CN1310219A - 用于通孔填充的电传导粘结剂 - Google Patents
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Abstract
提供一种具有更宽的特性可选范围的电传导粘结剂,其具有微米直径范围随机大小的颗粒,以低熔点金属涂覆。涂覆颗粒悬浮于由热固性树脂和助熔树脂混合物的媒介质中,选择其粘性和收缩性,丝网印刷性,电和机械性能适应广泛范围的特性条件。媒介质或树脂系统包括热固性环脂烃类环氧树脂,热固性含苯氧基聚合物,热固性单官能柠檬油精氧化物。颗粒的低熔点涂覆系统包括In,Sn及合金如In－Sn,Sn－Pb,Bi－Sn,Bi－Sn－In和InAg。微米直径范围颗粒包括Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt,聚合物和陶瓷。
Description
本发明所涉领域为装在绝缘支撑底板，如印刷电路板上的电路电子装置的制造，特别涉及提供较宽规格范围的传导组合物，其填充到通过绝缘底板的孔中，用作底板材料各侧电路间的相互连接。
电子组装小型化和成本控制的需要不断增加。目标是在低成本下获得更高的密集度，更细小的间距和更高的功能。在往绝缘底板上装设电路时用于通过绝缘底板的互连或通孔，本领域的标准是采用镀覆孔。不过在这种工艺状态下，镀覆孔技术遇到了成本压力和电路组装更密集或更紧密的限制。
镀覆孔或通孔制造中包含的操作很昂贵，而且不容易适应未来焊点密集度的要求。目前镀覆孔技术接近极限约为每平方厘米20个焊点或电路节点。技术上的需要表明或许要求许多倍的密集度。
在本领域中符合密集度，间距，功能和成本目标的努力已经导致出称为“组合多层”的技术，其电路包含一系列重叠分层的箔和绝缘板，采用细间距孔用导电膏填充以相互联结。此技术在文献中已有广泛的讨论，其中一例为R.Lasky,Electronic Packaging andProduction,1998年4月，75-78页。还有许多变化种类。一般此技术能提供每平方厘米大于100个焊点的密集度。
组合多层电路技术需要一种电传导膏，用它充填许多小孔或通孔。这种膏在本领域中还称作粘结剂。电传导膏必须在被使用的地方与其制造和运行要求保持热兼容和可靠性兼容。这种膏一般有金属颗粒悬浮于媒介质中，其在本领域中公知的术语是树脂，它能被压入通过绝缘板的通孔中，并且当经历固化期时媒介质固化金属颗粒互相接触，在绝缘板每侧表面上导体之间通过通孔形成电通路。
一种该类膏在美国专利5,652,042中已有描述，其中金属颗粒如铜悬浮于环氧树脂媒介质中。膏用刮板或刮刀填入通孔中。有加热和加压周期硬化媒介质。相互接触的金属颗粒提供了电的相互连接。
导电膏技术的进一步工作包括将银粉引入到媒介质中，用低熔点金属涂覆金属颗粒以产生金属颗粒的冶金接合，以及使用能丝网印刷的银，铜和环氧树脂膏。剩下的问题是诸如在状态变化时媒介质收缩，以及腐蚀与金属，特别是纯银和铜的电迁移性能这类工艺特性。
在1998年7月7日提出的专利申请系列号09/111,155和1998年5月13日提出的系列号09/078,043中，介绍了一种技术，它提供和使用一种涂覆合金金属颗粒，其拓宽了冶金接合形成范围，从而使冶金接合不仅在颗粒之间而且还在导电盘之间形成。
随着本领域技术的进步，技术规格变得更严格，工艺窗口变得更狭窄，所以金属颗粒和媒介质组成的性能及选择的更宽范围的需求将不断增长。
本发明提供性能具有更广泛选择范围的电传导粘结剂，它具有微米直径范围随机大小颗粒如Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷，每个颗粒都用低熔点金属涂覆，涂覆颗粒悬浮在热固性树脂和助熔树脂混合物的媒介质中，选择其具有粘性和低收缩性，丝网印刷性，电和机械性能均适应广泛范围的特性条件。媒介质或树脂体系包括热固性环脂烃类环氧树脂，热固性含苯氧基聚合物，热固性单官能柠檬油精氧化物和熔剂。颗粒的低熔点涂覆体系包括In,Sn,及合金如In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg。
图1为微米直径范围随机大小单个涂覆颗粒截面描述图。
图2为涂覆颗粒相互之间和颗粒与导线相互之间切向接触面冶金接合的截面描述图。
图3为汇辑的本发明示例配方性能和特性与现有技术商用典型配方的比较。
提供一种改进的电传导粘结剂，它能够压进电路组成部分的绝缘层通孔中，固化后将在绝缘层表面与冶金接合至表面上导电元件之间有一个冶金传导通路。粘结剂是以膏状压入到伸入绝缘层的孔中。它在包含加热和加压的固化周期中固化。
本发明的电传导粘结剂采用微米直径范围随机大小的颗粒如Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷，每一颗粒用低熔点金属涂覆。固化周期中的加热为涂覆金属的熔化温度量级。在加热和加压固化周期中颗粒连结，其切向表面接触，以形成熔合或扩散的冶金接合。被涂覆的颗粒悬浮在物理性粘合物或媒介质中，粘合物或媒介质是热固性树脂和助熔树脂的混合物，其选择为使得粘合物或媒介质和颗粒的组合物在固化前具有低的和可选的粘性，在整个固化期和使用期具有低收缩性。粘合物或媒介质是树脂体系，包括热固性环脂烃类环氧树脂，熔剂，热固性含苯氧基聚合物，以及还可以包括热固性单官能柠檬油精氧化物。颗粒的低熔点涂覆体系包括In,Sn,In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg。本发明的电传导粘结剂在很宽的规格范围上改进了电和机械性能，改进了对于丝网印刷这样的操作在预固化状态的粘性。
