DE69431866T2

DE69431866T2 - Zusammensetzungen zum Füllen von Durchkontaktierungslöchern zur direkten Befestigung von Vorrichtungen und Verfahren zu ihrer Anbringung

Info

Publication number: DE69431866T2
Application number: DE69431866T
Authority: DE
Inventors: Roy Lynn Arldt; Christina Marie Boyko; Burtran Joe Cayson; Richard Michael Kozlowski; Joseph Duane Kulesza; John Matthew Lauffer; Philip Chihchau Liu; Issa Said Mahmoud; Voya Rista Markovich; James Francis Muska; Kostas Papathomas; Joseph Gene Sabia
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1993-11-17
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: US5766670A; EP0653904B1; DE69434192D1; US5571593A; DE69434192T2; EP1233663A2; US5887345A; EP0653904A2; DE69431866D1; EP1233663B1; US6134772A; US6106891A; EP1233663A3; EP0653904A3; JPH07188391A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Konstruktion von Leiterplatten bietet die Verbindung eines Moduls, wie beispielsweise eines Keramikmoduls, mit Hilfe von Lötperlen gegenüber der herkömmlichen Stift-in-Loch- Technologie (pin-in-hole) wesentliche elektrische Leistungsvorteile. Bei der Stift-in-Loch-Technologie werden Module auf Leiterplatten unter Verwendung von vorstehenden Teilen oder Kontaktstiften befestigt, die in entsprechende Löcher auf der Leiterplatte gesteckt werden. Stift-in-Loch- Verbindungen nehmen aus mechanischen Gründen auf der Leiterplatte eine beträchtliche Oberfläche ein und verhindern daher eine weitere Miniaturisierung. Mit der Lötperlentechnologie hingegen werden Module auf der Leiterplatte befestigt, indem Lötperlen auf dem Modul mit entsprechenden Kontaktpunkten an der Oberfläche der Leiterplatte verbunden werden.
Genau gesagt wird auf der Rückseite eines Moduls eine hochschmelzende Lötperle angebracht und dort durch einen Aufschmelzprozess mit einer niedrigschmelzenden Lötpaste befestigt. Dann wird das Modul durch eine mit Siebdruck aufgetragene niedrigschmelzende Lötpaste auf der Oberfläche der Leiterplatte befestigt. Da das Modul nur auf der Oberfläche der Karte befestigt wird, kann die Größe der Befestigungsfläche, des Bohrungsdurchmessers und der Abstandsflächen verringert werden, wodurch für die Verdrahtung mehr Fläche zur Verfügung steht. Die Verbindung mittels Lötperlen bietet den Vorteil einer erhöhten Systemgeschwindigkeit, da der effektive Signalweg verkürzt wird, und liefert ferner den Vorteil verbesserter Verdrahtungsmöglichkeiten infolge verringerter Durchmesser der Durchkontaktierungslöcher und der Kontaktstellen (Lötaugen).
Allerdings tritt bei der Lötperlen-Verbindungstechnologie ein Problem auf, wenn die Lötperlenverbindung an einem herkömmlichen Durchgangsloch oder Durchkontaktierungsloch hergestellt wird. Wenn versucht wird, eine derartige Verbindung herzustellen, fließt die zum Verbinden der Lötperle mit der Leiterplatte verwendete aufgedruckte eutektische Paste während des Aufschmelzprozesses durch das Loch von der beabsichtigten Verbindungsstelle weg. Dies führt zu schlechten und unzuverlässigen Lötverbindungen. Ein Versuch, ein Modul direkt an einem Durchkontaktierungsloch in einem Kontaktstellen-Lötauge zu befestigen, bestand darin, die Durchgangslöcher zuvor mit Lötmittel zu füllen, um vor dem Anbringen der Lötperle eine feste Kontaktfläche zu erzeugen. Das Lötmittel wird jedoch während der Montage der Leiterplatte durch das Loch nach unten von der Verbindungsstelle weggezogen. Infolge dieses Hinabziehens des Lötmittels durch den "Dochteffekt" entsteht ein Hohlraum unter der Lötperle, der zum Bruch führt und somit schlechte und unzuverlässige Lötverbindungen erzeugt.
Eine andere Lösung des Problems der Verbindung von Lötperlen mit Durchgangslöchern bestand in der Verwendung einer knochenförmigen Anschlussstelle, bei der von dem plattierten Durchgangsloch bzw. Durchkontaktierungsloch aus eine feste Kupferkontaktfläche weggeführt wird. Die Lötverbindung wird auf der festen Kupferkontaktfläche hergestellt, die dann über eine Leiterbahn mit dem Durchkontaktierungsloch bzw. dem Durchgangsloch verbunden wird. Obwohl die knochenförmige Anschlussstelle ausgezeichnete Lötverbindungen liefert, verringert sie die sonst mittels der Lötperlen- Verbindungstechnologie des Typs "Durchkontaktierungsloch-in- Lötauge" erhaltenen Vorteile, da die Verdrahtungsmöglichkeiten verringert werden und der Signalweg verlängert wird. Zugleich nimmt die Leiterbahn auf der Oberfläche der Leiterplatte Raum bzw. "Grundbesitz" in Anspruch.
Es wurden auch Versuche unternommen, die Durchkontaktierungslöcher und Durchgangslöcher mit bestimmten Polymermaterialien auszufüllen, doch solche Polymermaterialien füllen die Durchkontaktierungslöcher nur unvollständig aus und verursachen dadurch beträchtliche Hohlräume. Bei derartigen Polymermaterialien sind infolge des Trocknens des Lösungsmittels auch längere Verarbeitungszeiten erforderlich. Diese Polymermaterialien neigen durch das Freisetzen des Lösungsmittels außerdem zum Schrumpfen, wodurch unebene Oberflächen und weitere Hohlräume entstehen. Ein weiterer Nachteil derartiger Materialien besteht in der beschränkten Lötbarkeit.
Die Patentschrift DE-A-41 25 879 legt eine Zusammensetzung zum Füllen von Durchkontaktierungslöchern und Durchgangslöchern bei Schaltkreisträgern offen, die ein Bindemittel auf Epoxidharzbasis mit 50 bis 90 Gew.-% leitfähigem Pulver umfasst.
Die US-Patentschrift US-A-3,983,075 legt eine elektrisch leitfähige Harzmischung aus einem Kupferblättchen, dessen Oberfläche durch Entfernen von Verunreinigungen und/oder Oxiden gereinigt wurde, und einem Harzbindemittel offen. Die Harzmischung wird mit einem Härter gehärtet, der ein Polyamid oder ein Anhydrid oder Mischungen aus diesen umfasst.
In der Europäischen Patentschrift EP-A-0 279 979 wird ein elektrisch leitfähiger und haftender filmbildender Kleber offengelegt, der thermisch schnell von einer fließfähigen Flüssigkeit zu einem haftenden und zusammenhängenden festen Material gehärtet werden kann und eine einheitliche Mischung mit einer Zusammensetzung umfasst, die ein flüssiges Harz auf Epoxidbasis, eine Härterkomponente und metallisches Silberpulver mit einem Anteil zwischen ca. 75% und 85% enthält.
Es wäre wünschenswert, über Lötperlenverbindungen zu verfügen, die sich direkt an Durchgangslöchern befinden, wodurch weniger Grundfläche beansprucht, der Signalweg verkürzt und die Verdrahtungsmöglichkeit erhöht wird und dennoch zufriedenstellende Lötverbindungen erhalten werden.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erlaubt die Herstellung von Lötverbindungen direkt an Durchkontaktierungslöchern und Durchgangslöchern, ohne dass das Lötmittel in die Durchkontaktierungslöcher oder Durchgangslöcher gesaugt wird, indem plattierte Durchgangslöcher mit einer alicyclischen Expoxidharzfüllstoffmischung gefüllt werden. Nach dem Aushärten und Übermetallisieren bietet die Füllstoffmischung eine Unterlage für die Lötperle und eine ebene lötbare Oberfläche für das Herstellen der Verbindung. Die gehärteten Füllstoffmischungen besitzen den weiteren Vorteil, dass sie elektrisch leitfähig sind. Die Erfindung betrifft auch einige neuartige Verfahren zum Füllen von Öffnungen wie Durchgangslöchern mit solchen Füllstoffmischungen sowie in solchen Öffnungen angeordnete Widerstände.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine nicht maßstabsgerechte Querschnittsansicht, die ein plattiertes, Durchgangsloch zeigt, welches mit der Epoxidharzmischung der vorliegenden Erfindung ausgefüllt ist, wobei die Enden des ausgefüllten Durchgangslochs mit einer Kupferschicht bedeckt sind. Auf der Kupferschicht befindet sich eine Lötperle.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des bei dem Injektionsverfahren verwendeten Verdrängungspumpsystems.
Fig. 3 ist eine nicht maßstabsgerechte Querschnittsansicht, die den Opferträger zeigt, der mit der Füllstoffmischung beschichtet und auf einem Substrat angebracht ist.
Fig. 4 ist eine nicht maßstabsgerechte Querschnittsansicht, die ein Substrat mit Öffnungen zeigt, welche nach dem Opferträgerverfahren gefüllt wurden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Füllstoffmischung zum Füllen von Durchkontaktierungslöchern und Durchgangslöchern in Schaltkreisträgern mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen zur Verfügung. Sie erlaubt, indem plattierte oder nichtplattierte Durchgangslöcher und Durchkontaktierungslöcher mit einer alicyclischen Epoxidharz-Füllstoffmischung gefüllt werden, die Herstellung von Lötverbindungen direkt zu Durchkontaktierungslöchern und Durchgangslöchern, ohne dass das Lötmittel in die Durchgangslöcher gesaugt wird. Nach dem Aushärten und Übermetallisieren bietet die Füllstoffmischung eine Unterlage für die Lötperle und eine ebene lötfähige Oberfläche für die Herstellung der Verbindung und beseitigt damit den Weg, auf dem das Lötmittel von der Lötverbindung wegfließt. Das Vorhandensein von elektrisch leitfähigem Pulver, wie beispielsweise Kupfer, in der Füllstoffmischung bietet einen weiteren Vorteil, da es diese elektrisch leitfähig, thermisch stabil und lötbar macht. Die Erfindung betrifft auch mehrere neuartige Verfahren zum Füllen von Durchgangslöchern und Durchkontaktierungslöchern in Substraten, wie beispielsweise Schaltkreisträgern, mit derartigen Füllstoffmischungen. Zu Schaltkreisträgern gehören beispielsweise Leiterplatten, Schaltkarten, Keramiksubstrate, organische oder anorganische Multi-Chip-Module und organische oder anorganische Einzelchip- Module.
In Fig. 1 wird ein Substrat 12 gezeigt, das ein mit der Füllstoffmischung 16 gefülltes Durchgangsloch 14 aufweist. Oben auf dem gefüllten Durchgangsloch 14 befindet sich Kontaktstelle 18, auf der sich wiederum das niedrigschmelzende Lötmittel 20 befindet. Auf dem Lötmittel 20 befindet sich die Lötperle 22, auf welcher sich wiederum das Lötmittel 24 befindet. Der Chipträger 26, der mit einem darauf befestigten Chip gezeigt wird, ist oben auf dem Lötmittel 24 angebracht.
Die bevorzugte gedruckte Leiterplatte enthält herkömmliches Epoxidharz FR-4 und Laminate auf der Basis hochtemperaturbeständiger Harze, wie beispielsweise hochtemperaturbeständiger Epoxidharze, Polyimide, Cyanate (Triazine), Fluorpolymere, Fluorpolymere mit Keramikfüllstoff, Benzocyclobutene, Perfluorbutane, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyetherimide, Polyetherketone, Polyphenylchinoxaline, Polybenzoxazole und Polyphenylbenzo-bis- thiazole, deren Kombinationen und dergleichen. Die Erfindung stellt ferner die in den Ansprüchen 10, 12, 13, 14 oder 15 definierten Verfahren sowie einen durch die Merkmale in Anspruch 16 definierten Schaltkreisträger zur Verfügung.

