CN104508757B - 用于制造电镀敷通孔的方法和相应的电路板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来制造在电路板中的镀敷通孔镀敷通孔的方法以及这种方式制造的电路板。

Description

用于制造电镀敷通孔的方法和相应的电路板
技术领域
本发明涉及一种用来制造在电路板中的镀敷通孔的方法以及以这种方式制造的电路板。
背景技术
陶瓷电路板必须经常是从两侧是可以电接触的并且使得通过电路板的镀敷通孔成为可能。这通常通过在电路板中设定的孔洞来进行，所述孔洞以导电金属填充。这种镀敷通孔或者通路（Vias）通常具有大约100到300μm的直径。
现在通常使用相对昂贵的银或者其他贵金属膏体作为导电材料，该贵金属膏体由一种或多种金属粉末、可能的重量的1-10%的粘合玻璃成分（例如PbO、B2O3、Bi2O3 或者SiO2），以及高沸点的有机物（包括如乙基纤维素或乙烯丁缩醛的粘合剂以及如松油醇 或者酯醇的溶剂）共同构成。当电路板的衬底材料由AlN构成时，能够使用ZnO、SiO2、CaO、TiO2和 B2O3作为粘合玻璃。
铜金属喷镀越来越多地用作导电材料，其中经常使用填充有具有大约在1到3μm直径的铜微粒和粘合玻璃成分的膏体用来填充通路。接着材料在650摄氏度到1200摄氏度的情况下在具有很低氧气成分（< 1-100 ppm）的氮气环境中燃烧。在使用铜膏体时产生了问题，即当铜膏体只由上述通常物质组成时，在燃烧时所述铜膏体严重收缩、破裂和/或从通路中再次跌落出来。然后在金属喷镀内或者在平面金属喷镀的连接区域中能够形成大的空洞和/或裂缝。在最糟糕的情况下，通路能够烧结成钉状并且跌落出孔洞。在形成裂缝或者空洞的情况下，镀敷通孔具有增加的电阻并且也不是密封的。
当要构造氧气敏感部分（例如电路（Si）、LED或OLED）时，相对周围环境的密封性是尤其重要的。向上地这些部件大多通过焊接或者粘合的盖子、透镜或者类似物得以保护。然而也不允许从下方空气或者湿气进入，所述空气和湿气尤其是通过密封不透的镀敷通孔的金属喷镀释放。
人们尝试通过添加粘合玻璃来消除在烧结时导电材料的收缩。尽管膏体中包含粘合玻璃，然而收缩的负面影响常常至少不能足够地避免。
在AlN-陶瓷时这种现象是特别有问题的，原因在于只有很少的原料不能让AlN在加热时分解。AlN只在特定的条件下亚稳定和分解形成最低能量的铝合物Al2O3。一些氧化物如同尤其经常使用的Bi2O3或者之前通常剧烈腐蚀AlN的PbO，根据以下反应方程式分解成铝氧化物、铅和氮气：
其他氧化物如同ZnO只缓慢的分解AlN并且因此更合适作为对陶瓷的金属喷镀的粘合剂。此外重要的是在AlN的情况下实现低的TCE(热膨胀系数)，由此粘合部不开裂。
传统的添加剂（如同铅氧化物或者铋氧化物）在此基于环境保护的原因或者与AlN反应过于剧烈而避免。由分解反应从AlN形成的氮气（参见上文）使得金属喷镀多孔并且膨大。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种可以制造镀敷通孔的方法，所述镀敷通孔安全地保持在电路板的孔洞中并且关于电流传导具有良好的特性。提供的方法应该尽可能基于通常的方法，以便于避免昂贵的设备改变。此外应该提供材料，所述材料使得在低消耗的情况下制造高质量的镀敷通孔成为可能。
该任务通过一种用于制造在电路板中的电镀敷通孔的方法以及具有金属喷镀的镀敷通孔的电路板的金属喷镀得以解决。所述方法包括混合膏体、引入所述膏体到电路板的孔洞中以及在热效应下硬化所述膏体，其中所述膏体包括至少一种导电材料和填充原料，其特征在于，所述填充原料在硬化时经历体积增长，使得在热效应时通过硬化来平衡导电材料的体积收缩，并且将能氮化的并且在氮化时经历体积增长的材料作为填充原料使用和/或所述填充原料包括粘土，所述粘土在热效应下膨胀并且因此在硬化时经历体积增长；所述电路板用所述方法制造，包括至少一种导电材料和填充原料，其特征在于，所述金属喷镀密封地封闭电路板中的孔洞。
相应地一种用于制造电镀敷通孔的方法，所述方法避免在燃烧时膏体的收缩或者基本上在任何情况下大大地减少膏体的收缩，该方法包括以下步骤：混合膏体、将膏体引入电路板的孔洞中并且在热效应下硬化膏体。该膏体在此包括至少一种导电材料和填充原料，其中在硬化时填充原料经历体积增长，使得导电材料体积的收缩通过热效应时硬化得以平衡。
本发明原则上适合所有材料的电路板，然而尤其优选地是由陶瓷，特别是基于AlN或者Al2O3的陶瓷。
