CZ304297A3

CZ304297A3 - Systém a způsob výroby elektricky vodivých spojovacích struktůr, jakož i způsob výroby zapojení a osazených zapojení

Info

Publication number: CZ304297A3
Application number: CZ973042A
Authority: CZ
Inventors: Michael K. Läntzsch; Helmfried Netzmann
Original assignee: Litton Precision Products International, Inc.
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1998-05-13
Also published as: DK0818061T3; DE19511553C2; DE19511553A1; EP0818061A1; AU5497596A; EP0818061B1; PL322356A1; DE59606254D1; PL181590B1; ATE198388T1; WO1996030966A1

Description

Systém a způsob výroby elektricky vodivých spojovacích struktur, jakož i způsob výroby zapojeníerh a osazených zapoj eníoii.

Vynález se týká systému výroby elektricky vodivých spoj ovacích struktůr, způsobu výroby elektricky vodivých spojovacích struktůr, způsobu výroby zapojeníeh a osazených zapojeníah, jakož i podle tohoto způsobu vyrobených zapojeníeh a osazených zapojeníefe.

posayadní_stay_technik2·.

Při výrobě elektronických konstrukčních skupin je zpravidla nutné, spojit mechanicky a elektricky kovové povrchy s kovovými přípojnými prvky· K tomuto účelu se obvykle používají desky s plošnými spoji, vyrobené galvanickým způsobem, přičemž zhotovení vodivých drah se provádí buď aditivní technikou nebo subtraktivní technologii leptáním· Tyto známé způsoby obsahují v sobě’ však nebezpečí znečištění způsobené okolním světem a nutnost recyklace přitom použitých galvanických kapalin^ Takto zhotovené desky s vodivými plošnými spoji slouží j^&X° nosiče pro konstrukční elektronické prvky, které se prostřednictvím desky s vodivými spoji navzájem spolu spojí. K tomuto účelu se také v nepatrném rozsahu používají elektricky vodivá lepidla, která v opaku k pájení na měkko poskytují možnost pracovat s nízkými teplotami. U obvyklých vodivých lepidel se jedná bu& o fyzikální směsi z elektricky vodivých matariálů, jako kovových prášků a polymerových pryskyřic jako pojivá, nebo sestávají z elektricky vodivých umělých hmot. Vodivost takovýchto systémů se realizuje vzájemným kovovým dotekem vodivých materiálů v organickém pojivu.

Aby se dodahlo dobré přilnavosti na substrát, je u takovýchto elektricky vodivých lepidel žádoucí vysoký podíl plymerových pryskyřic. Naproti tomu pro dobrou elektrickou vodivost je žádoucí vysoký podíl' vo divých materiálů . Přilnavost na substrát a elektrická vodivost jsou tedy navzájem v protikladu pokud se týpožadavků na vlastnosti lepidla. ^akto zhotovené spo jovací struktury mají například ten nedostatek, že je nelze pájet. Tyto a další technické nedostatky zabrá nily dosud použití vodivých lepidel ve velkém rozsahu.

Jsou rovněž známa elektricky vodivá lepidla, u u kterých se dosáhne vodivosti metalurgickou reakcí různých kovů při současném tvoření intermetalických spojení. Také přitom je nutné, přimísit polymerové pojivo, takže se vyskytují stejné problémy, jako u lepidel, s elektricky vodivými materiály.

Úkolem vynálezu je navrhnout systém a způsob výro vy elektricky vodivých spojovacích struktůr, jakož i způsob výroby zapojeních a osazených zapojeních s použitím tohoto systému, u kterých budou odstraněny nedostky známého stavu techniky a zejména se dosáhne výborné přilnavosti na nosič, dobré elektrické vo • · » ·

I divosti a možnosti pájení obdržených spojovacích struktur a zapojení.

V V Z

Tento úkol St/jbodle vynálezu systémem pro výrobu elektricky vodivých spojovacích struktur , obsahujících lepící materiál a nejméně dva kovové prážky s rozdílnými body tavení a elektricky vodivou kovovou pastu, obsahující nepatrné množství organických pomocných hmot, přičemž kovové prážky jsou zvoleny tak, že při ohřívání tvoří intermetalickou fázi a přičemž organické pomocné hmoty-při j teplotě použité pro tvoření interme talické fáze^s/£ velké části vyprchají.*

Způsob výroby elektricky vodivých spojovacích struktůr se podle vynálezu řeší tak, že se použije systém, obsahující tři kroky a sice; nejprve se nanese lepící materiál na nosič, potom se nanese kovová pasta na takto upravený lepící materiál a ohřátím kovové pasty na ' takovou teplotu, při které tvoří kovové pásky in termetalickou fázi.

