NL8105784A

NL8105784A - Geleidende pasta alsmede werkwijze ter bereiding van een geleidende samenstelling.

Info

Publication number: NL8105784A
Application number: NL8105784A
Authority: NL
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-12-25
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1982-07-16
Also published as: US4398975A; KR880000822B1; FR2497390B1; GB2090614A; GB2090614B; DE3150880A1; CA1166873A; KR830008350A; JPS6216038B2; FR2497390A1; JPS57107501A

Description

* * ' !

Br/Bl/lh/1361

Geleidende pasta alsmede werkwijze ter bereiding van een geleidende samenstelling.

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van geleidende samenstellingen in het bijzonder voor het verschaffen van elektrische continuïteit tussen twee oppervlakken van een gedrukte schakeling-plaat. De nieuwe samenstel-5 ling kan eveneens als een verbindingsmateriaal tussen geleidende schakelpatronen of voor het maken van een geleidend patroon worden gebruikt.

De stand der techniek kent verscheidene technieken voor het verschaffen van een elektrische verbinding tussen 10 de afzonderlijke lagen van een gedrukte schakeling-plaat van het meerlagen type. Bij één van deze technieken wordt een isolerend substraat bestaande uit een isolerend materiaal, zoals een fenolhars, een epoxyhars en dergelijke, met koper-foelie bedekt, die aan de boven en onderoppervlakken daarvan 15 worden gehecht onder vorming van een zogenaamde met koper beklede gelamineerde plaat. Vervolgens wordt een doorgaand gat op een tevoren bepaalde plaats van de plaat geboord, dat in vertikale richting door de plaat en door de daarop aanwezige koperfoelies loopt. De plaat wordt dan achtereenvolgens 20 onderworpen aan een stroomloos bekleden met koper en een galvanisch bekleden met koper voor het vormen van een koperbekledingslaag op het inwendige oppervlak van tenminste één doorgaand gat, waardoor de bovenste en onderste koperfoelies elektrisch met elkaar worden verbonden. In het door-25 gaande gat wordt een etsresist aangebracht, terwijl tegelijkertijd de gedeelten, die het gewenste bedradingspatroon moeten vormen, eveneens met etsresist worden bedekt. Vervolgens worden gedeelten van de koperfoelies selectief weggeetst, waarbij een gedrukte schakeling-plaat van het 30 meerlagen type achterblijft, waarin de bovenste en onderste schakelpatronen elektrisch met elkaar via het doorgaande gat zijn verbonden.

Bij een tweede bekende techniek wordt gebruik ge- 8105784 * Λ -2- maakt van een soortgelijke met koper beklede gelamineerde plaat als boven beschreven, welke plaat eerst aan een selectief etsen wordt onderworpen voor het vormen van bedradings-patronen aan beide oppervlakken van het isolerende substraat.

5 Vervolgens wordt een doorgaand op een tevoren bepaalde plaats door het substraat geboord, welk gat eveneens door de bedradingspatronen loopt. Vervolgens wordt zilverpasta bestaande zilverpoeder en een bindmiddel, in het doorgaande gat aangebracht om de.bovenste en onderste bedradingspatronen 10 elektrisch met elkaar te verbinden en een tweezijdige gedrukte schakeling-plaat te verschaffen.

Beide bovenbeschreven technieken bezitten echter nadelen. Zo zijn bijvoorbeeld in het geval van de eerstgenoemde techniek de betreffende bekledingsprocessen vrij ingewik-15 keld en niet bijzonder doeltreffend. Bovendien vormt het kwijtraken van het afvalwater van het bekledingsbad zonder verontreiniging te veroorzaken een probleem. Daar het bekleden met koper uitgevoerd wordt aan de totale oppervlakken Van de plaat en de bedradingspatronen selectief worden weg-20 geetst is de hoeveelheid overbodige koperbekleding vrij groot. Bij het selectief etsen kan de koperbekledingslaag op het substraat in voldoende mate worden geetst om aanleiding te geven tot een zijdelings wegvreten, zodat het be-dradingspatroon dun wordt en de nauwkeurigheid van het 25 · patroon wordt verminderd.

Bij de genoemde tweede techniek, waarbij de bovenste en onderste bedradingspatronen elektrisch met elkaar worden verbonden door zilverlak, die in het doorgaande gat wordt gebracht treedt, indien een gelijkstroomspanning op 30' de plaat wordt aangelegd onder omstandigheden van enig vocht, een migratie van zilver van een gedeelte met een hogere spanning naar een gedeelte met een lagere spanning.

