柔性电路基板的制作方法

专利名称：：柔性电路基板的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种柔性电路基板，特别是但不限于，包括结合层结构的无粘结剂的柔性电路基板，还涉及其制备方法。
背景技术：
：随着电子工业向着更薄、更轻、柔性和更加功能性集成产品的方向发展，人们对用于如柔性板上芯片(COF)的某些高级应用的细节距柔性电路的需求与日俱增。无粘结剂柔性电路基板被广泛地应用于高性能柔性电路制造中，通常它们由以下三种方法中的任一制备(1)在铜箔上浇铸液态聚酰亚胺，(2)高温层压铜箔与聚酰亚胺基板，和(3)在聚酰亚胺薄膜上真空沉积金属，然后进行电镀。与电镀技术相结合的真空沉积是目前超细节距应用的方法中最具前景的。它的制造方法完全可以与加成性柔性电路(additiveflexiblecircuit)制备方法(即，其中电路线路通过电镀形成抗蚀层确定的图案而形成)和减去性柔性电路(subtractiveflexiblecircuit)制备方法(即，其中电路线路通过刻蚀掉由抗蚀层图案确定的暴露部分而形成)相比。美国专利6,171，714，5,112，462和5，480，730描述了利用真空沉积和继之以电镀技术来制造的柔性电路基板。该制备方法通常从聚酰亚胺薄膜的等离子处理开始。在惰性气氛中利用真空溅射或真空蒸发的方法沉积金属的结合层。该结合层可以是包含铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)等或其相关合金的单层、双层或多层。结合层的厚度可以是几百个埃也可以是几个埃。然后利用真空沉积方法将从几十纳米到2微米的铜种子层施加到结合层，从而可以为将铜电镀到理想的厚度而提供充足的电导率。柔性电路通常利用加成性、半加成性或减去性的方法制备。加成性和减去性方法都需要除去铜图案之间的任何结合层从而将铜线路隔离开来。根据实际需要，如在装配COF时，最终电镀如Sn或Ni/Au可被覆盖在电路线路上。共晶接合是常用的COF装配技术之一，特别是用于超细节距半导体芯片和镀锡柔性电路中。在该技术中，锡和金凸点(bump)相互接触，然后以等于或大于Sn/Au共熔点的温度加热后，通过形成Sn/Au共熔合金，获得具有IC芯片的柔性电路的接合。为了确保良好的接合质量，选择适当的接合参数(接合机的阶段温度、工具的温度、接合强度等)是很重要的。柔性电路的共晶接合中常见的缺陷包括线路翘起和在金焊凸点2的边缘处PI/Cu的界面分层l，如图1和图2所示。相对较高的接合温度和接合强度对消除线路翘起问题是有益处的，但是，它也会进一步恶化PI/Cu的界面分层l。实际中，由溅射柔性基板制造的一些柔性电路都有小的接合过程窗口(window)。提供具有相对宽的共晶接合过程窗口的柔性电路和低程度的PI/Cu界面分层是必须的。因此，本发明的至少一个实施方式的目的是提供一种柔性电路基板，该基板可以阻止或至少可以减少接合过程中的PI/Cu界面分层；或提供一种柔性电路基板，该基板在热老化之后仍具有改善的剥离强度保持性。
发明内容本发明的第一个方面是提供一种电路基板，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而随后施加的金属，所述电路基板包含介电薄膜和位于该薄膜之上的金属的一种或多种氧化物层，其中该金属氧化物层是通过将一种或多种金属氧化物的金属溅射到所述薄膜表面上而形成的，所述溅射是在除了至少一种可以提供氧化物中的氧的反应性气体的惰性气氛下进行的。本发明的另一个方面提供一种电路基板，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而随后施加的金属，所述基板包括(1)介电薄膜；(2)包含位于所述介电薄膜上所述薄膜之上的金属氧化物或金属合金氧化物的结合层；和(3)在所述结合层上形成线路的一种或多种金属的层。其中，所述金属氧化物层是通过将金属的一种或多种氧化物中的金属溅射到薄膜表面形成的，该溅射是在除了至少一种可以提供氧化物中的氧的反应性气体的惰性气氛下进行的。本发明的另一个方面提供一种电路，该电路是(1)介电薄膜；(2)包含位于所述介电薄膜之上的一种或多种金属的一种或多种氧化物的结合层；和(3)在所述结合层上形成线路的一种或多种金属的层，(4)位于所述金属线路之上的锡或锡合金的层。