作为示例本发明用BiSn为低熔点涂覆层，以Cu作为随机微米范围颗粒进行阐述。BiSn合金镀在约5-7微米直径范围Cu颗粒上。镀覆可在与球磨型操作相联系的电镀槽中完成，在专利申请系列号申报(IBM Docket YO997-089)和申请系列号申报(IBM Docket YO998-196)中作了介绍。在图1中描述了结果颗粒。参看图1，所示为5-7微米范围的Cu颗粒1具有涂覆表面2，以BiSn低熔点合金涂覆。按照本发明低熔点合金涂覆层2带来许多适应技术特性的优点。考虑到常规焊料涂层熔化温度约215℃，BiSn共晶合金提供了140℃较低的熔化温度，而且通过改变两种合金成分比例可以选择上述熔化温度值，因此提供了符合新的工艺窗口规范的能力。BiSn合金涂覆层2还能使Cu颗粒抗腐蚀。
一定数量被BiSn涂覆的Cu颗粒的粉末放进媒介质或树脂体系中形成膏，被压进通过绝缘电路底板的通孔如图2所示，参考图2的截面图，其描绘绝缘板5表面4下的孔3，示意出每个颗粒上的涂覆层2与相邻颗粒每一切向接触和与表面4上的导体7接触形成熔合的冶金接合6。冶金接合在加热和加压固化周期下可以是固态接合也可以是液态一固态接合。适宜的加热周期是150℃,30分钟。适宜的加压周期为500磅每平方英寸，其在加热周期的持续时间内。
媒介质或树脂体系不用溶剂，由热固性树脂如环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，和单官能柠檬油精氧化物与助熔树脂一起混合配方。柠檬油精氧化物成分可以改变膏的粘性。在膏所压入的孔的高宽比高的条件下而丝网印刷包括在制造过程中的情况下粘性的可选性非常有用。熔剂成分改善了颗粒之间和与绝缘板表面上导线间的冶金接合。
本发明规格的变化和处理方法灵活性变化示于图3上，该表编辑了本发明的4种示例配方，标注为BiSn48,BiSn49,BiSn53,BiSn54的性能和特性与标准可商业购买的现有技术的典型配方标为AgCu01的比较。
本发明所有示例的和现有技术示例的电和机械性能，均采用行业内标准联合测试技术确定，在技术文献中已有介绍，“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页在其20页上。
参看图3下列观测是改进的。
BiSn49,BiSn53和BiSn54示例的电和机械性能值均高于商用示例AgCu01。当绝缘板相对地厚，例如厚约0.105英寸，具有的孔直径为0.010英寸，所以高宽比为10或以上，对于孔被完全传导填充，需要用示例的BiSn49和BiSn54配方。在加热加压下的层压中可使用具有0.004英寸厚的膏涂覆层的底膜。当绝缘板相对薄，例如约0.024英寸厚，具有孔直径为0.008英寸，所以高宽比为3，带有中等流动特征的膏配方如示例BiSn48所提供的最好。
图3中列举的树脂％行适用的材料可从下面获得：
环脂烃类环氧树脂由Union Carbide Inc.提供，名称(ERL-4221E)。
(+)柠檬油精氧化物(顺式和反式的混合物)由Aldrich ChemicalCo.提供，名称(21,832-4)
含苯氧基树脂为Paphen(TM)含苯氧基树脂由Phenoxy SpecialtiesCo.提供，名称PKHC(TM)(CAS)25068-38-6
非清熔剂(No Clean Flux)由Qualitek International Inc.提供，名称Qualitek#305flux。
已经介绍了传导粘结剂技术，它包含组合的颗粒涂覆和媒介质配方，其在符合生产技术要求中具有灵活性。
Claims (13)
1．在电子装置制造中，其中使用通过绝缘层的传导通路与绝缘层至少一个表面上的至少一个电路节点焊盘接触，并且通过将有悬浮于媒介质中的涂覆颗粒的粘结剂膏放入至少一个绝缘层中的至少一个通孔中而形成该传导路径，
改进的方法包含系列步骤组合如下：
提供一种粘结剂膏，
所述粘结剂膏具有微米直径范围随机大小的颗粒，每一颗粒用低熔点温度金属涂覆，其悬浮于接粘度和低收缩性选择的热固性树脂与助熔树脂的混合物的媒介质中，
将所述粘结剂膏引入所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中，以及，
使在所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中的所述粘结剂膏的组合物经历一个媒介质固化周期，其包括所述金属的所述低熔点温度量级的加热与加压。
2．根据权利要求1的改进方法，其中所述的微米直径范围随机大小的颗粒，其范围为5-7微米，其材料选自组Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷。
