LCP基RF MEMS開關(guān)的工藝研究

黨元蘭，趙　飛，韓　磊，徐亞新，梁廣華，劉曉蘭，3，陳　雨，3，莊治學(xué)，3

（1.中國電子科技集團公司第54研究所，石家莊050081；2.東南大學(xué)MEMS教育部重點實驗室，南京210096；3.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，石家莊050035）

LCP基RF MEMS開關(guān)的工藝研究

黨元蘭1，趙飛1，韓磊2，徐亞新1，梁廣華1，劉曉蘭1，3，陳雨1，3，莊治學(xué)1，3

（1.中國電子科技集團公司第54研究所，石家莊050081；2.東南大學(xué)MEMS教育部重點實驗室，南京210096；3.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，石家莊050035）

在柔性LCP基板上制備RF MEMS開關(guān)，加工難度較大，影響開關(guān)質(zhì)量的因素較多。主要研究影響LCP基RF MEMS開關(guān)加工質(zhì)量的主要因素，尋找工藝過程控制解決方案。通過對關(guān)鍵工序的試驗，對加工過程中的基板清洗、LCP基板覆銅面鍍涂及整平、LCP基板無銅面濺射金屬膜層、LCP基板平整度保持、二氧化硅膜層生長及圖形化、犧牲層加工、薄膜微橋加工、犧牲層釋放等工序進行了參數(shù)優(yōu)化。研制的LCP基RF MEMS開關(guān)樣件頻率≤20 GHz、插入損耗≤0.5 dB，回波損耗≤-20 dB，隔離度≥20 dB，驅(qū)動電壓30～50 V。該加工方法對柔性基板上可動結(jié)構(gòu)的制造具有一定的借鑒價值。

LCP基材；柔性；橋式RF MEMS開關(guān)；薄膜微橋

1　引言

LCP（液晶聚合物）是一種新型的微波/毫米波基板材料，具有許多優(yōu)點，如介電常數(shù)和損耗小、使用頻率范圍大（DC～110 GHz）、強度高、重量輕、熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕性好、多層結(jié)構(gòu)成型溫度低、無源器件和有源芯片可一起封裝、成本低等［1］。這些特性契合了微波/毫米波系統(tǒng)向更輕更小、更高性能以及更低成本方向發(fā)展的需求［2］，因而展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。LCP較好的密封性、較低的吸濕率和可控的熱膨脹系數(shù)使其成為較理想的高頻封裝材料［3］。同時，LCP材料相對較低的工藝溫度使其成為高性能、小尺寸、低成本器件設(shè)計的最佳選擇［4］，比如低損耗RF MEMS開關(guān)等。

在柔性LCP基板上制作RF MEMS開關(guān)的加工過程中，柔性板平整度保持、濺射膜層附著力提高、二氧化硅附著力提高、犧牲層釋放等是加工中的關(guān)鍵技術(shù)。本文從加工工藝流程入手，對加工過程中的關(guān)鍵工藝進行了研究，并對制作的樣件進行了性能測試。

2　LCP基RF MEMS開關(guān)加工工藝流程

RF MEMS開關(guān)按可動微橋的結(jié)構(gòu)形式劃分，一般分為橋式開關(guān)和懸臂梁開關(guān)［5］。本文用LCP基板作為開關(guān)基板，主要針對橋式開關(guān)進行了研究。LCP基橋式RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　LCP基橋式RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

LCP基RFMEMS開關(guān)加工工藝流程如圖2所示。

圖2　LCP基橋式RF MEMS開關(guān)加工工藝流程圖

3　LCP基板材料

商品化的LCP覆銅板分單面覆銅箔和雙面覆銅箔2種。純LCP介質(zhì)通常有50 μm、100 μm、125 μm等厚度，銅箔厚度通常為18 μm，銅箔厚度≤12 μm的基板需要定制。標準的LCP基板熱膨脹系數(shù)在XY軸方向CTE與銅匹配（17×10-6·℃-1）。通過改變LCP的分子結(jié)構(gòu)，可以將CTE調(diào)配到3×10-6·℃-1～7×10-6·℃-1，與Si或者GaAs半導(dǎo)體熱匹配［6］。但CTE為3×10-6·℃-1～7× 10-6·℃-1的LCP基板也需定制。本文用介質(zhì)厚度125μm、單面覆18 μm銅箔的標準LCP基板進行RF MEMS開關(guān)的工藝研究及樣件制作和測試。

