用于高密度微波电路组装的金属阻焊膜的制作方法及产物与流程

本发明属于微电路组装技术领域，尤其涉及芯片凸点键合之前微波电路基板的预处理方法，具体为用于高密度微波电路组装的金属阻焊膜的制作方法及产物。

背景技术：

随着轻量化、薄型化、小型化、I/O端数的增加以及功能多样化的发展，传统的封装技术已不能满足高密度的要求。自20世纪90年代以来迅速发展的新型微电子封装技术，包括焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、圆片级封装(WLP)、三维封装(3D)和系统封装(SIP)等项技术，大大推动了高密度封装的发展。同时，高密度、精细电路和窄节距，给微电路组装提出了更高的要求，仅仅通过引线键合的互连方式难以满足高密度组装的技术要求，倒装焊接互连、立体互连成为主要手段。而倒装芯片、芯片堆叠等先进组装技术多采用面阵凸点键合工艺。与传统的引线键合工艺不同，面阵凸点键合工艺，具有节省面积、减少引线长度、有利于散热、提高性能和减小体积等优点，在电性能上远远优于引线键合，是一项具有高度技术竞争力和发展潜力的微电路组装技术。

面阵凸点的种类很多，最常用的主要有金凸点和焊料凸点。在面阵凸点的键合工艺中，主要通过完全浸润、可控塌陷的焊料互连，即所有的焊料凸点都升温到它的液相线温度以上，浸润后与基板焊盘金属化反应。在这一过程中，焊料凸点与焊盘连接的互连线产生金属化反应而塌陷，是造成电路组装失效的常见问题，通常表现为焊料沿着互连金属线流失而不能集中在焊盘内。

阻焊则是在基体金属和钎料之间避免相互反应，防止钎料润湿非焊接区。通常，可采用阻焊(胶)剂的方法。阻焊剂(胶)是防焊涂料，是保护不需焊接的部位，以避免造成焊锡搭接造成短路等缺陷。习惯上使用难熔金属氧化物，水磨铝矾土粉、钙和镁的氧化物，氢氧化镁和二氧化钛，将它们研成极细的粉末，并悬浮在乙醇、清漆、胶粘剂、水或丙酮中而成阻钎剂(胶)。它可分两种:一种是快干的，其性质很像商业用的清漆。另一种是无沉淀型，由氧化物在胶体溶液中组成，存放时它不会沉淀出来，这种类型干得慢，浆料通常用油漆刷或滚子刷上去。

在微波薄膜电路组装中，陶瓷是常用的基板材料，非光敏性(如上述的金属氧化物粉末)或者印刷类(如浆料、油墨等)由于自身分辨率有限和厚度的原因，在精细线条的薄膜微波电路中不再使用。通常使用光敏型的聚酰亚胺或BCB耐高温聚合物材料作阻焊膜，即在基板上旋涂聚酰亚胺或者BCB等耐高温的高分子聚合物材料，然后通过光刻方式开出焊盘区域，形成焊盘之间、焊盘与互连线路之间的阻隔，是解决这一问题的主要办法，如下图1所示。然而在亚胺化或固化过程中，需要高温烘培，热应力以及与基板材料的热失配，往往容易造成基板的翘曲甚至开裂。另一方面，微波薄膜电路中采用聚酰亚胺或者BCB材料作阻焊膜，在微波传输线的上方额外引入了一层介质膜，对微波传输性能有一定影响，如图1所示。

技术实现要素：

本发明方法针对高密度薄膜微波电路组装中焊盘与互连线之间的阻焊膜问题，提出了一种利用剥离(LIFT OFF)工艺制作金属阻焊膜的方法，即在微波薄膜电路基板上，利用剥离(LIFT OFF)牺牲层工艺，在焊盘的互连线上制作一层铬(Cr)金属层，如图2所示。利用铬(Cr)金属与焊料(Sn/Pb，无铅焊料)的不浸润不反应特性作为阻焊膜使用，同时该制作方法与薄膜电路的制作方法兼容，不会引入额外的热应力及避免介质膜对微波性能的影响，是一种非常实用的薄膜微波电路组装的阻焊膜制作方法。

