TWI424542B - 鈍化金屬核基層及用於準備鈍化金屬核基層之方法 - Google Patents

Description

鈍化金屬核基層及用於準備鈍化金屬核基層之方法

本發明係關於電子電路總成，且特定而言，係關於包含金屬核心基板之電路總成，及其製造。

微電子電路封裝被製備成各種大小。一個封裝級包含含有多個微電路及/或其他組件之半導體晶片。此等晶片通常係由半導體(諸如矽等)製成。包括多層基板之中間封裝級(即「晶片載體」)可包含複數個晶片。同樣地，此等中間封裝級可被附接至更大型電路卡、母板等。中間封裝級在總電路總成中提供多個目的，包含：結構支撐、較小型電路至較大型板之轉變整合、及消散來自電路組件之熱。習知中間封裝級中所使用之基板已包含各種材料，例如，陶瓷、玻璃纖維增強聚環氧化物、及聚醯亞胺。

為了使上述基板具有足够的剛度，此等基板通常必須在超過100微米之厚度下使用，以對於電路總成提供結構支撐。再者，上述基板之熱膨脹係數通常極不同具有與附接於其上之微電子晶片之熱膨脹係數。因而，該電路總成在重複使用之後故障係歸因於該電路總成之該等層之間的接合處故障所致之風險。

將期望提供一種克服先前技術之缺點具有改良的熱屬性與結構屬性之薄電路總成。

在一第一態樣中，本發明提供一種基板，其包括：一鐵鎳合金核心；在該核心之至少一部分上之一鉻轉化塗層；及在該鉻轉化塗層上之一絕緣塗層。

在另一態樣中，本發明提供一種製造一基板之方法，其包括：提供一鐵鎳合金核心；施加一層六價或三價鉻轉化塗層於該核心之至少一部分上；及施加一絕緣塗層於該鉻轉化塗層上。

在一第一態樣中，本發明係關於具有一金屬核心之基板，可使用一有機絕緣材料塗布該金屬核心。該等基板可被用於電子電路封裝。

圖1係可被用於本發明之一態樣之一基板核心10之一平面圖。圖2係沿線2-2所取之圖1之該基板核心之一截面視圖。在此實例中，該核心包含一大體上平坦的金屬合金片，其可或可不包含孔或通孔，諸如12與14。

在一些實施例中，該基板核心可具有約10微米至400微米，或特定而言約20微米至200微米之厚度。在特定實例中，該核心可具有約10微米、約20微米、或約30微米之最小厚度。該等孔可具有一致的大小與形狀。當該等孔為圓形，該等孔之直徑可係小至約4密耳(101.6微米)。該等孔根據需要可係更大或更小，根據規定，該等孔應足够大以容納在後續加工中所施加之所有層，而沒有變成阻塞。

在一實例中，該金屬核心可係一鐵鎳合金，諸如INVAR(商標歸地址在168 Rue de Rivoli,Paris,France之Imphy S. A.所擁有)，包括約64重量百分比的鐵與36重量百分比的鎳。與製造電子裝置(例如，晶片)所使用之矽材料的熱膨脹係數相比，此合金具有一較低的熱膨脹係數。此屬性係合意的，以防止在一晶片級封裝之連續的較大或較小型層之間之黏著的接合處因儲存或正常使用中的熱循環而發生故障。

在先前已知之包含一INVAR核心的基板中，一銅金屬層已被施加於該INVAR之所有表面，以提供增加的傳導性。該銅層通常可具有自1微米至20微米之厚度。然而，將期望具有不包含一銅塗層之INVAR核心的基板。

使用一無塗層的INVAR核心，該鐵鎳核心之表面上之不期望的化學變化可導致腐蝕產物的形成。在升高的溫度中，可加速此等化學變化。例如，甚至在標準環境壓力下於腐蝕測試2週之後沒有形成腐蝕產物時，在IPC-TM-650協定中闡明於蒸壓測試條件下24小時內可在一鐵鎳合金核心上形成腐蝕產物。將期望最小化在該鐵鎳合金核心上形成腐蝕產物。

在另一實例中，核心材料為KOVAR(Carpenter Technology Corporation之商標)；約54%鐵、29%鎳及17%鈷之合金。KOVAR係一鎳鈷鐵合金，其經設計以具有與電路總成中所使用之其他材料相容的熱膨脹係數。