4　LCP基RF MEMS開關(guān)工藝研究及優(yōu)化

4.1LCP基板清洗

LCP覆銅板在生產(chǎn)、運輸和儲存等過程中，不可避免地會吸附或粘附一些有機或無機污物，另外，覆銅面可能會有氧化層等。為提高金屬層與基板及金屬層與金屬層之間的結(jié)合力，必須將表面的污物和氧化層除去。否則，可能會出現(xiàn)層間氣泡、金屬膜層脫落等缺陷，嚴重影響開關(guān)質(zhì)量。因此用堿性清洗劑M6139US和10%稀鹽酸、10%稀硫酸等對LCP基板進行了清洗試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1　LCP基板清洗方法及試驗結(jié)果表

從表1可以看出，采用1d號試驗方案的試驗結(jié)果較佳。因異丙醇表面張力小，且比水更容易揮發(fā)，增加異丙醇的浸泡清洗，可使銅面表面干燥時間大大縮短，從而降低氧化幾率，確保銅面顏色均勻一致。

4.2LCP基板覆銅面鍍涂及整平

（1）防氧化鍍涂。LCP基RF MEMS開關(guān)加工工序較多，基板在整個加工過程中歷經(jīng)多次加熱，并與多種化學(xué)溶液接觸，這些勢必會造成銅層氧化。采取先在銅層表面電鍍厚度合適的金層、再進行后續(xù)加工的方法可有效避免銅層氧化。

（2）LCP基板整平。試驗中發(fā)現(xiàn)，單面覆銅的LCP基板清洗烘干后呈現(xiàn)出向覆銅面卷曲的狀態(tài)，平整度較差。濺射時，翹曲嚴重的基板無法順利地從預(yù)真空室轉(zhuǎn)移到主真空室，而且基板不平整還會造成濺射膜層厚度不均勻，進而造成線條精度變差。

采取電鍍清洗后壓蓋玻璃板200℃烘烤2 h的方法，可有效提高基板的平整性。

4.3LCP基板無銅面濺射金屬膜層

LCP基板具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，加之單面覆銅基板無銅面（稱為光面，下同）光潔度較高，常規(guī)的處理方法不能有效改變基板光面的表面粗糙度，造成基板光面與金屬膜層間的結(jié)合力不高。濺射前，采用RIE（反應(yīng)離子刻蝕）設(shè)備，在功率100 W、四氟化碳和氧氣的混合氣體比例為24sccm:8sccm的條件下，進行10 min的等離子處理，可使LCP基板光面的微觀狀態(tài)發(fā)生變化，微觀粗糙度得以提高，進而使基板光面與金屬膜層間的結(jié)合力得到有效提高。

另外，通過增加濺射前的RF清洗時間和提高濺射溫度，也可使濺射膜層與LCP基材之間的結(jié)合力得到提高。本研究采用100℃、150℃、200℃、250℃分別進行濺射試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2　LCP基板無銅面濺射試驗結(jié)果表

從表2可以看出，采用第2d和2e號試驗方案的試驗結(jié)果較佳，從生產(chǎn)效率考慮，優(yōu)選2d方案的參數(shù)。RF清洗時間長，表面活化效果好、粗糙度改善明顯；濺射溫度高，有利于薄膜和基板原子的相互擴散，使附著力得以提高。

