PL181590B1 - Sposób wytwarzania struktur elektroprzewodzacych PL - Google Patents

Abstract

1 . Sposób wytwarzania struktur elektroprzewodzacych, znamienny tym, ze nanosi sie na podloze material klejacy, nanosi sie elektroprzewodzaca paste metalowa, zawierajaca co najmniej 85% wagowych proszku metalowego i niewielka ilosc pomocniczych srodków organicznych, wy- branych sposród lotnych zwiazków organicznych, pomocniczych srodków odtleniajacych, substancji aktywujacych proszek metalowy i dodatków regulujacych lepkosc, przy czym stosuje sie paste meta- lowa, zawierajaca co najmniej jeden proszek metalu o dobrej przewodnosci elektrycznej, wybrany z grupy zawierajacej zloto, srebro, miedz i ich stopy, i co najmniej jeden proszek metalu o temperaturze topnienia nizszej od temperatury topnienia metalu o dobrej przewodnosci elektrycznej, wybranego z grupy zawierajacej cyne, ind i ich stopy, a proszku metali dobiera sie w ilosciach tworzacych podczas ogrzewania faze miedzymetaliczna w temperaturze topnienia, która jest wyzsza od temperatury top- nienia metali wyjsciowych, przy czym stosuje sie pomocnicze srodki organiczne lotne w wiekszej cze- sci zakresu temperatury dla tworzenia fazy miedzymetalicznej na naniesionym materiale klejacym i ogrzewa sie tak otrzymany uklad w temperaturze, w której proszki metalowe tworza faze miedzyme- taliczna o temperaturze topnienia wyzszej od temperatury topnienia materialów wyjsciowych. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania struktur elektroprzewodzących.

Znany jest sposób wytwarzania podzespołów elektronicznych lub obwodów drukowanych, który wymaga łączenia metalowych powierzchni górnych z przyłączanymi mechanicznie

181 590 i elektrycznie elementami metalowymi. Płytki z przewodami wytwarza się zwykle metodą galwaniczną, przy czym ścieżki przewodzące albo nanosi się albo wytrawia się. Znane sposoby stwarzają niebezpieczeństwo zanieczyszczenia środowiska i konieczność zawracania do obiegu płynów galwanicznych. Wytwarzane płytki z przewodami służąjako podłoże dla podzespołów elektronicznych, które przyłącza się.

Znane sąkleje elektroprzewodzące do przyłączania podzespołów elektronicznych do podłoża, które w przeciwieństwie do lutów miękkich umożliwiaj ą stosowanie niższych temperatur roboczych. Kleje przewodzące to albo fizyczne mieszanki materiałów elektroprzewodzących, na przykład proszków metalowych z żywicą polimerowąjako matrycą, albo tworzywa sztuczne elektroprzewodzące. Dla uzyskania dobrej przyczepności do podłoża, takie kleje elektroprzewodzące mają dużą zawartość żywic polimerowych. Z drugiej strony dla uzyskania dobrej przewodności elektrycznej wymagane jest zastosowanie dużej zawartości materiałów przewodzących. Przyczepność do podłoża i przewodność elektryczna są więc przeciwstawnymi wymaganiami.

Znane są również kleje elektroprzewodzące, w których przewodność jest zapewniona dzięki reakcji metalurgicznej różnych metali i tworzeniu połączeń międzymetalicznych. Również tutaj wymaga się zastosowania domieszki organicznej matrycy polimerowej.

Znany jest z europejskiego opisu patentowego nr 0 414 363 sposób wytwarzania połączeń obwodowych elektroprzewodzących, w którym materiał klejący, zawierający rozpuszczalnik nanosi się w wybranym wzorze na podłoże, stosując technikę naciskową. Następnie dodaje się proszek metalowy, który przylega do miejsc pokrytych klejem. Po usunięciu nie przylegającego proszku poprzez ogrzewanie i topienie metali, wytwarza się przewodzące płytki z przewodami zgodnie ze wzorcem naniesionego materiału klejącego. Jako składniki proszku metalowego stosuje się na przykład cynę, ołów, bizmut, ind, antymon i srebro. Do usuwania nadmiaru proszku z płytki z przewodami stosuje się maszynę wibracyjną lub dmuchawę.