在一態樣中，本發明使用鉻轉化處理以鈍化一鐵鎳合金基板，接著，使用一介電材料塗層塗布該鐵鎳合金基板。該鉻轉化處理係作為一鈍化劑使用，以防止在蒸壓測試中常見之高壓/高溫潮濕之環境下可發生的腐蝕。

圖3係具有施加於該核心之表面之一鈍化塗層16之圖1之該基板核心之一平面圖。圖4係沿線4-4所取之圖3之該基板核心之一截面視圖。

在一態樣中，本發明對INVAR或KOVAR核心基板提供用作鈍化劑之三價或六價鉻之方法與裝置，其可通過IPC-TM-650協定所要求之黏著剝離測試。IPC-TM-650協定規定96個小時的蒸壓測試。

在以下實例中已將鉻轉化鈍化處理施加於INVAR與KOVAR金屬核心。

實例1

在一Alodine程序中使用以下步驟預處理INVAR與KOVAR基板核心。

1)Ridolene 298清潔器：130℉；120秒；浸漬連同攪動

2)浸漬龍頭沖洗：周圍環境；60秒；連同攪動

3)噴射龍頭沖洗(水瓶)

4)DeOx 6/16混合：周圍環境；150秒；不攪動

5)浸漬龍頭沖洗：周圍環境；60秒；連同攪動

6)噴射自來水沖洗(水瓶)

7a)Alodine 1000：周圍環境；300秒；不攪動

7b)Alodine 1200S：周圍環境；150秒；不攪動

7c)Alodine 1600：周圍環境；300秒；不攪動

8)浸漬DIW沖洗：周圍環境；60秒；連同攪動

9)最終噴射沖洗DIW(水瓶)

步驟7a)、7b)及7c)係選用之替代步驟。如果被使用，一特定的實例僅使用此等步驟中之一者。

實例2

在一Metalast程序中使用以下步驟預處理INVAR與KOVAR基板核心。

1)Metalast 1000清潔器：120℉；120秒；浸漬連同攪動

2)浸漬DIW沖洗：周圍環境；60秒；連同攪動

3)噴射DIW沖洗(水瓶)

4)DeOx LNC：周圍環境；180秒；不攪動

5)浸漬DIW沖洗：周圍環境；60秒；連同攪動

6)噴射DIW沖洗(水瓶)

7)Metalast TCP：周圍環境；300秒；不攪動

8)浸漬DIW沖洗：周圍環境；60秒；連同攪動

9)最終噴射沖洗DIW(水瓶)

在實例1與2中，所有的去氧劑預處理都係在室溫下施加。在130℉下經由浸漬施加清潔器Ridolene 298達2分鐘。Ridolene 298可自Henkel Corporation購得。在120℉下經由浸漬施加Metalast 1000清潔器2分鐘。Metalast 1000可自Metalast International,Inc.購得。

DeOx 6/16係可自Henkel Corporation購得之去氧處理。DeOx 6/16用作酸蝕刻溶液。藉由控制酸氟化物濃度及/或酸蝕刻被施加至核心之時間可控制蝕刻率。表格1顯示藉由控制其暴露於酸蝕刻溶液中之時間可如何控制Invar核心厚度之實例。

DeOx LNC係自Oakite購得之水性去氧劑。

六價鉻與三價鉻處理兩者可被用於鈍化金屬表面。反應機制係不同的，六價鉻在與基板(基板被氧化)的電解反應中被還原為三價鉻。三價鉻處理可經由置換作用(與金屬表面交換陰離子)將其鉻沈積至表面。在兩種情況中，最終產物可含有不能溶解的鉻(III)氧化物，其作為鈍化層。在兩種情況中，該等處理通常被稱為鉻轉化塗布。

Alodine 1000、1200S及1600係可自Henkel Corporation購得之鉻轉化處理。Alodine 1000、1200S及1600用作鈍化溶液。Metalast TCP-HF係可自Metalast International,Inc購得之水性三價鉻預處理。

圖5係具有施加至鈍化塗層之一絕緣塗層之圖3之該基板之一平面圖。圖6係沿線6-6所取之圖5之該基板之一截面視圖。絕緣材料之第一層18與第二層20被定位在該核心之相對側(或表面)22、24上。額外絕緣26與28可被沈積在開口14與16之壁上。