其中，所述金属氧化物层是通过将一种或多种氧化物中的金属溅射到薄膜表面而形成，溅射是在除了至少一种可以提供氧化物中的氧的反应性气体的惰性气氛下进行的。本发明的另一个方面提供一种电路基板，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而随后施加的金属，所述基板包含夹在介电薄膜层和金属层之间的金属氧化物结合层，其中，该金属氧化物结合层是在另外除了反应性气体的基本上惰性气氛中，通过将金属溅射到介电薄膜表面而形成。本发明的另一个方面提供一种基板的制备方法，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而随后施加的金属，该方法包含以下步骤--在除了至少一种可以为一种或多种金属提供氧的反应性气体的惰性气氛下溅射金属，由此将一种或多种金属的一种或多种氧化物的"结合层(delayer)"沉积到介电薄膜的表面。本发明的另一个方面提供一种基板的制备方法，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而施加的金属，该方法包括以下步骤--在除了至少一种可以为一种或多种金属提供氧的反应性气体的惰性气氛下溅射金属，由此将金属的一种或多种氧化物的"结合层"沉积到介电薄膜的表面上；和…在结合层之上沉积金属层。本发明的另一个方面提供一种基板的制备方法，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而随后施加的金属，该方法包括以下步骤…在除了至少一种可以为一种或多种金属提供氧的反应性气体的惰性气氛下溅射金属，由此将金属的一种或多种氧化物的"结合层"沉积到介电薄膜的表面；---在结合层之上沉积金属层；…将电子互接设备接合到所述金属层。该一种或多种金属的层优选被图案化从而形成线路，该图案化可以由加成性方法形成线路，也可以由半加成性或减去性方法形成线路。优选所述结合层根据一种或多种金属线路被图案化以暴露介电层。优选所述一种或多种金属线路用共晶接合法接合到如集成电路芯片(IC)、PCB(印制电路板)等电子互接设备上。位于电子互接设备与一种或多种金属层之间的所述接合优选是共晶接合。所述共晶接合可以包含锡和金的混合物。芯片可以是带有金凸点的IC芯片。希望锡是被电镀到所述一种或多种金属线路上。优选所述共晶接合形成在线路上被镀的锡与ic芯片上金凸点之间。该介电薄膜可以是任何适当的聚酰亚胺，包括但不限于以商品名UPILEX从日本东京Ube工业有限公司购买的材料、以商品名APICAL从美国得克萨斯州Pasadena的Kaneka高技术材料公司购买的材料、以商品名KAPTON从美国俄亥俄州Circleville的Dupont高性能材料公司购买的材料，包括KAPTONE，KAPTONEN，KAPTONH和KAPTONV。其他如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的聚合物，可以从美国弗吉尼亚外l的Hopewell的DupontTiejin薄膜公司分别以商品MYLAR和TEONEX获得；聚碳酸酯和聚醚酰亚胺(PEI)，可以从美国马萨诸塞州的Pittsfeild的通用电气塑料公司以商品名LEXAN和ULTEM获得；聚醚醚酮，可以从英国Lancashire的Victrex聚合物公司以商品名PEEK获得。薄膜优选是聚酰亚胺。希望介电薄膜是柔性的。惰性气氛可以是氩、氖和氮或其他。惰性气氛优选是氩。反应性气体是能提供形成一种或多金属氧化物的氧。优选反应性气体是氧。其他适合的反应性气体包括氧化氮、二氧化氮、五氧化二氮、四氧化二氮和其他。金属层可以通过电镀沉积、非电镀沉积、溅射、蒸发和其他方法沉积到结合层上。金属氧化物中的金属成分可以是但不限于镍、铬、钴、钼、铜和它们的合金。金属氧化物层的金属成分优选含有镍。适合的金属层材料包括但不限于铜、铝、银、金和它们的合金。在说明书和专利要求书中的"包含"一词指的是"含有至少一部分"，即，在解释包括该词的独立权利要求时，每一项权利要求中由该词所限定的特征都需要存在，而其他的特征也可存在。除非特别指明，"金属"一词覆盖一种或多种金属或金属合金。对本发明所述领域的技术人员而言，本发明的解释和广泛不同的实施例和应用中的许多变化并不意味着超出附加权利要求所定义的本发明范围。此处的解释和描述纯粹是说明性的，并不带有任何限制的意思o定义在说明书中使用的以下词的意思如下"线路(trace)"-允许电子在电子元件之间流动的印制电路板(PCB)上的金属联结。"