Znany jest z opisu patentowego USA nr 3 800 020 sposób wytwarzania wzorca płytki z przewodami, w którym proszek metalowy nanosi się na materiał termoplastyczny Materiał termoplastyczny i proszek metalowy topi się następnie we właściwym wzorcu poprzez dociśnięcie i ogrzewanie stempla odwzorowującego żądany wzorzec płytek z przewodami, przez co wytwarza się płytki z przewodami o żądanym układzie. Pozostałości nie stopionego proszku również usuwa się, na przykład poprzez wibracje lub odsysanie.

Znany jest z japońskiego opisu patentowego nr 551 60072 elektroprzewodzący materiał klejący, który wytwarza się przez zmieszanie proszku miedzi z proszkiem lutowniczym o wymiarze cząstek < 10 pm, który stanowi stop Sn, Bi, Cd, In itd. Tę mieszaninę miesza się z żywicą termoutwardzalną, taką jak żywica epoksydowa lub fenolowa, aktywatorem, takim jak kwas abietynowy lub żywica aminowa, i rozpuszczalnikiem, takimjak cykloheksanol. Proszek miedzi i proszek lutowniczy rozprasza się drobno w żywicy i nie jest wytwarzana warstwowa struktura elektroprzewodząca.

Znany jest z opisu patentowego USA nr 5 376 403 sposób wytwarzania obwodów drukowanych. W tym celu kompozycję tuszu przewodzącego nanosi się na podłoże w wymaganym wzorze w celu otrzymania wzorzystego podłoża. Stosuje się kompozycję tuszu przewodzącego, zawieraj ącąproszek lutowniczy, proszek metalu o wysokiej temperaturze topnienia i mieszaninę czynnika usieciowanego, zawierającą czynnik usieciowany zabezpieczony chemicznie, o własnościach upłynniania. Następnie wzorzyste podłoże ogrzewa się do temperatury równej lub bliskiej temperatury topnienia proszku lutowniczego przez okres czasu wystarczający do aktywacji czynnika usieciowanego zabezpieczonego chemicznie, w wyniku czego wywołuje się reakcję czynnika usieciowanego zabezpieczonego chemicznie z proszkiem metalu o Wysokiej temperaturze topnienia. W końcu wzorzyste podłoże ogrzewa się do temperatury i przez okres czasu, które wystarczajądo utwardzenia kompozycji. W tym sposobie otrzymuje się strukturę elektroprzewodzącą, w której metal rozprasza się drobno w polimerze i nie otrzymuje się struktury warstwowej.

181 590

Znane jest z opisu patentowego USA nr 3 569 607 urządzenie zawierające łącznik nadający się do lutowania miękkiego, zamocowany do przewodzącej końcówki na powierzchni zewnętrznej korpusu. Łącznik zawiera gniazdo w kształcie czaszy, mające wnętrze ogniotrwałe, nadające się do lutowania, o ograniczonej reaktywności z lutem i część zewnętrzną słabo zwilżalnąlutem i elementy łączące tę czaszę z końcówkąprzewodzącą. Te elementy mają temperaturę topnienia wyższą od temperatury topienia kompozycji lutowniczej, przeznaczonej do zastosowania we wnętrzu gniazda. Połączenie pomiędzy gniazdami lutu i łącznikami z końcówkami przewodzącymi jest wykonane bez zastosowania materiału klejącego i nie jest wytwarzana struktura warstwowa zawierająca warstwę materiału klejącego i warstwę metalu przewodzącego elektrycznie.

Sposób według wynalazku polega na tym, że nanosi się na podłoże materiał klej ący, nanosi się elektroprzewodzącąpastę metalową, zawierającą co najmniej 85% wagowych proszku metalowego i niewielką ilość pomocniczych środków organicznych, wybranych spośród lotnych związków organicznych, pomocniczych środków odtleniających, substancji aktywujących proszek metalowy i dodatków regulujących lepkość. Stosuje się pastę metalową, zawierającą co najmniej jeden proszek metalu o dobrej przewodności elektrycznej, wybrany z grupy zawierającej złoto, srebro, miedź i ich stopy, i co najmniej jeden proszek metalu o temperaturze topnienia niższej od temperatury topnienia metalu o dobrej przewodności elektrycznej, wybranego z grupy zawierającej cynę, ind i ich stopy. Proszki metali dobiera się w ilościach tworzących podczas ogrzewania fazę międzymetaliczną w temperaturze topnienia, która jest wyższa od temperatury topnienia metali wyjściowych, przy czym stosuje się pomocnicze środki organiczne lotne w większej części zakresu temperatury dla tworzenia fazy międzymetalicznej na naniesionym materiale klejącym i ogrzewa się tak otrzymany układ w temperaturze, w której proszki metalowe tworzą fazę międzymetaliczną o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia materiałów wyjściowych.

