牛 通，王從香

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于本征光敏型聚酰亞胺的多層薄膜電路制作工藝*

牛 通，王從香

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

本征光敏型聚酰亞胺(PSPI)具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、感光性、力學(xué)性能和介電性能，其在MCM組件中的應(yīng)用，將進(jìn)一步降低組件的重量、提高封裝密度。在國外，PSPI在MCM中的應(yīng)用已較為成熟，而國內(nèi)在這方面與國外有較大的差距。為此，文章從應(yīng)用的角度出發(fā)，研究了PSPI的光刻特性，優(yōu)化工藝參數(shù)后，厚度10 μm 的PSPI可刻出Φ30 μm的微孔；PSPI表面沉積金屬的附著力是難點(diǎn)和關(guān)鍵，文中重點(diǎn)對PSPI表面金屬化工藝進(jìn)行了研究，通過對PSPI進(jìn)行等離子處理工藝的優(yōu)化，在其表面TiW-Cu-Au膜層的附著力滿足要求，附著力達(dá)25 MPa；在此基礎(chǔ)上，制作出了“3 層介質(zhì) + 3 層電路”的多層薄膜微波測試電路。結(jié)果表明，測試電路層間導(dǎo)通良好，在1～ 40 GHz范圍內(nèi)插入損耗小于0.85 dB，回波損耗小于-13 dB。

本征光敏型聚酰亞胺；附著力；等離子處理；TiW-Cu-Au膜層；多層薄膜電路

引 言

聚酰亞胺具有優(yōu)良的耐高溫性能，其分解溫度一般在500 ℃，可耐極低溫度，在-269 ℃的液氦環(huán)境下仍不會脆裂，可用于極端的惡劣環(huán)境中[1]。聚酰亞胺可作為介質(zhì)用于薄膜多層電路中，其膨脹系數(shù)為20×10-6～ 30 × 10-6K-1，低于普通的樹脂，其介電常數(shù)為2.5左右，介電損耗在10-3量級，介電強(qiáng)度為100 ～ 300 kV/mm，其優(yōu)良的介電性能在寬廣的溫度范圍和頻率范圍內(nèi)仍能保持在較高的水平[2]。

光敏性聚酰亞胺相對于非光敏的聚酰亞胺，在應(yīng)用于薄膜多層時，可大大簡化介質(zhì)層制作流程。在國內(nèi)， PSPI應(yīng)用于薄膜多層領(lǐng)域方面的報(bào)道較少，文獻(xiàn)[3]采用PSPI制作了“3 層介質(zhì)層 + 2 層金屬電極”多層薄膜結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，但沒涉及關(guān)鍵的工序，比如PSPI介質(zhì)層的具體制作過程和PSPI表面沉積金屬前的處理過程；在國外，PSPI應(yīng)用于薄膜多層領(lǐng)域方面的研究較多，較成熟，如AT&T、IBM、Thomson、NTK和Fujitsu等公司均使用聚酰亞胺，使之在薄膜多層電路或MCM-D中得到了應(yīng)用[4-5]。

鑒于國內(nèi)外PSPI在薄膜多層領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文研究了基于PSPI制作薄膜多層的方法，其優(yōu)化了PSPI介質(zhì)層制作參數(shù)，通過等離子處理提高了PSPI表面金屬膜層的附著力，在此基礎(chǔ)上，制作了“3 層介質(zhì) + 3層電路”的測試電路，層間金屬導(dǎo)通，并初步測試了多層薄膜電路微波性能。

1 試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的PSPI是本征型負(fù)性光刻膠，其粘度為2 200 ～ 2 300 cP，所用基板為50.8 mm × 50.8 mm ×0.625 mm規(guī)格的氧化鋁鍍膜基板，試驗(yàn)所用銅靶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.999 5%；TiW中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

1.2試驗(yàn)過程

通過優(yōu)化旋涂工藝獲得一定厚度的PSPI膜層，通過調(diào)整光刻參數(shù)獲得PSPI能顯出的最小孔徑，經(jīng)固化后，采用氧等離子對PSPI表面進(jìn)行處理，之后采用磁控濺射的方法在其表面金屬化，隨后采用光刻-電鍍的方法在PSPI表面制作第1 層電路圖形，在此基礎(chǔ)上制作“3 層介質(zhì) + 3 層電路”的多層薄膜微波測試電路，具體試驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過程