Způsob výroby zapojeních se podle vynálezu řeší tak, že se nejdříve nanese lepicí materiál ve tvaru schéma zapojení na nosič, na takto upravený lepicí materiál se nanese lepicí pasta a potom se ohřívá pasta při teplotě, při které kovový prášek tvoří intermetalickou fázi.

Z pů s oirý 5 §Sž en éh o zapojení zatpej-errí se podle vy nálezu řeší tak, že se nejprve nanese na nosič lepicí materiál ve tvaru schéma zapojení, na takto upravený lepicí materiál se nanese kovová pasta, na to takto upravené schéma zapojení, opatřené lepicím materiálem a kovovou pastou, osadí elektrickými nebo elektrnnic kými konstrukčními prvky a ohříváním kovové 'pasty• · • · · · • · t

se vytvoří z kovových prášků kovové pasty intermetalická fáze.

Další výhodná provedení vynálezu jsou obsažena v podružných nárocích.

Předmětem vynálezu tudíž je systém pro výrobu elektricky vodivých spojovacích struktůr, zahrnující A) lepicí materiál a B) nejméně dva kovové prášky s rozdílnými body tavení a elektricky vodivou kovovou pastu obsahující nepatrné množství organických pomocných hmot, přičemž kovnvé prášky jsou zvoleny tak, že při ohřívání vytvářejí intermetalickou fázi a přičemž organické pomocné hmoty při teplotě, používané pro tvoření intermetalické fáze z největší části vyprchají.

Předmětem vynálezu je dále způsoljvýroby elektricky vodivých spojovacích struktůr s použitím systému podle vynálezu, obsahující následující kroky:

(1) nanesení lepicího materiálu na nosič: (2) nanesení kovové pasty na takto upravený lepicí m&teriál: (3) ohřívání kovové pasty při teplotě, při které tvoří kovové prášky intermetalickou fázi.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob výroby zapojení s použitím systému podle vynálezu, obsahující kroky: (1) nanesení lepicího materiálu ve tvaru schéma zapojení na nosič: (2) nanesený kovové pasty na takto upravený lepicí materiál a (3) ohřívání kovové pasty při teplotě, při které kovové prášky tvoří inter metalickou fázi.

Předmětem vynálezu je dále způsob výroby osazeného zapojení s použitím systému podle vynálezu, obsahující kroky: (1) nanesení lepicího materiálu ve tvaru schéma zapojení na nosič: (2) nanesení kovové pasty • · • ·

I na takto upravený lepicí materiál: (Dosazení lepícím materiálem a kovovou pastou opatřené schéma zapojení elektrickými nebo elektronickými konstrukčními prvky, a ohřívání kovové pasty při teplotě, při které se tvoří intermetalická fáze.

Předmětem vynálezu jsou dále podle shora uvedeného způsobu zhotovená zapojení a osazená zapojení.

Proti dosud používaným technikám bylo vynálezem zjištěno, že pro výrobu elektricky vodivých spojová cích strukíůr se mohou použít takové elektricky vodi vé kovové pasty, které obsahují jen nepatrné množství organických pomocných hmot, u kterých kovové prášky jsou zvoleny tak, že při ohřívání tvoří intermetalickou fázi. Jinak samo o sobě nedostatečné přilnutí takovýchto kovovýchTpast na substrátech, příp. nosiči se za jistí lepicícm materiálem, který se předem nanese na substrát příp. nosič.

U lepicícho materiálu může se jednat o anorganický nebo organický materiál. Anorganická nebo organic ká lepidla jsou odborníkovi známa, a mohou se jím zvolit podle účelu použití nebo v závislosti na použi tých materiálech nosiče. Anorganická lepidla jsou převážně na bázi nerostů, jako například křemíku. Hydraulicky vytvrditelné organické materiály se mohou také použít. Jako lepidla na organické bázi jsou vhodné například termoplastické pryskyřice, zejména takové s vyššími body měknutí a tání. Jako zejména vhodné se ukázaly vytvrditelné organické pryskyřice, které se mohou vytvrdit termicky nebo ozařováním.