本发明的具体内容如下：

用于高密度微波电路组装的金属阻焊膜的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：清洁基板。将微波电路基板表面清洁，去除表面污垢和油污。

步骤2：喷涂光刻胶。在基板的焊盘和互连线上方喷涂光刻胶。

步骤3：光刻开窗。进行对准紫外光刻，显影除去传输线上方的光刻胶，并用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面。

步骤4：沉积金属层。利用热蒸发或磁控溅射方式，在基板表面沉积一层铬(Cr)金属层，厚度约为1-2um。

步骤5：剥离光刻胶。将光刻胶用丙酮溶液进行剥离，去除光刻胶及其上面的Cr金属层，得到边缘向上翘起的Cr阻焊膜结构。

进一步说，该金属阻焊膜的制作方法具体步骤如下：

步骤1：清洁微波电路基板。所述微波电路基板的表面设有焊盘和互连线，焊盘和互连线相连。

步骤2：喷涂光刻胶。

采用喷胶装置对经过清洁处理的微波电路基板的表面喷涂光刻胶，获得表面附着有光刻胶的微波电路基板。其中，光刻胶为正性光刻胶，光刻胶作为牺牲层喷涂形成的光刻胶层的厚度在7-9um。

步骤3：光刻开窗。

对由步骤2获得的表面附着有光刻胶的微波电路基板进行对准紫外光刻，在靠近焊盘一侧的互连线上方的光刻胶层进行开窗和显影，并将开窗区域的光刻胶除去。保留下来的光刻胶层由坡状区域层和平面区域层2部分构成，其中，与开窗区域相邻的光刻胶的坡面呈斜坡状，称为坡状区域层，坡状区域之外的光刻胶层称为平面区域层。随后用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面，获得经过开窗与清洁处理的微波电路基板。

进一步说，坡状区域层的制备方法为：选用(厚度在7-9um)的光刻胶(如AZ4620)，采用具有灰度的菲林掩模，在同等的曝光剂量作用下(相较不采用具有灰度的菲林掩模而言)，该具有灰度的区域仍能够获得一定曝光剂量，从而在显影过程中部分去除，因此利用该原理，对需要开窗的曝光区域使用具有明暗分布的灰度菲林掩模，形成坡状的光刻胶图案。

步骤4：沉积金属层。

利用热蒸发或磁控溅射，在由步骤3获得的经过开窗与清洁处理的微波电路基板表面沉积一层铬(Cr)金属层，获得的沉积有铬金属层的微波电路基板。铬金属层的厚度为1.0-2.0um。在开窗区域的铬金属层的剖面呈U形，即通过与开窗区域相邻的斜坡状光刻胶层的边缘，令铬金属层形成一个环绕开窗区域的上翘结构。

步骤5：剥离光刻胶。

将由步骤4获得的沉积有铬金属层的微波电路基板浸泡丙酮溶液中，用通过丙酮溶液将光刻胶进行剥离，将坡状区域层和平面区域层一同洗掉，即将残余的光刻胶全部洗掉。同时，位于平面区域层上方的铬金属层也随平面区域层被去除，而坡状区域层上方的铬金属层、以及互连线上方铬金属层均被保留下来，得到成品。

此时，坡状区域层上方的铬金属层、以及互连线上方铬金属层共同构成Cr金属阻焊膜。该Cr金属阻焊膜的底部仅与微波电路基板的互连线相连接，且Cr金属阻焊膜的边缘向上翘起，不与焊盘、互连线接触。

采用本发明所述的一种金属阻焊膜的制作方法获得的产物，包括微波电路基板1、互连线2、焊盘3、和Cr金属阻焊膜。其中，

在微波电路基板1的顶部设有互连线2和焊盘3，互连线2和焊盘3相连接。在靠近焊盘3一侧的互连线2的顶部设有Cr金属阻焊膜。Cr金属阻焊膜由底部阻焊膜41和边缘阻焊膜42构成。边缘阻焊膜42的一端与底部阻焊膜41相连接，另一端向上翘起。边缘阻焊膜42起到增强阻焊的作用，在焊料球的回流焊过程中，防止液态的焊料向互连线溢出。

