一种微同轴传输线的制作方法与流程

本发明涉及封装技术领域，具体涉及一种微同轴传输线的制作方法。

背景技术：

传输线是微波系统的基础，各种无源元件、滤波器、匹配网络以及微波集成电路都要用到微波传输线。目前可供使用的传输线种类很多，包括带状线、微带线、耦合线、槽线和共面波导等。随着微波毫米波频段电路乃至更高频段系统的应用，传统的平面传输线结构因介质和辖射损耗问题以及高次模态激励的限制，传输性能将大大降低。在毫米波电路中，槽线和波导的损耗虽然相对较小，但其体积庞大且笨重，不利于系统集成，因此也不能作为毫米波和太赫兹器件推广的传输线结构。

随着mems技术的发展，通过光刻、溅射等微加工工艺手段精确实现的微同轴传输线成为改善传输线高频性能的重要研究方向。微同轴传输线是典型的双导体结构，由内外导体构成。基于uv-liga技术(基于紫外光刻、电铸技术)的微同轴结构通常外导体接地构成屏蔽层，内导体为信号传输层。内外导体之间通常采用su8胶作为支撑。与常见同轴线不同的是，其内外导体均为矩形，传输微波信号的过程中会激励起高次模，因此微同轴内部的信号传输模式为准tem模，可控制微同轴的导体形状，如内外导体间距，填充介质等参数来控制高次模的影响，提升微同轴的信号传输频率。目前，矩形微同轴在300ghz时，可以做到插损小于0.8db/cm。

但是，基于uv-liga技术(基于紫外光刻、电铸技术)的微同轴传输线工艺，其加工过程主要分为两个部分：第一部分是通过光刻工艺和溅射，使用光刻胶做出所需的结构；第二部分是利用金属种子层上的光刻胶模具电镀金属，最后将光刻胶剥离，得到所设计的三维立体微同轴传输线金属结构。因为微同轴传输线是厚度大于100微米且深宽比较大的三维金属微结构，该方法制作的微同轴传输线加工工艺属于多层金属结构制备的范畴，但制作的产品结构稳定性较差，且制作过程中需要多次对准，工艺难度很大，工程实用化程度不高。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种微同轴传输线的制作方法，包括步骤：

s1，提供一硅片晶圆；

s2，在所述硅片晶圆的正面，制作下层外导体支撑结构，同时形成下腔体；

s3，对所述下层外导体支撑结构和所述下腔体制作下层外导体；

s4，在所述下腔体内形成内导体支撑结构；

s5，在所述内导体支撑结构上制作内导体，完成下层结构的制作；

s6，采用步骤s1～s3所述的方法，制作上层外导体支撑结构、上腔体和上层外导体，形成上层结构；

s7，将所述下层结构与所述上层结构进行金属键合，最后形成所述微同轴传输线。

较佳的，所述微同轴传输线包括上层结构和下层结构，所述上层结构包括上层外导体支撑结构、上层外导体和上腔体，所述下层结构包括下层外导体支撑结构、下层外导体、下腔体、内导体支撑结构和内导体，所述上层外导体支撑结构支撑所述上层外导体，所述下层外导体支撑结构支撑所述下层外导体，所述上层外导体和所述下层外导体连接，所述内导体支撑结构和所述内导体设置于由所述上腔体和所述下腔体形成的腔体内，所述内导体通过所述内导体支撑结构与所述下层外导体连接。

较佳的，所述上层外导体支撑结构和所述下层外导体支撑结构的材料均设置为硅，所述内导体支撑结构的材料为固化的su8光刻胶，所述上层外导体采用cu且所述下层外导体采用sn/cu复合金属层，所述内导体材料为cu。

较佳的，所述硅片晶圆选用<100>晶向，双面抛光。

较佳的，所述步骤s2为：在所述硅片晶圆的正面旋涂az4620光刻胶，通过紫外光刻，形成所述下腔体结构的光刻胶掩模的开窗口；然后通过bosch工艺的icp反应离子深硅刻蚀工艺对光刻胶掩模的所述硅片晶圆正面进行刻蚀，形成长条硅槽。

