（材料学专业论文）基于有机导电浆料的激光直写技术工艺和机理研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rd i r e c tw r i t i n g ( l d w ) t e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e df o rc i r c u i t f a b r i c a t i o na n dr e p a i r ，w h i c hh a sb e e nc o n s i d e r e da st h em o s tp r o m i s i n gf l e x i b l e r o u t i n g t e c h n o l o g y f o rt h ef i r s tt i m ei nn a t i o na n da b r o a d ，c o n d u c t i v el i n e sw e r ef a b r i c a t e d b yl a s e r s c a n n i n gt h eo r g a n i cc o n d u c t i v ep a s t ew h i c hc o n s i s t so fp h e n o l i cr e s i n s ，s i l v e rp o w d e ra n d t e r p i n y a c e t a t ew i t hc o n t i n u o u sw a v ec 0 2l a s e ro ne p o x yr e s i n ss u b s t r a t e t h et h i c k n e s so ft h e p r e p l a c e d c o n d u c t i v e p a s t el a y e r w a sc o n t r o l l e d b y t h e g l u e s p i n n i n ga p p a r a t u s t h e i n f l u e n c e so fl a s e r p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o nt h i c k n e s s ，w i d t h ，r e s i s t i v i t y ，a n da d h e s i v e s t r e n g t h o fc o n d u c t i v el i n e sw e r es t u d i e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dw h e np r o p e rl a s e r p a r a m e t e r sa r eu s e d ，i ti sp o s s i b l et op r e p a r et h ec o n d u c t i v el i n e sw i t hl o wr e s i s t i v i t y , h i 醇 c o h e s i v es t r e n g t ha n d a d j u s t a b l ew i d t h t h et h i c k n e s so fl i n ei sd e p e n d e n t u p o n t h ev i s c o s i t y ，s p i n n i n gs p e e da n ds p i n n i n gt i m e t h et h i c k n e s sc o u l db ec o n t r o l l e dw e l lw h e nt h e s ef a c t o r sa r eh a r m o n i z e d d u r i n gt h ep r o c e s s i n go fl d w - t h e r ee x i s tt w oc r i t i c a l s c a n n i n gr a t e sw h e nt h el a s e r p o w e r i sc o n s t a n t ：o n ei sd e f i n e da sc r i t i c a ls c a n n i n gr a t ef o rc o n d u c t i v el i n ef o r m i n g ，b e y o n d 7 h i c ht h ec o n d u c t i v el i n e sc o u l db ec l e a n e du pb yt h eo r g a n i cs o l u t i o n ；t h eo t h e ro n ei s d e f i n e da sc r i t i c a ls c a n n i n gr a t ef o rc o n d u c t i v el i n ed a m a g e ，b e l o ww h i c ht h ec o n d u c t i v el i n e