1.3測量方法

1.3.1 粗糙度的測量

采用XP-100臺階儀測量PSPI表面的粗糙度。

1.3.2 PSPI表面金屬膜層附著力的測量

PSPI表面沉積金屬膜層的附著力的定量測量，是在PSPI上制作2 mm × 2 mm的金屬焊盤，采用SnPb焊料將銀包銅金屬棒焊接在金屬焊盤上，在多功能拉力測試機(jī)上測試焊盤拉力值。

1.3.3 多層薄膜電路的性能測量

利用PSPI制作結(jié)構(gòu)為“3 層介質(zhì) + 3 層電路”的測試電路樣品，介質(zhì)單層厚度為10 μm，金屬電路層厚4 μm，層間采用金屬化的介質(zhì)孔進(jìn)行層間互聯(lián)。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測量樣品在1 ～ 40 GHz范圍內(nèi)的插入損耗和回波損耗。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1PSPI介質(zhì)層制作工藝研究

本文采用的是國產(chǎn)化的光敏性聚酰亞胺光刻膠，它是一種負(fù)性本征光敏型聚酰亞胺材料，與傳統(tǒng)的負(fù)性光敏膠相比，具有i-線(365 nm)敏感特性，無需外加光敏劑，因此具有純度高、離子含量低的特性[5]。同時，由于PSPI體系中沒有添加任何光敏劑，因此在光刻后的固化過程中膜厚收縮率小于10%，固化后的PSPI膜的CTE為20 × 10-6℃-1(與銅的16.8 × 10-6℃-1較為接近)，介電常數(shù)為3.0，介電損耗為0.007@1 MHz，介電強(qiáng)度為270 V/μm，吸水率 ≤ 1.1%，拉伸強(qiáng)度 ≥ 120 MPa。上述特性使其適于用作多芯片模塊(MCM-D)制程工藝中的層間絕緣介質(zhì)材料。

2.1.1 基板表面狀態(tài)對PSPI附著力的影響

制作PSPI介質(zhì)層時，需要把PSPI膠旋涂在基板上，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同的基板表面狀態(tài)對PSPI的附著力有著重要的影響。試驗(yàn)中采用的基底表面分別為Al2O3、Al2O3-Ti、Al2O3-Ti-Cu、Al2O3-Ti-Cu-Au，對應(yīng)的表面分別為Al2O3、Ti、Cu、Au。PSPI固化后的附著力的測量，按照航天部標(biāo)準(zhǔn)QJ 1990.14—86《涂層檢驗(yàn)方法 涂層附著力檢驗(yàn)方法》，采用刀片劃透涂層，劃格數(shù)量為9 個，用膠帶垂直拉，9 個劃格均無脫落為合格。PSPI在上述4 種基板上固化后，經(jīng)膠帶拉力測試，結(jié)果如圖2所示。除Au 表面上PSPI膜有脫落外，其余均無脫落，相對而言，PSPI膜在不同表面上的附著力的大小依次是Ti ≈Cu>Al2O3>Au。因此，在制作第1 層PSPI介質(zhì)時，優(yōu)先采用鍍鈦表面，雖然PSPI在Cu與Ti表面上都有優(yōu)良的附著性能，但是由于PSPI與Cu表面在高溫下有一定的互擴(kuò)散傾向，穩(wěn)定性較差，且銅在潮濕的條件下易氧化，所以不推薦采用鍍銅表面。

圖2 不同基板表面對PSPI附著性能的影響

2.1.2 模板種類對PSPI制作介質(zhì)微孔的影響

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在制作PSPI介質(zhì)孔時，曝光掩膜版的種類對PSPI介質(zhì)孔的形成有著重要的影響。在同樣的光刻工藝條件下，采用玻璃鍍鉻的掩膜版能獲得孔徑小至30 μm的介質(zhì)孔；而采用乳膠掩膜版時，80 μm的介質(zhì)孔仍舊顯影不出，并且出現(xiàn)介質(zhì)孔徑處中心凸起、邊緣凹陷的現(xiàn)象，如圖3所示。這與乳膠掩膜版的熱穩(wěn)定性較差有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)中，曝光時間需長達(dá)120 s左右(光強(qiáng)密度22 mW/cm2)，長時間高能量密度的曝光，致使乳膠掩膜版出現(xiàn)較大的膨脹，介質(zhì)孔徑處發(fā)生復(fù)雜的光學(xué)變化，并在顯影時發(fā)生溶脹。因此，在PSPI上制作微孔時，必須采用玻璃鍍鉻的掩膜版進(jìn)行曝光。

