在基板中製作導電通孔的方法
2023-05-29 09:48:21
專利名稱：在基板中製作導電通孔的方法
技術領域：
本發明涉及一種在基板中製作導電通孔的方法以及由此製作的基板。具體而言， 在一個實施例中，本發明涉及一種基板，諸如具有一個或多個無金屬導電通孔的印刷電路板(P⑶。
背景技術：
印刷電路板(PCB)被用以使用由金屬片蝕刻形成的導電路徑來支撐並電連接電子零件，該金屬片諸如被層疊到非導電性基板上的銅片。往往必須貫穿這些電路板建立貫通接觸，以便從板的一側到另一側建立電接觸。以往，這在過去通過將金屬栓或引腳埋入板中而得以實現。但是，該方法在其解析度方面受到限制。替代地，可以使用碳化鎢鑽頭來鑽出貫通孔，並且隨後電鍍這樣建立的孔。就孔直徑而言，這樣可以獲得的最小尺寸約為200um。孔的直徑生成得越小，相應的鑽頭斷裂和磨損的可能性就越大。因此，對於直徑 < 200um的孔，要用雷射將材料從基板排出(eject)。隨後，再次電鍍孔的內側。然而，該技術也容易產生誤差，並且，尤其是對於用雷射生成的小孔，因為需要沉積允許後續的金屬化的初始的籽晶層(germination layer)，所以對於這樣的小直徑孔而言，難以實現電鍍工藝。
發明內容
因此，本領域需要一種製作具有導電貫通通孔，尤其是小尺度的導電貫通通孔的基板的替代方法。因此，本發明的目的是要提供一種允許在諸如印刷電路板的電絕緣的基板中製作導電貫通通孔的替代方法。本發明的目的也是要提供一種容易執行並且無需金屬化步驟而在一個工作程序中製作這樣的貫通孔的方法。本發明的上述目的是通過在由電絕緣材料製成的基板中製作導電通孔的方法來實現的，該方法包括下列步驟a)提供由至少一種電絕緣材料製成的基板，b)將該基板放置在兩個電極之間，該兩個電極被連接至由用戶控制的以及可選地由過程控制的電壓源，c)對該基板施加電壓，d)通過下列步驟局部地或全局地增大該基板的電導率而貫穿該基板在該兩個電極之間引起電介質擊穿和能量耗散-在該基板的將要發生該能量耗散的位置處對該基板施加熱，-在將要發生該能量耗散的位置處對該基板施加扭曲，和/或-增加將要發生該能量耗散的位置處的基板的溼度，其中，在該位置處在步驟d) 中，發生該至少一種電絕緣材料到導電材料的改性，其中該改性是由於-該至少一種電絕緣材料的化學轉化，例如高溫分解、氧化或碳化，-或者該至少一種電絕緣材料被步驟d)進行時所處的氣氛的(一個或多個)成分或者被該電極的(一個或多個)成分所摻雜，從而產生導電通孔。能量耗散時，基板材料被局部地改性成導電態。在一個實施例中，基板材料通過例如高溫分解或碳化或者通過部分基板材料與周圍的氣氛發生化學反應而被轉化成另一種導電材料。在另一個實施例中，基板通過例如由能量耗散弓I發的摻雜而變成導電的，摻雜劑可以由電極或者由包圍基板和電極的氣氛提供。上述氣氛可以是適合於基板材料的氣體 (例如氬氣、氧氣、氮氣、SF6)或者液體(例如H20、水溶液)的組合物。基板材料可以在過程期間不被排出或者被部分地排出。在一個實施例中，該導電通孔是貫通孔或盲孔，其壁部已在步驟d)中成為導電的，其中，該貫通孔從基板的一側延伸至基板的另一側，並且其中，在步驟d)中的能量耗散時，該貫通孔是由於將材料從該基板排出而得到的。在另一個實施例中，在步驟d)未形成孔或溝道的情況下，該導電通孔是從基板的一側延伸至基板的另一側的導電材料體(body)，該導電材料是在該步驟d)中能量耗散期間由該至少一種電絕緣材料產生的。在一個實施例中，該至少一種電絕緣材料是含碳聚合物，該含碳聚合物在步驟d) 期間在發生該能量耗散的位置處被碳化，且因而成為導電的並且在貫通孔的情況下被從該基板部分地排出。在一個實施例中，該含碳聚合物是熱固性塑料或聚四氟乙烯。在一個實施例中，該熱固性塑料選自環氧樹脂、聚醯亞胺、三聚氰胺樹脂、酚醛樹月旨、脲醛泡沫和熱固性聚酯。