Korzystnie materiał klejący nanosi się w postaci wzoru wytwarzanego układu.

Korzystnie wzór układu z materiału klejącego i pasty metalowej wyposaża się przed ogrzaniem w składniki elektryczne lub elektroniczne, dla wytwarzania kompletnego układu.

Korzystnie naniesiony materiał klejący przed nałożeniem pasty metalowej poddaje się obróbce cieplnej prowadzonej w warunkach, w których materiał klejący nie ulega lub ulega całkowicie podczas procesu utwardzaniu.

Korzystnie nanoszenie materiału klejącego i pasty metalowej prowadzi się za pomocą urządzenia dozującego, metodą druku sitowego lub dowolną inną metodą drukowania.

Korzystnie jako podłoże stosuje się płaską podstawę układu.

Korzystnie jako materiał klejący stosuje się materiał nieorganiczny lub organiczny.

Korzystnie jako materiał organiczny stosuje się żywicę termoplastyczną.

Korzystnie jako materiał organiczny stosuje się utwardz.alna żywicę organiczną.

Korzystnie jako żywicę utwardzalną stosuje się klej jedno- lub dwuskładnikowy na bazie żywicy epoksydowej.

Korzystnie stosuje się pastę metalową, zawierającą mieszaninę proszku miedzi i proszku stopu 62Sn36Pb2Ag o stosunku wagowym od 4:1 do 1:1.

Korzystnie stosuje się proszek metalowy o średnim wymiarze cząstek 1-100 pm, korzystnie 20-30 pm.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie sposobu wytwarzania struktur elektroprzewodzących, w których uzyskuje się bardzo dobrą przyczepność do podłoży, dobrą przewodność elektryczną i możliwość lutowania uzyskanych struktur i obwodów'. Wynalazek umożliwia wytworzenie w prosty sposób obwodów drukowanych. W przeciwieństwie do znanych sposobów, w sposobie według wynalazku do wytwarzania struktur elektroprzewodzących stosuje się pasty metalowe elektroprzewodzące i zawierające tylko niewielką ilość organicznych substancji pomocniczych, w których proszki metalowe są tak dobrane, że przy ogrzewaniu tworzą fazę międzymetaliczną. Wymaganą przyczepność takich past metalowych do podłoży uzyskuje się dzięki materiałowi klejącemu, który nanosi się uprzednio na podłoże.

181 590

Materiałem klejącymjest materiał nieorganiczny lub organiczny. Kleje nieorganiczne i organiczne są wybierane na przykład w zależności od zastosowanych materiałów podłoża. Kleje nieorganiczne są na przykład klejami na bazie mineralnej, jak baza krzemiankowa, lub materiałami nieorganicznymi utwardzanymi hydraulicznie. Jako kleje na .bazie organicznej stosuje się na przykład żywice termoplastyczne, w szczególności żywice o wyższych temperaturach mięknienia lub topnienia. Szczególnie korzystne są utwardzalne żywice organiczne, przy czym utwardzanie następuje albo termicznie albo poprzez promieniowanie.

Materiał klejący nie zawiera zwykle żadnych składników metalowych i nie wykazuje przewodności elektrycznej, a jego zadaniem jest wejście w trwałe, termostabilne połączenie z podłożem i umożliwienie przylegania drugiego składnika, czyli pasty metalowej elektroprzewodzącej. Jako materiał klejący stosuje się kleje jedno- oraz dwuskładnikowe na bazie żywicy epoksydowej, żywicy poliuretanowej, żywicy melaminowo-formaldehydowej, żywicy kopolimerowej chlorku winylidenu i octanu winylu lub materiały znane jako lakiery zatrzymujące lut. Szczególnie korzystne są kleje dwuskładnikowe na bazie żywicy epoksydowej. Wybór kleju zależy od własności przylegania zastosowanego podłoża, jak podłoże obwodu, oraz wymaganej elastyczności.