以下實例闡釋電沈積塗層之製備及其在基板核心之塗層鈍化部中之使用。

實例I

以下實例描述在如下所述之可電沈積之塗覆浴(Coating Bath)中所使用之陽離子黏著劑之合成。該黏著劑係由以下成份製備：

MAZON 1651、EPON 880、四溴雙酚A及TETRONIC 150R1在氮氣層下被裝入具有攪拌器、溫度探測器、及迪安-斯達克榻分水器之4頸圓底燒瓶中。該混合物被加熱至70℃之溫度，且被攪拌15分鐘。然後移除熱源，並添加氨基丙基二乙醇胺及二乙醇胺。在約10分鐘之後，反應混合物放熱至最高溫度176℃。允許反應物在1小時之內冷却至135℃之溫度，添加2-乙二醇單丁醚，且混合物進一步冷却至125℃。接著，自放熱曲線峰值混合物保持在125℃達兩個小時。添加EPON 880與交聯劑之第二裝填量，並在125℃下攪拌溶液2.5小時。反應混合物(3428份)在強力攪動下被注入溶於去離子水(1287份)之氨基磺酸(49.5份)溶液中。在一小時攪動之後，慢慢地添加額外量之去離子水(3970份)，產生具有30.2%不揮發物含量之分散劑。

實例II

此實例顯示以下所顯示之微凝膠實例之合成中所使用的未成膠陽離子皂的製備。該陽離子皂係由以下成份所製備：

¹ 一種自BASF購得之酚甲烷/環氧乙烷之1/6莫耳加成物表面活性劑

² 一種二伸乙三胺與甲異丁甲酮之反應產物之71%甲異丁甲酮溶液

EPON 828、酚甲烷-環氧乙烷加成物、酚甲烷及2-乙二醇單丁醚被裝入一反應容器中，並在氮保護氣氛下被加熱至125℃之溫度。添加二甲苄胺之第一份，且允許反應物加熱至180℃。在放熱期間，當反應物達到160℃時，開始保持一小時。在放熱曲線峰值之後，允許樹脂冷却回到160℃，繼續保持。在保持之後，反應物被冷却至130℃，並添加二甲苄胺之第二份。反應物被保持在130℃直至達到1070克之外推環氧當量。在預期的環氧當量，接著添加二亞胺與N-甲基乙醇胺，且允許混合物放熱至約150℃。在放熱曲線峰值，開始一小時的保持，同時允許反應物冷却至125℃。在一小時保持之後，樹脂被分散至溶於第一份去離子水之醋酸溶液中。隨後，使用第二、第三、及第四份去離子水還原分散劑。所得陽離子皂被真空剝離，直到甲異丁甲酮濃度低於0.05%。

實例III

此實例顯示由如上實例II中所述之陽離子環氧樹脂皂合成一陽離子微凝膠。該微凝膠係由以下成份所製備：

添加去離子水至實例2之陽離子皂中，並在氮氣層下將混合物加熱至70℃。在15分鐘內添加EPON 828溶液，連同充分攪動。添加甲異丁甲酮作為沖洗，且將混合物保持在70℃達45分鐘。接著，在70分鐘內將混合物加熱至90℃，並保持在此溫度達3小時，連同充分混合。然後添加去離子水，並冷却該混合物，產生18.9%不揮發物含量之微凝膠分散劑。

電沈積塗覆浴與塗層 實例A

此實例顯示用於製備如下所述實例C中之塗覆浴之摻合物之製備。該摻合物由以下成份所製備：

實例1之電沈積樹脂在慢攪動下被放置在一容器中。在攪動下將乙二醇單十六醚慢慢地添加至此樹脂中，並攪拌達30分鐘。接著，將去離子水添加至此混合物中。

實例B

此實例顯示用於製備如下所述實例C中之塗覆浴之一第二摻合物之製備。藉由添加以下催化劑至實例A之摻合物而製備該摻合物：

在慢攪動30分鐘下混合上述成份。

實例C

在攪動下將實例B之第二摻合物添加至實例A之摻合物。約1720克水經由超濾作用自塗覆浴滲流掉，使用去離子水替代滲流掉之水。超濾塗料之最終pH與傳導性分別係5.08與566微西門子。所測量到之罐之固體(110℃下1小時)係9.43%。

取决於所期望的塗層厚度在1.0安培/4"×6"平方基板上在85℉之溫度下可將實例C之可電沈積塗層組合物自電沈積浴電泳地施加至鈍化基板核心達45至240秒。該等塗層電壓可係例如150伏特、200伏特或250伏特。接著，可固化該塗層(例如，在240℃下達30分鐘)。

