用於通孔填充的電傳導粘結劑的製作方法

2023-11-07 07:18:22 2

專利名稱：用於通孔填充的電傳導粘結劑的製作方法
技術領域：
本發明所涉領域為裝在絕緣支撐底板，如印刷電路板上的電路電子裝置的製造，特別涉及提供較寬規格範圍的傳導組合物，其填充到通過絕緣底板的孔中，用作底板材料各側電路間的相互連接。
電子組裝小型化和成本控制的需要不斷增加。目標是在低成本下獲得更高的密集度，更細小的間距和更高的功能。在往絕緣底板上裝設電路時用於通過絕緣底板的互連或通孔，本領域的標準是採用鍍覆孔。不過在這種工藝狀態下，鍍覆孔技術遇到了成本壓力和電路組裝更密集或更緊密的限制。
鍍覆孔或通孔製造中包含的操作很昂貴，而且不容易適應未來焊點密集度的要求。目前鍍覆孔技術接近極限約為每平方釐米20個焊點或電路節點。技術上的需要表明或許要求許多倍的密集度。
在本領域中符合密集度，間距，功能和成本目標的努力已經導致出稱為「組合多層」的技術，其電路包含一系列重疊分層的箔和絕緣板，採用細間距孔用導電膏填充以相互聯結。此技術在文獻中已有廣泛的討論，其中一例為R.Lasky,Electronic Packaging andProduction,1998年4月，75-78頁。還有許多變化種類。一般此技術能提供每平方釐米大於100個焊點的密集度。
組合多層電路技術需要一種電傳導膏，用它充填許多小孔或通孔。這種膏在本領域中還稱作粘結劑。電傳導膏必須在被使用的地方與其製造和運行要求保持熱兼容和可靠性兼容。這種膏一般有金屬顆粒懸浮於媒介質中，其在本領域中公知的術語是樹脂，它能被壓入通過絕緣板的通孔中，並且當經歷固化期時媒介質固化金屬顆粒互相接觸，在絕緣板每側表面上導體之間通過通孔形成電通路。
一種該類膏在美國專利5,652,042中已有描述，其中金屬顆粒如銅懸浮於環氧樹脂媒介質中。膏用刮板或刮刀填入通孔中。有加熱和加壓周期硬化媒介質。相互接觸的金屬顆粒提供了電的相互連接。
導電膏技術的進一步工作包括將銀粉引入到媒介質中，用低熔點金屬塗覆金屬顆粒以產生金屬顆粒的冶金接合，以及使用能絲網印刷的銀，銅和環氧樹脂膏。剩下的問題是諸如在狀態變化時媒介質收縮，以及腐蝕與金屬，特別是純銀和銅的電遷移性能這類工藝特性。
在1998年7月7日提出的專利申請系列號09/111,155和1998年5月13日提出的系列號09/078,043中，介紹了一種技術，它提供和使用一種塗覆合金金屬顆粒，其拓寬了冶金接合形成範圍，從而使冶金接合不僅在顆粒之間而且還在導電盤之間形成。
隨著本領域技術的進步，技術規格變得更嚴格，工藝窗口變得更狹窄，所以金屬顆粒和媒介質組成的性能及選擇的更寬範圍的需求將不斷增長。
本發明提供性能具有更廣泛選擇範圍的電傳導粘結劑，它具有微米直徑範圍隨機大小顆粒如Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷，每個顆粒都用低熔點金屬塗覆，塗覆顆粒懸浮在熱固性樹脂和助熔樹脂混合物的媒介質中，選擇其具有粘性和低收縮性，絲網印刷性，電和機械性能均適應廣泛範圍的特性條件。媒介質或樹脂體系包括熱固性環脂烴類環氧樹脂，熱固性含苯氧基聚合物，熱固性單官能檸檬油精氧化物和熔劑。顆粒的低熔點塗覆體系包括In,Sn,及合金如In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg。


圖1為微米直徑範圍隨機大小單個塗覆顆粒截面描述圖。
圖2為塗覆顆粒相互之間和顆粒與導線相互之間切向接觸面冶金接合的截面描述圖。
圖3為彙輯的本發明示例配方性能和特性與現有技術商用典型配方的比較。
提供一種改進的電傳導粘結劑，它能夠壓進電路組成部分的絕緣層通孔中，固化後將在絕緣層表面與冶金接合至表面上導電元件之間有一個冶金傳導通路。粘結劑是以膏狀壓入到伸入絕緣層的孔中。它在包含加熱和加壓的固化周期中固化。
本發明的電傳導粘結劑採用微米直徑範圍隨機大小的顆粒如Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷，每一顆粒用低熔點金屬塗覆。固化周期中的加熱為塗覆金屬的熔化溫度量級。在加熱和加壓固化周期中顆粒連結，其切向表面接觸，以形成熔合或擴散的冶金接合。被塗覆的顆粒懸浮在物理性粘合物或媒介質中，粘合物或媒介質是熱固性樹脂和助熔樹脂的混合物，其選擇為使得粘合物或媒介質和顆粒的組合物在固化前具有低的和可選的粘性，在整個固化期和使用期具有低收縮性。粘合物或媒介質是樹脂體系，包括熱固性環脂烴類環氧樹脂，熔劑，熱固性含苯氧基聚合物，以及還可以包括熱固性單官能檸檬油精氧化物。顆粒的低熔點塗覆體系包括In,Sn,In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg。本發明的電傳導粘結劑在很寬的規格範圍上改進了電和機械性能，改進了對於絲網印刷這樣的操作在預固化狀態的粘性。
作為示例本發明用BiSn為低熔點塗覆層，以Cu作為隨機微米範圍顆粒進行闡述。BiSn合金鍍在約5-7微米直徑範圍Cu顆粒上。鍍覆可在與球磨型操作相聯繫的電鍍槽中完成，在專利申請系列號申報(IBM Docket YO997-089)和申請系列號申報(IBM Docket YO998-196)中作了介紹。在圖1中描述了結果顆粒。參看圖1，所示為5-7微米範圍的Cu顆粒1具有塗覆表面2，以BiSn低熔點合金塗覆。按照本發明低熔點合金塗覆層2帶來許多適應技術特性的優點。考慮到常規焊料塗層熔化溫度約215℃，BiSn共晶合金提供了140℃較低的熔化溫度，而且通過改變兩種合金成分比例可以選擇上述熔化溫度值，因此提供了符合新的工藝窗口規範的能力。BiSn合金塗覆層2還能使Cu顆粒抗腐蝕。