4.4LCP基板平整度保持

LCP為柔性基板，加之材料本身固有的翹曲特性，加工過程中基板的平整度很難保證。這不僅給加工帶來不便，圖形精度也受到極大影響，甚至造成廢品。通過將LCP基板與高平整度的硬性基板進行臨時鍵合，可有效解決加工過程中基板不平整的問題，使圖形精度得到有效提高。

LCP基板平整度保持，分別采用聚乙烯醇、AZ系列正性光刻膠、NR系列負性光刻膠以及厚度0.4 mm的硅片、96%氧化鋁陶瓷片、普通玻璃板進行臨時鍵合試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，第3c號試驗結(jié)果較佳。臨時鍵合后，基板間會留存小氣泡，這些氣泡如果在勻膠前烘及堅膜后擴大，會導(dǎo)致局部接近式曝光，線條鋸齒、毛刺嚴重，線條側(cè)面陡直度下降。高溫、長時間烘烤有利于氣泡的去除，提高線條質(zhì)量。然而過高溫度或過長時間會使某些粘接材料如聚乙烯醇和AZ系列正性光刻膠發(fā)生變性，使其在后續(xù)過程中去除不徹底。

4.5二氧化硅膜層生長及圖形化

在RF MEMS開關(guān)中，上電極、下電極及射頻信號線之間通常用氮化硅膜層作絕緣隔離。因LCP基板的熔化溫度為315℃，所以不能采用常規(guī)的350℃左右的等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）法進行氮化硅絕緣膜層的生長，只能采用低于300℃低溫生長的二氧化硅作為絕緣膜層。試驗中，采用100℃生長二氧化硅絕緣膜層，發(fā)現(xiàn)其與基板的結(jié)合力很差。在生長二氧化硅前，對基板表面進行氧等離子體干法清洗，結(jié)合力幾乎沒有提升。通過在生長二氧化硅前，用RIE設(shè)備在100 W功率、氬氣流量50 sccm的條件下，對基板表面進行干法刻蝕處理，可使二氧化硅與基板、二氧化硅與金層間的結(jié)合力得到有效提高。

表3　LCP基板與硬性基板臨時鍵合試驗結(jié)果表

二氧化硅膜層的圖形化是通過光刻和濕法刻蝕實現(xiàn)的。因二氧化硅膜層厚度存在不均勻性，要使板面上圖形以外的二氧化硅完全被刻蝕干凈，局部可能會出現(xiàn)過刻現(xiàn)象。需把二氧化硅的側(cè)腐蝕量考慮進去，對圖形進行適當?shù)难a償和修正。

4.6犧牲層加工

薄膜微橋的加工是在犧牲層上實現(xiàn)的，犧牲層的加工質(zhì)量直接影響薄膜微橋的質(zhì)量，尤其是犧牲層的平坦性對薄膜微橋的平整性影響較大。因犧牲層圖形是在已經(jīng)加工出CPW圖形的基板上加工的，所以其平坦化難度較大。試驗中，綜合利用CPW局部電鍍、光刻膠自然流平和高溫固化等方法，較好地解決了犧牲層不平整、起泡、皺褶、后續(xù)釋放不完全等技術(shù)難題。

CPW局部電鍍是指橋墩及薄膜微橋正下方的RF傳輸線和下電極處不電鍍，而其他區(qū)域電鍍，這樣可減小微橋下方金屬臺階的高度，降低犧牲層平坦化的難度。

光刻膠自然流平是勻膠后室溫下自然放置30 min以上，利用膠液本身的填充性和流動性使其流平。局部電鍍加上自然流平，可使犧牲層平坦度達85%以上。

犧牲層固化是犧牲層圖形加工的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步。固化條件對薄膜微橋種子層的質(zhì)量和犧牲層釋放的難易程度影響較大。固化溫度低、時間短，犧牲層容易釋放，但濺射微橋種子層時，犧牲層易出現(xiàn)裂紋、皺褶，光刻時易出現(xiàn)氣泡等現(xiàn)象，致使薄膜微橋種子層的質(zhì)量無法滿足要求；固化溫度高、時間長，犧牲層難以100%釋放。通過試驗摸索和參數(shù)優(yōu)化，120℃固化10 min效果較佳。