可電路化該基板以在該絕緣材料上提供導體。圖7係在該絕緣塗層上具有導電軌跡30、32之圖5之該基板之一平面圖。圖8係沿線8-8所取之圖7之該基板之一截面視圖。該總成係機械堅固的，並為可被安裝於該基板上之電子裝置提供有效率之熱的移除。

在另一態樣中，本發明包含一種製造一電子電路總成之方法。該方法包括：(a)提供一鐵鎳合金核心；(b)施加一鉻轉化層至該鐵鎳合金核心之至少一部分上；及(c)施加一介電塗層至該鉻轉化層之一第一面。在此實例中，首先形成一金屬核心，接著施加任何必需的預處理、介電塗層塗布、濺鍍、電鍍圖案等。

介電塗層可被施加至該核心之曝露面，以在其上形成一保形塗層。如本文所使用，「保形」膜或塗層指的是具有大體上均一厚度之膜或塗層，其對於該核心之表面構形(topography)進行保形，包含在該核心之孔內部的表面(但，最好是不阻塞)。該介電塗層膜厚度可係(例如)在5微米與50微米之間。由於各種原因，可期望較薄的膜厚度。例如，具有較薄膜厚度之介電塗層容許較小型電路。

在另一態樣中，本發明提供一種基板，其包含：一鐵鎳合金核心，其具有複數個孔或通孔；一鉻轉化層，其至該鐵鎳合金核心之至少一部分且至該等孔或通孔；及一介電塗層，其在該鉻轉化層之至少一部分上與該等孔或通孔之側壁上。在一些實施例中，該核心可具有約10微米至400微米之厚度，或更特定而言，約20微米至200微米。在特定實例中，該核心可具有約10微米、約20微米，或約30微米之最小厚度。如上所述，藉由控制酸氟化物濃度及/或酸蝕刻施加至核心之時間可控制核心厚度。在一些實例中，孔之直徑比核心之厚度的比率可為約2.5：1或約3：1。薄核心之使用允許具有側壁之小孔的使用，該等孔可使用所描述之絕緣塗層不堵塞地保形塗布。例如，20微米核心可包含約50微米，或約70微米小的孔。在另一實例中，30微米核心可包含約90微米，或約100微米小的孔。

導體或接點可係由化學、機械或雷射燒熔形成，或使用遮罩技術防止在經選擇的區域進行塗層塗布，或者移除預定圖案中之介電塗層部分以曝露導電性核心的部分，並施加金屬層至介電塗層部分以形成導體與接點。介電塗層之金屬化亦可用來形成鄰近於該等介電塗層層之表面的接點與導體。

應瞭解，本發明之方法中之任何一者可在無違本發明之範圍之情况下包含一或多個額外步驟。同樣地，在無違本發明之範圍之情况下，根據需要可變化執行該等步驟之順序。

根據上述實例製造之結構通過了IPC-TM-650協定所要求之測試。測試樣本包含核心、鈍化塗層、及介電塗層。

除操作實例或另有指示之處外，在說明書與請求項中所使用之表示成份之量、反應條件等的所有數字將被理解成在所有情況下藉由術語「約」修飾。因此，除非指明與此相反，在以下說明書與所附請求項中所闡明之參考數值係近似值，其等可取決於本發明設法獲得之期望屬性而變 化。至少，而非試圖限制與請求項之範圍相同之原則之應用，鑒於所報告之有效數字之數量及藉由應用一般的含入技術至少應分析每一參考數值。

儘管在本發明之大範圍中闡明之數值範圍與參數係近似值，但在特定實例中所闡明之數值要盡可能精確地報告。然而，由於在各自的測試測定發現標準偏差，所以任何數值本身含有一些不可避免的錯誤。

再者，應瞭解本文所列舉之任何數值範圍意欲包含其中所包含之所有子範圍。例如，「1至10」之範圍意欲包含在所列舉之最小值1與所列舉之最大值10(包含最小值1與最大值10)之間的所有子範圍，即，具有等於或大於1之最小值及等於或小於10之極大值。

然而，為闡釋之目的，以上已描述本發明之特定實施例，熟習此項技術者將明白在無違如所附請求項中所界定之本發明之範圍之情况下可做本發明之細節之許多變化。

如此描述中所使用，除非指明與此不同，參考數值係可取決於本發明設法獲得之期望屬性而變化的近似值。因而，鑒於所報告之有效數字之數量及藉由應用一般的捨入技術，或藉由考慮到通常的製造容差，至少應分析每一參考數值。