3．根据权利要求1的改进方法，其中所述的低熔点温度金属为一种取自组In,Sn,In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg的材料。
4．根据权利要求1的改进方法，其中所述媒介质中的所述热固性树脂取自组环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，及单官能柠檬油精氧化物。
5．根据权利要求3的改进方法，其中所述媒介质中的所述热固性树脂取自组环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，及单官能柠檬油精氧化物和一种熔剂。
6．根据权利要求1的改进方法，其中所述颗粒为Cu，所述低熔点温度金属为Bi-Sn，并且所述媒介质中的所述热固性树脂取自组环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，及单官能柠檬油精氧化物和一种熔剂。
7．根据权利要求1的改进方法，其中所述颗粒为Cu，所述的低熔点温度金属为Bi-Sn，并且所述媒介质中的热固性树脂取自组环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物和一种熔剂。
8．在电子装置制造中，其中使用通过绝缘层的传导通路与绝缘层至少一个表面上的至少一个电路节点焊盘接触，并且通过将有悬浮于媒介质中的涂覆颗粒的粘结剂膏放入至少一个绝缘层中的至少一个通孔中而形成该传导路径，
改进的方法包含系列步骤组合如下：
提供一种粘结剂膏，
所述粘结剂膏具有5-7微米直径范围随机大小的Cu颗粒，每一颗粒涂覆BiSn，其悬浮于环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，单官能柠檬油精氧化物和一种熔剂的混合物的媒介质中，
将所述粘结剂膏引入所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中，以及，
使在所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中的所述粘结剂膏的组合物经历一个媒介质固化周期，其包括所述金属的所述低熔点温度量级的加热与加压。
9．在电子装置制造中，其中使用通过绝缘层的传导通路与绝缘层至少一个表面上的至少一个电路节点焊盘接触，并且通过将有悬浮于媒介质中的涂覆颗粒的粘结剂膏放入至少一个绝缘层中的至少一个通孔中而形成该传导路径，
改进的方法包含系列步骤组合如下：
提供一种粘结剂膏，
所述粘结剂膏具有5-7微米直径范围随机大小的Cu颗粒，每一颗粒涂覆BiSn，其悬浮于环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，和一种熔剂的混合物的媒介质中，
将所述粘结剂膏引入所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中，以及，
使在所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中的所述粘结剂膏的组合物经历一个媒介质固化周期，其包括所述金属的所述低熔点温度量级的加热与加压。
10．在电子装置制造中，其中使用通过绝缘层的传导通路与绝缘层至少一个表面上的至少一个电路节点焊盘接触，并且通过将有悬浮于媒介质中的涂覆颗粒的粘结剂膏放入至少一个绝缘层中的至少一个通孔中而形成该传导路径，
改进的方法包含系列步骤组合如下：
提供一种粘结剂膏，
所述粘结剂膏具有5-7微米直径范围随机大小的Cu颗粒，每一颗粒涂覆BiSn，其悬浮于环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，单官能柠檬油精氧化物和一种熔剂的混合物的媒介质中，
将所述粘结剂膏引入所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中，以及，
使在所述至少一个绝缘层中的所述至少一个通孔中的所述粘结剂膏的组合物经历一个媒介质固化周期，其包括所述金属的所述低熔点温度量级的加热与加压。
11．根据权利要求9的改进方法，其中所述环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物和熔剂的混合物按照比例环氧树脂为86％，含苯氧基聚合物为10％，和熔剂为4％。
12．根据权利要求10的改进方法，其中所述环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，单官能柠檬油精氧化物和熔剂的混合物按照比例为环氧树脂为43％，含苯氧基聚合物为10％，单官能柠檬油精氧化物43％，和熔剂4％。
13．根据权利要求10的改进方法，其中所述环脂烃类环氧树脂，含苯氧基聚合物，单官能柠檬油精氧化物和熔剂的混合物按照比例为环氧树脂为4％，含苯氧基聚合物为4％，单官能柠檬油精氧化物88％，和熔剂4％。
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