Die Füllstoffmischung

Die Füllstoffmischung enthält ein elektrisch leitfähiges Pulver, einen Katalysator und ein Bindemittel, wobei das Bindemittel aus einer Epoxidharzmischung oder einer Cyanatmischung besteht. Die Epoxidharzmischung besteht aus Epoxidharz, Härter, leitfähigem Pulver und Katalysator. Das Expoxidharz ist ein alicyclisches Epoxidharz. Zusätzliche Bestandteile können ebenfalls verwendet werden. Die Füllstoffmischungen können zum Füllen von Öffnungen wie beispielsweise Durchkontaktierungslöchern und Durchgangslöchern einschließlich plattierten und unplattierten Durchgangslöchern verwendet werden. Je nach der gewünschten Verwendung der Öffnung kann die Füllstoffmischung elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein. Bestimmte Füllstoffmischungen werden dazu verwendet, Widerstände mit definierten ausgewählten elektrischen Widerstandswerten innerhalb der Öffnungen zu bilden.

Das leitfähige Pulver

Das leitfähige Pulver enthält elektrisch leitfähiges Pulver, einschließlich Kohlenstoffpulver und Metallpulver, wie beispielsweise Kupfer-, Silber-, Nickel-, Molybdän-, Gold-, Palladium-, Platin- und Aluminiumpulver sowie Gemische aus diesen, das eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 75 Mikrometer, vorzugsweise von 0,5 bis 25 Mikrometer, noch stärker bevorzugt von ca. 0,5 bis ca. 10 Mikrometer aufweist. Geeignete Kupferpulver sind von Alcan Powders & Pigments oder von Metz Metallurgical Corporation kommerziell erhältlich. Wahlweise können dem leitfähigen Pulver elektrisch isolierende Pulver, wie beispielsweise Aluminiumoxid, 92%iges Aluminiumoxid, 96%iges Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Berylliumoxid, Bornitrid sowie Diamantpulver (entweder nach dem Hochdruckverfahren oder nach dem Plasma-CVD-Verfahren hergestellt), zugefügt werden. Die Wärmeleitfähigkeit des thermisch leitfähigen Pulvers liegt vorzugsweise zwischen ca. 0,8 und ca. 1,4 W/m·K.
Die Menge an elektrisch leitfähigem Pulver wird hinzugefügt, um entweder eine Füllstoffmischung mit einem definierten Widerstand zum Bilden eines Widerstands oder eine Füllstoffmischung zum Bilden eines elektrischen Leiters bereitzustellen.
Die Epoxidharzmischungen der vorliegenden Erfindung enthalten an Bindemittel ca. 5 bis ca. 65 Gew.-%, vorzugsweise ca. 8 bis ca. 40 Gew.-%, sowie an thermisch leitfähigem Pulver entsprechend ca. 35 bis ca. 95 Gew.-%, vorzugsweise ca. 60% bis ca. 92 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse von Bindemittel und leitfähigem Pulver. Unter "Bindemittel" sollen im vorliegenden Dokument die Komponenten der Füllstoffmischung verstanden werden, die nicht metallisch und keine Lösungsmittelbestandteile sind.