雖然根據若干實例已描述本發明，熟習此項技術者將明瞭在無違所附請求項中所闡明之本發明之範圍之情况下可對所描述之實例做許多變化。

10．．．基板核心

12．．．孔或通孔

14．．．孔或通孔

16．．．鈍化塗層

18．．．第一層

20．．．第二層

22．．．相對側

24．．．相對側

26．．．額外絕緣

28．．．額外絕緣

30．．．導電軌跡

32．．．導電軌跡

圖1係可被用於本發明之一態樣之一基板核心之一平面圖。

圖2係沿線2-2所取之圖1之該基板核心之一截面視圖。

圖3係具有一鈍化塗層之圖1之該基板核心之一平面圖。

圖4係沿線4-4所取之圖3之該基板核心之一截面視圖。

圖5係具有一絕緣塗層之圖3之該基板之一平面圖。

圖6係沿線6-6所取之圖5之該基板之一截面視圖。

圖7係在該絕緣塗層上具有導電軌跡之圖5之該基板之一平面圖。

圖8係沿線8-8所取之圖7之該基板之一截面視圖。

10．．．基板核心

12．．．孔或通孔

14．．．孔或通孔

16．．．鈍化塗層

18．．．第一層

20．．．第二層

26．．．額外絕緣

28．．．額外絕緣

30．．．導電軌跡

32．．．導電軌跡

Claims (20)

1. 一種用於電子裝置封裝之基板，其包括：鐵鎳合金核心或鈷鎳鐵合金核心；在該核心之至少一部分上之鉻轉化塗層，其中藉由施加包含酸氟化物及氧化酸之組合物之酸蝕刻溶液，以蝕刻該核心，並施加鈍化溶液至該核心，以形成該鉻轉化塗層；及在該鉻轉化塗層上之絕緣塗層。
2. 如請求項1之基板，其中該核心具有至少約30微米之厚度。
3. 如請求項1之基板，其中該核心具有約20微米或更小之厚度。
4. 如請求項1之基板，其中該核心具有約10微米或更小之厚度。
5. 如請求項1之基板，其中該絕緣塗層包括：電沈積塗層。
6. 如請求項5之基板，其中該核心包含具有約50微米小之直徑的複數個孔，且該電沈積塗層保形地塗布該等孔的側壁。
7. 如請求項5之基板，其中該核心包含具有約70微米小之直徑的複數個孔，且該電沈積塗層保形地塗布該等孔的側壁。
8. 如請求項5之基板，其中該核心包含具有約90微米小之直徑的複數個孔，且該電沈積塗層保形地塗布該等孔的 側壁。
9. 如請求項5之基板，其中該核心包含具有約100微米小之直徑的複數個孔，且該電沈積塗層保形地塗布該等孔的側壁。
10. 如請求項1之基板，進一步包括：定位在該絕緣塗層上之電路層。
11. 如請求項1之基板，其具有約80微米或更小之厚度。
12. 一種製造用於電子裝置封裝之基板之方法，其包括：提供鐵鎳合金核心或鈷鎳鐵合金核心；在該核心之至少一部分上施加鉻轉化塗層，其係藉由施加包含酸氟化物及氧化酸之組合物之酸蝕刻溶液，以蝕刻該核心，並施加鈍化溶液至該核心；及在該鉻轉化塗層上施加絕緣塗層。
13. 如請求項12之方法，其中使用電沈積將該絕緣塗層施加至該鉻轉化塗層。
14. 如請求項12之方法，其中該氧化酸為鉻酸。
15. 如請求項12之方法，其中該酸蝕刻溶液包括一酸氟化物水溶液，且該鈍化溶液包括水性Cr⁶⁺ 及/或Cr³⁺ 溶液。
16. 如請求項15之方法，其中藉由控制酸蝕刻溶液濃度及/或時間來控制該蝕刻率。
17. 如請求項12之方法，其中該核心被蝕刻至至少約30微米之厚度。
18. 如請求項12之方法，其中該核心被蝕刻至至少約20微米或更小之厚度。
19. 如請求項12之方法，其中該核心被蝕刻至至少約10微米或更小之厚度。
20. 如請求項12之方法，其中該核心包含具有約50微米小之直徑的複數個孔，且該絕緣塗層保形地塗布該等孔的側壁。