Ér wordt een ongewenste kortsluiting veroorzaakt door de neiging van het zilver tot elektrómigratie. De weerstand 35 over het doorgaande gat met een faktor van ongeveer 10Ox hoger dan die van de koperbekleding, waardoor de hoge frequen-tiekarakteristiek van de schakeling-plaat slecht is. Daar de in het doorgaande gat aangebrachte zilverlak een bindmiddel' 8105784 * * -3- en oplosmiddel bevat, krimpt de lak bovendien bij het thermisch harden, waardoor de schakeling-plaat een gebrekkige betrouwbaarheid bezit- Bovendien veroorzaakt het gebruik van organische oplosmiddelen een dergelijke slechte arbeidsom-5 shandigheden*

In de Nederlandse octrooiaanvrage 81.01467 is een geleidend materiaal beschreven, dat bereid is uit een mengsel bestaande uit gallium in vloeibare fasen en een metaal, dat met gallium een eutectisch mengsel vormt, te zamen met een 10 metaalpoeder (hetzij één enkel metaal hetzij een legerings-poeder) dat zich met gallium' legeert onder verhoging van het smeltpunt van de samenstelling- Dit geleidende materiaal verkeert in de vorm van een pasta bij de aanvankelijke ver-werkingstemperatuur om daarna na verloop van een geschikte 15 tijdsinterval te legeren en te harden- Geschikte hoeveelheden vloeibaar gallium en vast metaal, dat een eutectisch mengsel met gallium vormt, worden met elkaar vermengd voor het verschaffen van een gesmolten mengsel. Nadat het mengsel tot een verwerkingstemperatuur is afgekoeld, worden de met het 20 gallium te legeren metaalpoeders aan het mengsel toegevoegd voor het bereiden van een pasta, waarin het metaalpoeder zich tenslotte met het gallium zal legeren. Het eutecticum yormende metaal kan indium, tin, zink, bismuth en dergelijke zijn. Het metaalpoeder, dat zich met gallium legeert, kan 25 zuiver metaal, zoals koper, nikkel, cobalt of goud, of legeringen daarvan, zoals een koper-tin-legering en derge-lijke.

De mengverhoudingen van 'de bestanddelen in de samenstelling, bestaande uit gallium, de eutecticumvormer 30 en het legerende metaalpoeder, zijn afhankelijk van het type metaal, dat het eutecticum vormt, en de temperatuur waarbij het materiaal moet worden verwerkt. Daar het geleidende materiaal, dat de galliumlegering bevat, bij de verwerkings temperatuur uit een pasteuse samenstelling bestaat, kan 35 deze gemakkelijk in het doorgaande gat worden aangebracht.

Na het harden treedt geen volumekrimp op en de weerstandswaarde van het in het gat aangebrachte materiaal is zeer laag. Het in de genoemde octrooiaanvrage beschreven geleidende 8105784 -4- ♦ ·* materiaal kan dus in een meer-lagen-schakeling-plaat worden gebruikt en is bovendien vrij van het elektromigratiever-schijnsel, dat voor zilverpasta karakteristiek is. De boven beschreven geleidende pasta maakt daarom een zeer grote 5 variatie van gedrukte schakelpatronen mogelijk.

Het is echter moeilijk het geleidende materiaal, dat gallium bevat, gedurende een lange periode in de pasta-toestand te houden. Dit wordt op zekere hoogte toegelicht in het schema van figuur IA, waarin een smelt 1 van thallium 10 en tin (het eutectische metaal) gemengd wordt met een koper-tin-poeder 2, dat zich met het gallium zal legerèn onder vorming van het Ga-Sn-Cu-legering als geleidend materiaal in de pastatoestand. Na verloop van tijd ondergaat het in figuur IA weergegeven geleidende materiaal bij kamertempera-15 tuur een verandering, doordat het gallium met koper reageert onder vorming van intermetallieke gallium-koper-verbindingen (zoals Ga2Cu, GaCu2, enz.)/ die neerslaan. Als gevolg daarvan gaat de pasta-eigenschap geleidelijk verloren. Het wordt dan moeilijlc het geleidende materiaal als een bekleding of 20 vulling aan te brengen op de vereiste plaats, zodat de eigenschappen daarvan achteruitgaan. Wanneer de paste-eigen-schappen verloren is gegaan, is het moeilijk deze te herstellen en gaat veel waardevol materiaal verloren.

De onderhavige uitvinding verschaft nu een ver-25 beterde geleidende pasta, die geschikt is voor het gebruik bij een gedrukte schakeling-plaat. Volgens de uitvoeringsvorm van de uitvinding, die de voorkeur verdient, wordt een geleidende pasta bereid door een smelt van gallium te zamen mèt een metaalelement of legering te verschaffen, die met 30 gallium een eutectisch mengsel vormt, waarbij de hoeveelheid van de eutecticumvormer tenminste voldoende is om de oplosbaarhei dsgrans van het metaal in gallium bij een specifieke temperatuur te bereiken. De pasta bevat eveneens daarin gedispergeerd een metaalpoeder, dat zich met gallium legeert 35 onder vorming van een hoger smeltende legering, welk legerende metaal voorzien is van een oppervlaktebekleding van eutecticumvormend metaal.