s w i l lb ed a m a g e d b y t o om u c hl a s e re n e r g y o nt h eo t h e rh a n d ，t w ot h r e s h o l d sp o w e r se x i s t o n ei sd e f i n e da st h r e s h o l dp o w e rf o r c o n d u c t i v el i n ef o r m i n g ，b e l o ww h i c ht h ec o n d u c t i v el i n e sc o u l db ec l e a n e du p ；t h eo t h e ro n e i sd e f i n e da st h r e s h o l dp o w e rf o rc o n d u c t i v el i n ed a m a g e ，b e y o n dw h i c ht h el i n e sw i l lb e d a m a g e d w h e nt h es p e e da n dt h el a s e rp o w e ra r ei nt h er a n g eb e t w e e nt h et w oc r i t i c a lr a t e sa n d 一 i l 华中科技大学硕士学位论文 t 1 ) et h r e s l l o l d s t h el i n e sw i l lb ee x c e l l e n tm a dt h ew i d t hw i l li n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo ft h e r a t eo rt h e1 n c r e a s eo ft h el a s e rp o w e r t h ef o r m a t i o no fc o n d u c t i v el i n e si sd e r i v e df r o mt h ec o n n e c t i o no fm e t a lp o w d e r st oa t h r e e - d i m e n s i o n a lc o n d u c t i v en e t a tl a s t ，ap h y s i c a lm o d e lw a ss u g g e s t e dt oe x p l a i nl d w s p r o c e s sa n dm e c h a n i s m s k e y w m - d s ：l a s e rd i r e c t w r i t i n go r g a n i cc o n d u c t i v ep a s t e t h i c k n e s sw i d t hc r i t i c a lr a t et h r e s h o l dp o w e r p h y s i c a lm o d e l j 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪言 当前电子产品一方面向超大规模集成化、数字化、轻量化发展，另一方面也呈小批量、 多样化、短时效的趋势。这使得传统的印制电路板制作工艺，如光化学法和丝网漏印法等， i ! 越来越不能满足上述要求。具体体现在：制造工序多，在制各高精度印制电路板时，易 产生较大误差；最小线宽和线间距受到很大的限制；腐蚀去除的导电材料很多，造成贵重 材料的大量浪费；电镀、腐蚀等工序使用的溶液对环境造成很大的污染；制作过程柔性化 程度低，制作周期长，线路板一旦完成后不能修改，而且成本高等。 由于激光直写( l a s e rd i r e c tw r i t i n g ) 制版技术无需掩膜，易于实现柔性化加工，且加 ：精度高，速度快，无污染，成本低，因此被认为是最具有工业化应用前景的柔性布线技 术而成为国内外的持续研究热点。 根据具体工艺的不同，激光直写布线技术大致分为激光化学气相沉积、激光诱导液相 化学镀和激光诱导固相反应沉积。本章将概述激光直写布线技术的发展现状，并对其发展 趋势进行简要评述。 1 1 激光直写技术与传统制版技术的比较 传统的制版方法有丝网漏印法、光化学法、电子束刻蚀法和电子、离子扫描法等i l 。j 。 丝网漏印法是根据设计好的电路，用精细丝绢或不锈钢丝制成相应图形的丝网；再将 丝网覆盖在铜覆板上，将抗化学腐蚀油墨涂刷在表面，在压力作用下，使油墨漏印覆盖在 铜覆板上；然后把末覆盖油墨的覆铜层腐蚀掉，最后清洗掉油墨，即得到导线图形。丝网 潺印法适用于大批量的生产，但是必须事先制备好丝网，而且电路尺寸与定位精度受丝网 的网眼尺寸和油墨或导电浆料的粘度的影响很大。 光化学法是在铜覆板表面均匀地浸渍或涂覆一层薄薄的光敏抗蚀剂膜，再通过曝光显 影将导电图形转移到抗蚀剂膜上，除去图形以外的铜覆层，得到所需的电路。光化学法可 以制得最小线宽为01 微米的精密电路，适合大批量生产，是当前制备电路板的主要方法。 