4.7薄膜微橋加工

薄膜微橋加工包括種子層濺射、微橋圖形光刻、電鍍、去膠、刻蝕等工序。

種子層的作用主要是為后續(xù)的圖形電鍍提供導(dǎo)電連接面。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜微橋種子層的厚度在滿足電鍍要求的前提下越薄越好。如果種子層太厚，側(cè)腐蝕增大，圖形精度降低。同時刻蝕時間太長，也會造成薄膜微橋厚度均勻性變差。因薄膜微橋的加工是在犧牲層上實現(xiàn)的，所以種子層的濺射不能加熱，否則犧牲層會出現(xiàn)裂紋、皺褶等缺陷，造成微橋平整度無法滿足要求。

電鍍和刻蝕對薄膜微橋的性能影響較大，選擇低應(yīng)力的電鍍?nèi)芤?、合適的電流密度、嚴格控制電鍍和刻蝕時間等可使薄膜微橋的應(yīng)力、厚度及其均勻性等得到有效控制。薄膜微橋是由濺射層和電鍍層組成，由于晶格錯位或失配等原因，兩者之間存在應(yīng)力，再加上加工過程中溫度、膜層厚度、電鍍參數(shù)、鍍液老化等因素的影響，使得薄膜微橋膜層不可避免地存在內(nèi)應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)：（1）薄膜微橋較厚時，平整度比較容易控制，但驅(qū)動電壓較大；薄膜微橋較薄時，平整度較難控制，容易變形、損壞等。薄膜微橋厚度的選擇原則是，在滿足驅(qū)動電壓的前提下，微橋厚度越厚越好，以提高平整性和可靠性。（2）薄膜微橋的厚度均勻性主要取決于電鍍層的厚度均勻性。通過選擇合適的電流密度可將鍍層的厚度均勻性控制在一定的范圍內(nèi)?？刂齐婂儠r間可在一定程度上控制鍍層厚度，但準確控制厚度比較困難。采用適當增加鍍層厚度、控制刻蝕時間等方法可使薄膜微橋的厚度控制在很小的波動范圍內(nèi)。

研究發(fā)現(xiàn)，薄膜微橋電鍍后的去膠溫度和時間需要嚴格控制。去膠溫度低、時間短，種子層上面的光刻膠去除不徹底，造成種子層局部刻蝕困難；去膠溫度高、時間長，會對種子層下面的犧牲層造成不良影響，使犧牲層出現(xiàn)氣泡、甚至局部溶解等現(xiàn)象。試驗中，采用60℃去膠10 min，犧牲層未出現(xiàn)氣泡和局部溶解現(xiàn)象，效果較佳。

4.8犧牲層釋放

犧牲層釋放是RF MEMS開關(guān)加工過程中極其關(guān)鍵的一步，對成品率影響極大。本研究采用濕法去膠、異丙醇置換、臨界點干燥等方法進行犧牲層釋放。研究發(fā)現(xiàn)，濕法去膠溫度和時間、超聲功率和時間、水洗溫度和時間、異丙醇置換時間、二氧化碳置換時間等因素都會對成品率造成較大影響。濕法去膠時，溶液溫度低、時間短，微橋下方的光刻膠不能徹底去除；超聲功率大、時間長，薄膜微橋出現(xiàn)斷裂；水洗溫度低、時間短，去膠液不能被完全清洗干凈；異丙醇置換時間短，水分子不能被完全置換出去，二氧化碳置換時間短，異丙醇不能被完全置換出去，這些都會使成品率嚴重降低，因而均需進行嚴格控制。試驗中，采用60℃去膠90 min，500 W超聲2 min，水洗10 min，異丙醇置換5～6 h，二氧化碳置換15 min～20 min，可使犧牲層完全釋放，釋放成品率優(yōu)于90%。