本发明的机理为：

软钎焊是将部件加热到适当温度,用液相线低于基体金属固相线的填充金属凝聚以形成接头,钎料通常是借助毛细管吸引力分布在正确组装的接头表面之间,在钎料和金属一定原子间的吸引力必须超过钎焊本身原子间的吸引力,在金属和钎料之间的界面上出现金属间反应。而阻焊机理就是在基体金属和钎料之间避免相互反应,防止钎料润湿非焊接区。

焊料对钎焊金属的润湿是一个非常复杂的动态过程，与焊料成分、基板材料、加热温度、焊剂种类、金属表面清洁度与粗糙度、环境气氛(如空气、氮气、真空)等因素都有紧密的关系。一般来说，当焊料与钎焊金属在液态或固态下均不发生作用，则它们之间的润湿性很差。当焊料能与钎焊金属相互溶解或形成化合物，焊料便能够较好地润湿钎焊金属。当焊料为Sn-Pb焊料或无铅焊料时，与基板金属材料铬(Cr)、铝(Al)等不发生化学反应，因此焊料在金属铬(Cr)、铝(Al)上的润湿性很差，可以利用这点作为阻焊用途。

本发明的优点在于：

1)工艺兼容性好，使用薄膜电路基板工艺，即光刻和薄膜金属沉积(蒸发或溅射)。

2)金属作阻焊膜，与非焊区金属层结合力好，无额外应力。

3)适用于高密度组装电路，满足窄节距电路的阻焊要求。

4)不会对微波传输性能的产生影响。

5)方法除了适用于陶瓷薄膜电路基板，同样适用于FR4、BT、覆铜板、高介板等其他电路基板，且无阻焊材料与基底的热匹配问题。

附图说明

图1是传统工艺条件下的阻焊膜的示意图。

图2是本发明方法下的阻焊膜的示意图。

图3是本发明方法的工艺流程示意图。

图4是沉积方向性相同，薄膜沉积方向性相同情况下，对剥离结果的影响示意图。

图5是沉积方向性不同，即本发明的“上切”光刻胶剖面的剥离情况的示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合具体实施例对本发明进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特点与优势，而不是对本发明权利要求的限制。

参见图3，用于高密度微波电路组装的一种金属阻焊膜的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：清洁基板。将微波电路基板表面清洁，去除表面污垢和油污。

步骤2：喷涂光刻胶。在基板的焊盘和互连线上方喷涂光刻胶。

步骤3：光刻开窗。进行对准紫外光刻，显影除去传输线上方的光刻胶，并用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面。

步骤4：沉积金属层。利用热蒸发或磁控溅射方式，在基板表面沉积一层铬(Cr)金属层，厚度约为1-2um。

步骤5：剥离光刻胶。将光刻胶用丙酮溶液进行剥离，去除光刻胶及其上面的Cr金属层，得到边缘向上翘起的Cr阻焊膜结构。

参见图3，本发明的具体步骤如下：

步骤1：清洁微波电路基板。所述微波电路基板的表面设有焊盘和互连线，焊盘和互连线相连。

将微波电路基板表面清洁，可用牙膏进行抛光处理，去除表面污垢，然后浸泡至丙酮中超声清洗5分钟，去除表面的油污。

步骤2：喷涂光刻胶。

由于薄膜电路的焊盘及金属层具有一定的厚度(一般5-10um)，为浮雕结构图案，采用喷胶装置对经过清洁处理的微波电路基板的表面喷涂光刻胶，获得表面附着有光刻胶的微波电路基板。采用喷胶装置能够使微波电路基板表面获得较佳的均匀覆盖效果，其中，光刻胶为正性光刻胶，光刻胶作为牺牲层，光刻胶选用AZ系列，如AZ4620，AZ9260等正性光刻胶，喷涂形成的光刻胶层的厚度在7-9um。