1 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪言 当前电子产品一方面向超大规模集成化、数字化、轻量化发展，另一方面也呈小批量、 多样化、短时效的趋势。这使得传统的印制电路板制作工艺，如光化学法和丝网漏印法等， i ! 越来越不能满足上述要求。具体体现在：制造工序多，在制各高精度印制电路板时，易 产生较大误差；最小线宽和线间距受到很大的限制；腐蚀去除的导电材料很多，造成贵重 材料的大量浪费；电镀、腐蚀等工序使用的溶液对环境造成很大的污染；制作过程柔性化 程度低，制作周期长，线路板一旦完成后不能修改，而且成本高等。 由于激光直写( l a s e rd i r e c tw r i t i n g ) 制版技术无需掩膜，易于实现柔性化加工，且加 ：精度高，速度快，无污染，成本低，因此被认为是最具有工业化应用前景的柔性布线技 术而成为国内外的持续研究热点。 根据具体工艺的不同，激光直写布线技术大致分为激光化学气相沉积、激光诱导液相 化学镀和激光诱导固相反应沉积。本章将概述激光直写布线技术的发展现状，并对其发展 趋势进行简要评述。 1 1 激光直写技术与传统制版技术的比较 传统的制版方法有丝网漏印法、光化学法、电子束刻蚀法和电子、离子扫描法等i l 。j 。 丝网漏印法是根据设计好的电路，用精细丝绢或不锈钢丝制成相应图形的丝网；再将 丝网覆盖在铜覆板上，将抗化学腐蚀油墨涂刷在表面，在压力作用下，使油墨漏印覆盖在 铜覆板上；然后把末覆盖油墨的覆铜层腐蚀掉，最后清洗掉油墨，即得到导线图形。丝网 潺印法适用于大批量的生产，但是必须事先制备好丝网，而且电路尺寸与定位精度受丝网 的网眼尺寸和油墨或导电浆料的粘度的影响很大。 光化学法是在铜覆板表面均匀地浸渍或涂覆一层薄薄的光敏抗蚀剂膜，再通过曝光显 影将导电图形转移到抗蚀剂膜上，除去图形以外的铜覆层，得到所需的电路。光化学法可 以制得最小线宽为01 微米的精密电路，适合大批量生产，是当前制备电路板的主要方法。 1 华中科技大学硕士学位论文 上述方法的共同特点是都需要事先制备好如丝网或模扳之类的掩模，电路的制作精度 很大程度上取决于掩模的精度。一般来说掩模制作周期长，费用高。例如：制作一张a 4 大小的光刻用模板需要消耗上千美金。此外，掩模一旦制成后，不能再修改；对于出现问 题的电路板，也不能进行修复。 为更快、更廉价地制备更高精度的电路板，通常采用两种方法，一是采用波长更短的 电磁波来代替现有波长的紫外光进行光刻；另一种方法就是放弃掩模，后者就是逐渐发展 起来的柔性加工方法，也称直写技术( d i r e c tw r i t i n g ) 。 较早发展起来的是使用高能电子束曝光或者直写。这种工艺在翎备大型、超大型以及 精细电路方面应用较广。电子束曝光或直写可以达到的最小线宽为0 1 微米。但是其设备 复杂，占地面积很大，价格十分昂贵。由于需要在真空条件下才能进行布线，使得其预处 理和后处理工艺过程复杂、工艺条件要求很高、材料选择严格，这些因素都限制了该技术 的广泛应用，尤其是在中低档次电路板的生产中。 由于传统工艺的缺陷，从7 0 年代开始，许多国内外著名的大学和研究机构纷纷开始 研究其它的柔性布线技术。业已发展起来的有注射式涂覆、喷墨式方法、数控机床控制金 刚刀具雕刻法、热印法和静电转印法、聚焦离子束法和激光直写技术等等。前四种方法所 能达到的最小线宽受到很大限制，因此迄今为止，只能在有限的工况下使用；聚焦离子束 法所能取得的最小线宽和分辨率虽然可以达到很高的水平，但是布线速率太低，成本太高， 因而也只在有限的领域内得到应用。 表1 一l 比较了传统线路板制备方法与激光直写布线技术的基本特点。 表1 一l 传统线路板制各方法与激光直写技术比较 段 制备主要精度影响精度 原理特点 ( ) 的因素 ；： 将油墨通过丝网漏印适台大批量的生产，周期短，周转迅速 1 0 0 丝网网眼大小， 在基板上形成导线图形但需事先制备丝网。精度不高 3 0 0 油墨粘度 憾 感光胶在模板覆盖下曝光适合大批量生产但周期长，周转慢，2 3模板孔径尺寸， 形成导线图形需事先制各模板，精度较高光束波长 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = ! ! ! ! = = ! ! = = = ! = ! ! = ! = = = ! = = = ! ! ! = = = = = = = = ! = = = ! = = = = = = = = ! = 继表1 - 1 除 用电了柬代替光束适合人批量生产，j 爿期短，精度很高 05 模板孔径尺寸 通过模扳覆盖刻蚀但设备复杂，占地大，价格昂贵，临近效应 同体胶形成导电图形需制各模板，有邻近效应 胳 用屯子、离子柬直接扫描适合大，小批量生产，周期短， 0 】 电子、离子束 形成导电图形无需制各模板精度高，直径，设各精度 但没各复杂，价格昂贵， 瞪 激光直接扫描形成适合大、小批量生产，周期短，精度高当前为 激光光斑直径， 导电图彤设备简单，价格适中无需制各模板1 微米工作台精度 日j 良1 1 可以看出，激光直写技术有如下典型特点： 1 、加工精度高。激光直写可以精确定位，精度主要取决于激光束的直径。在现有技术下， 激屯束可以聚焦到微米级，导线宽度可达到几个微米。利用微机控制激光扫描轨迹，易实 现精确定位和布线。 