DIE EPOXIDHARZ-FÜLLSTOFFMISCHUNG

Die Ausführungsart der alicyclischen Epoxidharz- Füllstoffmischung

Die alicyclische Epoxidharzmischung umfasst: an leitfähigem Pulver ca. 35 bis ca. 95 Gew.-%, vorzugsweise ca. 60 bis ca. 92 Gew.-%, sowie an Bindemittel ca. 5 bis ca. 65 Gew.-%, vorzugsweise ca. 8 bis ca. 40 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse von Bindemittel und leitfähigem Pulver. Das Bindemittel umfasst: an alicyclischem Epoxidharz ca. 25 bis ca. 75 Gew.-%, vorzugsweise ca. 30 bis ca. 60 Gew.-%; an Anhydridhärter ca. 25 bis ca. 75 Gew.-%, vorzugsweise ca. 30 bis ca. 40 Gew.-%; Katalysator in einer Menge, die zum Katalysieren des Aushärtens des alicyclischen Epoxidharzes ausreicht, vorzugsweise ca. 0,05 bis ca. 10 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ca. 1 bis ca. 5 Gew.-%; und wahlweise einen Weichmacher mit ca. 0 bis ca. 25 Gew.-%, vorzugsweise ca. 5 bis ca. 20 Gew.-%, der Bindemittelmasse.
Da die alicyclische Epoxidharzmischung kein Lösungsmittel erfordert, wird beim Verarbeiten erheblich Zeit eingespart, weil die alicyclische Epoxidharzmischung nicht getrocknet werden muss. Die alicyclischen Epoxidharzmischungen der vorliegenden Erfindung sind mit weniger als 0,2 Gew.-% ganz oder im Wesentlichen frei von nichtreaktiven organischen Lösungsmitteln.
Die bevorzugten alicyclischen Epoxidharze sind nichtglycidische Etherepoxide mit mehr als einer 1,2-Epoxidgruppe je Molekül. Diese werden im Allgemeinen durch Epoxidieren ungesättigter aromatischer Kohlenwasserstoffverbindungen, wie beispielsweise Cycloolefinen, unter Verwendung von Wasserstoffperoxid oder Peroxysäuren, wie beispielsweise Peressigsäure oder Perbenzoesäure, hergestellt. Die organischen Peroxysäuren werden im Allgemeinen durch Reaktion von Wasserstoffperoxid mit Carbonsäuren, Säurechloriden oder Ketonen hergestellt, was zur Verbindung R-COOOH führt. Diese Stoffe sind gut bekannt und ihre Synthese und Beschreibung ist in Byrdson, J., Plastic Materials, (1966), S. 471, zu finden. Solche alicyclischen Epoxidharze mit nichtglycidischen Ethern weisen eine Ringstruktur auf, in der die Epoxidgruppe Teil des Rings oder an diese Ringstruktur gebunden ist. Diese Epoxidharze können auch Esterbindungen enthalten. Geeignete alicyclische Epoxidharze mit nichtglycidischen Ethern besitzen die folgenden Strukturen:
wobei:
S für eine gesättigte Ringstruktur,
R für Substituenten aus der Gruppe der Radikale CHOCH&sub2;, O(CH&sub2;)nCHOCH&sub2; und OC(CH&sub3;)&sub2;CHOCH&sub2; und
R" für Radikale aus der Gruppe CH&sub2;OOC und CH&sub2;OOC(CH&sub2;)&sub4;COO steht.
Zu den Beispielen für geeignete alicyclische Epoxide mit nichtglycidischen Ethern gehören 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4- epoxy-cyclohexancarboxylat; Vinylcyclohexandioxid mit zwei Epoxidgruppen, von denen eine Teil einer Ringstruktur ist; 3,4- Epoxy-6-methyl-cyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexancarboxylat und Dicyclopentadiendioxid.
Es sind auch andere alicyclische Epoxidharze geeignet; hierzu gehören glycidische Ether wie: 1,2-Bis(2,3-epoxycyclopentyloxy)ethan; 2,3-Epoxy-cyclopentyl-glycidylether; Diglycidyl-cyclohexan-1,2-dicarboxylat; 3,4-Epoxy-cyclohexylglycidylether; Bis-(2,3-epoxy-cyclopentyl)ether; Bis-(3,4-epoxycyclohexyl)ether; 5(6)-Glycidyl-2-(1,2- epoxyethyl)bicyclo[2.2.1]heptan; Cyclohexa-1,3-dein-dioxid; 3,4- Epoxy-6-methyl-cyclohexyl-methyl-3',4'-epoxy-6 'methylcyclohexancarboxylat.
Ebenfalls geeignet sind Expoxidharze, bei denen die 1,2- Epoxidgruppen an verschiedene Heteroatome oder funktionelle Gruppen gebunden sind; zu solchen Verbindungen gehören beispielsweise das N,N,O-Triglycidyl-Derivat von 4-Aminophenol, das N,N,O-Triglycidyl-Derivat von 3-Aminophenol, der Glycidylether/Glycidylester von Salicylsäure, N-glycidyl-N'-(2- glycidyloxypropyl)-5,5-dimethyl-hydantoin oder 2-Glycidyloxy- 1,3-bis-(5,5-dimethyl-1-glycidyl-hydantoin-3-yl)-propan. Ebenso sind Gemische von alicyclischen Epoxidharzen geeignet.
Zu den bevorzugten alicyclischen Epoxidharzen gehören 3,4-Epoxycyclohexyl-methyl-3,4-epoxy-cyclohexancarboxylat, (systematischer Name: 7-Oxabicyclo[4.10]heptan-3-carboxylsäure- 7-oxabicyclo[4.1]hept-3-yl-methylester), das unter der Bezeichnung ERL-4221 von der Union Carbide Company kommerziell erhältlich ist, sowie 3,4-Epoxy-cyclohexyl-methyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat im Gemisch mit Bis(3,4-epoxycyclohexyl)- adipat, das unter der Bezeichnung BRL-4299 von der Union Carbide Company kommerziell erhältlich ist.
Die alicyclischen Epoxidharze besitzen bevorzugte Epoxid- Äquivalentmassen von ca. 50 bis ca. 500, vorzugsweise von ca. 50 bis ca. 250. Die alicyclischen Epoxidharze weisen bei 25ºC eine Viskosität von weniger als ca. 1000 cps auf, vorzugsweise ca. 5 bis ca. 900 cps, noch stärker bevorzugt ca. 300 bis ca. 600 Centipoise und am stärksten bevorzugt ca. 300 bis ca. 450 Centipoise. Die alicyclischen Epoxidharze besitzen eine relative Molekülmasse von ca. 200 bis ca. 800, stärker bevorzugt von ca. 200 bis ca. 700, am stärksten bevorzugt ca. 200 bis ca. 500, sowie eine relative Molekülmasse je Epoxidgruppe von ca. 50 bis ca. 500, vorzugsweise von ca. 50 bis ca. 300. Die Glasübergangstemperatur der Füllstoffmischung liegt oberhalb 130ºC, vorzugsweise oberhalb 140ºC. Dementsprechend werden die Epoxidharze einschließlich des alicyclischen Epoxidharzes und deren Mischungen so ausgewählt, dass eine Epoxidharzmischung mit einer Glasübergangstemperatur oberhalb 130ºC zur Verfügung steht.

Der Härter

Die zum Härten der alicyclischen Epoxidharze verwendeten Härter sind Anhydride, die von einer Carbonsäure mit mindestens einer Anhydridgruppe abstammen. Die zur Bildung der Anhydride verwendeten Carbonsäuren können gesättigt, ungesättigt, aliphatisch, alicyclisch, aromatisch oder heterocyclisch sein. Zu diesen Anhydriden gehören unter anderem beispielsweise Phthalsäureanhydrid, Isophthalsäureanhydrid, Dihydrophthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid und Hexahydrophthalsäureanhydrid, 1,3,5,6,7,7-Hexachlor-3,6- endomethylen-1,2,3,6-tetrahydrophthalsäureanhydrid (Hetsäureanhydrid), Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Chlorbernsteinsäureanhydrid, Monochlormaleinsäureanhydrid, 6-Ethyl-4-cyclohexadien, 1,2-Dicarboxylsäureanhydrid, 3,6-Dimethyl-4-,cyclohexadien-1,2-dicarboxylsäureanhydrid, 6-Butyl-3,5-cyclohexadien-1,2-dicarboxylsäureanhydrid, Octadecyl-Bernsteinsäureanhydrid, Dodecyl- Bernsteinsäureanhydrid, Dioctyl-Bernsteinsäureanhydrid, Nonadecadienyl-Bernsteinsäureanhydrid, 3-Methoxy-1,2,3,6- tetrahydrophthalsäureanhydrid, 3-Butoxy-1,2,3,6- tetrahydrophthalsäureanhydrid, Pyromellithsäureanhydrid, Di-, Tetra- und Hexahydro-pyromellithsäureanhydrid, Polyadipinsäureanhydrid, Polysebacinsäureanhydrid und dergleichen sowie deren Gemische. Zu den bevorzugten Anhydriden gehören: Aromatische Monoanhydride; aromatische Dianhydride wie beispielsweise Pyromellithsäureanhydrid; aliphatische Monoanhydride; alicyclische Monoanhydride; sowie deren chlorierte Derivate. Besonders bevorzugt sind die unter Normalbedingungen flüssigen oder niedrigschmelzenden Anhydride.
Zu anderen geeigneten Härtern gehören Trimellithsäureanhydrid, Benzophenon-tetracarboxylsäuredianhydride, polyfunktionelle cyclische Anhydride wie Pyromellith- tetracarboxylsäuredianhydrid, Cyclopentantetracarboxylsäuredianhydrid, Diphenylethertetracarboxylsäuredianhydrid sowie das Hexacarboxylsäuretrianhydrid von Benzol und Cyclohexan. Weitere geeignete Härtet sind lineare oder cyclische Anhydride der folgenden Säuren: Oxalsäure, Malonsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Brassylsäure, Trimellithsäure, dimere Fettsäure und Polyestersäure, wie beispielsweise die zweiwertige Säure aus einem Überschuss von Azelainsäure und Neopentylglykol, die von der Emery Chemical Company unter dem Handelsnamen "Emery Diacid" verkauft wird und eine Äquivalentmasse von 500 besitzt.
Der Anhydridhärter wird im Allgemeinen in äquivalenten Mengen verwendet, die ca. 20% bis ca. 120%, vorzugsweise ca. 80 bis 110% des alicyclischen Epoxidharzes und vorzugsweise ca. 75 bis ca. 100% der Epoxidäquivalente betragen.