De volgende beschrijving van de uitvinding zal 8105784 • I · -5- worden gegeven aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin

Figuren IA en 1B schematische beelden zijn van pasta-achtig geleidend materiaal op basis van gallium, die 5 gebruikt worden om de uitvoering toe te lichten;

Figuur 2 een schematisch beeld is van een geleidend materiaal, dat volgens de uitvinding is bereid;

Figuur 3 een soortgelijk beeld als figuur 2 is, waaruit de wijze blijkt, waarop de kern van het deeltjes 10 tijdens de harding reageert;

Figuur 4 een grafiek is, waaruit de oplosbaarheids-eigenschappen van verschillende eutecticumvormende metalen als funktie van temperatuur van vloeibaar gallium blijken;

Figuur 5 een grafiek is, waaruit het verband 15 tussen de samenstelling van de legering en de verwerkings-temperatuur blijkt;

Figuren 6A tot 6G fabrieksschema*s zijn, die toegepast worden om de bereiding van de geleidende materialen volgens de uitvinding toe te lichten; 20 Figuur 7 een grafiek is, waaruit het verband tus- « sen de samenstelling van de legering van een Ga-Sn-Cu-lege-ringsysteem en verschillende verwerkingstemperaturen blijkt;

Figuren 8A tot 8D vergrote beelden in dwarsdoorsnede zijn, waaruit de wijze blijkt, waarop het geleidende 25 materiaal volgens de uitvinding kan worden gebruikt bij vervaardiging van een gedrukte schakeling-plaat van het meer-lagen type;

Figuren 9, 10 en 11 beelden in dwarsdoorsnede zijn, die andere gedrukte schakeling-platen van het meerlagen 30 type weergeven, waarop de uitvinding kan worden toegepast;

Figuren 12 en 13 twee wijzen laten zien voor het vullen van het doorgaand gat van de gedrukte-schakeling-plaat uit het geleidende materiaal volgens, de uitvinding; en

Figuur 14 een beeld in dwarsdoorsnede op vergrote 35 schaal is van een verder voorbeeld van een gedrukte-schakeling-plaat van het meerlagen type, waarop de uitvinding kan worden toegepast-

Volgens de uitvinding wordt een geleidend materiaal 8105784 ____ -6- bereid door gesmolten gallium te mengen met een metaal, dat met gallium een eutectisch mengsel vormt, te zamen met een metaalpoeder, dat bestaat uit hetzij één enkel metaal hetzij een legering, dat resp. die zich met gallium kan legeren, 5 welk poeder met het eutecticumvdrmende metaal is bekleed.

Het eutectieumvormende metaal vormt zo een verzadigde oplossing in het gallium bij een tevoren bepaalde temperatuur, die lager is dan de onderstaand te beschrijven bewerkings-temperatuur of waarvan de hoeveelheid mogelijk groter kan 10 zijn dan de hoeveelheid voor het verzadigen van de oplossing. Dit geleidende materiaal bezit zodanige eigenschappen, dat het de pastatoestand daarvan behoudt bij de lagere temperatuur beneden de verwerkingstemperatuur, maar dat daarin een reaktie wordt teweeggebracht tijdens het verhittingsproces 15 op de verwerkingstemperatuur onder vorming van een legering, die in verloop van tijd wordt gehard. Het metaal, dat het eutecticum met gallium vormt, ondergaat in de in hoofdzaak uit gallium bestaande smelt in zodanige mate een smelten, dat deze verzadigd raakt, zodat de bekleding op het met 20 gallium te legeren metaalpceder niet verder in de gallium-smelt kan oplossen en de galliumsmelt niet met het legerende metaalpoeder in kontakt kan komen. Daardoor blijft de pastatoestand gedurende een lange tijd behouden. Indien het pastaachtige geleidende materiaal op een verhoogde verwerkings-25 temperatuur wordt verhit, zoals weergegeven in figuur 3, wordt de hoeveelheid eutecticumvormend metaal, dat in de smelt kan oplossen, verhoogd en gaat de metaallaag 12 op het oppervlak van het metaalpoeder 13 in de galliumsmelt in oplossing. Het metaalpoeder 13 gaat dan met gallium 30 reageren onder vorming van een intermetallieke verbinding 14, die geleidelijk uithardt.

Het metaal, dat met gallium een eutecticum vormt, kan een combinatie van één of meer van de metalen indium, tin, zink of bismuth zijn, en is bij voorkeur een legering, 35 zoals een indium-tin-legering. Als legeringvormend metaal kan één enkel metaal, zoals nikkel, cobalt, goud, koper en dergelijke, of legeringen daarvan, bijvoorbeeld een nikkel-koper-legering, ...een cobalt-legering, zoals een cobalt-tin- 8105784 -7- legering, een koper-legering, zoals een koper-tin-legering (die meer dan 60% koper bevat), een koper-zink-legering (die meer dan 60 gew.% koper bevat), een koper-beryllium-legering (die meer dan 98 gew.% koper bevat), en dergelijke, worden 5 gebruikt. Het is gewenst, dat de toegepaste metaalpoeders geen oxidehuid aan het oppervlak daarvan bezitten. Tin, zink en beryllium verdienen van de bovengenoemde legerénde stoffen in het bijzonder de voorkeur om de oxidatie van zuiver koperpoeder te vermijden. De korrelgroctte van de metaalpoeder 10 dient binnen het traject van ongeveer 0,5-500 μια te liggen en bedraagt bij voorkeur 1-100 ^im.