2 、成本较低。激光直写属无掩模布线技术，无须像丝网印刷和光化学法那样花费时间和 资金制备模板，无需专门的气氛保护装置且容易实现加成法制备电路板，节省材料，减小 污染。成套设备成本要比电子束、离子束直写设备低得多。 3 、适用范围广。现有研究结果证明，已经能在高分子绝缘基板( 如环氧树脂、p p q 等) 、 玻璃陶瓷基板( 如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i 0 2 材料) 、金刚石、半导体材料等基板上，沉积了c u 、 p d 、n i 、c r 、w 等金属和合金3 1 。 4 、光束无电荷、质量可忽略，不会造成类似电子束、离子束一样的临近效应。 1 2 各类激光直写技术的研究和发展现状 1 - 2 1 激光直写技术在国外的研究发展现状 1 、激光化学气相沉积( l a s e rc h e m i c alv a p o r d e p o s i t i o n , tc v d ) 激光化学气相沉积是利用激光束的局部高温、高能诱导反应气体发生化学反应沉积成 - 一 3 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = ! ! ! ! = = ! ! = = = ! = ! ! = ! = = = ! = = = ! ! ! = = = = = = = = ! = = = ! = = = = = = = = ! = 继表1 - 1 除 用电了柬代替光束适合人批量生产，j 爿期短，精度很高 05 模板孔径尺寸 通过模扳覆盖刻蚀但设备复杂，占地大，价格昂贵，临近效应 同体胶形成导电图形需制各模板，有邻近效应 胳 用屯子、离子柬直接扫描适合大，小批量生产，周期短， 0 】 电子、离子束 形成导电图形无需制各模板精度高，直径，设各精度 但没各复杂，价格昂贵， 瞪 激光直接扫描形成适合大、小批量生产，周期短，精度高当前为 激光光斑直径， 导电图彤设备简单，价格适中无需制各模板1 微米工作台精度 日j 良1 1 可以看出，激光直写技术有如下典型特点： 1 、加工精度高。激光直写可以精确定位，精度主要取决于激光束的直径。在现有技术下， 激屯束可以聚焦到微米级，导线宽度可达到几个微米。利用微机控制激光扫描轨迹，易实 现精确定位和布线。 2 、成本较低。激光直写属无掩模布线技术，无须像丝网印刷和光化学法那样花费时间和 资金制备模板，无需专门的气氛保护装置且容易实现加成法制备电路板，节省材料，减小 污染。成套设备成本要比电子束、离子束直写设备低得多。 3 、适用范围广。现有研究结果证明，已经能在高分子绝缘基板( 如环氧树脂、p p q 等) 、 玻璃陶瓷基板( 如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i 0 2 材料) 、金刚石、半导体材料等基板上，沉积了c u 、 p d 、n i 、c r 、w 等金属和合金3 1 。 4 、光束无电荷、质量可忽略，不会造成类似电子束、离子束一样的临近效应。 1 2 各类激光直写技术的研究和发展现状 1 - 2 1 激光直写技术在国外的研究发展现状 1 、激光化学气相沉积( l a s e rc h e m i c alv a p o r d e p o s i t i o n , tc v d ) 激光化学气相沉积是利用激光束的局部高温、高能诱导反应气体发生化学反应沉积成 - 一 3 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = ! ! ! ! = = ! ! = = = ! = ! ! = ! = = = ! = = = ! ! ! = = = = = = = = ! = = = ! = = = = = = = = ! = 继表1 - 1 除 用电了柬代替光束适合人批量生产，j 爿期短，精度很高 05模板孔径尺寸 通过模扳覆盖刻蚀但设备复杂，占地大，价格昂贵， 临近效应 同体胶形成导电图形需制各模板，有邻近效应 胳 用屯子、离子柬直接扫描适合大，小批量生产，周期短， 0 】 电子、离子束 形成导电图形无需制各模板精度高，直径，设各精度 但没各复杂，价格昂贵， 瞪 激光直接扫描形成适合大、小批量生产，周期短，精度高当前为激光光斑直径， 导电图彤设备简单，价格适中无需制各模板1 微米工作台精度 日j 良1 1 可以看出，激光直写技术有如下典型特点： 1 、加工精度高。激光直写可以精确定位，精度主要取决于激光束的直径。在现有技术下， 激屯束可以聚焦到微米级，导线宽度可达到几个微米。利用微机控制激光扫描轨迹，易实 现精确定位和布线。 2 、成本较低。激光直写属无掩模布线技术，无须像丝网印刷和光化学法那样花费时间和 资金制备模板，无需专门的气氛保护装置且容易实现加成法制备电路板，节省材料，减小 污染。成套设备成本要比电子束、离子束直写设备低得多。 3 、适用范围广。现有研究结果证明，已经能在高分子绝缘基板( 如环氧树脂、p p q 等) 、 玻璃陶瓷基板( 如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i 0 2 材料) 、金刚石、半导体材料等基板上，沉积了c u 、 p d 、n i 、c r 、w 等金属和合金3 1 。 