步骤3：光刻开窗。

对由步骤2获得的表面附着有光刻胶的微波电路基板进行对准紫外光刻，在靠近焊盘一侧的互连线上方的光刻胶层进行开窗(曝光)和显影，并将开窗区域的光刻胶除去，开窗的尺寸应大于互连线的线宽，即开窗的尺寸大于光刻时对准造成的误差，确保阻焊膜能完全覆盖互连线和阻隔焊盘，微波电路基板表面未曝光区域上方的光刻胶仍然起保护焊盘的效用。保留下来的光刻胶层由坡状区域层和平面区域层2部分构成，其中，与开窗区域相邻的光刻胶的坡面呈斜坡状，即与开窗区域相邻的光刻胶边缘的剖面呈三角形，称为坡状区域层，坡状区域之外的光刻胶层称为平面区域层。随后用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面，获得经过开窗与清洁处理的微波电路基板。

进一步说，坡状区域层的制备方法为：选用(厚度在7-9um)的光刻胶(如AZ4620)，采用具有一定灰度的菲林掩模，在同等的曝光剂量作用下(相较不采用具有灰度的菲林掩模而言)，该具有灰度的区域仍能够获得一定曝光剂量，从而在显影过程中部分去除，因此利用该原理，对需要开窗的曝光区域使用具有一定明暗分布(及灰度)的灰度菲林掩模，形成坡状的光刻胶图案。

光刻开窗的具体参数为：进行对准紫外光刻，g线，显影除去传输线上方的光刻胶，注意开窗的尺寸应大于互连线的线宽，即大于光刻时对准造成的误差，确保阻焊膜能完全覆盖互连线和阻隔焊盘，未曝光部分仍然保护焊盘及其他区域，并用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面，Ar流量为10sccm，O₂流量40sccm，等离子体功率100w。

步骤4：沉积金属层。

利用热蒸发或磁控溅射，在由步骤3获得的经过开窗与清洁处理的微波电路基板表面沉积一层铬(Cr)金属层，获得的沉积有铬金属层的微波电路基板。铬金属层的厚度为1.0-2..0um。在开窗区域的铬金属层的剖面呈U形，即通过与开窗区域相邻的斜坡状光刻胶层的边缘，令铬金属层形成一个环绕开窗区域的上翘结构。

沉积金属层的工艺参数为：利用热蒸发或磁控溅射，在基板表面沉积一层铬(Cr)金属层，厚度约为1-2um，溅射电流为0.6A，Ar流量为100sccm。

步骤5：剥离光刻胶。

将由步骤4获得的沉积有铬金属层的微波电路基板浸泡丙酮溶液中，用通过丙酮溶液将光刻胶进行剥离，将坡状区域层和平面区域层一同洗掉，即将残余的光刻胶全部洗掉。同时，位于平面区域层上方的铬金属层也随平面区域层被去除，而坡状区域层上方的铬金属层、以及互连线上方铬金属层均被保留下来，得到成品。

此时，坡状区域层上方的铬金属层、以及互连线上方铬金属层共同构成Cr金属阻焊膜。该Cr金属阻焊膜的底部仅与微波电路基板的互连线相连接，且Cr金属阻焊膜的边缘向上翘起，不与焊盘、互连线接触，如图2、图5所示。

将光刻胶用丙酮溶液进行剥离，去除光刻胶及其上面的Cr金属层，时间3-5分钟。

进一步说，在步骤3中，光刻开窗的光刻胶窗口的线宽尺寸必须大于互连线宽度与光刻对准误差，即：d_开窗≥d_线宽+δ_对准误差，保证阻焊区域完全覆盖互连线。

进一步说，为了增加铬Cr金属层(金属阻焊膜)与金属互连线间的结合力，在进行步骤4之前，将经过开窗与清洁处理的微波电路基板先用草酸浸泡，以去除表面氧化物，再进行氧等离子体清洁。此外在溅射时，对微波电路基板进行烘烤加热，烘烤温度不超过光刻胶后烘的温度，通常不超过120℃，烘烤时间为5-10分钟。

进一步说，在步骤5中，用丙酮进行剥离光刻胶时，用兆声辅助设备，兆声辅助设备的功率以不影响互连线和Cr金属阻焊膜结合力为准。

进一步说，在步骤5中，选用厚度在7-9um的光刻胶(如AZ4620)，且增加曝光剂量，能够形成对应“上切”剖面形状，即坡面。进一步说，采用一定灰度的菲林掩模，在同等的曝光剂量作用下，灰度较浅的区域仍能够获得一定曝光剂量，从而在显影过程中部分去除，因此利用该原理，对需要开窗的曝光区域使用具有一定明暗分布的灰度菲林掩模，可形成坡状的光刻胶图案。