在一個實施例中，該至少一種電絕緣材料通過電絕緣填充材料而被增強，該電絕緣填充材料諸如紙、棉紙、玻璃纖維、玻璃纖維織物(woven glass)和纖維素纖維。在一個實施例中，在該基板中，該至少一種電絕緣材料被布置成具有兩個相對表面的片材，並且其中，該基板另外還包括諸如金屬層的導電材料層或半導體層，該導電材料層或半導體層附接至該電絕緣材料片材的相對表面中的一個或兩個並且部分地或全部地覆蓋該相對表面中的一個或兩個。在一個實施例中，該導電材料層是金屬層，優選地，選自銅層、銀層、金層、鋁層、錫層、鎳層以及任何前述層的合金層。在一個實施例中，在執行步驟d)之後，該導電通孔通過靠近或直接接觸該導電材料層而被電連接至該導電材料層。在一個實施例中，該基板是由環氧樹脂或者諸如玻璃纖維增強樹脂的合成環氧樹脂製成的。在一個實施例中，該基板是印刷電路板或印刷電路板工件。在一個實施例中，由步驟d)得到的該導電通孔是無金屬的。在一個實施例中，對該基板施加熱是藉助雷射而進行的，並且其中，對該基板施加扭曲是通過使位於該基板的相反側的該電極與該基板進行接觸且可選地將該電極壓到該基板上而進行的，並且其中，增加基板的溼度是通過將該基板暴露到含水的氣氛中而進行的。在一個實施例中，步驟c)施加的該電壓在從100V到20000V的範圍內。
在一個實施例中，該電壓源經由串聯電阻器而被連接至該電極中的一個電極，該電阻器具有IOhm至IMOhm的電阻。在一個實施例中，該電壓源具有電容在0_50nF的範圍內的電容器。在一個實施例中，該電壓被施加從Ims到5000ms的範圍內的一段時間。在一個實施例中，該雷射具有從0. 5W到50W的範圍內的功率。在一個實施例中，該雷射被施加從Ims到5000ms的範圍內的一段時間，優選地，在具有Ium至500um的直徑的焦點中。在一個實施例中，該導電通孔具有< IkOhm的電導率。在一個實施例中，該導電通孔具有在從0. Ium到500um的範圍內的直徑。本發明的目的也通過由根據本發明的方法製作的基板來實現，具體為具有通過根據本發明的方法製作的一個或多個導電貫通孔的印刷電路板。這裡所使用的「導電通孔」可以是從電絕緣基板的一側延伸至另一側的貫通孔，其中該貫通孔具有導電的內襯或者壁部且因而允許從基板的一側到另一側建立電接觸。替代地，如這裡所使用的，「導電通孔」可以指從基板的一個表面延伸至相反的表面的基板內的區域，該區域中沒有貫通孔並且其體積被固體材料佔據。該區域可以例如是從基板的一個表面延伸至相反的表面的柱狀材料體。由於在這樣的區域中材料是導電的，所以該區域本身導電，並且這允許在基板的一側到另一側建立電接觸。發明人意外地發現，當使用由至少一種電絕緣材料製成的基板並且對該基板施加電壓且隨後伴隨有貫穿該基板的能量耗散時，可以產生導電通孔，其體材料或者其壁部通過該能量耗散過程而成為導電的。在此過程中，在發生該能量耗散的位置處，且因而在製作導電通孔的位置處，發生了該至少一種電絕緣材料到導電材料的改性。這樣的改性是由於-該至少一種電絕緣材料的化學轉化，-或者該至少一種電絕緣材料被步驟d)進行時所處的氣氛的(一個或多個)成分或者被該電極的(一個或多個)成分所摻雜。在該過程中，在貫通孔的情況下，將材料從基板排出，從而導致孔的產生。在一個實施例中，發生能量耗散，但以不將材料從基板排出的方式對其控制，然而，仍然發生了原來電絕緣的基板材料到導電材料的轉變。這將產生從基板的一個表面延伸至基板的另一個表面的柱體，或者更通常而言，產生從基板的一個表面延伸至基板的另一個表面的導電材料體，該材料體也允許在基板的兩側之間建立電接觸。—般而言，對基板施加電壓，並且通過藉助雷射施加熱或者通過對基板施加扭曲， 例如通過將兩個電極壓到基板上，來引發貫通該基板的能量耗散。