4 、光束无电荷、质量可忽略，不会造成类似电子束、离子束一样的临近效应。 1 2 各类激光直写技术的研究和发展现状 1 - 2 1 激光直写技术在国外的研究发展现状 1 、激光化学气相沉积( l a s e rc h e m i c alv ap ord e p o s i t i o n , tc v d ) 激光化学气相沉积是利用激光束的局部高温、高能诱导反应气体发生化学反应沉积成 - 一 3 华中科技大学硕士学位论文 膜的肓法。 十年代初期以来，各国科学家采用l c v d 法在s i o 。n v 、t i n 、g a a s 、多晶硅二氧 化硅单晶硅复合材料表面沉积了a u 、a l 、a 卧c u 等多种金属导线【1 4 - 1 9 。 1 9 9 2 年，加拿大mm e u n i e r 和rv i z q u i e r d o 等s i o n t i n 和g a a s 基板上利用l c v d 法从w f 2 中沉积金属w 导线， 获得的电阻率只有l3uq c m ；但是其布线的速度只有1 0 0 微米，秒，厚度只有0 6 微米。1 9 9 5 年，法国的s b o u g h h a h a 和g a u v e t 利用5 w 连续a r + 激光器在室温下从s i 3 h 8 中沉积 出纯度很高且宽度小于2 微米的硅线，实验基板采用的多晶 硅二氧化硅单晶硅多层结构，扫描速度在1 1 0 0 微米秒， 图卜1l c ”d 法在多晶硅，二 沉积厚度也小于1 微米( 见图1 1 ) u 5 1 。从1 9 9 5 年到1 9 9 7 氧化硅，单品硅上沉积砖城 年，德国的m s t u k e ，o l a f l e h m a n m 和m w a n k e 连续在 ( s c i e n c e ) ) 杂志上撰文，利用该技术在氧化铝基材上制各微型马达和三维结构，这一研究 成果开辟了激光直写技术的又一个新的应用领域。但其沉积速度也只有1 0 微米秒【2 0 2 “。 l c v d 法的最大优点是沉积物纯度很高，组织致密；所沉积的导线很窄，可达1 2 个 微米i l 。但该方法布线速度太慢，一般仅为1 1 0 0 微米秒：单次扫描沉积物的厚度太薄 ( 现有报道中，厚度一般不到1 微米【1 4 - 15 1 ) ，为达到所需厚度，往往要反复扫描几次，而 睫得成本提高、效率下降。此外要沉积出所需成分的导线，还必须使用含有相应特定成分 拘气体，而这类气体往往特别昂贵；为满足反应气氛的严格要求，l c v d 法所需的成套设 蚤要求十分严格。因此l c v d 法成本往往很高。现在，l c v d 法主要用于超大集成电路芯 午中的线路修复和微机械系统的制造。 ：、激光诱导化学镀法( l a s e ri n d u c ee l e c t r ol e s sp l a t i n g ，l i e p ) l i e p 可分为直接激光诱导化学镀法和预种晶种化学镀复合法两种。 早期的l i e p 方法都采用直接激光诱导化学镀法，即将基板样品直接放入镀液中，用 光辐照诱导反应沉积。 华中科技大学硕士学位论文 1 9 8 9 年，美国科学家l 目】一! a 硅基板沉积铜线 n a n a i 等用咏冲激光( 波长：5 1 0 6 微米) ，在置于c u s 0 4 和 k a u ( c n ) ：溶液中的半导体材料( g a a s ，s i ) 基板上诱导沉 积铜和金，扫描速度为2 0 微米秒到1 0 0 微米秒。获得的 线宽仅为1 微米，如图1 2 所示【2 2 】。1 9 9 7 年，日本 k a n a g a w a 大学工程学院应用化学系的y u i c h is a t o 等人用 流动镀液进行试验，分析了基板材料导热性对激光诱导化 学镀的影响。发现热扩散系数小的基板沉积效果要优于热 扩散系数大的基板1 2 3 1 。 与普通化学镀相比，激光诱导化学镀沉积速度要快得 多，镀层更加平整致密。一般认为激光诱导化学镀的机理是由于激光可在局部产生高温， 使照射区溶液迅速升温活化，分离出金属粒子。而基板表面同时被高温活化，吸附能力大 为增强，所以沉积易于进行。另外，激光照射引起的局部液体对流微扰，促进离子的迁移， 对沉积过程也有影响。 俄罗斯国家普通物理所g a s h a f e e 研究了激光诱导过程中激光波长对陶瓷( z r 0 2 ) 表 面活化的影响关系，以两种不同波长的激光( k r f ( = 2 4 8 n m ) 激光和a r g f ( = 1 9 3 n m ) 激光) 作为直写光源进行比较，发现激光波长越短，表面活化效果越好f 引。 近年来，更多的研究集中在预种晶种化学镀复合法，即先在基板上沉积金属晶粒， 再进行化学镀。预种晶种的方法可以是激光化学气相沉积，直接激光诱导液相化学镀和激 光诱导固相反应沉积p 2 4 - 2 5 1 。 由于在直接的液相化学镀中，电解质对光的吸收会引起额外的损耗，电解液的热传导 也影响了激光光、热效应的充分利用，固液界面的反应也过于复杂，不便控制，这些因 素对选择性的沉积过程产生很大不利影响。