De hoeveelheid metaal, die met gesmolten gallium een eutecticum vormt, verschilt afhankelijk van het toegepaste type metaal, de verwerkingstemperatuur en dergelijke. In het 15 geval van een verwerkings temperatuur van 30°C bedraagt de verzadigingshoeveelheid bijvoorbeeld in het geval van tin ongeveer 10 gew.%, voor zink ongeveer 6 gew.% en voor indium ongeveer 20 gew.%. De hoeveelheid van het eutecticumvormende metaal, waarmee het oppervlak van het legerende metaalpoeder 20 is bedekt, is voldoende om tenminste het oppervlak daarvan te bedekken. De dikte van de eutecticumvormende metaallaag, waarmee een legerend metaalpoeder met een korrelgrootte van ongeveer 40 um kan zijn bedekt, bedraagt minder dan 5-6 um.

Indien de dikte meer bedraagt, wordt de hoeveelheid van het 25 met het gallium te legeren metaalpoeder kleiner dan de hoeveelheid, die noodzakelijk is om met al het gallium te reageren, zodat het materiaal niet hard wordt of uitgehard raakt.

Figuur 4 toont een grafiek, waaruit de hoeveelheid 30 eutecticumvormend metaal blijkt,, die bij verschillende verwerkings temperaturen in de galliumsmelt kan worden opgelost.

De kromme 4 heeft betrekking op het metaalindium, de kromme 5 op het metaal tin en de kromme 6 op het metaal zink. Uit de grafiek zal het duidelijk zijn, dat naar mate de verwer-35 kings temperatuur hoger is de hoeveelheid eutecticumvormend metaal, die in de galliumsmelt kan worden opgelost, in zeer aanzienlijke mate toeneemt.

Bij de bereiding van de geleidende pasta worden 8 1 0 5 7 84 ______ -8- vloeibaar gallium en vast eutecticumvormend metaal eerst afgewogen en vervolgens in een kroes verhit op een temperatuur boven het smeltpunt van het metaal, dat het eutecticum-mengsel met gallium vormt, en zo gesmolten. De op deze wijze 5 bereide smelt wordt tot een tevoren bepaalde temperatuur, zoals kamertemperatuur, afgekoeld en wordt vervolgens aan . de smelt een metaalpoeder toegevoegd, dat zich met gallium legeert en aan het oppervlak daarvan is bedekt met een bekleding van het bovenstaand gedefinieerde eutecticumvormende 10 metaal. Het legerende poeder wordt goed in de smelt gedisper-geerd en daarmee gemengd, bijvoorbeeld met behulp van een amalgammenger, een trilmolen en dergelijke voor het verschaffen van de gewenste geleidende pasta.

De mengverhouding van de bestanddelen gallium, ' 15 eutecticumvormer en legerend metaalpoeder verschilt afhankelijk van het type metaal, dat als eutecticumvormer wordt gebruikt, en de bedrijfstemperatuur, hetgeen kan worden bepaald onder toepassing van grafieken, zoals de in figuur 7 · weergegeven grafiek, die onderstaand nader zal worden be-20 schreven.

'Figuur 5 toont een grafiek, waaruit het verband tussen een gegeneraliseerde legeringssamenstelling en de verwerkingstemperatuur daarvan blijkt. In de grafiek van figuur 5 is de hoeveelheid gallium aangegeven als A, is het 25 metaal, dat met gallium het eutectische mengsel vormt, aangegeven als B, en is het metaalpoeder, dat aan het oppervlak daarvan met het eutecticumvormende metaal is bekleed en zich met het gallium legeert, aangeduid als C. Langs de abscis is de gewichtsverhouding —— van de smelt uitgezet en is

B (s) + C

30 langs de ordinaat de gewichtsverhouding — van de vaste bestanddelen voor de totale hoeveelheid van A, B en C uitgezet, waarbij B(s). de hoeveelheid van de geprecipiteerde kristallenvvan B is en C het voor het legeren toegevoerde metaalpoeder is. In de grafiek van figuur 5 geeft de kromme 35 I de minimale hoeveelheid C aan, die noodzakelijk is om met de component A te reageren. Krommen II geven het verband tussen de toegevoegde hoeveelheid B en de totale hoeveelheid van A + B, en de geprecipiteerde hoeveelheid (A^B ) 8105784 -9-

van de component B aan bij de betreffende verwerkingstemperaturen T °C, T^C enz. Kromme III geeft de optimale verhouding ^ Bis) + C

van het vaste stof gehalte &_+%+£— aan, hetgeen de Optimale zachtheid van de pasta bepaalt. Indien de hoeveelheid B 5 aangeduid wordt als x en de verwerkingstemperatuur T1°C is wordt dus de noodzakelijke minimale hoeveelheid C, de hoeveelheid, die in de grafiek als a is aangegeven, terwijl de geprecipiteerde hoeveelheid f van de component B aangeduid wordt als b en de hoeveelheid van de component C, die 10 noodzakelijk is voor het bereiken van een optimale pasta-toestand, aangeduid wordt als c. De toegevoegde hoeveelheid van de component C bezit dus de waarde a + c.

B

De verhouding kan worden verhoogd naar mate de verwerkingstemperatuur hoger is. Afhankelijk van de samen-15 stelling van de legering dient de verhouding meer dan ongeveer 20 gew.% te bedragen bij een verwerkingstemperatuur van 120°C, hetgeen een gewenste kritische verwerkingstemperatuur is. In het geval van tin dient de hoeveelheid minder dan 70 gew.% te bedragen en in het geval van indium dient deze 20 minder dan 90 gew.% te bedragen. Indien de hoeveelheid minder ψ • dan 20 gew.% bedraagt, wordt de rekbaarheid van de pasta na het harden gering en bezit het geleidende materiaal de neiging bros te worden.