优选地能够使用铜微粒，尤其是平均颗粒大小d50在1到10μm的铜微粒作为导电材料。但是其他的导体物质，尤其是通常的金属或者合金也能够使用于此目的。
根据本发明的填充原料能够例如是氮化物形式的物质，所述物质添加入膏体。在氮气环境中燃烧时，所述物质或者填充原料氮化并且通过氮化经历体积增长。该体积增长，例如通过烧结微粒，至少相当地再次平衡了传导物质体积减少。
这种氮化物形式的物质尤其能够是铝、钛、锆和/或这些物质的混合物。这些物质优选地以占混合物1%到10%的重量，优选地以占混合物的2%到5%的重量的数量添加用来制造膏体。
在硬化或者在热效应下经历体积增长的变化的另外的物质能够是膨胀的非金属，尤其是粘土。根据本发明优选的实施方式膨胀的非金属能够构成混合物的1%到10%之间的重量，优选地混合物的2%到5%之间的重量用来制造膏体。
膨胀的粘土包括例如膨润土或者蒙脱石，所述粘土此外有利地具有对AlN或Al2O3陶瓷的高亲合性。填充原料通常对于使用的陶瓷的亲合性完全值得期望的，以便于金属喷镀更安全的固定或者保证导电材料在电路板的孔洞中。关于本发明的亲合性如同下面理解：导电材料建立与陶瓷材料稳定连接的能力，所述连接在机械压力下不立即松开。“连接”的概念不仅仅理解为化学的连接，而是总的原料的坚固拼合。
每个所提到的物质或填充原料能够单独地或者与其他的结合来平衡导电材料体积的收缩。
所提到的、作为填充原料添加的金属示出了在氮化时同样如粘土一样的体积增长，所述体积增长平衡了导电材料，尤其是铜的收缩。
在金属喷镀和电路板衬底之间的粘合能够根据本发明优选的改进方案通过只缓慢地与衬底材料反应的氧化物而改善。如果衬底材料例如由AlN组成，能够使用ZnO, SiO2,CaO, TiO2 和 B2O3作为只与衬底材料缓慢反应的氧化物。此外CuCl也能够作为粘合增进物质添加，该物质在热效应时形成元素铜。
此外额外地还能够添加粘合玻璃。在Al2O3陶瓷衬底时优选使用含有Bi2O3粘合玻璃。该玻璃具有热膨胀系数（TCE），该热膨胀系数避免在硬化膏体时由压力造成的裂缝。替代地或者额外地也能够添加含ZnO的粘合玻璃。
在AlN陶瓷作为电路板衬底时，优选地添加含ZnO的粘合玻璃。含Bi2O3的粘合玻璃（如其优选地在含Al2O3的陶瓷衬底时使用）与此相反不是特别适用于AlN陶瓷，原因在于该玻璃糟糕地与AlN连接并且其拉应力能够导致AlN陶瓷中的裂缝。
金属喷镀的通常配方能够如下所示：
油、触变物: 占重量5-20 % , 优选地占重量 8-12 % ，
油、丝网印刷介质: 占重量5-20 % , 优选地占重量 8-12 % ，
导电材料: 占重量10-89 %, 优选地占重量 50-80 %，
填充原料，总共: 占重量2-25 % ，优选地占重量 4-15 % ，其中
氮化物形成的物质，分别: 占重量1-10 % , 优选地占重量 2-5 %，
膨胀的非金属,分别: 占重量1-10 %，优选地占重量 2-5 % ，
粘合增进物质，分别: 占重量 0.1-5 % 。
本发明接下来将根据示例更清楚解释。示例只用于解释本发明而不应视为以任何方式限制本发明。
具体实施方式
一种用于在AlN或者Al2O3陶瓷衬底中镀敷通孔的金属喷镀的膏体，根据以下的配方制造：
油 触变物 占重量10 %
油 丝网印刷介质 占重量10 %
铜粉末, d50 = 10 μm 占1-90 %, 优选地占重量 50 %
铜粉末, d50 = 1 μm 占0-50 %, 优选地占重量 12 %
铝粉末, d50 = 8 μm 占0.1-10 %, 优选地占重量 5 %
膨润土, d50 = 12 μm 占0.0-10 %, 优选地占重量 5 %
锌氧化物, d50 = 5 μm 占0.1-5 %, 优选地占重量 2 %
石英粉, d50 = 6 μm 占0.1-5 %, 优选地占重量 1.5 %
硼氧化物, d50 = 10 μm 占0.1-5 %, 优选地占重量 1.5 %
铜(I)氯化物, d50 = 5 μm 占0.1-5 %, 优选地占重量 3 %
膏体固定称重的组成成分以抹刀在槽中混合。接着添加进称重的油。能够优选地选出HERAEUS 212/thix作为触变的油，所述油以HERAEUS 213油液化。原料以抹刀粗略地混合并且然后两次缓慢地（大约1至2kg/min）流过三轮碾磨机（例如EXAKT或者类似）。
