使用晶圆级键合技术制备金属微结构

廖承举 张剑 卢茜 彭挺 林玉敏 赵明

（中国电子科技集团公司第二十九研究所）

摘要：

使用金属材料的晶圆级键合技术可以制备半封闭结构的金属矩形微同轴线。基于柔性金属衬底的晶圆级键合技术，制备了金属矩形微同轴结构。通过选择合适的对准标记和键合工艺，实现了≤10 μm的对准误差。通过多个金属矩形微同轴线的微组装，初步展示了使用单层金属矩形微同轴线构建射频开关矩阵单元的能力。

随着人工智能技术的迅速发展，未来无人化趋势明显，电子信息系统向着“一体化、微型化、分布式、智能化”方向发展，系统电子载荷呈现多频段、高密度、微体积、信号网络及其复杂的实现特征，对射频多通道集成化设计能力提出了非常高的要求。实现射频通道低损耗、高隔离度、高功率容量是一体化高密度集成模块及微系统面临的最大挑战之一。目前混合集成、MMIC平面电路中广泛使用带线、微带线、共面波导等半开放型微波传输结构，电磁兼容面临着严峻的挑战。如何提高通道之间的隔离度、如何有效散热，均是亟需解决的难题。当前的射频传输系统集成技术无法同时满足微型化、高隔离、低传输损耗、高散热、高精度的要求。

基于矩形微同轴传输结构的三维集成射频系统（3D Micro-Electrical RF Systems，3D MERFS）使用以空气为介质的矩形微同轴线传输微波信号，可以很方便地实现三维集成，具有高密度、高隔离度、低损耗、超宽带（0~100 GHz）、几乎无寄生参数、高导热、低成本等突出优点。矩形微同轴传输结构是一种完全屏蔽的传输结构，具有优异的电气特性。在传统PCB电路工艺基础上，结合微机电系统（MEMS）工艺，可制作出尺寸微细的空气矩形同轴结构（如图1所示）。将数个甚至数百上千个此类结构集成，即可构建出各种新型三维高频微互联器件及基板，实现器件级或单元级功能（如图2所示）。

矩形微同轴传输结构与传统的高频传输系统迥然不同，高频信号被约束在封闭的同轴结构中，其特性见表1。

总体而言，该技术具备有一些显著特点：1）在0~300 GHz范围内，均以近乎纯TEM模式传输，可以超宽带工作，损耗极低，在40 GHz的损耗只有0.08 dB/cm，与波导处于同一个数量级，比微带线、共面波导等传统平面传输线低1个数量级以上。2）传输信号近乎全封闭，相邻传输线之间的隔离很大可高达60 dBc，比微带线、共面波导高30 dBc以上。3）可忽略辐射损耗和基板隔离度的影响，使得设计仿真可以迅速收敛。4）由于采用高密度互联板（HDI）技术，可在英寸级幅面上轻易实现微米级别的结构细节，因此可集成高性能的无源器件，相比传统PCB，集成密度更高，且与有源器件的连接寄生效应更低，易实现3D垂直互联。5）整个基板几乎由全金属构成，热导率极高（可达400 W/mK），便于高效散热，传输功率可以提高1~2个数量级。6）可同时形成精确的互连和过渡结构，方便连接传统的连接器、电路板、波导、凸点元件及实现金丝焊接，减少装配工作量，集成制造成本相对低廉。

如图3所示，该技术未来可以应用在射频阵列微系统产品中，以高性能延时器、功分器、滤波器等无源元件或三维异构转接板的形式呈现[1]。

1 基于PCB工艺的矩形微同轴加工

带线-微带结构是微波印制电路中最常见的信号转换方式（如图4所示）。对于这种结构一般采用金属化互联孔实现垂直过渡，再利用一些金属化孔将信号约束在一定范围内，形成一个近同轴结构。

这种结构能实现一定的电磁屏蔽，但无法满足宽带高隔离需求。如果能够利用与PCB相兼容的工艺实现高屏蔽、低损耗的矩形微同轴结构，将PCB与3DMERFS集成于一体，电磁兼容问题就可迎刃而解。

基于PCB工艺的矩形微同轴是一种新型的金属微结构传输线技术，它结合了PCB微电铸技术和矩形微同轴的设计理念，主要用于微波信号的传输。这种技术的核心在于，它采用了铜微电铸[2]来设计和制造矩形微同轴，从而实现了微型化和集成化的目标。如图5所示，矩形微同轴的结构通常由两根平行且相互绝缘的导体构成，这两根导体之间有着介质支撑材料，可以有效地降低信号传输过程的损耗。

矩形微同轴结构设计中需要注意尺寸精度控制（如图6所示）。根据HFSS仿真结果，矩形微同轴线尺寸精度要求非常严格（±10 μm）。如果内外导体加工均采用电铸和化学机械抛光（CMP）结合的方式加工，尺寸精度仅能达到±40 μm，特征阻抗严重偏离50 Ω。工艺过程中需要使用晶圆级键合技术控制精度。

在实际应用中，基于PCB工艺的矩形微同轴被大量应用于射频综合系统中，例如在电子系统的轻量化需求下，笔者单位研究人员设计了射频开关矩阵单元（如图7所示），实现了在100 MHz~40 GHz频段内，插损<0.087 dB/mm、驻波比<2.2、隔离度达到60 dB（@40 GHz）。

基于PCB工艺的矩形同轴加工涉及一系列复杂的步骤和技术。在PCB工艺中，可以通过特定的设备和工艺流程（如铜微电铸或覆铜板激光切割工艺）制备所需的形状，从而实现矩形同轴结构的制作。这个过程中，制作中心导体是关键。中心导体需要悬浮在一个封闭的金属腔正中，因此，必须要有辅助的机械支撑结构。多层堆叠（Polystrata）工艺[3]建议该材料为柔韧性、化学稳定性较好的PI。因此，介质为PI的PCB挠性板基材成为优选，它可提供中心导体种子层和支撑结构。