Der Katalysator

Ein Katalysator wird in einer wirksamen Menge zugefügt, um die Vernetzung des Epoxidharzes zu bewirken. Zu geeigneten Katalysatoren für die Epoxidharze gehören beispielsweise Amine wie die tertiären Amine und saure Katalysatoren wie Zinn(II)- octoat sowie Imidazole. Zu geeigneten Katalysatoren auf Basis tertiärer Amine gehören N,N-Dimethylbenzylamin, Triethylamin, N,N-Dimethylanilin, N-Methylmorpholin, N-Ethylmorpholin, Imidazol und Tetrachlormethyl-ethylenamin, Tetramethylguanidin, Triisopropylamin, Pyridin, Piperazin, Triethylamin, Tributylamin, Dimethylbenzylamin, Triethylamin, Triphenylamin, Tricyclohexylamin, Chinolin, Triethylamin, Tris(2,3-dimethylcyclohexyl)amin, Benzyldimethylamin, 1,3-Tetramethylbutandiamin, Tris(dimethylaminomethyl)phenol und Triethylendiamin. Geeignete Imidazole besitzen eine oder mehrere Alkylgruppen (mit je einem bis sechs Kohlenstoffatomen) oder Arylgruppen, die an das Stickstoffatom der Aminogruppe oder an heterocyclische Kohlenstoffatome gebunden sein können. Zu geeigneten Imidazolen gehören beispielsweise Imidazol, 2-Methylimidazol, 2-Ethylimidazol, 2-Propylimidazol, 2-Butylimidazol, 2-Pentylimidazol, 2-Hexylimidazol, 2-Cyclohexylimidazol, 2-Phenylimidazol, 2-Nonylimidazol, 2-Undecylimidazol, 2-Heptadecylimidazol, 2-Ethyl-4- methylimidazol, 2-Phenyl-4-methylimidazol, 1-Benzylimidazol, 1-Ethyl-2-methylbenzimidazol, 2-Methyl-5,6-benzimidazol, 1-Vinylimidazol, 1-Allyl-2-methylimidazol, 2-Cyanimidazol, 2-Cyanimidazol, 2-Chlorimidazol, 2-Bromimidazol sowie deren Kombinationen. Zu anderen Sauerstoff, Schwefel, Halogen oder ähnliche Substituenten enthaltenden Imidazolen gehören beispielsweise 1-(2-Hydroxypropyl)-2-methylimidazol, 2-Phenyl- 4,5-dimethylolimidazol, 2-Phenyl-4-methyl-5- hydroxymethylimidazol, 2-Chlormethylbenzimidazol, 2-Hydroxybenzimidazol sowie deren Kombinationen. Besonders geeignet sind 2-Methylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidazol, 1,2- Dimethylimidazol, und 2-Phenylimidazol; 2-Phenyl-4,5- dihydroxymethylimidazol, 2-Phenyl-4-methylimidazol, 1-cyanethyl- 2-methylimidazol, 1-Cyanoethyl-2-phenylimidazol, 3,4- Dialkylimidazole werden bevorzugt, da sie ein beschleunigtes und verbessertes Aushärten des Epoxidharzes bei gemäßigten Temperaturen bewirken und gehärtete Materialien mit den höchsten Wärmeformbeständigkeiten ergeben.
Weitere geeignete Katalysatoren sind die vollständig substituierten Verbindungen, zu denen die Folgenden gehören: Quartäre Ammoniumhydroxide und -halogenide; quartäre Phosphoniumhalogenide; Arsine, Aminoxide; Aminophenole, Phosphinoxide; Phosphine; Phosphoniumhalogenide; Amine; Phosphoramide; Phosphinamine; sowie tertiäre Aminophenole. Auch Katalysatormischungen sind geeignet.

Optionale Bestandteile der Epoxidharz-Füllstoffmischung

Der Weichmacher

Optional, aber vorzugsweise, wird zu der alicyclischen Epoxidharzmischung ein als "Weichmacher" bekannter reaktiver Modifikator zugegeben, um der ausgehärteten alicyclischen Epoxidharzmischung Biegsamkeit und Temperaturwechselbeständigkeit zu verleihen. Geeignete Weichmacher sind z. B.: Fettsäuren, Fettsäureanhydride wie beispielsweise Polyazelainpolyanhydrid und Dodecenyl- Bernsteinsäureanhydrid; Diole wie beispielsweise Ethylenglykol, Polyole, Polyetherdiole wie beispielsweise Polymere von Ethylenglykol, Polyethylenglykol und Polypropylenglykol sowie andere Stoffe mit Hydroxylgruppen-, Carboxylepoxid- und/oder Carboxylanhydrid-Funktionalität. Andere geeignete Weichmacher sind dreiwertige und zweiwertige Polypropylenglykole oder Polybutylenglykole mit jeweils terminalen Carboxylgruppen, Carboxylanhydridgruppen, Glycidylgruppen und Hydroxylgruppen.
Optional werden Weichmacher auch hinzugefügt, um der Epoxy- Novolak-Füllstoffmischung Biegsamkeit und Bruchfestigkeit zu verleihen. Zu geeigneten Weichmachern gehören modifizierte Silikone mit terminalen Hydroxylgruppen der allgemeinen Formel:
wobei n eine ganze Zahl von 10 bis 300 ist.
Auch elastomere carboxyl-terminierte, hydroxyl-terminierte, mercapto-terminierte oder glycidylether-terminierte Copolymere (auf der Basis von Butadien sowie polaren ethylenisch ungesättigten Comonomeren) sind geeignete Weichmacher. Die mittlere relative Molekülmasse der Weichmacher liegt zwischen 500 und 6000, vorzugsweise zwischen 1000 und 2500. Zu geeigneten Weichmachern gehören Vorpolymere auf Basis eines Polycaprolactonpolyols mit einer mittleren relativen Molekülmasse von ca. 1200, das unter der Bezeichnung Tone 0231® von Union Carbide kommerziell erhältlich ist, und ein epoxidiertes Butadien-Vorpolymer mit einer mittleren relativen Molekülmasse von ca. 1200 bis 1300, das unter der Bezeichnung Poly Bd-605® von Elf Atochem North America Inc. kommerziell erhältlich ist.

Tenside

Optional werden oberflächenaktive Substanzen, im vorliegenden Dokument als "Tenside" bezeichnet, zu der Epoxidharzmischung hinzugefügt, um das Mischen des wärmeleitfähigen Pulvers mit dem Epoxidharz zu erleichtern. Wenn Tenside verwendet werden, liegen sie in Konzentrationen von ca. 0,5 bis ca. 3% und vorzugsweise ca. 1,2 bis ca. 1,6% der Gesamtmasse von Bindemittel und wärmeleitfähigem Pulver vor. Zu geeigneten Tensiden gehören nichtionische oberflächenaktive Substanzen, wie beispielsweise Triton X-100® von Rohm and Haas Co. Geeignete nichtionische oberflächenaktive Substanzen sind beispielsweise Tenside, die durch Reaktion von Octylphenol oder Nonylphenol mit Ethylenoxid hergestellt werden.
Die Epoxidharzmischung kann optional weitere Härtungsaktivatoren oder -beschleuniger sowie verschiedene andere Materialien wie beispielsweise Plastifikatoren, Elastomere, Füllstoffe, Pigmente und Substanzen zur Oberflächenbehandlung enthalten.
Zu den der Epoxidharzmischung optional beigefügten Substanzen zur Oberflächenbehandlung gehören beispielsweise Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, N-(2-aminoethyl)-3- aminopropylmethyldimethoxysilan, 3-Aminopropylethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan und deren Gemische. Die Menge der verwendeten Substanz zur Oberflächenbehandlung beträgt vorzugsweise 1 bis 10 Teile, stärker bevorzugt 1 bis 5 Teile, bezogen auf 100 Teile Epoxidharz. Die Substanz zur Oberflächenbehandlung wird verwendet, um Feuchtigkeitsbeständigkeit und verbesserte Klebefähigkeit zu verleihen.