于是，研究人员试图将沉积过程和后期的加厚 过程分开，即：先预种晶种，再进行化学镀，使导线加厚、加密并得到表面保护。此外， 有些先驱生成的晶种对后期化学镀也有催化作用。 由于上述工艺整个过程大致分两步完成，所以也叫两步法；而将一步完成的其他方法 华中科技大学硕士学位论文 尔为一步法。与一步法激光诱导化学镀相比，两步法工艺更简单，操作更方便，效率也要 坦苛。 l9 9 4 年，俄罗斯国家科学院普通物理所s m p i m e n o v 等人，在金刚石基板上，用激 匕秀导分解p d ( a c a c ) 2 固体膜，沉积p d 晶种再进行化学镀。通过预种晶种预先使金刚石表 耵活化很有必要，一旦晶种金属层形成以后，化学镀便成了一种自发的行为，因为p d 是 同或者铜磷合金沉积很好的催化剂。此外，他们认为，基扳表面的断键也有利于吸附金属 i 子，而激光束的辐照，将大大增加这种断键的数目，促使沉积进行2 ”。同年日本东北 学m a e d os h i g e o 等人利用l c v d 在非平面的s i 基板上沉积了c r 金属，再利用化学镀 亿得到1 5 微米的导线，并在此基础上开发了微型接触传感器，用于在人体内生物信息 q ：果集1 25 1 。利用液体的浸透作用，激光诱导化学镀也可用在小孔金属化上。1 9 9 3 年，t = t kh i t a c h i 研究室第一材料部o s a m um i u r a 等人实现了铜覆有机板( c c p ) 的化学镀布线 口小j l 金属化，制备出质量很好的铜线，线宽为3 0 微米左右，通孔的金属化效果良好【2 6 1 。 、激光诱导固相沉积( l a s e ri n d u c es o l i dd e p o s i t i o n ，l i s d ) 激光诱导圃相沉积法直接采用激光诱导固体膜发生作用，反应生成金属或合金沉积在 板上，形成导电线路。 固体膜是一个比较广泛的概念，所有用来沉积导线的固体涂覆物均可归入其中，其中 l 含有以原子或离子形式存在的金属成分，如：金属盐类、金属氧化物、金属有机化合物 ，甚至包括纯金属等与其他添加剂的混合物。当激光照射这些涂覆物时，金属成分在激 ! 光、热作用下还原或经过熔一凝过程而沉积下来，其他成分就被烧蚀除去，形成以纯金 i 或合金为主的导线。当固体膜为金属粒子( 粉末) 和有机成膜物质的混合物时，我们也 k 该方法为激光熔覆布线技术。 近几年来，国外对于激光诱导固相沉积的研究情况见表1 - 2 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 2 国外在激光诱导固相沉积方面的研究 时间研究人员 实验方法 主要成果 1 9 7 9 将c u o 、n i o 等氧化物与环氧树脂等有开启了激光诱导固体反应沉积的先 s u h i ! i l 机混合物预置于绝缘基板表面，利用 河 c o ：激光辐照使金属氧化物还原 1 9 8 7 先在基板表面整体的涂覆一层热激活避免了激光过度损伤基材表面，形成 s o s e z e k l l 8 l性薄膜，再在薄膜表面均匀地涂覆一层表面光滑的导线 金属粉末，然后用激光加热激活粘性薄 膜，使金属粉末与基板粘接起来 1 9 8 8 在硅片上激光诱导沉积金布线速度达2 5 m m s 。取得扫描速度 kwb e e s o n 2 9 l 的突破( 见图1 3 ) 1 9 9 1 用匀胶法在基板表面先预置一定厚度最小线宽是1 微米，但最大布线速度 k e s t e n b a u m 【3 1 的金属有机化合物，再利用激光辐射为5 微米秒 1 9 9 5 将金属盐和氨基化合物混合后预置在 形成的导线线宽为1 - - 2 0 微米，线间 c a s 仃o f 3 】 基板上，激光辐射后金属盐分解出金属距为3 5 0 微米。最大布线速度也只 有1 0 0 微米秒 1 9 9 6 利用激光选取照射过冷有机膜。使之变8 5 0 c 下保温约1 0 分钟后得到表面 w e i g e l 3 2 1粘后刷上金属粉末而形成导线光亮的导线，厚度达3 0 微米 1 9 9 8 用微型喷头将以超细金属粉末作为填 采用局部布置浆料，大大节省材料， m a r u y a m a t ”1料的导电浆料涂覆在导线断路处，激光且不用进行多余物质清除，简化了后 熔覆后使导线重新连接期处理工序 1 9 9 9 事先安图形布料，再用激光照射沉积 首次将局部直接布料由部分电路修 s h a r m a 复应用推广到整体电路板制作 固相沉积的最大优点是导线沉积速度上有了质的飞跃，扫 描速度可以达到几毫米秒甚至更高。这给激光直写技术的实 际产业化带来了可能，也是激光直写布线技术向传统布线技术 最强有力的挑战。另外，比较l c v d 和液相化学镀法，固体 法在工艺、设备等方面大大简化，成本也要低得多。 现在普遍采用激光分解金属有机化合物的方法来沉积导 线，这种方法仍存在以下问题：( 1 ) 由于激光诱导金属有机化 幽j 一3 在硅片上沉积金线 合物的分解反应速度较慢，这就很难在布线速度上有更大的突 破，例如达到几十甚至上百毫米秒的水平：( 2 ) 形成导线时 7 华中科技大学硕士学位论文 厚在个瞬间的融凝过程，容易在沉积的导线上产生“毛刺”和“爆炸坑”；( 3 ) 有机物 气体形式放出的速度却相对较慢，这样沉积的导线会有许多微观孔隙：( 4 ) 由于金属有 儿化合物分解大多是一个放热过程，使得热影响区扩大到激光光斑以外，并在膜与基板的 障热作用下形成类淬火过程，导致周期性现象的产生。