Pasta metalowa zawiera korzystnie co najmniej jeden proszek metalu o dobrej przewodności elektrycznej, korzystnie z grupy zawierającej złoto, srebro, miedź i ich stopy oraz co najmniej jeden proszek metalu o niższej temperaturze topnienia niż temperatura topnienia metalu o dobrej przewodności elektrycznej, korzystnie z grupy zawierającej cynę, ind i ich stopy, przy czym stopy są na przykład z ołowiem i/lub antymonem i/lub cynkiem, jak stop cynowo-ołowiowy, stop cynowo-antymonowy albo stop cynowo-antymonowo-ołowiowy. Wymaga się, aby proszki metalowe o różnych temperaturach topnienia przy ogrzewaniu dla tworzenia fazy międzymetalicznej wchodziły w reakcję metalurgiczną. Stosowane są także dodatkowe proszki metali z grupy zawierającej nikiel, german, tytan, żelazo i również inne składniki stopów, znane jako materiały rozdrabniające. Szczególnie korzystna jest pasta metalowa, która zawiera mieszankę proszku miedzi i proszku stopu lutowniczego 62Sn36Pb2Ag w stosunku wagowym od 4:1 do 1:1.

Proszki metalowe pasty metalowej mają śre dnią wielkość cząstek 1-100 pm, korzy sinic 10-50 pm, a najkorzystniej 20-30 pm.

Zawartość proszku metalowego w paście metalowej jest tak duża, jak tojest możliwe i wynosi co najmniej 85% wagowych, korzystnie co najmniej 90% wagowych. Przy zawartości proszku metalowego większej niż 95% wagowych, posługiwanie się pastą metalową stwarza jednak trudności.

Jako organiczne substancje pomocnicze, pasta metalowa zawiera na przykład lotne związki organiczne, jak rozpuszczalniki, na przykład diole, glikole, glikoeter i ester kwasu dwukarboksylowego, pomocnicze substancje odtleniające, substancje aktywujące proszek metalowy, jak kwasy karboksylowe i aminy oraz dodatki regulujące lepkość, jak długołańcuchowe amidy kwasowe lub parafina. Korzystne sązwiązki aminowe, które sąlotne w wybranych temperaturach reakcji metalurgicznej. Ponadto mogą być stosowane koaktywatory z grupy nielotnych kwasów karboksylowych i amin oraz związki odłączające chlorowce w temperaturze stosowanej do tworzenia fazy międzymetalicznej. Wybór tych organicznych substancji pomocniczych zależy na przykład od wybranego sposobu nanoszenia pasty metalowej. Ponadto można wprowadzić do past metalowych małe ilości substancji zagęszczających, substancji wiążących, żywic naturalnych, jak kalafonia i pochodne kalafonii. Korzystna pasta metalowa składa się na przykład z 90% wagowych proszku metalowego i 10% organicznych substancji pomocniczych.

W sposobie według wynalazku nanosi się materiał klejący na podłoże, nanosi się pastę metalowąna klej i ogrzewa się pastę metalowąlub uzyskany tak układ w temperaturze, w której proszki metalowe tworzą fazę międzymetaliczną.

Materiał klejący nanoszony na podłoże przed naniesieniem pasty metalowej poddaje się obróbce cieplnej, która jest tak dobrana, aby nie nastąpiło utwardzenie materiału klejącego.

W tym celu korzystne jest uprzednie przewietrzenie materiału klejącego w temperaturze otoczenia przez dany czas, aby w razie potrzeby odparować rozpuszczalnik. Później następuje obróbka

181 590 cieplna, korzystnie w temperaturze 80°C przez 20 minut, w warunkach laboratoryjnych. Uzyskuje się przy tym suchą, dającą się łatwo obrabiać powierzchnię materiału klejącego.

Na wysuszoną powierzchnię materiału klejącego nanosi się opisaną powyżej pastę metalową. Nanoszenie materiału klejącego prowadzi się przy pomocy urządzenia dozującego, metodą druku sitowego lub inna metodą drukowania.

W końcu dla utworzenia przewodzącej struktury łączącej, na przykład struktury obwodu, podgrzewa się metalowąpastę. Organiczne substancje pomocnicze odparowująprzy tym w bardzo dużym stopniu i cząstki metalowe łączą się ze sobą lutem miękkim, przy czym tworzą się fazy międzymetaliczne. Ponieważ organiczne substancje pomocnicze są lotne w danej temperaturze roboczej, nie pozostają żadne składniki zakłócające. Przyleganie do niemetalowych podłoży past metalowych jest zapewnione dzięki naniesionemu wcześniej materiałowi klejącemu, który ma skład właściwy dla danego zastosowania albo dla zastosowanej temperatury ogrzewania. Przy obróbce cieplnej proszki metalowe nie powinny tworzyć ciekłego stopu, ponieważ w takim przypadku, z powodu naprężenia powierzchniowego ciekłego stopu, utworzyłyby się oddzielne, małe kulki metalowe.