圖3 乳膠掩膜版對PSPI介質(zhì)孔的影響

2.1.3 曝光劑量對PSPI的影響

曝光劑量對PSPI介質(zhì)層的制作有著重要影響。曝光計(jì)量不足時，PSPI顯影后表面變得粗糙，表面會出現(xiàn)如圖4所示的波紋，這是由曝光區(qū)的膠面分子交聯(lián)不完全、在顯影時交聯(lián)不完全的分子溶解在顯影液中造成的。當(dāng)曝光劑量過高時，PSPI上介質(zhì)孔的顯影能力降低，孔徑較小的介質(zhì)孔易顯影不出或顯影不徹底，進(jìn)而導(dǎo)致介質(zhì)層間互聯(lián)的失效。

圖4 曝光劑量不足顯影后表面粗糙

圖5是光刻工藝優(yōu)化后，曝光劑量在2.6 J/cm2時，制作的PSPI介質(zhì)孔陣列。固化后的PSPI厚10 μm，孔徑最小可達(dá)30 μm。

圖5 PSPI固化后的形貌及固化曲線

2.2PSPI上金屬化工藝研究

PSPI固化后，在其表面上制作第1 層電路圖形，其中，PSPI上金屬膜層的附著力是整個工藝的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[6-7]中采用磁控濺射的方法在PI 膜上制備了TiN-Cu金屬膜層，其附著力達(dá)到3.8 MPa，并考察了熱處理對PI與Cu之間擴(kuò)散的影響，認(rèn)為TiN阻擋層的存在可以有效地阻擋高溫下PI與Cu之間的擴(kuò)散。

本文采用磁控濺射的方法，在PSPI上沉積的金屬膜層結(jié)構(gòu)為TiW-Cu，并著重研究氧氣等離子處理對金屬層附著力的影響。采用氧氣等離子體對PSPI膜表面進(jìn)行處理，等離子處理參數(shù)見表1。PSPI經(jīng)等離子處理后濺射金屬，其膜層結(jié)構(gòu)是TiW50 nm + Cu1 000 nm，之后在TiW-Cu膜層上制作2 mm × 2 mm的TiW-Cu-Au焊盤，用于附著力的測試。

表1為不同氧等離子處理的樣品對應(yīng)的附著力測量結(jié)果。由表1可知，3#樣品的焊盤拉力優(yōu)于其他4 種，金屬膜層的附著力達(dá)25 MPa，優(yōu)于文獻(xiàn)[6]中的報(bào)道值。對比1#、2#、3#的試驗(yàn)參數(shù)，在功率、O2流量和工作壓強(qiáng)相同時，隨著等離子處理時間的延長，處理后的PI膜表面粗糙度Ra呈增大的趨勢，適當(dāng)?shù)拇植诙扔欣谠龃蠼饘賹优cPSPI膜之間的接觸面積，進(jìn)而提高金屬層的附著力；但是，當(dāng)處理時間過長、PSPI膜表面粗糙度過大時，并不利于金屬膜層附著力的提高，這和氧等離子體與PI膜表面作用的機(jī)理有關(guān)，當(dāng)適當(dāng)劑量的氧等離子體作用于PI膜表面時，PI膜層表面形成羥基、碳氧鍵，在濺射金屬時，親氧性金屬如Ti、Cr、Ta等與羥基氧反應(yīng)[8]，形成金屬-氧鍵，進(jìn)而增強(qiáng)濺射金屬與PI的附著力，如圖6所示。