较佳的，所述步骤s3为，通过磁控溅射的物理沉积技术，在所述下层外导体支撑结构和所述下腔体的表面溅射tiw/cu金属种子层，并进行电镀加厚，形成cu/sn复合金属层的所述下层外导体。

较佳的，所述步骤s4为，在具有所述下层外导体的所述下腔体内涂敷su8光刻胶，并进行厚胶紫外光刻，形成su8结构的所述内导体支撑结构，并进行后烘固化。

较佳的，所述步骤s5为，通过磁控溅射的物理沉积技术，在所述内导体支撑结构的表面溅射tiw/cu金属种子层，并进行电镀加厚，形成所述内导体。

较佳的，所述步骤s7中，所述键合参数为250℃，压力1n/mm²，保持30分钟。

较佳的，所述微同轴传输线的特征阻抗z0的计算公式为：

其中，clen为单位长度传输线的等效电容，vp为相速度；

当所述内导体宽度和高度均大于其距离外导体时，所述等效电容clen的计算公式为：

其中，ε为相对介电常数，π为圆周率，w为所述内导体的宽度；t为所述内导体厚度；tg为所述内导体支撑结构的高度；wg为所述内导体与所述上层外导体的左右间距

当所述内导体宽度大于高度，呈扁平状，且导体高度小于对应间距时，所述等效电容clen的计算公式为：

其中，coth为双曲余切函数，ε为相对介电常数，π为圆周率，w为所述内导体的宽度；t为所述内导体厚度；tg为所述内导体支撑结构的高度；wg为所述内导体与所述上层外导体的左右间距；

所述微同轴传输线在te10模的截止频率fc的计算公式为：

其中，c为光速，b/ycl为由于矩形棱角的不连续性产生的电纳，ε为相对介电常数，π为圆周率，w为所述内导体的宽度；t为所述内导体厚度；tg为所述内导体支撑结构的高度；wg为所述内导体与所述上层外导体的左右间距；

通过上述公式确定所述内导体的宽度和厚度，所述内导体支撑的高度，以及所述内导体与所述上层外导体、所述下层外导体的左右间距的参数。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明使用硅基作为外导体支撑材料，结合体硅工艺，只需上下层结构的制作及键合，省却传统su8胶支撑结构至少5层的多层金属工艺方法，大大降低了工艺难度，具有很好工程化应用前景；2，体硅工艺对腔体深度、宽度可加工范围大(深度范围0μm～1000μm)，相比传统su8胶可加工的厚度范围(通常0μm～300μm)具有较大的优势，因此，对微同轴传输线的结构参数设计提供了较大的冗余度；3，与传统su8胶支撑结构的微同轴传输线制作方法相比，本发明的矩形微同轴传输线的制作方法采用晶圆键合工艺进行封装，实现较高的成品率和降低成本，可控并且重复性好，利于实现批量化生产制作。

附图说明

图1为本发明所述步骤s1的结构示意图；

图2为本发明所述步骤s2的结构示意图；

图3为本发明所述步骤s3的结构示意图；

图4为本发明所述步骤s4的结构示意图；

图5为本发明所述步骤s5的结构示意图；

图6为图5的结构俯视图；

图7为本发明所述步骤s6的结构示意图；

图8为本发明所述步骤s7的结构示意图；

图9为所述微同轴传输线的结构示意图。

图中数字表示：

100-硅晶圆；101-下层外导体支撑结构；102-下腔体；103-下层外导体；200-下层结构；201-内导体支撑结构；202-内导体；300-上层结构；301-上层外导体支撑结构；302-上腔体；303-上层外导体；400-微同轴传输线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