使用由AlN构成厚度为0.5mm的陶瓷衬底；要填充的通路具有0.15mm的直径。膏体填入筛网，该筛网具有直接在通路上的开口，就是说在烧结的陶瓷衬底中的将要填充的孔洞上的开口。然后塑料刀将膏体抹入通路中。通路能够在原始中冲孔或者燃烧地激光切割。低烧结的玻璃陶瓷衬底（大约900到930摄氏度）也能够还在玻璃化的状态中填充并且接着与填充的膏体陶瓷化。膏体组成成分的颗粒大小应该优选地不超过20 μm，因为否则的话所述颗粒堵塞通常的筛网并且能够具有不充分的反应。这些能够导致不期望的空洞生成或者导致附近的反应物太少。
为了引入膏体到陶瓷衬底的孔洞中优选丝网印刷法，原因在于经常借助于丝网印刷法进行电路板的印制并且因此这种施加形式是有效并简单来实现的。然而原则上其他方法也可能以膏体填充电路板的孔洞。
温度在800到1000摄氏度之间时进行燃烧，优选地在具有低的氧气颗粒压力的氮气环境中在900摄氏度时并且在之前提到的示例中在900摄氏度时进行10分钟的最大温度上进行；氧气颗粒压在上述示例中为10ppm。
结果示出了通路或者镀敷通孔很好填充，容易多孔，并且铜粘附在AlN陶瓷上。金属喷镀密封地闭合了电路板中的孔洞。根据DIN EN 1779:1999的氦-整体检查-泄漏试验结果是10-8 mbar/l*sec。
与之相比在ＡＩＮ衬底中没有聚合体仅具有铜（也就是没有铝和膨润土）的膏体填充在通路中并且燃烧。
金属喷镀示出了巨大的空洞并且在一些位置没有粘附在壁面上。电阻由于裂缝比上述的示例高30%，通路不是密封的（氦-泄漏试验>10-6 mbar/l*sec）。

Claims (15)

1.一种用于制造在电路板中的电镀敷通孔的方法，包括混合膏体、引入所述膏体到电路板的孔洞中以及在热效应下硬化所述膏体，其中所述膏体包括至少一种导电材料和填充原料，其特征在于，所述填充原料在硬化时经历体积增长，使得在热效应时通过硬化来平衡导电材料的体积收缩，并且将能氮化的并且在氮化时经历体积增长的材料作为填充原料使用和/或所述填充原料包括粘土，所述粘土在热效应下膨胀并且因此在硬化时经历体积增长。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用由陶瓷构成的电路板作为电路板。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用由基于AlN或者Al2O3的陶瓷构成的电路板作为电路板。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述填充原料构成膏体总质量的2%到25%的重量百分比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述填充原料构成膏体总质量的4%到15%的重量百分比。
6.根据权利要求1至3中任一项中所述的方法，其特征在于，所述填充原料包括铝和/或钛和/或锆。
7.根据权利要求1至3中任一项中所述的方法，其特征在于，选择粘土使得所述粘土具有对电路板的陶瓷的亲合性。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述粘土包括膨润土和/或蒙脱石。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，添加粘合增进物质，所述粘合增进物质使得膏体或金属喷镀对于电路板衬底的亲合性更佳。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用与衬底材料缓慢反应的氧化物作为粘合增进物质。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用ZnO, SiO2, CaO, TiO2 和 B2O3作为粘合增进物质。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，CuCl作为粘合增进物质添加，所述CuCl在热效应下形成元素铜。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述膏体借助于丝网印刷法施加。
14.具有金属喷镀的电镀敷通孔的电路板，该电镀敷通孔根据权利要求1至13中任一项所述的方法制造，包括至少一种导电材料和填充原料，其特征在于，所述金属喷镀密封地封闭电路板中的孔洞。
15.根据权利要求14所述的电路板，其特征在于，根据DIN EN 1779:1999的氦-整体检查-泄漏试验对于镀敷通孔得出小于10-7 mbar/l*sec的值。
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