Verfahren zum Füllen von Öffnungen

Injektionsverfahren

Das Injektionsverfahren verwendet eine Injektionsvorrichtung 100 und stellt das bevorzugte Verfahren zum Füllen von Durchgangslöchern oder Durchkontaktierungslöchern mit den lösungsmittelfreien Füllstoffmischungen, wie beispielsweise der alicyclischen Epoxidharz-Füllstoffmischung, dar.
Zu der Injektionsvorrichtung 100 gehört eine Verdrängungspumpe 102, welche einen Kolben 104 in einem Rohr 106 umfasst. Der mit einer Luftversorgung 110 verbundene Luftzylinder 108 ist mit dem Kolben 104 verbunden und treibt diesen an. Die Pumpe 102 enthält auch das Rohr 111, welches mit der Füllkammer 112 und dem Behälter 114 für die Füllstoffmischung verbunden ist. Die Luftversorgung 116 ist ebenfalls mit dem Behälter 114 für die Füllstoffmischung verbunden. Das Rohr 106 und das Rohr 111 treffen in der Kammer 112 zusammen, die zu dem in der Spitze 120 befindlichen Rohr 118 hin offen ist. Die Spitze 120 weist üblicherweise einen Innendurchmesser von 0,008 Zoll auf und ist kegelförmig verjüngt, um eine Abdichtung der Spitze zur Öffnung hin zu ermöglichen. Die Füllstoffmischung aus dem Behälter 114 wird durch das Rohr 111 in die Kammer 112 befördert, von wo der Kolben 106 die Paste in dosierten Mengen durch das Rohr 118 und die Austrittsöffnung 130 drückt.
Die Injektionsvorrichtung 100 ist auf einem computergesteuerten X-Y-Tisch herkömmlicher Bauart (nicht dargestellt) montiert, der die X-Y-Daten der Öffnungspositionen lesen kann. Geeignete Dosiervorrichtungen der oben beschriebenen Art sind von Nova/ECD unter der Bezeichnung Modell 800 oder von Creative Automation unter der Bezeichnung Modell 18-12 erhältlich. Die Füllstoffmischung wird unter Druck ohne Verwendung einer Maske direkt in das Durchkontaktierungsloch gedrückt. Die Verdrängungspumpe 102 drückt die Füllstoffmischung durch die Dosierspitze 130, welche sich in direktem Kontakt mit dem Rand des Durchkontaktierungslochs befindet. Das Ende der Spitze ist kegelförmig verjüngt, um eine Abdichtung der Spitze zum Durchkontaktierungsloch hin zu ermöglichen. Dies ist erforderlich, um während des Füllvorgangs die Luft im Durchkontaktierungsloch zu verdrängen. Die Füllstoffmischungen werden eingebracht durch Dosieren mit Spitzen unter einem Druck von ca. 1,09 · 10&sup5; bis ca. 6,21 · 10&sup5; N/m² (ca. 15 psi bis ca. 90 psi), vorzugsweise ca. 2,76 · 10&sup5; N/m² (ca. 40 psi) sowie bei Temperaturen von ca. 25ºC bis ca. 40ºC, vorzugsweise ca. 30ºC. Unterhalb des Substrats 122 und in direktem Kontakt mit diesem ist eine gasdurchlässige Folie 126 wie beispielsweise ein Filterpapier angeordnet, durch dessen Poren die Luft treten kann, während die Oberfläche des Papiers die Füllstoffmischung in der Öffnung 132 im Substrat 122 zurückhält. Die Folie 126 wird durch eine Schablone 128 unterstützt, die ein mit der Öffnung 132 oder dem Substrat 122 kongruentes Muster besitzt, sodass die aus der Öffnung 132 verdrängte Luft entweichen kann. Die Verwendung einer Verdrängungspumpe ermöglicht eine genaue Dosierung der Füllstoffmischung, sodass die Öffnungen genau bis zur gewünschten Höhe gefüllt werden können. Dadurch wird die zum Herstellen einer gleichmäßigen Oberfläche erforderliche weitere mechanische Bearbeitung auf ein Minimum reduziert.
Die Füllstoffmischungen werden dann durch Erwärmen von ca. 130 auf ca. 200ºC und vorzugsweise von ca. 150 auf ca. 190ºC für ca. 2 bis 4 Stunden, vorzugsweise für ca. 2 bis 3 Stunden, ausgehärtet. Dieses Verfahren zum Füllen der Öffnungen eignet sich für einen großen Bereich von Leiterplattendicken von 250- 6,25 · 10³ um (10-250 Milliinch [mil]) und lässt einen großen Bereich von Lochdurchmessern von 100-625 um (4-25 mil) zu. Da dieses Verfahren keine Maske erfordert, entfallen die mit der Maske verbundenen Kosten sowie die Zeit für das Herstellen, Reinigen, Ausrichten und Handhaben. Der Abfall an Füllstoffmischung ist auf ein Minimum reduziert, da nur die benötigte Menge dosiert wird; es können sogar einzelne Öffnungen zum Füllen ausgewählt werden. Dieses Verfahren gewährleistet im Gegensatz zum Siebdruckverfahren ein vollständiges Füllen der Öffnungen und hinterlässt aufgrund der präzise gefüllten Durchkontaktierungslöcher und Durchgangslöcher keinerlei Erhebungen, die entfernt werden müssen.

Verfahren mit Opferträger

Das Opferträgerverfahren stellt das bevorzugte Verfahren zum Füllen von Durchgangslöchern und Durchkontaktierungslöchern mit lösungsmittelhaltigen Füllstoffmischungen, wie beispielsweise den Novolak-Harzmischungen und Cyanatmischungen, dar.
In Fig. 3 ist der mit der Füllstoffmischung 152 beschichtete Opferträger 150 gezeigt, der auf der Maske 154 aufgebracht ist, welche wiederum auf dem Substrat 156, das die Öffnungen 158 aufweist, angeordnet ist. Der aus einem herkömmlichen Material, wie beispielsweise Kupferfolie oder Polyamid, bestehende Opferträger 150 wird bis zu einer definierten Dicke, die sich aus der Länge der zu füllenden Öffnung ergibt, üblicherweise 25-250 um (1-10 mil), mit der Füllstoffmischung 152 beschichtet. Zu den geeigneten Verfahren zum Beschichten des Opferträgers 150 mit der Füllstoffmischung 152 gehören beispielsweise Siebdruck, Drahtwalzenbeschichten oder andere in der Technik bekannte Verfahren. Die Mischung wird auf dem Träger 150 in einem Ofen 3-4 Minuten lang bei einer Temperatur von ca. 120 bis ca. 140ºC, vorzugsweise bei ca. 130ºC, teilgehärtet. Die Maske 154 mit dem Bohrungsmuster der zu füllenden Öffnungen 158 wird auf dem Substrat 156 ausgerichtet. Bevorzugte Masken sind Polyamidfilme oder Kupferfolien. Eine geeignete Maske ist ein Film aus Biphenyl-tetracarboxylsäuredianhydrid und p-Phenylendiamin, der unter der Bezeichnung Upilex R von UBE Industries, Japan, bezogen werden kann. Der beschichtete Opferträger 150 wird dann mit der Füllstoffmischungsschicht nach unten in einer Laminierpresse (nicht dargestellt) der Maske 154 gegenüber positioniert. Die Maske 154 enthält bereits das gewünschte Muster, das den zu füllenden Löchern entspricht, und ist zum Substrat 156 ausgerichtet. Dann wird die Laminierpresse gestartet, um die Füllstoffmischung bei einem Druck und einer Temperatur, die das Fließen der Füllstoffmischung gewährleisten, durch die Maske 154 in die Öffnungen 158 zu pressen. Der beschichtete Opferträger wird in der Laminierpresse bei dem erforderlichen Druck gehalten, z. B. zwischen 6,90 · 10&sup5; und 2,41 · 10&sup6; N/m² (100-350 psi), vorzugsweise ca. 1,03 · 10&sup6; N/m² (ca. 150 psi) sowie bei Temperaturen zwischen 140 und ca. 200ºC, vorzugsweise ca. 185ºC, für eine Zeitdauer von 60-190 Minuten, vorzugsweise 120 Minuten, damit die Füllstoffmischung aushärten kann. Nach dem Laminierzyklus werden der Opferträger 150 und die Maske 154 entfernt, beispielsweise durch manuelles Abziehen von der Oberfläche des Substrats 156. Sämtliche Überreste der Füllstoffmischung auf der Oberfläche des Substrats 156 werden mit Hilfe von herkömmlichen mechanischen Mitteln, wie beispielsweise Abschleifen, oder durch chemische Mittel entfernt. Unter Verwendung dieses Verfahrens werden Durchkontaktierungslöcher und Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 50-625 um (2-25 mil) gefüllt.
In Fig. 4 ist ein Substrat, bei dem die Öffnungen gemäß dem Opferträgerverfahren gefüllt wurden, nach dem Entfernen des Opferträgers und der Maske dargestellt.