上述各因素都使导线质量严重下降。 美国m i n n e s o t a 大学的p e t e r p r i c e 等人专门建立了一套数学模型，对激光诱导金属有机化 台物时所产生的周期性现象加以解释1 3 5 1 。 各种激光直写布线技术的特点见表1 3 。 表1 3 各类激光直写技术的特点比较 分类布线速度沉积厚度特点 激光化学几几十小于等于1 个微米导线纯度很高，设备昂贵 气相沉积微米，秒工艺复杂，成本很高 激光液相几百微米，秒几个微米导线纯度高，设备较贵 化学镀( 以一步法为例)工艺较复杂，成本较高 f 激光诱导可达几个毫米秒取决于固体胶的厚度导线纯度一般，设备便宜 f 同相沉积 工艺简单，成本低 显然，激光直写布线技术的各种方法中，气相、液相法由于其本身难以克服的缺点， z 口扫描速度太慢，设备过于复杂和昂贵，过程难以精确控制等，很难满足实用化、商用化 勺需要；而固相法由于取得速度上的突破，并且同时具有工艺、设备简单，便于控制等优 氧而被人们寄予厚望。当前，国内外普遍采用分解金属有机化合物、金属盐类或金属氧化 匆添加有机成膜物质覆层材料等来得到导线的方法。但依赖化学分解机理，难以取得速度 e 更大的突破，而“毛刺”、“爆炸坑”、“气孔”和“周期性行为”等现象的产生使得沉积 要质量大大下降。上述原因很大程度上是因为固体膜材料本身所决定的。所以，采用其它 【勺固体膜材料并辅以适当的工艺来克服上述缺点成为这一技术的关键所在。 激光刻蚀光刻胶，然后再化学腐蚀的布线方法，原则上也属于激光直写技术。但该方 华中科技大学硕士学位论文 法在原理上，也可视为一种用激光代替普通光源的无掩膜光化学法，而不是靠反应沉积得 剑的导电物质来形成导线。所以这里不再赘述，详细请见有关文献1 3 “。 1 2 2 激光直写技术在国内的研究发展现状 国内研究人员早就注意到激光直写技术在电子工业中的应用前景。1 9 9 0 年，复旦大 学郁祖湛教授就对激光化学镀进行了研究，利用激光诱导化学镀的方法沉积出了金属铜 线，沉积出的线宽可达几十微米，并分析了激光照射时间、激光功率等对沉积速度的影响； 比较了激光诱导化学镀与普通化学镀的特点【3 7 。随后，华东理工大学谢湘华和华侨大学的 黄妙良等人也分别采用化学镀的方法进行了类似的研究3 8 - 3 9 。1 9 9 9 年，郁祖湛教授等人又 用激光沉积固体膜加后续电镀或化学镀复合的方法进行柔性布线【4 0 - 4 1 。 然而，国内在激光直写布线技术上的研究尚处于初期，在规模、种类和实验水平等方 面与国外相比还有一定差距。一方面，研究设备，尤其是激光器，落后于国外，而激光直 写布线所得到的线宽、精度、质量等s p - e 大程度上要依赖于激光器及其控制设备。另一方 面，国外从7 0 年代开始激光直写技术的研究，特别是经过近十年来的努力，已形成比较 成熟的体系，比如：实验条件的设计，激光参数的确定和相应料浆的配置等，并且申请了 多项专利。而国内尚有许多方面需要摸索，有待自己的技术和产品产生问世，尤其是注意 发展拥有自主知识产权的激光直写技术。 1 3 应用前景展望 激光直写技术发展到现在，也已经显示出很大的工业应用前景。可以预见，激光直 写布线技术在以下几个方面将会有所作为。 1 、电子线路板、微电子电路的布线。 传统工艺在制备电子线路板上的不足越来越明显地曝露出来，而激光直写技术被视为 最有潜力取代传统制版技术。由于直写技术布线的种种优势，不仅在大规模的生产上可以 向传统工艺挑战，同时在小规模生产、实验中也可以发挥传统方法难以发挥的作用。另外， 设计人员足不出户，就可以在数小时内将软件设计的线路图形加工成实际的线路板。这将 q 华中科技大学硕士学位论文 法在原理上，也可视为一种用激光代替普通光源的无掩膜光化学法，而不是靠反应沉积得 剑的导电物质来形成导线。所以这里不再赘述，详细请见有关文献1 3 “。 1 2 2 激光直写技术在国内的研究发展现状 国内研究人员早就注意到激光直写技术在电子工业中的应用前景。1 9 9 0 年，复旦大 学郁祖湛教授就对激光化学镀进行了研究，利用激光诱导化学镀的方法沉积出了金属铜 线，沉积出的线宽可达几十微米，并分析了激光照射时间、激光功率等对沉积速度的影响； 比较了激光诱导化学镀与普通化学镀的特点【3 7 。随后，华东理工大学谢湘华和华侨大学的 黄妙良等人也分别采用化学镀的方法进行了类似的研究3 8 - 3 9 。1 9 9 9 年，郁祖湛教授等人又 用激光沉积固体膜加后续电镀或化学镀复合的方法进行柔性布线【4 0 - 4 1 。 然而，国内在激光直写布线技术上的研究尚处于初期，在规模、种类和实验水平等方 面与国外相比还有一定差距。一方面，研究设备，尤其是激光器，落后于国外，而激光直 写布线所得到的线宽、精度、质量等s p - e 大程度上要依赖于激光器及其控制设备。另一方 面，国外从7 0 年代开始激光直写技术的研究，特别是经过近十年来的努力，已形成比较 成熟的体系，比如：实验条件的设计，激光参数的确定和相应料浆的配置等，并且申请了 多项专利。