值得注意的是，濕法去膠過程后，LCP基板與硬性基板之間會完成分離，恢復(fù)其柔性特質(zhì)，因而后續(xù)操作過程中必須小心謹慎，防止操作不當造成LCP基板變形，并最終造成RF MEMS開關(guān)失效。

5　開關(guān)樣件性能測試

研究過程中制作了2種LCP基橋式RF MEMS開關(guān)樣件（樣件照片見圖3），并用探針臺、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電壓表等儀器進行了相關(guān)性能測試。開關(guān)樣件的技術(shù)指標為：頻率≤20 GHz，插入損耗≤0.5 dB，回波損耗≤-20dB，隔離度≥20dB，驅(qū)動電壓30V～50V，工藝優(yōu)化后制備的樣件達到了設(shè)計要求，表明開發(fā)優(yōu)化的LCP基RF MEMS開關(guān)的工藝較成功。

圖3　LCP基橋式RF MEMS開關(guān)實物樣件照片

6　結(jié)束語

本文通過對在LCP柔性基材上加工RF MEMS開關(guān)中關(guān)鍵工藝技術(shù)的分析與研究以及樣件的試制、測試，給出加工過程中應(yīng)該控制的關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵工藝的控制要點和注意事項，對LCP基RF MEMS開關(guān)的加工研究具有一定的參考價值。

［1］孫兆鵬，嚴偉，王列松.LCP基板制作工藝及其在微波無源電路中的應(yīng)用［J］.2011，8:46-52.

［2］曾策，高能武，林玉敏.LCP基板在微波/毫米波系統(tǒng)封裝的應(yīng)用［J］.電子與封裝，2010，10（10）:5-8.

［3］陳苑明，何為.應(yīng)用LCP基材低成本化柔性RF電子元器件及天線［J］.印制電路信息，2010，9:37-40.

［4］趙滿.基于LCP柔性材料的柱面共形陣列天線設(shè)計［J］.電子信息對抗技術(shù)，2013，1:69-71.

［5］鄭惟彬，黃慶安，李拂曉.微波電路的MEMS開關(guān)進展［J］.微波學(xué)報，2001，17（3）:87-93.

［6］Richard WLusignea，James LRacich，R Chandy.Multiaxially OrientedThermotropicPolymerSubstrateforPrinted WireBoard［P］.US Patent.

Processing Study on LCP RF MEMS Switch

DANGYuanlan1，ZHAOFei1，HANLei2，XUYaxin1，LIANGGuanghua1，LIUXiaolan1，3，CHENYu1，3，ZHUANG Zhixue1，3
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institution，Shijiazhuang 050081，China；2.Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.Hebei Noah Human Resource Development Co.Ltd.，Shijiazhuang 050035，China）

Due to the multi influences on quality of RF MEMS switch，it is difficult to fabricate the switch on flexible LCP substrate.Here，we present for the study on the key influence on LCP RF MEMS fabrication to find the processing solution.According to the experiment，the parameters of substrate cleaning，electro-plating and leveling on Cu lamination layer，metal film on LCP substrate without copper，flatness maintain during lithography，SiO2film growing and patterning，fabrication of scarified layer forming，fabrication of thin film bridge and releasing of scarified layer were optimized.LCP RF MEMS switch with frequency less than 20 GHz was fabricated，whose insertion loss is no more than 0.5 dB，return loss is no more than-20 dB，isolation is no less than 20 dB，and driving voltage is 30 V to 50 V.The method mentioned here may have successful experiences on fabrication of moving parts on flexible substrate.

LCP substrate；flexibility；bridged RF MEMS switch；thin film micro-bridge

TN305

A

1681-1070（2016）05-0043-05

2016-3-4

黨元蘭（1962—），女，河南南陽人，畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)為中國電子科技集團公司第54研究所高級工程師，主要研究方向為微組裝工藝。