在於2008年11月7日提交的WO 2009/059786中描述了一種用於執行這樣的電介質擊穿的設備。如在本文中所使用的，「貫通孔」與「貫通通孔」同義，意指從基板的一側延伸至基板的另一側的孔。能量耗散會導致材料排出，其中產生這樣的貫通孔。貫通孔的深度和直徑可以通過電壓、電流、功率和電壓源參數來控制。基板材料可以已經具有附接到其上的一些導電跡線或者導電層， 諸如金屬箔，例如銅箔。如果將根據本發明的方法應用於這樣的基板，則本發明人已經發現這些導電層會自動與導電通孔連接。基板也可以僅具有附接到其上的金屬貼片(patch)，諸如銅、銀、金、錫或金屬合金貼片。如果在這樣的(一個或多個)貼片的位置處對這樣的基板應用根據本發明的方法，則本發明發現這些貼片會自動與導電通孔連接。在不希望受任何理論限制的情況下，本發明人相信，當被應用於優選由聚合物材料、尤其是由含碳材料製成的電絕緣基板時，本發明的能量耗散過程將會導致部分燃燒，在含碳聚合物的情況下，會導致這樣的材料碳化。繼而，這又將導致那些發生了碳化的部分的電導率增大。這被示出於圖9a)_圖9c)中，其中示出了根據本發明產生的導電通孔、以及該通孔所對應的電導率曲線。在優選實施例中，至少一種電絕緣材料是熱固性塑料或聚四氟乙烯。因為這些材料被暴露於高溫時不會由於例如燃燒而熔化而是發生化學反應，所以易於進行化學轉化。當對基板施加電壓時，可以例如通過雷射施加熱或者通過對基板施加機械能，例如將兩個電極壓到基板上從而使其局部扭曲/變形來引發上述過程，從而建立較佳的耗散路徑。如果基板已經具有附接的諸如金屬層/箔或半導體層的導電層，如印刷電路板中的情況，則雷射的波長必須被調整為其只被基板吸收而附接到該基板的金屬層或半導體層對於這樣的雷射而言是透明的。替代地或附加地，雷射優選在基板未附接有金屬層或半導體層的一側入射。基板中的多個貫通孔可以通過將臨時性絕緣層附接至基板來產生，該絕緣層可以是固態的、液態的或氣態的，並且旨在使貫通孔一經生成即被遮蔽以避免基板通過已經生成的孔而短路。在於2008年12月2日提交的美國臨時申請No. 61/119，255中描述了這一構思。根據本發明的方法也可以與諸如用碳化鎢鑽頭鑽孔的傳統的通孔產生方法相結
I=I O在於2008年11月7日提交的WO 2009/059786中已經描述了一種用於實施根據本發明的方法的設備。所獲得的導電通孔/貫通孔/盲孔的直徑在從0. Ium到500nm的範圍內，且其電導率為< IkOhm。所施加的電壓的範圍一般在100V到20000V的範圍內。電壓源具有串聯電阻器，該串聯電阻器電阻範圍為IOhm到IMOhm。此外，還可以具有電容器，其電容範圍為 0-50nFo如果使用雷射，則雷射功率一般在0. 5W到50W的範圍內。典型的示例為(X)2雷射。 電壓和雷射/熱都持續施加從Ims到5000ms的範圍內的一段時間。應予以注意的是，在根據本發明的方法中，施加電壓和施加熱的步驟可以伴隨著發生，即同一時間或以交迭的方式發生。例如，可以先施加電壓隨後施加熱同時仍施加電壓，或者可以先施加熱隨後施加電壓同時繼續施加熱。本發明允許以迄今未達到的解析度貫穿否則電絕緣的基板形成導電通孔。而且，根據本發明的方法易於執行。
具體實施例方式此外，參照附圖
，其中示出了下列內容圖I(A)示出了關於在電絕緣基板材料(1)(例如環氧樹脂或玻璃纖維增強環氧樹脂)中形成導電通孔(6)的實施例的示意圖。基板被放置在連接至由用戶控制的以及可選地由過程控制的電壓源⑷的兩個電極(3、3』 )之間。當在電極之間施加電壓並降低基板的擊穿電壓時，基板內的耗散就被觸發。擊穿電壓的降低通過引入熱(如藉助雷射照射 (5))或通過引入扭曲(例如使電極觸及/壓到基板上從而建立較佳的放電路徑)來實現。 能量耗散的持續時間和電壓源的特性確定耗散能量的區域的範圍。