成系统，所述系统在导电表面上使用模具，所述模具限定了所述导电表面的暴露区域，所述系统包括：用双极电流或电压信号来电镀被掩模所暴露的区域的装置，所述双极电流或电压信号包括各自具有阴极脉冲和阳极脉冲的多个波形。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述阴极脉冲具有比所述阳极脉冲长的持续时间。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述阴极脉冲具有至少是所述阳极脉冲持续时间2倍的持续时间。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述阴极脉冲持续时间和所述阳极脉冲持续时间的比在2∶1到100∶1的范围内。
21.如权利要求15～20任一项所述的系统，其中所述阴极脉冲具有比所述阳极脉冲低的峰值。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述阴极脉冲的峰值与所述阳极脉冲的峰值的比在1∶1.5到1∶20的范围内。
23.如权利要求15～22任一项所述的系统，其中所述双极波形具有在1ms～999ms范围内的脉冲宽度。
24.如权利要求15～23任一项所述的系统，其中所述双极波形为电流波形。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述阳极脉冲的平均电流密度小于所述阴极脉冲的平均电流密度。
26.如权利要求24或25所述的系统，其中峰值电流密度在1A/dm2～50A/dm2的范围内。
27.如权利要求15～26任一项所述的系统，所述系统还包括用于改变双极波形的装置，从而使得在电铸工艺中的不同阶段施加不同的波形。
28.如权利要求27所述的系统，其中操作所述用于改变双极波形的装置来改变以下的一项或多项：信号频率、阴极脉冲和阳极脉冲的持续时间、阴极脉冲和阳极脉冲的幅度、阴极脉冲和阳极脉冲的相对持续时间和阴极脉冲和阳极脉冲的相对幅度。
29.一种模板，该模板是如权利要求1～16任一项所述的方法或如权利要求17～28任一项所述的系统的产品。
30.如权利要求29所述的模板在丝网印刷工艺中的用途。
31.一种产品，该产品是如权利要求30所述工艺的产品。
32.一种丝网印刷的方法，该方法包括用双极电流或电压信号电铸模板并用所述模板印刷所需材料。
33.一种微电子元件或封装件或电路板，例如印刷电路板，所述微电子元件或封装件或电路板用如权利要求32所述的方法生产。
34.一种印刷产品，该印刷产品用模板制作，所述模板用双极电流或电压信号通过电铸制造。
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