表1 氧等離子處理?xiàng)l件對TiW-Cu附著力的影響

圖6 氧等離子與PI的作用機(jī)理

表1中2#、4#和5#樣品對比可知，在等離子處理功率、時間和壓強(qiáng)都相同時，隨著O2流量的增加，金屬膜層的附著力呈先增加后減少的趨勢，流量值為100 SCCM時金屬膜層能獲得較好的附著力。

表2考察了氧等離子處理時的工作壓強(qiáng)對金屬層附著力的影響，其中，等離子功率為200 W，處理時間為300 s，O2流量為100 SCCM。金屬膜層的附著力測試結(jié)果見表2。從試驗(yàn)結(jié)果來看，在工作壓強(qiáng)為10 Pa時，金屬膜層有較好的附著力，進(jìn)一步提高或降低工作壓強(qiáng)，并不能提高金屬膜層的附著力。這說明在其他條件相同時，隨著工作壓強(qiáng)增大、氧等離子體濃度提高，能取得較好的處理效果；但當(dāng)濃度過大時，氧等離子之間的自由程變短、碰撞加劇，導(dǎo)致到達(dá)PSPI膜上的氧等離子能量降低[9]，處理效果變差。

表2 濺射壓強(qiáng)對TiW-Cu附著力的影響

2.3多層薄膜電路制作及測試

圖7和圖8是制作的多層薄膜電路測試樣品、電路圖和微帶傳輸線測試結(jié)果。測試樣品的結(jié)構(gòu)為“3 層介質(zhì) + 3 層電路”，介質(zhì)單層厚度為10 μm，金屬電路層厚4 μm，層間采用金屬化的介質(zhì)孔進(jìn)行層間互聯(lián)。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，測量樣品的微波性能，結(jié)果表明，樣品層間導(dǎo)通良好，在1 ～ 40 GHz范圍內(nèi)插入損耗小于0.85 dB，回波損耗小于-13 dB。

圖7 多層薄膜電路測試樣品及電路圖

圖8 多層薄膜電路和微帶傳輸線測試結(jié)果

3 結(jié)束語

光敏性聚酰亞胺(PSPI)具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、感光性、力學(xué)性能和介電性能，其在MCM組件中的應(yīng)用將進(jìn)一步降低組件的重量、提高封裝密度。本文研究了PSPI的光刻特性，優(yōu)化工藝參數(shù)后，厚度10 μm 的PSPI膜可刻出Φ30 μm的微孔；PSPI表面沉積金屬的附著力是難點(diǎn)和關(guān)鍵，通過對PSPI進(jìn)行等離子處理工藝的優(yōu)化，其表面TiW-Cu-Au膜層的附著力滿足要求，附著力達(dá)25 MPa；在此基礎(chǔ)上，制作出“3 層介質(zhì) + 3 層電路”的多層薄膜微波測試電路，層間導(dǎo)通良好，在1 ～ 40 GHz范圍內(nèi)插入損耗小于0.85 dB，回波損耗小于-13 dB。

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牛 通(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮臃庋b材料應(yīng)用技術(shù)及微電路工藝技術(shù)。

FabricationofMulti-layerThinFilmsCircuitBasedonIntrinsicalPSPI

NIUTong，WANGCong-xiang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Intrinsical Photosensitive-polyimide (PSPI) has excellent thermal-stability, phototonus, mechanical properties and dielectric properties, which can be used in MCM module and greatly reduce weight and improve packing density of the module. PSPI has been applied in MCM for several years abroad. Compared with developed industrial countries there is a large gap at home. In this paper, lithography properties and process parameter are studied. A small aperture of 30 μm is formed in the PSPI of 10 μm.The adhesion of mental film on PSPI is key and nodus. Metalized technics on surface of PSPI is studied. The adhesion of TiW-Cu-Au film reaches 25 MPa by plasma treatment. On this basis, the test circuit of multi-layer thin film micro-wave with “three-layer PSPI + three-layer circuit” is produced. The result shows that the conduction between layers of the test circuit is good, the insertion loss is smaller than 0.85 dB and the return loss is smaller than -13 dB in the range of 1～40 GHz.

intrinsical photosensitive-polyimide; adhesion; plasma treatment; TiW-Cu-Au film; multi-layer thin films circuit

2016-10-19

TG113.26

A

1008-5300(2017)04-0048-04