能量耗散導致該區域內基板特性的改變，尤其是轉化至導電態(例如通過碳化)。導通區/溝道的寬度可以通過例如持續時間、電壓、電流來控制。當在該過程期間材料被部分去除時，此區/溝道也可以是具有導電內表面的孔。圖I(B)示出了其中基板材料可以在一個或兩個表面上具有導電層或半導體層 (2)(例如金屬箔、沉積的III-V半導體)的實施例的示意圖。代替使用電極，也可以將導電層直接夾至電極/電壓源。生成的通孔(6)貫穿基板材料⑴而延伸至層0)，在通孔(6) 和層⑵之間建立電接觸。層⑵的特性沒有被改變。如果使用雷射(5)穿過層⑵照射來觸發該過程，則必須選擇其波長，使得其被該層充分透射並被基板吸收。圖I(C)示出了藉助遮蔽層(7)在單個基板上緊挨著形成多個通孔。該遮蔽層可以是固體(例如石蠟(wax))或液體(例如油脂(oil))或者氣體(例如SF6)。為了引發基板內的能量耗散，必須除去該遮蔽層或者提高其電導率。例如，這可以通過例如使用雷射加熱來完成。在於基板中形成通孔(6)之後，再次用遮蔽層(7)覆蓋該通孔。如果遮蔽層 (7)為液體或氣體，則此覆蓋會自然發生，如果其為固體，則可以通過施加熱來引入回流。移動被附接至可移動支座(8)的基板，對電極施加電壓並且使用聚焦雷射束重新開始耗散過程。需要遮蔽預先存在的通孔——取決於內通孔直徑和電壓大小——以防止通過已經存在的通孔預放電。在下面的圖2-9中，在實驗設置中，串聯電阻器總是具有R= IOOOhm的電阻。基板材料是環氧的、玻璃纖維增強的，並且基板的厚度約為0.4mm。銅箔的厚度< 0.1mm。然而，應注意的是，同樣也可以使用一般用於製造印刷電路板(PCB)的其他基板材料。示例為聚四氟乙烯、諸如酚醛棉紙的合成樹脂粘合紙和聚酯。圖2-9示出了使用根據本發明的方法產生的各種通孔。此外，並且更具體地，使用了下列參數(C=電壓源的電容；U=施加的電壓)圖 2 和圖 3 :C = 3. 5nF，U = 5kV、施加 100ms, CO2 雷射功率=2W、施加 100ms。圖 2示出了基板的被施加雷射(焦點約為IOOum)的一側，圖3示出了相反的一側。 圖4 (非雷射側)和圖5 (雷射側)C = 5. 6nF，U = 8kV、施加 100ms，CO2 雷射功率=2. 5W、施加 50ms (焦點約為 IOOum)。圖6和圖7示出了如果在電絕緣基板的一側附接有導電材料(在此情況下為金屬箔，更具體為厚度< 0.1mm的銅箔)的情況下可以得到的結果。圖6示出了附接有金屬箔的一側。使用了下列參數=R = IOOOhm, C = 5. 6nF，U = 6kV、持續施加200ms, CO2雷射功率=5W、施加50ms (焦點約為IOOum)。雷射被施加到基板的沒有金屬的一側，以便使雷射在金屬箔處不發生反射。圖6示出了銅稍微變形但沒有產生孔。圖7示出了同一基板的另一側，其中明顯已經產生了孔。圖8示出了上面附接有金屬箔(如圖6和圖7中的銅箔)的基板的類似的處理。 然而，這時，除此之外，絕緣黑膠帶被附接至金屬箔，這同樣使得金屬/銅箔本身穿孔。金屬箔中的孔是通過使材料從基板極其突然地排出而產生的。對於該示例，參數為C = 5. 6nF,U = 6kV、施加400ms, CO2雷射功率=5W、施加250ms (焦點約為IOOum)。圖9示出了其中未形成貫通孔的玻璃纖維增強環氧樹脂基板中根據本發明產生的通孔。面a)示出了該通孔的照片，該通孔的直徑約為300um。在基板的背面有銅箔(照片中未示出)。用於產生該通孔的參數為C = 3. 5nF, U = 4kV、施加130ms，CO2雷射功率 =2W、施加60ms。面b)和面c)示出了以距通孔中心的距離(單位為um)相對繪製的電導率。y值為通孔內的電導率(「gM」)由通孔外的基板的電導率(「g·」)歸一化而得到的比值。在此情況下，gSft 2G0hm，因而對應於為 <l/(2G0hm)。通孔中的測量電阻為lOOOhm，因而對應於g·為1/(100Ω)。為了計算，對於基板中的電阻使用2G0hm，因而電導率的比值至少為2Χ107。面b)和面c)示出了以距通孔中心(Oum處)的距離相對繪製的上述比值的二維表示和三維表示。這些結果表明，使用根據本發明的方法能夠非常精確地產生導電通孔。說明書、權利要求書和/或附圖中所公開的本發明的特徵既可以單獨地也可以以其任意組合的方式作為以其各種形式實現本發明的材料。