节距(pitch)"-两个相邻线路中间线的距离"线路翘起(tracelifting)"-在接合之后的剥离测试中，线路与模具块剥离。附图简要说明现在结合附图对本发明做进一步的描述，图中图l是共晶接合之后从聚酰亚胺(PI)薄膜边缘观察的PI/Cu界面分层1的平面图。图2是沿着线路方向的PI/Cu界面分层l的截面图。在基板和柔性电路的制备中，我们发现结合层的成分对以后的接合和PI/Cu的界面分层性能有着重要影响。根据本发明的一个实施例，具有与共晶接合中相似结合层厚度的常用的Ni-Cr结合层相比，NiCrOx结合层可以对柔性电路提供大大改进的耐PI/Cu界面分层。发现与NiCr结合层相比，NiCrOx结合层在共晶接合过程中明显减少PI/Cu的界面分层。也发现氧化物结合层的厚度会影响到接合和PI/Cu的界面分层性能。虽然结合层的合适厚度依赖于多种因素，但是发现等于或大于13埃的厚度提供希望的结果。该结合层厚度优选是在约13到约300埃的范围内。结合层的厚度通过将该结合层溶解在15。/。王水中并通过ICP(感应耦合等离子体原子发射光谱)测试的方法来评价，其中，从元素浓度换算成厚度是以固体材料的密度为基础。在此，NiCrOx代表该结合层中Ni、Cr和O元素的任意可能的化学配比。NiCr合金不同程度的氧化，或NixOy，CrxOy，Ni和/或Cr混合物的任意形式都包括在内。不希望限定于任何理论，相信该结合层中的氧对阻止共晶接合中PI/Cu界面分层的影响可以应用到任何含有Ni合金的结合层，包括含有Ni合金的双结合层和渐变结合层。本发明的一个实施例提供了一种制造具有NiCrOx结合层的柔性基板的方法，特别是一种用于将NiCrOx结合层沉积到如聚酰亚胺(PI)薄膜的聚合物上的方法。该方法利用在含有氩和氧的混合物的气氛中从NiCr目标合金(80%Ni，20%Cr，质量比)反应性溅射从而沉积NiCrOx结合层。引入溅射的氧气流和氩气流的比可以是在1%到50%的范围内。该结合层具有粘附在它上面的铜种子层。该铜种子层的厚度大约是从IOO纳米到IOOO纳米。该铜层可以进一步被电镀到1微米到80微米的厚度。我们发现，在热老化之后，带有NiCK^结合层的柔性电路基板表现出具有改进的剥离强度保持性。例如，与具有NiCr结合层的基板相比，25(TC下加热60分钟之后，在02/八1流为10%气氛下溅射形成的、具有厚度为40埃的NiCrOx结合层的基板有更高的、2.99磅/英寸的剥离强度保持性，而NiCr结合层是仅在纯氩气气氛下溅射形成的。总的趋势是，热老化之后的剥离强度保持性随着NiCrOx的厚度和溅射气体的氧气含量的增加而增加，而增加溅射气体的氧气含量具有更大的影响。不同的结合层构成和沉积方法是公知的，同时被广泛地应用于柔性电路基板的制备中，特别是应用于不考虑以后是否使用加成性的或减去性的电路制备方法、用共晶接合技术接合的镀锡柔性电路中。电路可以用许多适合的方法，如减去性的、加成性-减去性的和半加成性的方法制造。典型的减去性电路制造方法首先提供介电基板。该介电基板可以是由聚酯、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚氯乙烯、丙烯酸脂、聚碳酸酯或聚烯烃制成的、厚度为约10微米到约600微米之间的聚合物薄膜。本发明中的结合层被沉积以后，可以用众所周知的方法，如气相沉积或溅射来沉积传导层。任选地，该沉积的传导层可以用众所周知的方法，如电镀或非电镀镀膜方法将膜镀到需要厚度。传导层可以用许多众所周知的方法，包括光刻，来实现图案化。如果使用光刻技术，则利用标准的具有热辊的层压法或其他涂层技术(如刀涂、模涂，影印滚动涂层等)将抗蚀剂迭压或涂覆到至少介电基板的金属覆盖层面上，光致抗蚀剂可以是水性的或基于溶剂的，可以是正性的或负性的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的厚度从约1微米到50微米。然后将光致抗蚀剂暴露在紫外线等光线下，通过掩模或光刻工具交联光致抗蚀层的暴露部分。然后光致抗蚀剂未暴露部分被适当的溶剂显影直到得到需要的图案。对于负性抗蚀剂，暴露的部分被交联而抗蚀剂未暴露部分然后被适当的溶液显影。利用适当的蚀刻剂将传导层的暴露部分蚀刻掉。然后用一种合适的蚀刻剂将结合层的暴露部分蚀刻掉。剩余的(未暴露的)传导金属层最终厚度为约5纳米到约200微米。