De tcegevoegde hoeveelheid van de component C 25 is afhankelijk van de hoeveelheid van component B en de verwerkings temperatuur. Er dient een voldoende hoeveelheid te zamen met de component B aanwezig te zijn om de zachtheids-verhouding binnen het traject van 30-50 gew.% in te stellen bij de verwerkingstemperatuur. In het algemeen dient 30 de toegevoegde hoeveelheid van de component C meer dan 10 gew.% maar minder dan 50 gew.% te bedragen. Indien de toegevoegde hoeveelheid van de component C minder dan 10 gew.% bedraagt, blijft niet-omgezet gallium achter en wordt de pasta dus niet hard. Indien de toegevoegde hoeveelheid van 35 de component C meer dan 50 gew.% bedraagt, wordt de pasta-toestand niet bereikt en kan het geleidende materiaal dus niet op de juiste wijze worden aangebracht in een doorgaand gat.

8105784 -10-

De zachtheidsverhouding bedraagt bij voorkeur meer dan 30% maar minder dan 50% en is bij voorkeur ongeveer 40%. De gekozen verwerkingstemperaturern liggen binnen het traject van -10°C tot 120°C en bij voorkeur tussen 20°C en 5 80°C.

De mengtemperatuur van de drie componenten is afhankelijk van de samenstelling van de legering en de verwerkingstemperatuur en is in hoofdzaak afhankelijk van het toegepaste type van de component B. In figuur 7 is de 10 component B tin. De mengtemperatuur is zodanig, dat de gemengde componenten de vloeibare fase daarvan behouden en dient deze in het gebied te liggen onder de kromme I voor de optimale vaste toestand, zoals weergegeven in de grafiek van figuur 5.

15 Uit de volgende tabel blijken de gewenste meng- temperaturen in het geval tin als component B wordt gebruikt.

y.-1·5— 30% 40% · 50% 60%

Ga-rSn

Mengtemperatuur Boven ' Boven ' Boven Boven

20 · 30°C 50°C 80°C 120°C

Wanneer meer dan één component B wordt toegevoegd, wordt de mengtemperatuur vrij laag.

De werkwijze voor het bereiden van de geleidende 25 pasta volgens de uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van figuur 6, waarin de trappen zijn aangegeven, die toegepast worden bij het bereiden van een gallium-tin-koper-lege-ring volgens de uitvinding. Bij de eerste trappen, zoals weergegeven in figuren 6A en 6B worden vloeibaar gallium 21 30 en vast tin 22 afzonderlijk afgewogen voor het verschaffen van bijvoorbeeld 40 gew.delen gallium en 15 gew.delen tin en worden deze gemengd bij een temperatuur boven de smelt-temperatuur, 232°C, van tin. Nadat het mengsel verhit is om het te smelten, zoals weergegeven in figuur 6C, wordt de 35 vloeibare fase 11 afgekoeld met een tevoren bepaalde verwerkings temperatuur, zoals 30°C. Bij de verwerkingstempera-tuur van 30°C veroorzaakt het tin 22 in de smelt, dat de galliumsmelt verzadigd raakt en de overmaat tin neerslaat.

8105784 9 -11-

De smelt 11 wordt dan behandeld met bijvoorbeeld 50 gew.delen poedervormige koper-tin-legering 13, die aan het oppervlak daarvan bekleed is met een laag tin 12 met een dikte van ongeveer 3 pm voor het bereiden van een geleidend materiaal 5 23, zoals weergegeven in figuur 6E. In dit geleidende mate riaal 23 is het gallium met tin verzadigd en gaat de tin-bekleding 12 aan het oppervlak van het koper-tin-poeder 13 niet in oplossing. Het koper in het legerende poeder 13 reageert dus niet met het gallium en de pasta toes tand blijft 10 behouden.

Vervolgens wordt de pasta of het geleidende materiaal 23 op de gewenste plaats van de schakeling-plaat aangebracht, aan een thermische behandeling onderworpen en op een voldoend hoge temperatuur gehouden, bijvoorbeeld 15 gedurende één uur op 120°C, zodat de tinbekleding 12 op het oppervlak van het koper-tin-poeder in de smelt 11 in oplossing gaat en deze wordt gehard. Zoals weergegeven in figuur 6G wordt de tinbekleding 12 aan het oppervlak van het koper-tin-poeder tot smelten gebracht en wordt het koper in het 20 poeder 13 in de galliumsmelt gedispergeerd onder vorming van een legering bestaande uit diverse intermetallieke verbindingen met de algemene formule Ga Cu, bijvoorbeeld Ga„ • x y «