Lepicí materiál neobsahuje normálně žádné kovové • · · · · · ··· · ··· · ····· · ·· ······ · · *A ·· ·

I částice a není elektricky vodivý. Jeho úkolem je vytvořit pevně držící, teplotně stabilní spojení s nosičem a přilnutí druhé složky, totiž elektricky vodivé kovové pasty. Jako lepicí materiál mohou se zejména použít jedno nebo dvousložková lepidla na bázi epoxidové pryskyřice, polyurethanové pryskyřice, melamin-formaldehydové pryskyřice. Zejména výhodná jsou lepidla ' dvousložková na bázi epoxidové pryskyřice. Volba toho kterého lepidla se řídí podle vlastností přilnavosti použitých nosičů,jako například nosičů zapojeních apřitom případně potřebné pružnostiΓ

Podle vynálezu použitá kovová pasta obsahuje nejméně jeden prážek kovu o dobrý elektrické vodivosti, vý hodně ze skupiny zlato, stříbro, mě$ a jejich slitiny a nejméně jeden prášek s nižším bodem tavení nežli kovu s dobrou elektrickou vodivostí, například ze skupiny cín,indium a jejich slitiny, výhodně jejich slitiny například s olovem a/nebo antimonem, a/nebo zinkem, jako cín-olovo, cín-antimon, nebo cín-antimon-olovo. Podle vynálezu je nutné, aby u kovových prášků s rozdílnými body tavení proběhly při ohřátí metalurgické reakce se současným tvořením intermetalické fáze. Přídavné kovové prášky ze skupiny nikl, germanium, titan, železo, ale i jiné legující součásti, tak zvané zjemňující kovové prášky, mohou se přitom použít pro dosažení zvláštních vlastností. Zejména výhodná je kovová pasta, která obsahuje směs z mědě ného prášku a z prášku vytvořeného ze slitiny 62 váh.

% cínu, 36 váh. % olova, 2 váh. % stříbra, ve váhovém poměru přibližně od 4 : 1 až k přibližně 1 : 1.

Kovové prášky kovové pasty mají střední velikost částic přibližně 1 až ICOyum, výhodně 10 až 50 ýLim,případně 20 až 30 jum.

• · ···· · · · · · · · • · · · · · ··· · ··· · «··*«· ·· · · ·· ·

I

Ί •L.

°bsa Kovových prášků v kovové pastě měl by být co nejvyšší a je podle vynálezu nejméně 85 váh.%, případně nejméně 90 váh.%. Při obsahu kovového prásku nad 95 váh.% mohou vzniknout při zpracováné kovové pasty potíže.

Jako organické pomocné hmoty u kovové pasty mo hou se například použít prchavé organické sloučeniny, jako rozpouštědla, například diolefin, glykoly, gly kolether,, aester kyseliny dikarbonové, desoxidující pomocné hmoty, substance aktivující kovové prášky»jako kyselina karbonová a aminy, přísady, regulující přilnavost jako řetězcovité amidy kyseliny,nebo parafiny.Výhodné jsou aminové slouženiny, které při zvolené te plotě metalugické reakce vyprehají. Dále mohoubýt ob saženy koaktivátory se skupiny neprchavých kyselin karbonových a aminů, jakož i sloučeniny odštěpující při teplotě použité pro tvoření intermetalické fáze, halogeny. Výběr těchto organických pomocných hmot se řídí například podle metody nanášení kovové pasty. Dále se může přidat do kovových past nepatrné množství zahuštovacích prostředků, přírodní pryskyřice, jako ka lafuna a deriváty kalafuny. Vhodná kovová pasta podle vynálezu sestává například přibližně z 90 váh.%1kovových prášků a přibližně 10 váh.% organických pomoc ných hmot.

Způsob výroby elektricky vodivých spojovacích struktůr podle vynálezu sestává z nanášení lepicího ma teriálu na nosič, nanesení kovové pasty na takto upravený lepící materiál a ohřívání kovové pasty při teplotě, při které tvoří kovový prášky intermetalickou fázi.