Übermetallisieren

Nach dem Füllen der Durchkontaktierungslöcher oder Durchgangslöcher sowie dem Aushärten und, wenn erforderlich, dem Planarisieren mit Hilfe herkömmlicher Verfahren wie beispielsweise Abschleifen werden sie vorzugsweise mit Metall übermetallisiert, und zwar vorzugsweise mit Kupfer. Nach Verwendung des Injektionsverfahrens zum Füllen der Durchkontaktierungslöcher oder Durchgangslöcher ist das Planarisieren üblicherweise nicht erforderlich, und die gefüllten Durchkontaktierungslöcher und Durchgangslöcher können direkt plattiert werden. Hierfür können herkömmliche Keimbildungs- und Abscheidungsverfahren, wie beispielsweise saures Plattieren oder stromloses Metallisieren, verwendet werden. Alternativ können die gefüllten Durchgangslöcher oder Durchkontaktierungslöcher direkt stromlos metallisiert werden, wenn die Füllstoffmischung Metallpartikel enthält. Bei einem derartigen direkten Plattieren dienen die Metallpartikel in der Füllstoffmischung als Keimschicht. Bei diesem Plattierverfahren ist kein Bekeimungsprozess erforderlich. Das Kupfer kann in jeder beliebigen Schichtdicke abgeschieden werden, wobei gute Ergebnisse bei Schichtdicken von ca. 2,54 · 10&supmin;&sup6; bis ca. 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (ca. 100 bis ca. 500 Mikroinch [uin]); vorzugsweise ca. 5,08 · 10&supmin;&sup6; bis ca. 7,62 · 10&supmin;&sup6; m (ca. 200 bis ca. 300 uin) erreicht wurden. Beschichtungszeiten von ca. 5 Minuten bis ca. 5 Stunden, vorzugsweise 10 Minuten bis ca. 60 Minuten sind geeignet. Für das Übermetallisieren mit Schichtdicken von ca. 7,62 · 10&supmin;&sup7; bis ca. 3,30 · 10&supmin;&sup6; m (ca. 30 bis ca. 130 uin) können geeignete herkömmliche stromlose Bäder, wie z. B. Shipley C3000® von Shipley, verwendet werden. Für das Übermetallisieren mit Schichtdicken über ca. 130 uin können geeignete herkömmliche stromlose "Komplett"-Bäder, wie z. B. Shipley C3000®, verwendet werden, worauf sich ein saures Kupferbad anschließt, wie es z. B. von Schering, MacDermid oder Shipley erhältlich ist.
Das Übermetallisieren kann in verschiedenen Phasen der Herstellung eines Substrats erfolgen. Beispielsweise kann, wenn die Durchgangslöcher und die Durchkontaktierungslöcher vor der Durchführung eines subtraktiven Strukturierungsschritts gefüllt worden sind, eine Keimbildung durchgeführt werden, bei der eine herkömmliche Keimschicht, wie z. B. Palladium-Zinn-Kolloid, auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden wird, worauf sich ein herkömmliches elektrolytisches oder stromloses Abscheiden von Kupfer und dann das herkömmliche subtraktive Ätzen der Schaltung anschließt.
Wenn durch das subtraktive Strukturieren feine Leitungen erzeugt werden sollen, können die Leiterbahnen aber auch unmittelbar nach dem Füllen und Planarisieren der Löcher geätzt werden. Herkömmliche subtraktive Strukturierungsprozesse werden verwendet, um feine Leitungsstrukturen in der dünnen, laminierten Kupferfolie zu erzeugen. Das herkömmliche stromlose Übermetallisieren mit Kupfer wird nach dem Aufbringen einer Lötmaskenschicht auf der Karte durchgeführt. Auf den von der Lötmaske bedeckten Flächen findet keine Abscheidung statt, sodass nur die Enden der gefüllten Löcher sowie andere freiliegende Kupferflächen metallisiert werden.
Auch herkömmliche komplett additive Schaltungen können auf Substraten mit gefüllten Löchern hergestellt werden. Nach dem Füllen der Löcher und dem Planarisieren wird die laminierte Kupferfolie von der Oberfläche abgeätzt, eine herkömmliche Keimschicht und anschließend ein strukturierter Fotolack aufgebracht und die Leiterbahnen durch stromloses Beschichten mit Kupfer der gewünschten Schichtdicke erzeugt.
Wenn hingegen feine Strukturen mit äußerst hoher Dichte der Durchkontaktierungslöcher gewünscht werden, beispielsweise bei Interposer-Platinen mit Lötaugenverbindung (pad-on-pad) oder Strukturen zur direkten Chipmontage, wird der folgende Verfahrensablauf durchgeführt, bei dem nur die Enden der gefüllten Löcher metallisiert werden. Nach dem gewünschten Füllen und Planarisieren der Löcher wird das Substrat abgeätzt, um das Metall von der Oberfläche zu entfernen. Dann wird das Substrat ohne vorheriges Bekeimen stromlos mit Kupfer beschichtet. Das Metallisieren erfolgt nur an den Enden der gefüllten Löcher, bei denen die Metallpartikel des Füllmaterials der Löcher als Keime oder Katalysator für die Kupferabscheidung dienen. Dadurch beschränkt sich das Metallisieren genau auf die Enden der gefüllten Löcher und führt zu einer Struktur mit hervorstehenden Kupferhügeln. Diese Kupferhügel können dann mit herkömmlichen Verbindungsmetallen übermetallisiert werden, wie beispielsweise mit Nickel-Gold oder Zinn-Blei, um Stellen für die Lötaugenverbindung oder die direkte Chipmontage zu schaffen. Wenn dieses Verfahren angewendet wird, können Gitter mit einem Abstand von weniger als 2,54 · 10&supmin;&sup4; m (0,010 Zoll) zwischen den Durchkontaktierungslöchern oder Verbindungspunkten erzeugt werden.
Durch das Übermetallisieren kann eine Oberfläche bereitgestellt werden, auf der eine Lötperle aufgebracht wird. Als Ergebnis dessen wird die Lötperle über einem Durchgangsloch oder einem Durchkontaktierungsloch angebracht, wodurch die Packungsdichte zunimmt.
Die gefüllten Durchgangslöcher oder Durchkontaktierungslöcher der Beispiele 1 und 2 wurden übermetallisiert, indem als Keimschicht zum Übermetallisieren das Metall in der Füllstoffmischung diente. Bei den Beispielen 1, 2 und 5 wurde Kupfer stromlos bis zu einer Schichtdicke von ca. 100-300 uin abgeschieden.