Obróbkę cieplną prowadzi się w urządzeniach stosowanych w technice lutowania, na przykład w tak zwanym piecu ponownego obiegu, korzystnie w atmosferze gazowego azotu. Stosuje się także wprowadzenie do atmosfery gazowej aktywatorów dla proszków metalowych, korzystnie kwasu mrówkowego. Z drugiej strony takie aktywatory mogą być również zawarte w paście metalowej.

W wyniku uzyskuje się warstwę, która składa się z utwardzonego całkowicie materiału klej ącego oraz znaj duj ącej się na nim warstwy metalowej, pozbawionej w dużym stopniu domieszek organicznych. Tę warstwę metalową można lutować. W przeciwieństwie do tego, struktur uzyskanych za pomocą znanych klejów przewodzących z reguły nie można lutować z powodu wewnętrznego zmieszania metalu i matrycy polimerowej.

Dzięki utworzeniu faz międzymetalicznych podwyższa się ponowną temperaturę topnienia metali, więc wysoka temperatura ponownego topnienia umożliwia późniejsze procesy lutowania. Możliwe jest wytwarzanie struktur elektroprzewodzących, jak obwody, na izolowanych tworzywach podłoża, przy czym jako podłoża stosuje się bez trudności wszystkie rodzaje podłoża, w szczególności płytki z przewodami, elastyczne płytki z przewodami, spiekane tlenki glinu lub eloksalowane płytki aluminiowe. Można dopasować materiały klejące albo układy przylegania do danych materiałów podłoży. Dzięki odpowiedniemu wyborowi składników metalurgicznych wytwarza się płaskie albo trójwymiarowe struktury elektroprzewodzące, które można przetwarzać dalej w późniejszych etapach przyłączania podzespołów elektronicznych, takich jak etap lutowania.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania struktur elektroprzewodzących, znamienny tym, że nanosi się na podłoże materiał klejący, nanosi się elektroprzewodzącą pastę metalową, zawierającą co najmniej 85% wagowych proszku metalowego i niewielką ilość pomocniczych środków organicznych, wybranych spośród lotnych związków organicznych, pomocniczych środków odtleniąjących, substancji aktywujących proszek metalowy i dodatków regulujących lepkość, przy czym stosuje się pastę metalową, zawierającą co najmniej jeden proszek metalu o dobrej przewodności elektrycznej, wybrany z grupy zawierającej złoto, srebro, miedź i ich stopy, i co najmniej jeden proszek metalu o temperaturze topnienia niższej od temperatury topnienia metalu o dobrej przewodności elektrycznej, wybranego z grupy zawierającej cynę, ind i ich stopy, a proszku metali dobiera się w ilościach tworzących podczas ogrzewania fazę międzymetaliczną w temperaturze topnienia, która jest wyższa od temperatury topnienia metali wyjściowych, przy czym stosuje się pomocnicze środki organiczne lotne w większej części zakresu temperatury dla tworzenia fazy międzymetalicznej na naniesionym materiale klejącym i ogrzewa się tak otrzymany układ w temperaturze, w której proszki metalowe tworzą fazę międzymetaliczną o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia materiałów wyjściowych.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał klejący nanosi się w postaci wzoru wytwarzanego układu.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wzór układu z materiału klejącego i pasty metalowej wyposaża się przed ogrzaniem w składniki elektryczne lub elektroniczne, dla wytwarzania kompletnego układu.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że naniesiony materiał klejący przed nałożeniem pasty metalowej poddaje się obróbce cieplnej prowadzonej w warunkach, w których materiał klejący nie ulega lub nie ulega całkowicie procesowi utwardzania.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że nanoszenie materiału klej ącego i pasty metalowej prowadzi się za pomocą urządzenia dozującego, metodą druku sitowego lub dowolną inną metodą drukowania.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako podłoże stosuje się płaską podstawę układu.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako materiał klejący stosuje się materiał nieorganiczny lub organiczny'.
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako materiał organiczny stosuje się żywicę termoplastyczną
9. 9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako materiał organiczny stosuje się utwardzalną żywicę organiczną
10. 10. Sposób według zastrz. 9 znamienny tym, że jako żywicę utwardzalną stosuje się klej jedno- lub dwuskładnikowy na bazie żywicy epoksydowej.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że stosuje się pastę metalową, zawierającą mieszaninę proszku miedzi i proszku stopu 62Sn3 6Pb2Ag o stosunku wagowym od 4:1 do 1:1.
12. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosuje się proszek metalowy o średnim wymiarze cząstek 1-100 pm, korzystnie 20-30 pm.