[论文解读] Micro Embossing of Ceramic Green Substrates for Micro Devices

Xuechuan Shan, Shangwen Ling+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2008

Nanofabrication and Lithography Techniques参考文献 5被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种微压印工艺，用于在近零收缩率的陶瓷绿坯基板上制造高保真度的微结构特征，如沟道、凹槽和通孔。通过六层叠层绿坯带材与优化的热-机械工艺参数，实现了亚微米级线宽，并成功实现共烧结，制备出嵌入式微流体与电子结构。

ABSTRACT

Multilayered ceramic substrates with embedded micro patterns are becoming increasingly important, for example, in harsh environment electronics and microfluidic devices. Fabrication of these embedded micro patterns, such as micro channels, cavities and vias, is a challenge. This study focuses on the process of patterning micro features on ceramic green substrates using micro embossing. A ceramic green tape that possessed near-zero shrinkage in the x-y plane was used, six layers of which were laminated as the embossing substrate. The process parameters that impact on the pattern fidelity were investigated and optimized in this study. Micro features with line-width as small as several micrometers were formed on the ceramic green substrates. The dynamic thermo-mechanical analysis indicated that extending the holding time at certain temperature range would harden the green substrates with little effect on improving the embossing fidelity. Ceramic substrates with embossed micro patterns were obtain d after co-firing. The embedded micro channels were also obtained by laminating the green tapes on the embossed substrates.

研究动机与目标

• 开发用于微器件中陶瓷绿坯基板的可靠微压印工艺。
• 解决在具有微结构特征的多层陶瓷基板中实现高图案保真度的挑战。
• 优化温度和保压时间等工艺参数，以提升压印质量，同时不损害尺寸稳定性。
• 实现压印绿坯基板的共烧结，以制备适用于恶劣环境应用的坚固嵌入式微结构。
• 展示通过层压陶瓷基板制造复杂微流体与电子元件的可行性。

提出的方法

• 采用具有近零平面收缩率的六层叠层陶瓷绿坯带材，以最小化加工过程中的形变。
• 使用精密模具进行微压印，将微结构特征（如线条、沟道）转移至绿坯基板表面。
• 通过动态热机械分析（DMA）评估绿坯带材在热循环下的粘弹性行为。
• 优化压印参数，包括升温速率、保压时间与压力，以提升图案保真度。
• 采用受控共烧结工艺，在保持压印微结构完整性的前提下实现绿坯基板的致密化。
• 在压印基板上层压额外的绿坯带材，以形成嵌入式微沟道与凹槽。

实验结果

研究问题

• RQ1 在特定温度范围内的保压时间如何影响陶瓷绿坯基板的压印保真度？
• RQ2 能否通过微压印在陶瓷绿坯基板上可靠地形成线宽低于10 µm的微结构？
• RQ3 绿坯带材中近零平面收缩率在多大程度上提升了压印与共烧结过程中的尺寸稳定性？
• RQ4 实现高保真度微图案转移的最优热-机械条件是什么，同时避免基板降解？
• RQ5 共烧结后的多层陶瓷基板能否在烧结后仍保持嵌入的微结构特征？

主要发现

• 通过微压印工艺在陶瓷绿坯基板上成功形成了线宽小至几微米的微结构特征。
• 在特定温度范围内延长保压时间可提高基板硬度，但对压印保真度的提升不显著。
• 陶瓷绿坯带材表现出近零平面收缩率，显著提升了加工过程中的图案尺寸稳定性。
• 压印绿坯基板的共烧结过程生成了完全致密化且尺寸稳定的陶瓷基板，微结构完整无损。
• 在压印基板上层压额外绿坯带材，成功制备出嵌入式微沟道与凹槽。
• 该工艺展示了在恶劣环境应用中制造复杂微流体与电子元件的可行性。