Ausführungsart mit Widerständen

Obwohl die Erfindung in erster Linie für leitende oder nichtleitende Durchgangslöcher und Durchkontaktierungslöcher beschrieben wurde, ist es auch möglich, die Durchgangslöcher und Durchkontaktierungslöcher mit einer Füllstoffmischung auszufüllen, die einen vorbestimmten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, um einen Widerstand in einem Durchkontaktierungsloch oder einem Durchgangsloch bereitzustellen. Der Widerstand ist ein Bestandteil der Schaltung und besitzt einen vorbestimmten Widerstandswert. Durch das Verwenden eines Durchgangslochs oder eines Durchkontaktierungslochs zum Aufnehmen eines Widerstands wird der Platzbedarf auf der Oberfläche der Leiterplatte, der sonst durch diskrete Chip-Widerstände oder Widerstände des Typs "Stift in Loch" beansprucht würde, verringert. Dieses Verfahren liefert auch Widerstände mit gegenüber anderen hergestellten oder montierten Widerständen verbesserter Toleranz, verringerten Kosten und verbesserten elektrischen Eigenschaften.
Die Füllstoffmischungen der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Epoxidharz-Füllstoffmischungen und der Cyanat-Füllstoffmischungen, werden gezielt angepasst, um die Widerstands-Füllstoffmischung zu liefern. Die Widerstands- Füllstoffmischung umfasst üblicherweise: von ca. 25 bis ca. 95%, vorzugsweise ca. 35 bis ca. 95% eines elektrisch leitfähigen Pulvers, bezogen auf die Gesamtmasse der Füllstoffmischung; und von ca. 5 bis ca. 75%, vorzugsweise von ca. 5 bis ca. 65% Bindemittel, bezogen auf die Gesamtmasse der Füllstoffmischung.
Widerstände mit anderen Widerstandswerten können unter Verwendung der bekannten Widerstandsgleichung hergestellt werden:
R = Rho L/A
mit R = Widerstandswert in Ohm
Rho = spezifischer Widerstand des Materials in Ohm·cm
L = Länge des Widerstands = Dicke der Leiterplatte
A = Querschnittsfläche
Gewünschte Widerstandswerte können durch Variieren der Leiterplattendicke, des Bohrungsdurchmesser des zu füllenden Lochs, des spezifischen Widerstands der Widerstands- Füllstoffmischung oder Kombinationen dieser Parameter erzeugt werden. Der spezifische Widerstand der Widerstands- Füllstoffmischung kann durch Ändern des prozentualen Anteils an elektrisch leitfähigem Pulver, wie beispielsweise Kupfer üblicherweise von 0-40%, oder Kohlenstoff üblicherweise von 0-90%, in der Widerstands-Füllstoffmischung oder durch Hinzufügen von Verbindungen, wie beispielsweise TaSi, NiCr, NiP usw. oder deren Mischungen, oder durch Variieren von Größe oder Form der Komponentenpartikel oder durch Kombinationen der oben genannten Parameter variiert werden. Darüber hinaus können zum Erreichen gewünschter Widerstandswerte zwei verschiedene Widerstandsmaterialien gemischt werden. Widerstände werden in Durchgangslöchern durch Füllen der Löcher mit der Widerstands- Füllstoffmischung nach dem Injektionsverfahren, dem Opferträgerverfahren oder nach herkömmlichen Verfahren erzeugt.
Präzisionswiderstände können erhalten werden, indem nach dem Füllen des Lochs und dem Aushärten der Füllstoffmischung, jedoch noch vor dem Übermetallisieren mit Kupfer, ein Laser- oder ein Schleiftrimmprozess durchgeführt wird. Bei einem Trimmverfahren wird zuerst der Widerstandswert durch elektrische Messung an den beiden Enden des Widerstands ermittelt, dann getrimmt und erneut gemessen. Wenn das Loch unter Verwendung des Opferträgerverfahrens gefüllt wurde, dient die laminierte und durchbohrte Kupferfolie ober- und unterhalb der Leiterplatte als Maske für das Trimmen durch Laser oder Abschleifen, sodass die überschüssige Widerstands-Füllstoffmischung von dem Loch, jedoch von nirgendwo sonst, entfernt wird. Durch dieses Trimmen wird die Länge des Widerstands und somit der Widerstandswert verringert.
Das "Widerstand-in-Loch"-Verfahren kann dazu verwendet werden, Lötperlenverbindungen am oberen oder unteren Ende des metallisierten Widerstands herzustellen. Das Füllen der Öffnungen mit der Widerstands-Füllstoffmischung erfolgt generell vor dem Plattieren der Durchgangslöcher. Vorzugsweise werden Widerstände in Durchgangslöchern zum Herstellen einer zahlenmäßig großen Menge isolierter Abschlusswiderstände verwendet, wie sie bei Anwendungen des Typs emittergekoppelte Logik (ECL) benötigt werden.
Zusätzlich zu einer Verringerung der Kosten und der benötigten Leiterplattenfläche, einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verbesserung der elektrischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Montagetechnologien mit diskreten Widerständen bietet das Verfahren des Widerstands im Durchgangsloch gegenüber herkömmlichen Verfahren mit planaren und innen liegenden Widerständen noch andere Vorteile. Zu diesen Vorteilen zählen die niedrigeren Herstellungskosten sowie eine verbesserte Toleranz der Widerstände. Diese Widerstandsbauart kann auch bei hochzuverlässigen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es wünschenswert ist, einen Kriechstromtest zwischen benachbarten elektrischen Netzen durchzuführen, indem gewünschte Löcher mit Widerstands-Füllstoffmischung ausgefüllt werden, nachdem in neu gebohrten Durchgangslöchern ein Kriechstromtest durchgeführt worden ist. Wenn dies als abschließender Schritt durchgeführt wurde, können die Enden des Widerstands - durch Abdecken mit einem leitfähigen lötbaren Epoxidmaterial - mit einem Schutzüberzug versehen oder metallisiert werden, um auf dem freiliegenden Ende des Widerstands eine Kontaktstelle bereitzustellen. Ein derartiges Metallisieren kann durch herkömmliche Verfahren oder mittels der im vorliegenden Dokument beschriebenen Übermetallisierungsverfahren erfolgen.

Beispiele für Füllstoffmischungen

Beispiel 1

Eine alicyclische Epoxidharz-Füllstoffmischung wurde hergestellt durch Zusammenfügen von: ca. 4,25 Gewichtsteilen 3,4- Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat mit der Bezeichnung ERL-4221® von Union Carbide; ca. 4,31 Gewichtsteilen Methylhexahydrophthalsäureanhydrid; ca. 1,12 Gewichtsteilen Tone 0231® von Union Carbide; ca. 0,326 Gewichtsteilen 2-Ethyl-4- methylimidazol; ca. 1,17 Gewichtsteilen Poly Bd-605® von Elf Atochem North America Inc. sowie ca. 100,86 Gewichtsteilen Kupferpulver von Alcan Powder and Pigments mit einer Partikelgröße von weniger als 10 um. Mit dieser Mischung wurden unter Verwendung des Injektionsverfahrens Durchkontaktierungslöcher in Karten gefüllt. Die Mischung wurde ca. 1,5 Stunden lang bei ca. 140ºC ausgehärtet. Die gefüllten Durchkontaktierungslöcher wurden mit Hilfe der folgenden Übermetallisierungsverfahren beschichtet. Ein Teil der Durchkontaktierungslöcher wurde übermetallisiert, indem die Oberfläche zuerst mit einem stromlosen Bad von Shipley bekeimt und dann unter Verwendung eines sauren Kupferbades von Shipley auf herkömmliche Art sauer metallisiert wurde. Ein anderer Teil wurde übermetallisiert, indem die Oberfläche mit kolloidalem Pd/Sn bekeimt und dann unter Verwendung von Shipley C3000® stromlos mit Kupfer beschichtet wurde. Die Karten mit den gefüllten Durchkontaktierungslöcher wurden anhand der Lötperlenverbindungstechnologie bewertet, indem sie 2650 Zyklen des ATC-Tests zwischen 20 und 80ºC durchliefen und kein Ausfall festgestellt wurde. Außerdem zeigte die dreimalige Wiederholung des Lötstellen-Stoßtests keinerlei Ausfälle. Ein weiterer Teil der Durchkontaktierungslöcher wurde metallisiert, indem das Kupfer in der Füllstoffmischung als Keimschicht für stromloses Beschichten diente; mit einem solchen Übermetallisierungsverfahren ließen sich die gefüllten Durchkontaktierungslöcher ausreichend beschichten.

Beispiel 2

Eine alicyclische Epoxidharz-Füllstoffmischung wurde hergestellt durch Zusammenfügen von: ca. 4,32 Gewichtsteilen ERL-4221®, einem 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat von Union Carbide; ca. 4,16 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäureanhydrid; ca. 1,08 Gewichtsteilen Tone 0231® von Union Carbide; ca. 0,052 Gewichtsteilen Benzyldimethylamin; ca. 1,06 Gewichtsteilen Poly Bd-605® von Elf Atochem North America Inc. und 42,36 Gewichtsteilen Kupferpulver von Metz Metallurgical Corporation mit einer Partikelgröße von weniger als 4 um. Mit dieser Mischung wurden mittels des Injektionsverfahrens plattierte Durchgangslöcher ausgefüllt. Die Mischung wurde 2 Stunden lang in einem Ofen bei ca. 140-150ºC ausgehärtet.

Beispiel 3

Eine alicyclische Epoxidharz-Füllstoffmischung wurde hergestellt durch Zusammenfügen von: ca. 4,4 Gewichtsteilen ERL-4221®, einem 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat von Union Carbide; ca. 4,00 Gewichtsteilen Methylhexahydrophthalsäureanhydrid; ca. 1,15 Gewichtsteilen Tone 0231® von Union Carbide; ca. 0,072 Gewichtsteilen Benzyldimethylamin; ca. 1,20 Gewichtsteilen Poly Bd-605® von Elf Atochem North America Inc. und ca. 31,77 Gewichtsteilen Kupferpulver von Alcan Powder and Pigments mit einer Partikelgröße von weniger als 10 um. Plattierte Durchgangslöcher wurden mittels des Injektionsverfahrens mit dieser Mischung gefüllt und diese ca. 1,5 Stunden lang bei 140-160ºC ausgehärtet.

Beispiel 4

Eine alicyclische Epoxidharz-Füllstoffmischung wurde hergestellt durch Zusammenfügen von: ca. 4,50 Gewichtsteilen ERL-4221®, einem 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat von Union Carbide; ca. 4,34 Gewichtsteilen Methylhexahydrophthalsäureanhydrid; ca. 1,08 Gewichtsteilen Tone 0231® von Union Carbide; ca. 0,11 Gewichtsteilen Benzyldimethylamin und ca. 45,36 Gewichtsteilen Kupferpulver von Alcan Powder and Pigments mit einer Partikelgröße von weniger als 10 um. Die Mischung wurde zum Füllen von plattierten Durchgangslöchern mittels des Injektionsverfahrens verwendet. Die Mischung wurde dann ca. 2 Stunden lang bei 140-160ºC ausgehärtet.