本发明所述微同轴传输线包括上层结构和下层结构，其中，所述上层结构包括上层外导体支撑结构、上层外导体和上腔体，所述下层结构包括下层外导体支撑结构、下层外导体、下腔体、内导体支撑结构和内导体，其中所述上层外导体支撑结构和所述下层外导体支撑结构的材料均设置为硅，所述内导体支撑结构的材料为固化的su8光刻胶，所述上层外导体和所述下层外导体一般采用金属材料，一般的，所述上层外导体和所述下层外导体采用cu/sn复合金属层，所述内导体的金属层材料为cu。

较佳的，所述微同轴传输线的截面为矩形，所述上层外导体和所述下层外导体的上下间距为hh，左右间距为ww；所述内导体的结构为矩形，所述内导体的宽度为w，所述内导体厚度为t；所述内导体支撑结构的高度为tg；所述内导体与所述上层外导体、所述下层外导体的左右间距均为wg。

一般的，所述微同轴传输线是双导体结构，因此导体内传输的是tem波，由于传输线长度较短，损耗较小，可以将其做均匀无耗传输线处理，其特征阻抗z0可以通过以下公式计算：

其中，clen为单位长度传输线的等效电容，vp为相速度，数值约为真空中光速。

具体的，所述等效电容clen的大小主要由所述微同轴传输线中心导体的面积、介电常数和内外导体距离决定。

当所述内导体宽度和高度均大于其距离外导体时，即t＞tg且w＞wg，所述等效电容clen可由下式计算：

其中，ε为相对介电常数，π为圆周率，w为所述内导体的宽度；t为所述内导体厚度；tg为所述内导体支撑结构的高度；wg为所述内导体与所述上层外导体的左右间距

当所述内导体宽度大于高度，呈扁平状，即w＞t，且导体高度小于对应间距时，即t≤tg，所述等效电容clen等效电容可由下式计算：

其中，coth为双曲余切函数，ε为相对介电常数，π为圆周率，w为所述内导体的宽度；t为所述内导体厚度；tg为所述内导体支撑结构的高度；wg为所述内导体与所述上层外导体的左右间距。

可选地，所述微同轴传输线在微波毫米波段主要传输模式为tem模，因此其频率低端的截止频率为0hz，传输线使用的最高频率由下一个主模的截止频率决定。也就是te10模或者te01模的截止频率决定。所述te10模的截止频率fc可由下式计算：

其中，c为光速，b/ycl为由于矩形棱角的不连续性产生的电纳，ε为相对介电常数，π为圆周率，w为所述内导体的宽度；t为所述内导体厚度；tg为所述内导体支撑结构的高度；wg为所述内导体与所述上层外导体的左右间距。

一般地，特征阻抗x0满足50欧姆匹配，根据微同轴传输线的特征阻抗x0的计算公式，可以确定微同轴单位长度的等效电容clen；同时，clen的大小主要由所述微同轴传输线中心导体的面积(内导体结构宽度w、厚度t)、介电常数和内外导体距离(内导体支撑结构的高度为tg；内导体与上层外导体、所述下层外导体的左右间距wg)决定。

根据现有的内导体薄膜工艺制作条件，选择合适的w和t值，具体的，w值可以设计为50μm～500μm之间；内导体厚度可通过电镀铜加厚，一般设计为10μm～50μm之间；内导体的支撑结构的高度tg由su8胶工艺，一般设计为10μm～200μm之间；选择合适的w、t和tg值后，通过上述clen公式可以确定内外导体左右间距wg值。

所述微同轴传输线主要由导体损耗组成，介质损耗远小于导体损耗。

由所述特征阻抗z0公式可以设计所述微同轴传输线的结构参数，包括内导体结构宽度w、厚度t，内导体支撑结构的高度tg，以及内导体与上下层外导体的左右间距wg，并结合深硅刻蚀及su8紫外光刻工艺能力，优选设计参数。