一定數量被BiSn塗覆的Cu顆粒的粉末放進媒介質或樹脂體系中形成膏，被壓進通過絕緣電路底板的通孔如圖2所示，參考圖2的截面圖，其描繪絕緣板5表面4下的孔3，示意出每個顆粒上的塗覆層2與相鄰顆粒每一切向接觸和與表面4上的導體7接觸形成熔合的冶金接合6。冶金接合在加熱和加壓固化周期下可以是固態接合也可以是液態一固態接合。適宜的加熱周期是150℃,30分鐘。適宜的加壓周期為500磅每平方英寸，其在加熱周期的持續時間內。
媒介質或樹脂體系不用溶劑，由熱固性樹脂如環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，和單官能檸檬油精氧化物與助熔樹脂一起混合配方。檸檬油精氧化物成分可以改變膏的粘性。在膏所壓入的孔的高寬比高的條件下而絲網印刷包括在製造過程中的情況下粘性的可選性非常有用。熔劑成分改善了顆粒之間和與絕緣板表面上導線間的冶金接合。
本發明規格的變化和處理方法靈活性變化示於圖3上，該表編輯了本發明的4種示例配方，標註為BiSn48,BiSn49,BiSn53,BiSn54的性能和特性與標準可商業購買的現有技術的典型配方標為AgCu01的比較。
本發明所有示例的和現有技術示例的電和機械性能，均採用行業內標準聯合測試技術確定，在技術文獻中已有介紹，「Development ofHigh Conductivity Lead(Pb)-Free Conducting Adhesives」,Kang等著，IEEE Transactions on Components,Packaging and ManufacturingTechnology,Part A,21卷，No.118-22頁在其20頁上。
參看圖3下列觀測是改進的。
BiSn49,BiSn53和BiSn54示例的電和機械性能值均高於商用示例AgCu01。當絕緣板相對地厚，例如厚約0.105英寸，具有的孔直徑為0.010英寸，所以高寬比為10或以上，對於孔被完全傳導填充，需要用示例的BiSn49和BiSn54配方。在加熱加壓下的層壓中可使用具有0.004英寸厚的膏塗覆層的底膜。當絕緣板相對薄，例如約0.024英寸厚，具有孔直徑為0.008英寸，所以高寬比為3，帶有中等流動特徵的膏配方如示例BiSn48所提供的最好。
圖3中列舉的樹脂％行適用的材料可從下面獲得環脂烴類環氧樹脂由Union Carbide Inc.提供，名稱(ERL-4221E)。
(+)檸檬油精氧化物(順式和反式的混合物)由Aldrich ChemicalCo.提供，名稱(21,832-4)含苯氧基樹脂為Paphen(TM)含苯氧基樹脂由Phenoxy SpecialtiesCo.提供，名稱PKHC(TM)(CAS)25068-38-6非清熔劑(No Clean Flux)由Qualitek International Inc.提供，名稱Qualitek#305flux。
已經介紹了傳導粘結劑技術，它包含組合的顆粒塗覆和媒介質配方，其在符合生產技術要求中具有靈活性。
權利要求
1．在電子裝置製造中，其中使用通過絕緣層的傳導通路與絕緣層至少一個表面上的至少一個電路節點焊盤接觸，並且通過將有懸浮於媒介質中的塗覆顆粒的粘結劑膏放入至少一個絕緣層中的至少一個通孔中而形成該傳導路徑，改進的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結劑膏，所述粘結劑膏具有微米直徑範圍隨機大小的顆粒，每一顆粒用低熔點溫度金屬塗覆，其懸浮於接粘度和低收縮性選擇的熱固性樹脂與助熔樹脂的混合物的媒介質中，將所述粘結劑膏引入所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中，以及，使在所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中的所述粘結劑膏的組合物經歷一個媒介質固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點溫度量級的加熱與加壓。
2．根據權利要求1的改進方法，其中所述的微米直徑範圍隨機大小的顆粒，其範圍為5-7微米，其材料選自組Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷。
3．根據權利要求1的改進方法，其中所述的低熔點溫度金屬為一種取自組In,Sn,In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg的材料。
4．根據權利要求1的改進方法，其中所述媒介質中的所述熱固性樹脂取自組環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，及單官能檸檬油精氧化物。
5．根據權利要求3的改進方法，其中所述媒介質中的所述熱固性樹脂取自組環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，及單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑。
6．根據權利要求1的改進方法，其中所述顆粒為Cu，所述低熔點溫度金屬為Bi-Sn，並且所述媒介質中的所述熱固性樹脂取自組環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，及單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑。