然后在适当的溶液中，将交联的抗蚀层剥掉。如果需要，该介电薄膜可在基板上被蚀刻形成特征。然后进行后续的诸如覆盖层和另外镀层的施加等处理步骤。另一个形成电路部分的可能方法利用半减去性电铍法，下列典型步骤顺序用本发明中的结合层覆盖在介电基板上。然后利用真空溅射或蒸发的方法沉积薄的第一传导层。介电基板和传导层的材料和厚度在前面的段落中已经叙述过。该传导层可以用在减去性电路制备方法中如上所述相同的方法进行图案化。使用标准的电镀法或非电镀法然后对传导层的第一暴露部分进一步电镀，直至获得希望的电路厚度为约5纳米到200微米。抗蚀层交联的暴露部分被剥掉。随后，用不破坏介电基材的蚀刻剂蚀刻薄的第一传导层的暴露部分。如果结合层在暴露处被除去，可用适当的蚀刻剂去除。如果需要，介电薄膜可以被蚀刻以在基板中形成特征。然后进行后续的处理步骤，例如覆盖层和另外镀层的施加。另一个形成电路部分的可能方法利用减去法和加成法电镀的结合，也称为减去法-加成法，下列典型步骤顺序用本发明中的结合层覆盖介电基板。然后利用真空溅射或蒸发的方法沉积薄的第一传导层。介电基板和传导层的材料和厚度在前面的段落中已经叙述过。传导层可以用包括如上所述的照相平版法的多种公知的方法进行图案化。当光致蚀刻剂形成传导层需要的图案的正图案时，通常使用适当的蚀刻剂将暴露的传导材料蚀刻掉。然后适当的蚀刻剂蚀刻结合层。剩余的(未交联的)传导金属层优选最终厚度为5纳米到200微米。然后抗蚀层暴露(交联)的部分被剥离掉。如果需要，介电薄膜可以被蚀刻以在基板中形成特征。然后进行后续的处理步骤，例如覆盖层和另外镀层的施加。下面参考非限制实验部分对本发明作更详细的描述。具体实施例方式我们研究中使用的薄膜将集中在KAPTONE聚酰亚胺上，但是本发明也能被应用到其它类型的聚酰亚胺(PI)，甚至其它聚合物基板。对比例l-4:现有技术中众所周知的一系列柔性电路基板是使用制备溅射方法制备不同级别的NiCr结合层厚度(参考表l)，该方法包含如下步骤。(1)将Dupont的聚酰亚胺薄膜KAPTON1.5E在200^0(TC加热5-30秒以去除真空腔中薄膜的水。(2)在实施例1中，用溅射方法沉积厚度为10埃的NiCr合金结合层。溅射的条件2-10mTorr的腔压；1.76kW的溅射功率和1.5秒的溅射持续时间。实验中所有的溅射的氩气流固定在450sccm。实施例2，3和4中不同结合层厚度的沉积通过变化溅射功率和溅射持续时间来实现。(3)厚度为200nm的种子铜层在3-5mTorr被溅射到NiCr结合层上。(4)厚度为2.3微米的薄瞬时(flash)铜层被电镀到溅射的铜层上。然后通过利用不同结合层厚度的基板的加成法制备设计节距为40-50微米(总共842个线路)的柔性电路。厚度为0.51微米/0.21微米的总/纯锡层被电镀到该电路上。利用TAB(带状自动接合机)接合机(Shibaura-TTI810)接合所有的柔性电路。有目的地选择强的接合条件(49(TC的阶段温度，220X:的工具温度，220N的力和120微米的变形)以区分不同NiCr结合层厚度对PI/Cu界面分层反应的影响。根据穿过铜线路宽度的Sn-Au共熔渗透/覆盖的百分比来量化接合电路的PI/Cu分层级别。表1给出了PI/Cu界面分层反应和结合层条件的关系。从中可以看到，在这些NiCr基板上发生约100。/。的PI/Cu界面分层。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>实施例5-9:本发明的一个优选实施例包含一系列柔性电路基板的形成，其具有5种NiCrOx沉积条件并具有不同的结合层厚度(参考表2)，其在三种不同02/Ar流速比率(1%，5.5%和10%)的气氛下溅射，如表2所列。除了结合层溅射方法，所有制备这5个NiCrOx基板的方法与对比例1-4中的方法相同。在实施例5中，厚度为13埃的NiCrOx结合层是以1%的02/Ar流速比率的溅射方法沉积。该溅射条件2-10mTorr的腔压；2.35kW的溅射功率和1.5秒的溅射持续时间。实施例6，7，8和9中不同NiCrOx结合层厚度的沉积是通过变化溅射功率(2.0-10.0kW)，溅射持续时间(1.0-5.0秒)和(VAr流速比率(1%，5.5%和10%)来实现。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>电路制备方法和结合条件与实施例l-4中相同。