Cu, GaCu2 en dergelijke. De pasta 23 raakt in verloop van tijd gelegeerd en hard uit. Indien de hoeveelheid koper-tin-25 poeder op geschikte wijze is gekozen zijn na het harden in het geleidende materiaal 23, zoals weergegeven in figuur 6F^ een vaste fase 24, waarvan het hoofdbestanddeel tin is, een vaste fase 25, waarvan het hoofdbestanddeel gallium-koper is, en tinpoeder 26 van de aanvankelijke koper-tin-legering aan-30 wezig. Indien de hoeveelheid koper-tin-poeder 13 overmatig is zijn, zoals weergegeven in figuur 6F^ als mengsel de vaste fase 24, waarvan het hoofdbestanddeel tin is, een vaste fase 25, waarvan het hoofdbestanddeel gallium-koper is, en een koper-tin-poeder 27 aanwezig, dat niet tot omzetting is 35 gekomen. Indien een dergelijk materiaal wordt gehard, wordt vrijwel al het gemengde tin neergeslagen, wordt het koper, dat niet met het gallium heeft gereageerd, eveneens neergeslagen en zijn vrij brose gallium-koper-verbindingen aan- 8105784 _ -12- wezig.

Figuur 7 toont een grafiek, waaruit het verband tussen de samenstelling van een legering van gallium-tin-koper voor hetzelfde type systeem als weergegeven in figuur 5 5. Een dergelijke samenstelling kan een koperpoeder met een deeltjesgrootte van 40 jam in een hoeveelheid 90 gew.% bevatten, dat aan het oppervlak daarvan bekleed is met 10 gew.% tin tot een dikte van 1 jum. Volgens de legeringsgraad van . figuur 7 maakt, indien 80 gew.% tin en 20% gallium met elkaar 10 worden gemengd en-gesmolten bij bijvoorbeeld 235°C om daarna tot een verwerkingstemperatuur van 15G C te worden afgekoeld, het gekristalliseerde gedeelte b van tin 20 gew.% uit en bedraagt de minimèle noodzakelijke hoeveelheid koperpoeder a die met gallium reageert, 11 gew.%. De hoeveelheid c koper-15 poeder voor het instellen van de pasteuze toestand bedraagt 8 gew.%, zoals aangegeven door een streeplijn 30. Een totale concentratie van het koperpoeder van 19 gew.% is daarom noodzakelijk. De respectieve mengverhoudingen van de gallium-tin-koper-verbinding onder de bovenvermelde omstandigheden 20 worden zo verkregen. In de grafiek van figuur 7 wordt de • pasta in het gebied boven de lijn III voor de optimale pasta-toestand hard, terwijl de pasta in het gebied onder lijn III zacht wordt. Het zal echter duidelijk zijn, dat, indien de bovenvermelde samenstelling bij een temperatuur beneden 25 150°C wordt toegepast, de pasta hard wordt, maar dat indien de samenstelling bij een temperatuur boven 15Q°C wordt gebruikt, de pasta te zacht wordt en het vullen daarmee moeilijk wordt. De respectieve mengverhoudingen van gallium, het eutectische metaal en het legerende poeder kunnen in 30 het geval het eutectische metaal indium, zink of bismuth is, op basis van een betrekkingsgrafiek van de legeringsamenstelling en de verwerkingstemperatuur worden bepaald.

In figuur 8 is een voorbeeld van de uitvinding weergegeven, waarbij het geleidende materiaal van de onder-35 havige uitvinding gebruikt wordt voor het maken van een gedrukte schakeling-plaat van het neerlagen' type. Zoals weergegeven in figuur 8A, wordt een met koper bekleed laminaat 33 vervaardigd, dat bestaat uit een isolerende plaat 31 van bijvoorbeeld een fenolhars, een epoxyhars of een kera- ' 8105784 _____ -13- mis ch materiaal en dergelijke, en aan de boven en onder-oppervlakken van de plaat 31 gehechte koperfoelies 32 resp.

32*- De bovenste en onderste koperfoelies 32 en 32’ worden weggeetst voor het vormen van tevoren bepaalde bedradings-5 faktoren 38 en 38' aan beide oppervlakken van de plaat 31, zoals weergegeven in figuur 8B. Een doorgaand gat 34 wordt op een tevoren bepaalde plaats voor de plaat geboord, welk gat eveneens loopt door de bedradingspatronen 38 en 38', zoals weergegeven.'in figuur 8C. Daarna wordt een geleidend 10 materiaal in pastavorm, dat uit gallium, het eutecticum-vormende metaal en aan het oppervlak met het eutectische materiaal beklede metaalpoeder bestaat, in het doorgaande gat 34 gebracht. Vervolgens wordt het geleidende materiaal gelegeerd en gehard onder invloed van warmte voor het ver-15 schaffen van een geleider 39, die de beide bedradingspatronen 38 en 38* elektrisch met elkaar verbindt. Er wordt zo een gedrukte schakeling-plaat 40 van het meerlagen type verkregen, 'zoals weergegeven in figuur 8D.

Een verdere gemodificeerde uitvoeringsvorm van 20 de uitvinding is weergegeven figuur 12. In deze figuur is een plaat 31 weergegeven, die voorzien is van koperpatronen 38, 38*, een doorgaand gat 34 en resistlagen 50, die op de oppervlakken van de plaat 31 zijn aangebracht op de gebieden, waarop de patronen 38, 38* niet worden gevormd. Aan weers-25 zijden van de plaat bevindt zich een paar vaste afstrijk- organen 51. Wanneer de plaat 31 in de door de pijl aangegeven richting wordt bewogen wordt het doorlopende gat 34 met het geleidende pastamateriaal 23 gevuld. Het geleidende materiaal hecht niet aan de bekledingslaag van organisch materiaal, 30 waaruit de resist 50 bestaat, maar wordt wel als een bekleding aangebracht op de koperpatronen 38, 38* waardoor deze worden bevochtigd en wordt in het doorgaande gat 34 opgenomen.