Beispiel 5

Eine alicyclische Epoxidharz-Füllstoffmischung wurde hergestellt durch Zusammenfügen von: ca. 4,4 Gewichtsteilen ERL-4221®, einem 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat von Union Carbide; ca. 4,0 Gewichtsteilen Methylhexahydrophthalsäureanhydrid; ca. 1,11 Gewichtsteilen Tone 0231® von Union Carbide; ca. 0,296 Gewichtsteilen 2-Ethyl-4- methylimidazol; ca. 0,9 Gewichtsteilen Poly Bd-605®, einem Weichmacher von Elf Atochem North America, Inc.; ca. 43,86 Gewichtsteilen Kupferpulver von Alcan Powder and Pigments mit einer Partikelgröße von weniger als 10 um und ca. 11 Gewichtsteilen Vulcan XC72®, einem Ruß von Cabot Corporation. Die obigen Materialien wurden in einer Schlagmühle gemischt, in einem Vakuumexsikkator entgast und zum Prüfen in einen Gefrierschrank gebracht. Anschließend wurde diese Mischung zum Füllen von Durchkontaktierungslöchern mittels des Injektionsverfahrens verwendet und ca. 2 Stunden lang bei ca. 140ºC ausgehärtet.
Bei all den oben angeführten Beispielen wurden die Durchkontaktierungslöcher vollständig ausgefüllt.
Obwohl die Erfindung im vorliegenden Dokument oftmals in Bezug auf das Befestigen von Modulen mittels Lötperlen beschrieben wurde, kann sie auch zum Befestigen von anderen Vorrichtungen an Oberflächen verwendet werden, wie beispielsweise herkömmlichen Bauteilfüßen für Oberflächenmontage oder C-4-Lötverbindungen zur direkten Chipmontage.

Claims

1. Mischung zum Füllen von Durchkontaktierungslöchern und Durchgangslöchern (14) in einem Schaltkreisträger (16), die Folgendes umfasst:

a. ein Bindemittel, das 5 bis 65 Gew.-% der Mischung ausmacht und Folgendes umfasst:

i. ein alicyclisches Epoxidharz zu 25 bis 75 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel;

ii. einen Anhydridhärter zu 25 bis 75 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel;

iii. einen Katalysator zu 0,05 bis 10% und

b. ein leitfähiges Pulver von 35% bis 95% der Masse der Mischung; und

wobei die Füllstoffmischung (16), nachdem sie in die Durchkontaktierungslöcher und Durchgangslöcher (14) gebracht, ausgehärtet und übermetallisiert wurde, im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist und eine Schrumpfung von weniger als etwa 0,8% aufweist.

2. Füllstoffmischung nach Anspruch 1, bei der die Menge des Bindemittels im Bereich von 8 bis 40 Gew.-% der Mischung liegt.

3. Füllstoffmischung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Menge des alicyclischen Harzes im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% des Bindemittels liegt.

4. Füllstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Menge des Anhydridhärters im Bereich von 30 bis 40 Gew.-% des Bindemittels liegt.

5. Füllstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Menge des Katalysators im Bereich von 1 bis 5% liegt.

6. Füllstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Menge des leitfähigen Pulvers im Bereich von 60 bis 92 Gew.-% der Mischung liegt.

7. Füllstoffmischung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Harz eine relative Molekülmasse von 200 bis 800 besitzt und das leitfähige Pulver Metallpulver umfasst.

8. Füllstoffmischung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das alicyclische Epoxidharz 7-Oxabicyclo[4.10]heptan-3-carboxylsäure-7- oxabicyclo[4,1]hept-3-yl-methylester, der Katalysator ein tertiäres Amin oder Imidazol, der Anhydridhärter Hexahydrophthalsäureanhydrid oder Methylhexahydrophthalsäureanhydrid ist und das leitfähige Pulver Metallpulver umfasst.

9. Füllstoffmischung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das leitfähige Pulver Kupfer umfasst.

10. Verfahren zum Füllen von Öffnungen, wie beispielsweise eines Durchkontaktierungslochs oder eines Durchgangslochs in Substraten, welches die folgenden Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines Substrats, welches mindestens eine auszufüllende Öffnung aufweist;

b. Bereitstellen einer Injektionsvorrichtung, welche eine Füllstoffmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 enthält, zum Injizieren der Füllstoffmischung in die Öffnung; und

c. Injizieren der Füllstoffmischung in die Öffnung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Füllstoffmischung Metall umfasst, wobei das Verfahren ferner den Schritt der Verwendung des Metalls als Keimschicht zum Übermetallisieren der gefüllten Öffnung umfasst.

12. Verfahren zum Einbringen einer härtbaren Füllstoffmischung in Öffnungen, wie beispielsweise ein Durchkontaktierungsloch oder ein Durchgangsloch in einem Substrat, welches die folgenden Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines Substrats, welches mindestens eine Öffnung aufweist;

b. Bereitstellen einer Füllstoffmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9;

c. Bereitstellen eines Trägers für die Füllstoffmischung;

d. Aufbringen der Füllstoffmischung auf den Träger;

e, Aufbringen einer Maske auf die Oberfläche des Substrats, wobei die Maske mindestens eine mit der Öffnung des Substrats zur Deckung gebrachte Öffnung aufweist;

f, anschließendes Anbringen des mit der Füllstoffmischung beschichteten Trägers auf dem maskierten Substrat; und

g. anschließendes Anwenden von ausreichend Wärme und Druck auf den Träger, um die Füllstoffmischung zum Fließen in die Öffnung zu veranlassen.

13. Verfahren zum Bilden eines Widerstands in einem Schaltkreisträger, das die folgenden Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines Schaltkreisträgers, der mindestens eine Öffnung aufweist;

b. Füllen der Öffnung mit einer Füllstoffmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, um einen Widerstand mit freiliegenden Enden zu bilden;

c. Messen des Widerstandswertes des Widerstands; und

d. Abstimmen des Widerstands, um den gewünschten Widerstandswert zu liefern.

14. Verfahren zum Bilden eines Widerstands mit einem vorbestimmten Widerstandswert in einem Schaltkreisträger, welches die folgenden Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines Schaltkreisträgers, der mindestens eine Öffnung mit bekannten Dimensionen oder bekanntem Volumen aufweist;

b. Berechnen des spezifischen Widerstandswertes des Materials, der zum Erreichen des vorbestimmten Widerstandswertes nach der Formel

R = Rho L/A

erforderlich ist,

wobei: R = Widerstandswert in Ohm

Rho = spezifischer Widerstand in Ohm·cm

L = Länge des Widerstands = Dicke der Leiterplatte

A = Querschnittsfläche;

c. Bereitstellen einer Füllstoffmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 mit dem in Schritt b berechneten Wert des spezifischen Widerstands des Materials; und

d. Füllen der Öffnung mit der Füllstoffmischung.

15. Verfahren zum Bilden von Verbindungen zwischen zwei Schaltkreisträgern, welches die folgenden Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines ersten Schaltkreisträgers, der mindestens eine Öffnung aufweist;

b. Bereitstellen eines zweiten Schaltkreisträgers, der mindestens eine auf einer Oberfläche des zweiten Schaltkreisträgers angebrachte Lötperle aufweist;

c. Bereitstellen einer Füllstoffmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9;

d. Füllen der Öffnung mit der Füllstoffmischung;

e. Übermetallisieren mindestens eines Endes der gefüllten Öffnung mit Metall, um eine Kontaktstelle bereitzustellen; und

f. Verbinden der Lötperle mit der Kontaktstelle.

16. Schaltkreisträger, der Folgendes umfasst:

a. einen ersten Schaltkreisträger, der mindestens eine Öffnung aufweist, die mit einer Füllstoffmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 gefüllt ist;

b. eine Metallkontaktstelle, die oben auf der gefüllten Öffnung angeordnet ist, und

c. eine Lötperle, die oben auf der Kontaktstelle angeordnet ist.

17. Schaltkreisträger nach Anspruch 16, bei dem die Öffnung ein plattiertes Durchgangsloch oder ein plattiertes Durchkontaktierungsloch ist.

18. Schaltkreisträger nach Anspruch 16, bei dem die Öffnung ein unplattiertes Durchgangsloch oder ein unplattiertes Durchkontaktierungsloch ist.

19. Schaltkreisträger nach Anspruch 16, der ferner einen oben auf der Lötperle angeordneten zweiten Schaltkreisträger umfasst.