实施例二

在本实施例中，本发明所述微同轴传输线，设计频带在0.5ghz～100ghz，包括上层结构和下层结构，其中，所述上层结构包括上层外导体支撑结构、上层外导体和上腔体，所述下层结构包括下层外导体支撑结构、下层外导体、下腔体、内导体支撑结构和内导体，其中所述上层外导体支撑结构和所述下层外导体支撑结构的材料均设置为硅，所述内导体支撑结构的材料为固化的su8光刻胶，所述上层外导体和所述下层外导体一般采用金属材料，一般的，所述上层外导体采用cu且所述下层外导体采用sn，所述上层外导体和所述下层外导体厚度均设置为20μm之间，所述内导体的金属层材料为cu，宽度w＝100μm，厚度t＝50μm，所述内导体与所述上层外导体、所述下层外导体的左右间距wg＝50μm。

为实现上述目的及其相关目的，本发明所述微同轴传输线的制作方法，至少包括以下步骤：

s1，提供一硅片晶圆100，选用<100>晶向，双面抛光，厚度为320μm，见图1；

s2，在所述硅片晶圆100的正面，制作所述下层外导体支撑结构101，同时形成下腔体102；具体的，首先在所述硅片晶圆100的正面旋涂az4620光刻胶，胶厚度7μm～9μm，通过紫外光刻，形成所述下腔体结构的光刻胶掩模，宽度为360μm的开窗口；然后通过bosch工艺的icp反应离子深硅刻蚀工艺对光刻胶掩模的所述硅片晶圆100正面进行刻蚀，刻蚀深度55μm，形成宽度360μm、深度55μm的长条硅槽，见图2。

s3，对所述下层外导体支撑结构101和所述下腔体102采用物理溅射薄膜和电镀制作所述下层外导体103。

具体的，通过磁控溅射的物理沉积技术，在所述下层外导体支撑结构101和所述下腔体102的表面溅射tiw/cu金属种子层，并进行电镀加厚，cu金属层厚度为10μm，sn金属层厚度为10μm，所述cu/sn金属层即为所述下层外导体103，见图3。

s4，利用su8光刻胶涂敷和紫外厚胶光刻在所述下腔体102内形成内导体支撑结构201。具体的，在具有所述下层外导体103的所述下腔体102内涂敷su8光刻胶，胶厚度30μm，通过对准标记的进行厚胶紫外光刻，形成所述内导体支撑结构201，即宽度100μm，厚度30μm的su8结构，并进行180℃后烘固化，见图4。

s5，通过物理溅射薄膜和电镀制作所述内导体202，完成所述下层结构200的制作。

具体的，通过磁控溅射的物理沉积技术，在所述内导体支撑结构201的表面溅射tiw/cu金属种子层，并进行电镀加厚，金属层cu厚度50μm，见图5。形成的所述下层结构200的俯视图见图6。

s6，采用步骤s1～s3所述的方法，制作所述上层外导体支撑结构301、所述上腔体302和所述上层外导体303，形成上层结构300，见图7。

s7，将所述下层结构200与所述上层结构300进行晶圆级金属键合，典型的键合参数为250℃，压力1n/mm²，保持30分钟，键合后的形成的金属间化合物全部转化为cu3sn，该金属间化合物能耐675℃高温，具有很好的稳定性，见图8；最后形成圆片级微同轴传输线结构400，见图9。

综上所述，本发明的微同轴传输线的制作方法，具有以下有益效果：使用硅基作为外导体支撑材料，结合体硅工艺，只需上下层结构的制作及键合，省却传统su8胶支撑结构至少5层的多层金属工艺方法，大大降低了工艺难度，具有很好工程化应用前景；体硅工艺对腔体深度、宽度可加工范围大(深度范围0μm～1000μm)，相比传统su8胶可加工的厚度范围(通常0μm～300μm)具有较大的优势，因此，对微同轴传输线的结构参数设计提供了较大的冗余度；与传统su8胶支撑结构的微同轴传输线制作方法相比，本发明的微同轴传输线的制作方法采用晶圆键合工艺进行封装，实现较高的成品率和降低成本，可控并且重复性好，利于实现批量化生产制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。