结合条件示于表2中。通过使用NiCrOx结合层，PI/Cu界面分离可被显著降低至低于40。/。的水平。在10。/。O2/Ar流速下溅射的厚度为40A的NiCrOx结合层提供最低的PI/Cu界面分离，低于10%。对比例10-13和实施例14-18具有不同NiCr和NiCrOx结合层厚度(如表3所示)的对比例10-13和实施例14-18的基板分别用对比例l-4和实施例5-9中的方法制备。铜层被进一步电镀到25微米的厚度，然后用减去性方法制备所有基板的基板录'J离测试样品。根据TheInstituteforInterconnectingandPackagingElectronicCircuits,2215StandersRoad,Northbrook，Illinois,(USA)的IPC-TM-650标准，所有样品在卯。条件下剥离。表3列出了初始剥离强度和在25(TC加热60分钟之后的剥离强度。可以看到结合层条件(如结合层厚度，NiCr或NiCrOx和氧含量)对初始剥离强度没有明显的影响。但是它们对热老化之后的剥离强度有明显的影响。高氧含量(如10%02)的NiCrOx可以明显地改善剥离强度保持性。结合层厚度对剥离强度保持性的影响没有氧含量的影响那么大。25(TC加热60分钟的热老化之后，在02/八1"的流速比率为10%的气氛下溅射的厚度为40埃的NiCrOx结合层具有相对较高的剥离强度保持性，为2.99磅/英寸(lb/in)。在前文描述的参考中是由个体或整体组成的，这些个体或整体有众所周知的等同物。如果这些等同物被分别单独提出来，它们仍然是被包括在内。虽然本发明已经用实施例和参考特定实施例的方法进行了描述，但是必须明白，在不偏离本发明的范围或精神的条件下，本发明是可以进行修改和/或改进的。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>权利要求1.一种基板前体，其用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而施加的金属，所述基板包括(a)介电薄膜；和(b)位于所述薄膜之上的一种或多种金属的一种或多种氧化物的结合层，其中，所述金属氧化物层是通过将一种或多种氧化物的一种或多种金属溅射到薄膜表面上形成的，所述溅射是在除了至少一种可以提供所述氧化物中的氧的反应性气体的惰性气氛下进行的。2.—种电路基板，包括(a)介电薄膜；(b)位于所述介电薄膜之上的一种或多种金属的一种或多种氧化物的结合层；和(C)位于所述结合层之上的一种或多种金属的层，其中，所述金属氧化物层是通过将一种或多种氧化物的一种或多种金属溅射到所述薄膜表面上而形成，所述溅射是在除了至少一种可以提供所述氧化物中的氧的反应性气体的惰性气氛下进行的。3.根据权利要求2所述的基板，其中，结合层在所述基板的至少一侧上具有连续分布。4.根据权利要求2所述的基板，其中，结合层是金属的氧化物或多种金属的多种氧化物。5.根据权利要求2所述的基板，其中，结合层含有镍的氧化物。6.根据权利要求2所述的基板，其在通过熔融结合层并用ICP法评价时具有13埃到300埃的厚度，厚度的换算是基于固态本体材料的密度。7.根据权利要求2所述的结合层，其是用溅射方法沉积的。8.根据权利要求2所述的基板，其中所述介电薄膜是柔性的。9.根据权利要求6所述的基板，其中所述介电薄膜选自如下物质的任一种聚酰亚胺、UPILEX、APICAL、KAPTONE、KAPTONEN、KAPTONH、KAPTONV。10.根据权利要求6所述的基板，其中所述介电薄膜选自如下聚合物的任一种PET、PEN、聚碳酸酯、PEI、PEEK等。11.根据权利要求2所述的基板，其中所述金属层通过电镀沉积、溅射、非电镀电沉积中的任何一种或多种方法而沉积到所述结合层上。全文摘要本发明涉及一种基板，该基板用于随后共晶接合为提供电路基板或作为制备电路基板的前体而施加的金属。该电路基板包含介电薄膜和位于该薄膜之上的金属的一种或多种氧化物层。该金属氧化物层是通过将一种或多种金属氧化物的金属溅射到所述薄膜表面上而形成的，所述溅射是在除了至少一种可以提供所述氧化物中的氧的反应性气体的惰性气氛下进行的。文档编号H05K3/38GK101194542SQ200680020774公开日2008年6月4日申请日期2006年4月4日优先权日2005年4月8日发明者王效东,王立平,高剑侠申请人:3M创新有限公司