權利要求
1.一種在由電絕緣材料製成的基板中製作導電通孔的方法，所述方法包括下列步驟a)提供由至少一種電絕緣材料製成的基板，b)將所述基板放置在兩個電極之間，所述兩個電極被連接至由用戶控制的以及可選地由過程控制的電壓源，c)對所述基板施加電壓，d)通過下列步驟局部地或全局地增大所述基板的電導率，貫穿所述基板在所述兩個電極之間引起電介質擊穿和能量耗散-在所述基板的將要發生所述能量耗散的位置處對所述基板施加熱，-在將要發生所述能量耗散的位置處對所述基板施加扭曲，和/或-增加將要發生所述能量耗散的位置處的所述基板的溼度，其中，在所述位置處在步驟 d)中，發生所述至少一種電絕緣材料到導電材料的改性，其中所述改性是由於-所述至少一種電絕緣材料的化學轉化，例如高溫分解、氧化或碳化，-或者所述至少一種電絕緣材料被步驟d)進行時所處的氣氛的一個或多個成分或者被所述電極的一個或多個成分所摻雜，從而產生導電通孔。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述導電通孔是貫通孔或盲孔，其壁部已在步驟 d)中成為導電的，其中，所述貫通孔從所述基板的一側延伸至所述基板的另一側，並且其中，在步驟d)中的能量耗散時，所述貫通孔是由於將材料從所述基板排出而得到的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟d)未形成孔或溝道的情況下，所述導電通孔是從所述基板的一側延伸至所述基板的另一側的導電材料體，所述導電材料是在步驟d) 中所述能量耗散期間由所述至少一種電絕緣材料產生的。
4.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述至少一種電絕緣材料是含碳聚合物，所述含碳聚合物在步驟d)期間在發生所述能量耗散的所述位置處被碳化，且因而成為導電的並且在貫通孔的情況下，被從所述基板部分地排出。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述含碳聚合物是熱固性塑料或聚四氟乙烯。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述熱固性塑料選自環氧樹脂、聚醯亞胺、三聚氰胺樹脂、酚醛樹脂、脲醛泡沫和熱固性聚酯。
7.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述至少一種電絕緣材料通過諸如紙、棉紙、玻璃纖維、玻璃纖維織物和纖維素纖維的電絕緣填充材料而被增強。
8.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，在所述基板中，所述至少一種電絕緣材料被布置成具有兩個相對表面的片材，並且其中，所述基板另外還包括諸如金屬層的導電材料層或半導體層，所述導電材料層或半導體層附接至所述電絕緣材料片材的相對表面中的一個或兩個並且部分地或全部地覆蓋所述相對表面中的一個或兩個。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述導電材料層是金屬層，優選地，選自銅層、銀層、金層、鋁層、錫層、鎳層以及任何前述層的合金層。