• · * · • · · · • · · • · · · · ·

Výhodně se lepicí materiál, před nanesením kovové pasty podrobí tepelnému zpracování, které však musí být tak dimenzováno, že přitom nedochází k vytvrzení nebo k úplnému vytvrzení lepicího materiálu. Proto je účelné vystavit lepicí materiál nejprve po přiměřenou do pů sobení teploty okolí, aby se případná rozpouštědla odpařila. Potom se provede teplené zpracování například při 80 °C po dobu 20 minut při laboratorních pod mínkách. Přitom se obdrží suchý, dobře opracovatelný povrch lepicího materiálu.

V příštím kroku se na vysušený povrch lepicího ma teriálu nanese vpředu popsaná kovová pasta. Nanášení lepicího materiálu a kovové pasty se může provésti dispergačním prostředkem, sítovým nebo jiným odborníkovi známým tiskovým způsobem.

Pro vytvoření elektricky vodivé spojovací struk tůry; jako zapojení, se kovová pasta ohřeje. Přitom se téměř úplně odstraní odpařením organické pomocné hmoty a kovové částice se navzájem spolu spojí pájením na měkko, přitom se vytvoří intermetalická fáze. Protože organické pomocné hmoty jsou při kterékoliv pracovní teplotě prchavé, nezůstanou žádné rušivé zbytky. Přilnavost kovových past na nekovových substrátech se za jistí předem naneseným lepicím materiálem, který má vhodné složení pro příslušný rozsah použití, případně teploty ohřevu. Při tepelném opracování je třeba dbát na to, aby kovové prášky netvořily taveniny, nebot by se jinak v důsledku povrchových pnutí taveniny tvořily kovové kuličky.

Tepelné opracování pro výrobu elektricky vodi vých spojovacích struktůr případně pro výrobu zapojeních a osazených zapojeních se provésti v zařízeních

• · · · · · • ·

I známých z pájecí tehhniky. Například je vhodná tak zvaná Reflowa pec, přičemž tepelné opracování se výhodně provádí v dusíkové atmosféře^Přitom je možné, zanésti do plynové atmosféry pro kovové prášky, zejména kyselinu mravenčí. Aktivátory mohou také již být obsaženy v kovové pastě, jak bylo již shora naznačeno.

Jako výsledek způosbu podle vynálezu se dostane vrstvenná konstrukce, která nyní sestává z úplně vy tvrzeného lepicícho materiálu a na něm se nadházející kovové vrstvy, která je dalekosáhle zbavena organických příměsí. Zvláštní přednost vrstvenné konstrukce spočívá v možnosti pájení kovové vrstvy.V současné době nejsou spojovací struktůry, vyrobené pomocí známých vodivých lepidel, sestávající ze směsi kovu a polymerového po jiva a nacházející se právě na trzích a v popsané formě, zpravidla neschopny pájení.

Tvořením intermetalické fáze podle vynálezu je zvýšena nová teplota tavení kovů, takže vysoká teplota tavení umožňuje následné pájení. Podle vynálezu je výroba elektricky vodivých spojovacích struktůr, jako zapojeních, možná na izolačním nosném materiálu jako substrátu všech druhů nosičů, například desek s vodivými spoji a pružných desek s vodivými spoji, Bez potíží se mohou použít hliníkové desky eloxované, nebo kera mické desky oxidu hliníku. Odborník může přitom přizpůsobit lepicí materiály příp. přilnavé systémy těm kterým nosným materiálům. Vhodnou volbou metalurgických složek dají se zhotovit jak ploché, tak i třírozměrné elektricky vodivé struktůry, které se mohou dále opracovávat a vytvářet v konstrukční skupiny spojovacími výrobními operacemi, jako například pájením.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Systém pro výrobu elektricky vodivých spojovacích struktur, vyznačující se tím, use obsahuje lepicí materiál a nejméně dva kovové prásky s rozdílnými body tavení a elektricky vodivou kovovou pastu s nepa trným množstvím organických pomocných hmot, přičemž kovové prášky jsou zvoleny tak, že při ohřívání tvoří intermetalickou fázi a přičemž organické pomocné hmoty při teplotě, použité pro tvoření intermetalické fáze z největší části vyprchají.
2. Sysém podle nároku 1, vyznačující se tím, že lepicí materiál je anorganický materiál.
3. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že lepicí materiál je organický materiál.
4. Systém podle nároku 3, vyznačující se tím,že organický materiál je termoplastická pryskyřice.
5. Systém podle nároku 3, vyznačující se tím, že organický materiál je organická vytvrditelná prysky řiče.
6. Systém podle nároku 5, vyznačující se tím,že • · • · • · · ·