7．根據權利要求1的改進方法，其中所述顆粒為Cu，所述的低熔點溫度金屬為Bi-Sn，並且所述媒介質中的熱固性樹脂取自組環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物和一種熔劑。
8．在電子裝置製造中，其中使用通過絕緣層的傳導通路與絕緣層至少一個表面上的至少一個電路節點焊盤接觸，並且通過將有懸浮於媒介質中的塗覆顆粒的粘結劑膏放入至少一個絕緣層中的至少一個通孔中而形成該傳導路徑，改進的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結劑膏，所述粘結劑膏具有5-7微米直徑範圍隨機大小的Cu顆粒，每一顆粒塗覆BiSn，其懸浮於環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑的混合物的媒介質中，將所述粘結劑膏引入所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中，以及，使在所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中的所述粘結劑膏的組合物經歷一個媒介質固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點溫度量級的加熱與加壓。
9．在電子裝置製造中，其中使用通過絕緣層的傳導通路與絕緣層至少一個表面上的至少一個電路節點焊盤接觸，並且通過將有懸浮於媒介質中的塗覆顆粒的粘結劑膏放入至少一個絕緣層中的至少一個通孔中而形成該傳導路徑，改進的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結劑膏，所述粘結劑膏具有5-7微米直徑範圍隨機大小的Cu顆粒，每一顆粒塗覆BiSn，其懸浮於環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，和一種熔劑的混合物的媒介質中，將所述粘結劑膏引入所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中，以及，使在所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中的所述粘結劑膏的組合物經歷一個媒介質固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點溫度量級的加熱與加壓。
10．在電子裝置製造中，其中使用通過絕緣層的傳導通路與絕緣層至少一個表面上的至少一個電路節點焊盤接觸，並且通過將有懸浮於媒介質中的塗覆顆粒的粘結劑膏放入至少一個絕緣層中的至少一個通孔中而形成該傳導路徑，改進的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結劑膏，所述粘結劑膏具有5-7微米直徑範圍隨機大小的Cu顆粒，每一顆粒塗覆BiSn，其懸浮於環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑的混合物的媒介質中，將所述粘結劑膏引入所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中，以及，使在所述至少一個絕緣層中的所述至少一個通孔中的所述粘結劑膏的組合物經歷一個媒介質固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點溫度量級的加熱與加壓。
11．根據權利要求9的改進方法，其中所述環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物和熔劑的混合物按照比例環氧樹脂為86％，含苯氧基聚合物為10％，和熔劑為4％。
12．根據權利要求10的改進方法，其中所述環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和熔劑的混合物按照比例為環氧樹脂為43％，含苯氧基聚合物為10％，單官能檸檬油精氧化物43％，和熔劑4％。
13．根據權利要求10的改進方法，其中所述環脂烴類環氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和熔劑的混合物按照比例為環氧樹脂為4％，含苯氧基聚合物為4％，單官能檸檬油精氧化物88％，和熔劑4％。
全文摘要
提供一種具有更寬的特性可選範圍的電傳導粘結劑,其具有微米直徑範圍隨機大小的顆粒,以低熔點金屬塗覆。塗覆顆粒懸浮於由熱固性樹脂和助熔樹脂混合物的媒介質中,選擇其粘性和收縮性,絲網印刷性,電和機械性能適應廣泛範圍的特性條件。媒介質或樹脂系統包括熱固性環脂烴類環氧樹脂,熱固性含苯氧基聚合物,熱固性單官能檸檬油精氧化物。顆粒的低熔點塗覆系統包括In,Sn及合金如In－Sn,Sn－Pb,Bi－Sn,Bi－Sn－In和InAg。微米直徑範圍顆粒包括Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt,聚合物和陶瓷。
文檔編號H01B1/00GK1310219SQ0110289
公開日2001年8月29日 申請日期2001年2月22日 優先權日2000年2月24日
發明者傑弗裡·D·傑羅姆, 孫·K·剛, 康斯坦丁諾斯·帕帕託瑪斯, 桑帕斯·珀索塔曼 申請人:國際商業機器公司