简析无掩模布线形成技术

　　无掩模布线形成技术，换言之无光致蚀刻(Photoetching Less)技术因其成本降低效果非常显著而受到安装技术者的极大关注。无掩模这一术语的广义是作为不使用掩模的技术，已有使用激光等使光致抗蚀剂直接曝光的直接成像(Diret Imaging，DI)，通过掩模印刷银胶的丝网印刷，从喷嘴喷出胶的配送料(D i spe n s e)等，但是本文关注的是通过使用喷墨的纳米油墨在PCB或半导体封装上形成布线的无掩模布线形成技术。
　　1基板上的布线形成法
　　PCB是以环氧树脂等有机物为绝缘体，在绝缘体上形成铜线路， l(a)表示在基板全面的铜箔或镀铜层上涂布光致抗蚀剂，曝光显影(未曝光的部分溶解)，保留相当于布线部分的抗蚀剂膜。然后蚀刻铜，保留抗蚀剂下面的铜而形成线路。这种方法称为减成法(布线物质除去法，Subtract)，它是最广泛使用的方法。
　　(b)称为半加成法(Semiadditive，部分的布线物质附加法)。采用化学镀法镀覆全面薄铜层(称为植晶层，S e ed)，涂布光致抗蚀剂，曝光显影，与图l(a)相反，除去布线部分的抗蚀剂，以植晶层为电极进行电镀，除去抗蚀剂以后蚀刻除去植晶层。虽然工程复杂，但(b)中的布线截面呈现漂亮的矩形和正确的细线宽度。植晶层作为电镀时的电极是必需的。在半导体中，有时把植晶层置于抗蚀剂上，这时采用化学机械研磨法(CMP，Chemical Mechanical Poilsh)研磨表面镀层，形成平滑的布线。该法称为埋嵌象嵌法(Damaxine)，应用于半导体芯片的微细布线制造。 (a)和图(b)都需要光致掩模，而图l(c)是把布线物质添加到原样的基板上，称为全加成法(Fullaclditive，完全布线物质附加法)，无须光致掩模。虽然传统的全加成法还没有达到实用水平，但是正在开发含有金属微粒子的称为纳米油墨的油墨，在电脑中记忆布线图形的数据，采用喷墨打印机(Inkjet Printer)印刷导电物质(导电性油墨)，可以描绘成布线，这种技术引起人们的关注。
　　2喷墨法的优点
　　经过比较传统的代表性PCB和原理上喷墨法的工程，喷墨法不使用光致掩模工程数少，无须由此产生不必要装置，无须废液处理和干燥工艺等。虽然喷墨布线在原理上具有若干优点，但是为了使这种新的制造技术实用化，通常需要从多种角度进行研究。喷墨法的优点(o)、问题点(△)和不明白点（？）。 “o”项目在原理上是优良的，它比传统技术具有压倒性的优势。但是一种技术要在工业上稳定立足，必须克服许多技术团体正在继续的积极开发，期盼着不久的将来付诸实用。与其说全面应用于PCB，还不如说从利用无掩模特征的特别封装或者小型装置的应用着手。
　　3纳米金属粒子和纳米油墨
　　纳米金属粒子是喷墨法的重要因素。传统使用于焊膏或者银胶中的金属微粒子为数微米的粒径，而纳米粒子的粒径约为它1/100的10nm以下。如果粒子越小，表面上产生强活性原子的比例就会增加。例如中10um的粒子与内部的原子相比，其表面的原子几乎可以忽视，然而5nm的粒子表面的原子数约为40％，熔点大幅度见。例如金的熔点为l 337℃，粒径2nm时降低到400℃。
　　这种纳米粒子即使在常温下也会相互融合，因此如图3所示采用特别的涂覆剂覆盖纳米例子的表面，使其独立存在于有机溶剂中。如果在较低温度下(例如200℃)加热这种液体(例如银粒子时)，因为液体中含有别的物质吸收涂覆剂，所以粒子之间相互溶接。溶剂蒸发，残留金属，成为低温烧结的状态。纳米金属粒子的制造方法有气体中蒸发法、溅射法、激光法和胶体法等，各公司正在开发廉价的制造方法。现在以银和金的纳米粒子为主，还有其它容易制造的纳米金属粒子
　　如果普通图形物质的粒子存在于液体中，则会提高液体的黏度，然而由于纳米粒子非常小，仍然保持溶剂的液体的黏度，可以用作喷墨用的油墨。虽然还不清楚微粒子的分散液体作为油墨的调整方法或者物质，但是油墨中的金属微粒子的可能浓度最大约为60％。
　　4墨滴的附着和金属膜的生成
　　采用喷墨制作导电膜时，从喷嘴喷出的液滴的大小约为数pL。现在如果假设2pL的液滴是球形，直径为15um。这种液滴冲击在基板上，就会扩散为由20um～40um，中心部的厚度约为10um。这种状态的基板加热到150℃-300℃，溶剂蒸发而保留纳米粒子，金属纳米粒子的浓度约为30％，金属膜的厚度约为1um～2um，从而获得了标准线宽15um-20um，厚度为1um-2um的银布线。
　　这种喷墨液滴的扩展决定了布线宽度。液滴的扩展取决于基板的表面状态通常采用接触角来测量。亲水性表面即湿润状态的接触角为0度-5度，控制液滴扩展是困难的。如果采用Ar等离子处理基板表面，则可使表面成为难以湿润的疏水性表面。如图5所示，聚酰亚胺膜经过5min一10min的等离子处理过的接触角为53度～55度。为了谋求采用喷墨法时的膜厚，接触角宜大一些，因此今后希望多用等离子处理。但是等离子处理存在着设备和处，理时间的问题，埋没了喷墨法的优点，因此期盼着开发更简便的处关于布线的膜厚，一般PCB的铜线路厚度为5um-12um，喷墨法的膜厚比它薄得多。PCB使用铜膜，而喷墨法使用Ag，即使考虑到固有电阻，喷墨法的电阻率也高一些。如果膜太薄，则有影响耐迁移性等可靠性的可能性。如果膜太薄，则有影响耐迁移性等可靠性的可能性。如果重复喷墨则会增加膜厚，但是大大降低了喷墨法的优点。喷墨法的开发初期是关注可以微细布线的优点，但是PCB的线路宽度为30um-70um，特殊情况下为20um-40um，现在已经研究了50um左右的线宽可行性。