矩形同轴线的外层空腔可以通过铜微电铸工艺实现，控制铜微电铸图形表面平面度[4]是工艺的关键。将矩形微同轴线中心导体和两侧金属墙制作结束后，该结构为半封闭状态，可以将牺牲层（一般选择抗电镀干膜）去除。上下金属盖子制作可以采用以下两种方式：1）牺牲层去除后，将空腔内部填充锡铅焊料，CMP抛磨，电镀上下盖板。2）将两片一定厚度、一定外形的金属晶圆键合在两侧金属墙上。但方式1）涉及在封闭的结构内去除牺牲层的问题，对牺牲层材料提出抗电镀、溶解型去除（非溶胀）等要求，而目前矩形微同轴深径比超过2:1后就难以去除。因此，一般选择方式2）将牺牲层在半封闭状态下去除，再使用晶圆键合是常用可行的路线。

通过对外导体一体化互联、单层尺寸精度控制及Cu-Sn焊接等方面的研究，最终确定基于PCB工艺方案制作流程，如图8所示。

工艺步骤为：1）对PI覆铜板铣切，过程中需制作正反面对位标记；2）湿法腐蚀，定义侧壁及中心导体位置；3）通过铜微电铸制作中心导体层及背面侧壁；4）通过铜微电铸对正面侧壁加厚；5）通过电镀制作双面键合/焊接金属层；6）去除光刻胶；7）通过基于柔性金属衬底的晶圆级键合技术实现双面盖板。

经研究发现，基于PCB工艺的矩形微同轴相对简单，与目前印制电路工艺基本兼容，不同之处就是采用了基于柔性金属衬底的晶圆级键合工艺。

2 基于柔性金属衬底的晶圆级键合技术

晶圆级键合技术是将两块或两块以上晶圆结合在一起的技术，能够将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，使得接合界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。相应的晶圆级键合设备主要用于实现两个晶片的精密对接，这种对接通常是通过物理或化学手段实现的，如图9所示，典型的有：

1）阳级键合设备：阳级键合设备主要用于将硅片和玻璃片键合在一起。通过对紧贴的硅片和玻璃片施加高电压，以电子迁移使得硅酸盐和硅形成化学键，从而精密结合在一起。

2）热压键合设备：热压键合设备主要将两个晶圆片通过加热和加压使其发生原子反应紧密结合在一起。这种物理方法通常用于晶圆同质直接键合。基于柔性金属衬底的晶圆级键合技术是一种特殊的晶圆级键合技术，它利用柔性金属衬底作为基底，通过一系列的工艺步骤，将相同材质的金属晶片紧密的结合起来。这种技术用于矩形微同轴不仅可以简化结构加工的工艺步骤，而且还可以提高产品生产效率和改善产品的性能。

图8所示的整个矩形微同轴分为5层，每层均单独加工。从结构尺寸精度方面考虑，仅中间导体层需要电铸，待CMP结束后即进行褪膜实现结构释放。通过化学蚀刻减薄、电镀锡的方法实现厚度控制，顶层和底层厚度尺寸没有严格要求。待每层均准备好后（如图10所示），进行一次柔性金属衬底的晶圆级键合。

在晶圆级键合之前，可以采用柔性对准与固定的方式实现五层结构的高精度堆叠，如图11所示。这种方式可操作性好，简单快捷，层间对位精度可达10 μm。也可以采用CCD手工对位的方式（如图12所示），这种方式可操作性较差，不适合批量生产。为了方便观察，第1层~第5层的对位标记尺寸逐渐变大，待单层已在预定位置时，利用PI的高温胶带进行层间固定，层间对位精度可达±50 μm。

经过试验，利用挠性PI双面覆铜板来制作中心导体及支撑介质和两侧金属墙，显著简化了微矩形同轴线制作流程，最后通过基于柔性金属衬底的晶圆级键合实现了上下盖板层（如图13所示）。

3 试验结果及讨论

通过分析PCB基材的机械性能、电学性能、可加工性，选择用于软板加工的PI覆铜板作为微矩型同轴结构的种子层。该种子层包含了中心导体的支撑介质PI和外导体电铸的基底，解决了微矩形同轴结构关键晶圆级键合问题。利用探针台对微矩形同轴线样件进行测试，如图14所示，在0.1~40 GHz频段内，插损<0.087 dB/mm，驻波比<2.2，隔离度达到60 dB（@40 GHz）（如图15所示）。

研究结果表明：基于PCB工艺的矩形微同轴相对简单，与目前印制电路工艺相兼容，可批量生产且成本低廉。目前加工的样件电学性能与MEMS工艺样件指标接近，未来将可推广应用在高密度集成的微系统中。

4 结论

本文通过基于柔性铜箔的晶圆级键合技术，制备了金属矩形微同轴结构，通过优化对准和固定方式、键合工艺，实现了精度为10 μm的对准误差。

将多个金属矩形微同轴线通过微组装的方法制备了射频开关矩阵单元，初步展示了使用金属矩形微同轴线构建射频器件的能力。3D MERFS技术可以革命性地提高性能指标（损耗降低一个数量级、传输功率提高1~2个数量级、隔离度提高10 000倍），降低成本，缩减系统体积，将在构建高性能的分布式智能微系统方面发挥重要作用，从根本上提升高密度集成载荷的射频性能和抗干扰能力，满足无人化微型装置在电磁频谱域多维度、多任务、组网协同等综合功能的要求。