进一步说，在步骤5中，溅射工艺前用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面，以增强附着力，从而保证金属膜层在基底的存在。

进一步说，在步骤2中，由于薄膜电路的焊盘及金属层的厚度均大于10um，且为浮雕结构图案，为获得均匀覆盖的效果，应采用喷胶，并采用如下配方：采用正性光刻胶AZ P4620，并进行稀释。

稀释配方为光刻胶：丁酮：PGMEA＝1：8：2。

喷胶时应采用超声波雾化喷嘴，喷胶速率8ul/s，加速度100rpm/s，喷涂11次所形成的均匀性覆盖的光刻胶厚度不大于5um。

参见图2、3、5，采用本发明所述的一种用于高密度微波电路组装的金属阻焊膜的制作方法获得的产物，包括微波电路基板1、互连线2、焊盘3、和Cr金属阻焊膜。其中，

在微波电路基板1的顶部设有互连线2和焊盘3，互连线2和焊盘3相连接。在靠近焊盘3一侧的互连线2的顶部设有Cr金属阻焊膜。Cr金属阻焊膜由底部阻焊膜41和边缘阻焊膜42构成。边缘阻焊膜42的一端与底部阻焊膜41相连接，另一端向上翘起。边缘阻焊膜42起到增强阻焊的作用，在焊料球的回流焊过程中，防止液态的焊料向互连线溢出。该结构是本发明区别其它结构的金属阻焊膜的一个显著特征。

进一步说，采用本发明所述用于高密度微波电路组装的金属阻焊膜制作方法的产物，底部阻焊膜41和边缘阻焊膜42的厚度均为1.0um至2.0um之间。底部阻焊膜41和边缘阻焊膜42之间的夹角在30°至45°之间。边缘阻焊膜42的长度在0.5mm至1.0mm之间。

现将现有技术产品与采用本发明技术产品的区别特点比较分析如下：剥离(LIFT OFF)工艺是微纳米加工中应用最普遍的图形转移技术之一，利用光刻胶图形作为掩模，将金属薄膜沉积到基底上，然后通过溶脱的办法去除光刻胶掩模层，没有被掩模覆盖的区域留下金属膜图形。金属薄膜沉积时的沉积方向性直接决定了能否成功的剥离沉积的薄膜。图4所示是在沉积方向性一致的情况下薄膜沉积和剥离的结果，当光刻胶掩模层被清除后，只有没被掩模覆盖的区域留下金属膜图形。

图5是本发明所利用的沉积方向性不一致的情况下薄膜沉积和剥离的结果，通过紫外光刻可以形成“上切”剖面，即光刻胶剖面呈上宽下窄形状，这时薄膜沉积不管用热蒸发还是溅射，光刻胶图形边壁上也有薄膜沉积，将光刻胶顶部与衬底上的金属膜连成整体。当清除光刻胶层时，当沉积薄膜与基底结合力好于光刻胶的剥离力时，光刻胶顶部的金属膜将被清除，而边壁的金属膜与衬底上的金属膜连成一体，留在基底上。

对于利用剥离法制作Cr金属阻焊膜，图5所示的结构，有利于加强阻焊的效果。因此需要保证两个必要条件：1)光刻形成上宽下窄的“上切”剖面，沉积的金属薄膜在基底与边壁形成连接。2)金属薄膜与基底的附着力大于去除光刻胶顶部金属膜时的剥离力。

对于必要条件1，在普通紫外光刻时，是选用较厚的光刻胶时(如AZ P4620，厚度在5um)，适当增加曝光剂量，可形成对应“上切”剖面形状。

对于必要条件2，因为薄膜电路焊盘和互连线一般采用Cu/Ni/Au的金属体系，金属铬(Cr)与金(Au)的结合力较强，故在溅射工艺前用氧等离子体进行反应离子刻蚀清洁表面，增强附着力，从而保证金属膜层在基底的存在。