I • · · · · · vytvrditelá pryskyřice je jedno-nebo dvousložkové le pidlona bázi epoxidové pryskyřice.
7. Systém podle některého z předcházejících ná roků 1 až 6, vyznačující se tím, že že kovová pasta obsahuje nejméně jeden kovový prášek o dobré elektrické vodivosti a nejméně jeden kovový prášek kovu s nižším bodem tavení,nežli prášek kovu o dobré elektrické vodivosti.
8. Systém podle nároku I, vyznačující se tím, Že kov o dobré elektrické vodivosti je ze skupiny zlato, stříbro, měd a z jejich slitin.
9. Systém podle nároku 7 a/nebo 8, vyznačující se tím, že kov s nižším bodem tavení je ze skupiny cín, indium a jejich slitiny, výhodně z jejich slitin s olovem, a/nebo antimonem a/nebo zinkem.
10. Systém podle některého z předcházejících nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že kovová pasta je směs z měděného prášku a prášku ze slitiny tvořené 62 díly cínu, 36 díly olova, 2 díly stříbra ve váhovém poměru přibližně 4:1 až přibližně 1 : 1.
11. Systém podle některého z předcházejících nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že kovové prášky mají střední velikost částic přibližně 1 až 100jpam, výhodně 10 až 50 dále výhodně asi 20 až 30 ^m.

• · ····· · · .· ······ ·· ♦ ♦ ·· ·

I
12. Systém podle některého z předcházejících nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že obsah kovových prá šků v kovové pastě je nejméně 85 váh.%, výhodně nejméně přibližně 9θ váh.%.
13. Systém podle některého z předcházejících ná roků 1 až 12, vyznačující sd tím, že organické pomocné hmoty kovové pasty sestávají z přísad prchavých orga nických sloučenin, desoxidujících pomocných hmot, z látek aktivujících kovové prášky a z přísad regulujících přilnavost.
14. Způsob výroby elektricky vodivých spojovacích struktůr s použitím systému podle nejméně jednoho z předcházejících nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že sestává z výrobních kroků, obsahujících nanášení lepicícho materiálu na nosič, nanášení kovové pasty na takto uspořádány lepicí materiál, a z ořhívání kovové pasty při teplotě, při které tvoří kovové prášky intermetalickou fázi.
15. Způsob výroby zapojení s použitím systému podle nejméně jednoho z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že sestává z výrobních kroků nanášení lepicího materiálu ve tvaru schéma zapojení na nosič, nanášení kovové pasty na takto uspořádaný lepicí materiál a ohřívání kovové pasty při teplotě, při které kovové práš ky tvoří intermetalickou fázi.

• ·

I se tím, že je zhotove
16. Zapojení, vyznačující no způsobem podle nároku 15.
17. Způsob výroby osazeného zapojení s použitím systému podle nejméně jednoho z nároků 1 až 15, vyznaču jící se tím, že sestává z výrobních kroků nanášení lepicího materiálu ve tvaru schéma zapojení na nosič, nanášení kovové pasty na takto uspořádaný lepicí materiál, osazení schéma zapojení, opatřeného lepicím ma terálem a kovovou pastou, elektrickými nebo elektronickými konstrukčními prvky a ohřívání kovové pasty při teplotě, při které kovové prášky tvoří intermetalic kou fázi.
18. Osazené zapojení podle nároku 17, vyznačující se tím, že je zhotoveno způsobem podle nároku 17.
19. Způsob podle některého z nároků ů4, 15 a 17, vyznačujícím se tím, že nanesený/ lepicí se před nanášením kovové pasty podrobí tepelnému zpracování v takové velikosti, že přitom nedojde k úplnému vytvrzení lepicícho materiálu.
20. Způsob podle nejméně i. jednoho z nároků 14, 15, 17 a 19, vyznačující se tím, že nanášení lepicího materiálu se provádí dispergačním prostředkem, sítovým nebo jiným tiskovým způsobem.

·· ·· ·· «· ·· ·· · · ··· ···· · · · • · · · · ·· · · · · • · · · · · ···· ··· · • · · · · · · · • ••••4 ·· · · · · ·

I
21. Způsob podle nejméně jednoho z nároků 14» 15, 17, 19 a 20, vyznačující se tím, že jako nosič je použit ploch/ nosič zapojení.