而国内尚有许多方面需要摸索，有待自己的技术和产品产生问世，尤其是注意 发展拥有自主知识产权的激光直写技术。 1 3 应用前景展望 激光直写技术发展到现在，也已经显示出很大的工业应用前景。可以预见，激光直 写布线技术在以下几个方面将会有所作为。 1 、电子线路板、微电子电路的布线。 传统工艺在制备电子线路板上的不足越来越明显地曝露出来，而激光直写技术被视为 最有潜力取代传统制版技术。由于直写技术布线的种种优势，不仅在大规模的生产上可以 向传统工艺挑战，同时在小规模生产、实验中也可以发挥传统方法难以发挥的作用。另外， 设计人员足不出户，就可以在数小时内将软件设计的线路图形加工成实际的线路板。这将 q 华中科技大学硕士学位论文 法在原理上，也可视为一种用激光代替普通光源的无掩膜光化学法，而不是靠反应沉积得 剑的导电物质来形成导线。所以这里不再赘述，详细请见有关文献1 3 “。 1 2 2 激光直写技术在国内的研究发展现状 国内研究人员早就注意到激光直写技术在电子工业中的应用前景。1 9 9 0 年，复旦大 学郁祖湛教授就对激光化学镀进行了研究，利用激光诱导化学镀的方法沉积出了金属铜 线，沉积出的线宽可达几十微米，并分析了激光照射时间、激光功率等对沉积速度的影响； 比较了激光诱导化学镀与普通化学镀的特点【3 7 。随后，华东理工大学谢湘华和华侨大学的 黄妙良等人也分别采用化学镀的方法进行了类似的研究3 8 - 3 9 。1 9 9 9 年，郁祖湛教授等人又 用激光沉积固体膜加后续电镀或化学镀复合的方法进行柔性布线【4 0 - 4 1 。 然而，国内在激光直写布线技术上的研究尚处于初期，在规模、种类和实验水平等方 面与国外相比还有一定差距。一方面，研究设备，尤其是激光器，落后于国外，而激光直 写布线所得到的线宽、精度、质量等s p - e 大程度上要依赖于激光器及其控制设备。另一方 面，国外从7 0 年代开始激光直写技术的研究，特别是经过近十年来的努力，已形成比较 成熟的体系，比如：实验条件的设计，激光参数的确定和相应料浆的配置等，并且申请了 多项专利。而国内尚有许多方面需要摸索，有待自己的技术和产品产生问世，尤其是注意 发展拥有自主知识产权的激光直写技术。 1 3 应用前景展望 激光直写技术发展到现在，也已经显示出很大的工业应用前景。可以预见，激光直 写布线技术在以下几个方面将会有所作为。 1 、电子线路板、微电子电路的布线。 传统工艺在制备电子线路板上的不足越来越明显地曝露出来，而激光直写技术被视为 最有潜力取代传统制版技术。由于直写技术布线的种种优势，不仅在大规模的生产上可以 向传统工艺挑战，同时在小规模生产、实验中也可以发挥传统方法难以发挥的作用。另外， 设计人员足不出户，就可以在数小时内将软件设计的线路图形加工成实际的线路板。这将 q 华中科技大学硕士学位论文 ：大缩短电路板的制作周期，特别是为线路板的研究与开发提供了方便，缩短新产品的推 出周期。 2 、电子线路板、微电子线路的修复。 存制备电路板、微电子集成电路时，存在大量的断路、缺损，修复工作十分繁琐。而 激光盲写技术由于采用加成法，在微机的控制下精密布线，所以特别适合各种电路，尤其 是大规模电路的修复。 3 、光诱导化学镀可以用于电接插件的局部镀上，大幅度减少贵重金属的损耗，是一般方 法不可比拟的。由于液体的流动性，还可以完成多层板的通孔、盲孔金属化。 4 、激光直写由二维控制变为三维控制，可以制作三维结构和微细器件。可以预见，利用 激光三维直写技术，将开辟精密、微细加工新的应用领域。 1 4 本课题的研究目的、研究内容和技术路线 1 4 1 研究目的 从国内外的研究现状来看，尽管激光直写技术被认为是最具有潜力的柔性布线技术， 但是必须承认迄今为止该技术离工业化应用还有较大距离，主要体现在布线速度过慢，不 能按照实际要求将导线宽度在几个微米到毫米级厚度从几个微米到上百微米的范围内进 行调节。因此，系统研究加工精度高、导线质量好、与基板结合强度高、布线速度快、厚 度和线宽可大范围调节的布线工艺已经成为柔性布线技术最终能否实用化、产业化的重要 途径。而这正是本项目的研究目的。 显然，要在布线速度与布线质量上有所突破，只是重复国内外同类研究中已有的方法 是无济于事的。必须要有所创新和突破，才能从根本上解决这一问题。本项目在总结同类 研究的基础上，在国际上首次提出了利用激光作为热源加热固化有机导电浆料的思路，并 通过有机导电浆料的合理设计与制备达到大幅度提高布线速度，同时可以对线宽进行大范 围调节的目的。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ：大缩短电路板的制作周期，特别是为线路板的研究与开发提供了方便，缩短新产品的推 出周期。 2 、电子线路板、微电子线路的修复。 存制备电路板、微电子集成电路时，存在大量的断路、缺损，修复工作十分繁琐。而 激光盲写技术由于采用加成法，在微机的控制下精密布线，所以特别适合各种电路，尤其 是大规模电路的修复。 3 、光诱导化学镀可以用于电接插件的局部镀上，大幅度减少贵重金属的损耗，是一般方 法不可比拟的。由于液体的流动性，还可以完成多层板的通孔、盲孔金属化。 4 、激光直写由二维控制变为三维控制，可以制作三维结构和微细器件。可以预见，利用 激光三维直写技术，将开辟精密、微