Zoals weergegeven in figuur 13 kan de plaat 31, die voorzien is van koperpatronen 38,38' en een doorgaand 35 gat 34, aangebracht zijn als een hete plaat 52 en wordt een masker 55 bestaande uit een plaat van roestvrijstaal, vinyl-chloridehars en dergelijke met boringen 54, die zich boven het doorgaande gat 34 en een gedeelte van het koperpatroon 38, 8105784 -14- 38' bevinden boven één oppervlak van de plaat 31 bevestigd.

Het geleidende materiaal 23 wordt van bovenaf door het masker 55 toegevoerd met behulp van een rol 56, die bijvoorbeeld uit een siloxanrubber bestaat. Na het aanbrengen van 5 het geleidende materiaal 23 wordt het masker verwijderd en is het geleidende materiaal 23 in het doorgaande gat 34 aangebracht en hecht het niet aan andere gedeelten. Nadat het geleidende materiaal 23 in het doorgaande gat 34 is aangebracht, is het gewenst, dat de gedeelten van het geleidende 10 materiaal 23, die vanaf het doorgaande gat naar buiten uitsteken, indien noodzakelijk worden verwijderd en glad gemaakt. Na het vullen van het doorgaande gat 34 met het geleidende materiaal 23 wordt de pasta in verloop van tijd onder invloed van warmte gehard en verliest deze de pasta-15 achtige eigenschappen daarvan. Vastgesteld werd, dat nadat het geleidende materiaal 23 was aangebracht en gehard en de schakeling-plaat 40 gedurende 10 sec. werd ondergedompeld in een soldeerbad, waarvan de temperatuur van het soldeer 240°C bedroeg, geen verandering in het geharde geleidende 20 materiaal optrad. Na afloop van één behandelingscyclus werd de schakeling-plaat 40 gedurende 3 seconden ondergedompeld in polysiloxanolie op 260°C en daarna ondergedompeld in een 'trichloorethaanoplossing op 20°C, welke cyclus 10 malen werd herhaald, zonder dat een wijziging optrad van de weer-25 standswaarde over het doorgaande gat of de vorm van het geharde geleidende materiaal in dwarsdoorsnede. De weerstands-waarde over het doorgaande gat bedroeg 0,2 m.ohm, hetgeen overeenkomt met de weerstandswaarde van een met koper bekleed doorgaand gat.

30 Een met fenolhars geïmpregneerde papierplaat werd voorzien van twee doorgaande gaten op een afstand van 5 mm. Het boven beschreven geleidende materiaal werd in de twee doorgaande gaten aangebracht en daarna gehard. Daarna werd een gelijkstroomspanning van 100 V op elk van de gelei-35 ders in de twee*’doorgaande gaten aangelegd en gedurende 2000 uren in stand gehouden onder omstandigheden van een relatieve vochtigheid van 95% en een temperatuur van 40°C.

Na de bovenbeschreven proef werd geen elektromigratievex-s · 8105784 -15- schijnsel vastgesteld en was de isolerende eigenschap niet nadelig beinvloed.

Uit het bovenstaande is het duidelijk, dat de onderhavige uitvinding een produktiemethode verschaft, die 5 korter en minder kostbaar is dan andere bekende methoden voor het bekleden van doorgaande gaten en dergelijke. Bovendien treedt geen probleem van het afvoer van afvalwater op, omdat bij de uitvinding geen bekledingsproces vereist is.

Indien.de onderhavige uitvinding vergeleken 10 wordt met de zilvermethode voor het vullen van het doorgaande gat, waarbij zilverlak in het doorgaande gat wordt aangebracht, is de betrouwbaarheid van de onderhavige uitvinding op elk punt verbeterd. De weerstandswaarde van het materiaal volgens de uitvinding in het doorgaande is met een faktor 15 van 100 of meer verminderd ten opzichte van die bij de zilvermethode voor het vullen van het doorgaande gat, zodat de uitvinding een materiaal verschaft, dat goed is voor hoge frequentiekarakteristieken, geen elektromigratieverschijnsel vertoont en bij zeer verschillende schakelpatronen 20 kan worden toegepast, omdat de afzetting volgens de uitvinding geen zilver bevat.

Bovendien bevat het geleidende materiaal volgens de uitvinding geen vluchtige bestanddelen in de pasta, zodat geen krimp optreedt, wanneer de pasta uithardt.

25 Eveneens werd vastgesteld, dat het metaal, dat het eutectische mengsel met gallium vormt, grotendeels in de geleider aanwezig is en het gallium met het legerende metaal, zoals koper, reageert en hard wordt en dat brose intermetallieke gallium-koper-verbindingen gedispergeerd 30 worden in het metaal, dat het eutectische mengsel met gallium vormt waardoor hieraan pletbaarheid wordt verleend.