10.根據權利要求8-9中任何一項所述的方法，在執行步驟d)之後，所述導電通孔通過靠近或直接接觸所述導電材料層而被電連接至所述導電材料層。
11.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述基板是由環氧樹脂或者諸如玻璃纖維增強樹脂的合成環氧樹脂製成的。
12.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述基板是印刷電路板或印刷電路板工件。
13.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，由步驟d)得到的所述導電通孔是無金屬的。
14.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，對所述基板施加熱是藉助雷射而進行的，並且其中，對所述基板施加扭曲是通過使位於所述基板的相反側的所述電極與所述基板進行接觸且可選地將所述電極壓到所述基板上而進行的，並且其中，增加基板的溼度是通過將所述基板暴露到含水的氣氛中而進行的。
15.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，在步驟c)施加的所述電壓在從 100V到20000V的範圍內。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述電壓源經由串聯電阻器而被連接至所述電極中的一個電極，所述電阻器具有IOhm至IMOhm的電阻。
17.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述電壓源具有電容在0-50nF 的範圍內的電容器。
18.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述電壓被施加從Ims到5000ms 的範圍內的一段時間。
19.根據權利要求14-18中任何一項所述的方法，其中，所述雷射具有從0.5W到50W的範圍內的功率。
20.根據權利要求14-19中任何一項所述的方法，其中，所述雷射被施加從Ims到 5000ms的範圍內的一段時間，優選地，在具有Ium至500um的直徑的焦點中。
21.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述導電通孔具有<IkOhm的電導率。
22.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述導電通孔具有在從0.Ium到 500um的範圍內的直徑。
23.一種通過根據前述權利要求中任何一項所述的方法製作的基板，具體地，一種具有通過根據前述權利要求中任何一項所述的方法製作的一個或若干個導電貫通孔的印刷電路板。
全文摘要
本發明涉及一種用於在基板中製作導電通孔的方法以及由此製作的基板。所述方法包括下列步驟a)提供由至少一種電絕緣材料製成的基板(1)，b)將所述基板放置在兩個電極(3，3『)之間，所述兩個電極被連接至由用戶控制的電壓源，c)對所述基板施加電壓，d)通過局部地或全局地增大所述基板的電導率，貫穿所述基板在所述兩個電極之間引起電介質擊穿和能量耗散，其中，在步驟d)中，發生所述至少一種電絕緣材料到導電材料的改性，從而產生導電通孔(6)。具體地，在一個實施例中，本發明涉及一種基板，諸如具有一個或若干個無金屬導電通孔的印刷電路板。
文檔編號H05K3/10GK102474986SQ201080036590
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月4日 優先權日2009年8月19日
發明者萊安德·迪特曼 申請人:皮可鑽機公司