In het in figuur 8 weergegeven voorbeeld werd het geleidende materiaal aangebracht op een gedrukte schake-ling-plaat van het tweelagen type met bedradingspatronen 35 38 en 38' aan weerszijden van de plaat 31. Het geleidende materiaal volgens de uitvinding kan echter eveneens op een gedrukte schakeling-plaat van het meerlagen type worden aangebracht, zoals een gedrukte schakeling-plaat, die voor- 8105784 Γ ΐ -16- zien is van een bedradingspatroon 38 in vier lagen, zoals weergegeven in figuur 9. Eveneens kan het worden aangebracht op een schakeling-plaat van het enkelvoudige type, zoals weergegeven in figuur 10, dat bestaat uit een isolerende 5 plaat 60 met een eerste bedradingspatroon 38, een isolerende laag 61 en een tweede bedradingspatroon 38 dat 'daarna op de isolerende plaat 60 is gevormd. Volgens een andere toepassing, zoals weergegeven in figuur 11 bestaat een schakeling-plaat van het enkelvoudige type uit een harde isolerende plaat 62, 10 een eerste daarop gevormd bedradingspatroon 33 en een soepele schakeling-plaat 6 3, die bestaat uit een soepele isolerende plaat met een tweede bedradingspatroon 38, dat op het eerste bedradingspatroon 38 is gevormd.

Bij de gedrukte schakeling-platen van het meer-15 lagen type, zoals weergegeven in figuren 10 en 11 kan het aantal gelamineerde lagen meer dan drie bedragen. In dergelijke gevallen, zoals weergegeven in figuur 14 wordt de elektrische verbinding tussen de betreffende patronen verbeterd indien de afmetingen van de opening in de patronen 20 geleidelijk groter wordt, gemaakt vanaf het eerste patroon 38 naar de patronen 38' en 38", die op het eerste zijn gelamineerd en zich op een afstand van ongeveer 0,1-2 mm bevinden.

Verder is het mogelijk koperfoelies of soepele 25 platen op beide oppervlakken van de isolerende platen 60 en 62 bij de schakeling-platen van hèt enkelvoudige type aan te brengen, zoals weergegeven in figuren 10 en 11.

Bij de bovenstaande voorbeelden wordt het volgens de uitvinding bereide geleidende materiaal gebruikt als een 30 vulmateriaal voor het doorlopende gat van een gedrukte schakeling-plaat van het meerlagen type. Het materiaal van de uitvinding kan eveneens als een gewoon soldeermateriaal worden gebruikt en kan verder worden toegepast, indien de geleidende laag of draden in een gewenst patroon op een plaat 35 worden gevormd door bedrukken.

Daar het geleidende materiaal, dat de gallium-legering bevat, in een zodanige toestand verkeert, dat het metaalpoeder van de legering niet met het gallium in de 8105784 -17- smelt reageer, kan de pasta gedurende een lange periode In stand worden gehouden.

Het zal duidelijk zijn, dat velé modificaties en variaties door elke vakman kunnen worden aangebracht zonder 5 buiten, het kader van de nieuwe grondgedachten volgens de uitvinding te treden.

*

Claims

1. Geleidende pasta bestaande uit metalliek gallium in combinatie met een eerste metaal, dat met gallium een eutecticum vormt, welke metaal in een overmaat ten opzichte van de oplosbaarheidsgrens daarvan in gallium bij 5 een tevoren-,bepaalde temperatuur aanwezig is, in combinatie met een tweede metaalpoeder, dat zich met gallium kan legeren, welk poeder bekleed is met het eerste metaal.

2. Geleidende pasta volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het eerste metaal indium, tin, zink 10 of bismuth of een legering daarvan is.

3. Geleidende pasta volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tweede metaal koper, nikkel, cobalt, g©ud of een legering van een dergelijk metaal is'.

4. Geleidende pasta volgens conclusie 2, 15 met het kenmerk, dat deze ongeveer 10 gew.% tin bevat.

5. Geleidende pasta volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze ongeveer 6 gew.% zink bevat.

6. Geleidende pasta volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze ongeveer 20 gew.% indium bevat.

7. Geleidende pasta volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het metaalpoeder een deeltjesgrootte 'van 0,5-500 pm bezit.

8. Geleidende pasta volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het metaalpoeder een deeltjesgrootte 25 van ongeveer 10 tot 100 pm bezit.

9. Werkwijze ter bereiding van een geleidende samenstelling, met het kenmerk, dat men een gesmolten mengsel van gallium en. een eerste metaal bereid, dat een eutecticum met gallium vormt bij een temperatuur boven het smeltpunt 30 van het metaal, de verkregen sme'lt afkoelt tot een lagere temperatuur, aan de afgekoelde smelt een poeder toevoegt met een kern van een tweede metaal of legering, die in staat is zich met gallium te legeren onder vorming van een gallium-legering met een hoger smeltpunt dan gallium als zodanig, 35 en bekleétd is met het eerste metaal, en het verkregen mengsel roert om het poeder in de smelt te dispergeren.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het eerste metaal indium, tin, zink of bismuth omvat. 8105784