TWI587769B - 將貫穿接點鍍金屬的方法 - Google Patents

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Description

將貫穿接點鍍金屬的方法
本發明關於一種在電路板中製造貫穿接點的方法以及如此所製的電路板。
陶瓷電路板往往須能由兩面接觸導電，且能使一貫穿接點通過電路板。這點一般利用電路板中所做的孔，該孔用導電材料充填。這種貫穿接點或通道(Via)一般直徑約100~300微米。
今日常用較貴的銀膏或其他貴金屬膏當作導電材料，它們的組成含有一種或數種金屬粉末、可能還有1~10重量%的附著玻璃成分，例如PbO、B2O3、Bi2O3或SiO2、以及一高沸點有機物，包含結合劑(如乙基纖維素或聚乙烯丁醛)和溶劑〔如萜品醇(Terpineol)或德克薩醇(Texanol)。 如果該電路板的基材的材料由AlN構成，則可使用ZnO、SiO2、CaO、TiO2及B2O3當作附著玻璃。
銅鍍金屬越來越多被用於當導電材料，其中用於充填通道的銲膏往往充以直徑約1~10微米的銅粒子及一種附著玻璃成分。然後將材料在650~1200℃在一氮氣大氣〔含少量氧(<1~100ppm)〕填當。當使用銅膏時。有一問題：它們在燒入時大幅收縮、破裂及/或如果它們由上述習知物質構成一從通道再掉出來。如此在鍍金屬層中或在鍍金屬面的結 合，區域中形成大的空腔及/或裂縫。在最不利的情形，通道燒結成一銷並從孔掉出來。在形成裂痕或空腔的情形中，貫穿接點具較高電組，且也不能密封。
如果對氧敏感的部件，例如電路(Si)、LED或OLED要建構，則對周圍大氣的密封性就特別要。這些構件上方大多用軟銲或粘合上去的蓋、透鏡或類似物保護。但在下方也不能吸入空氣或水氣，這點係將貫穿接點作密封地鍍金屬而達成。
對於在燒結時導電材料的收縮，人們設去藉加入「附著玻璃」(Haftglas)而防止。儘管銲膏中含有附著玻璃，但收縮的負面作用往往不能(至少不能充分地)避免。
這種問題有問題的是在氮化鋁陶瓷的場合，因為只有少數物質能讓AlN在熱中不分解。AlN係介穩定性者(metastable)，且在特定條件下分解，形成最不活性的鋁化合物Al2O3，有一些氧化物，特別是如好用的Bi2O3或較早時常用的PbO合附著侵蝕AlN，分解成氧化鋁、鉛及氮，如下式所示： 2AlN+3PbO→Al2O3+N2
其他氧化物如ZnO只會慢慢分解AlN因此較適合當作鍍金屬層對陶瓷的結合劑。此外，在AlN的場合要注意小小的熱脹係數，俾使該結合不會斷裂。
此外，傳統的助熔劑(Zuschlagstoff，英：flux)(骨材)如氧化鉛或氧化鉍，基於環保問題須避免，或會與AlN太激烈反應，由於分解反應從AlN放出的氮(見上文)會使鍍金屬層變多孔隙且將它鼓起
本發明的目的在提供一種方法，藉之使所製的鍍金屬層在電路板的孔中牢牢地保持住且有良好導電性。此方法要儘量接近習用方法，以避免費錢的改裝。此外要接供一些材料，俾能用低成本製造高品質的貫穿接點。
這種目的係利用申請專利範圍第1項的方法和第12項的鍍 金屬層達成。申請專利範圍附屬項係本發明之較佳實施例。
依此，一種可避免在燒入時銲膏收縮或在各種情形大大減少收縮的製造貫穿接點的方法包含以下步驟：將一銲膏混合、將銲膏放入一電路板的孔中並在熱作用下使該銲膏硬化。
在此，該銲膏包含至少一種導電材料和一些填充劑，其中，一種在一電路板中製造電貫穿接點的方法，包含將一銲膏混合，將銲膏放入一電路板的孔中，在熱作用下將該銲膏硬化，其中該銲膏至少包含一種可導電的材料以及一些填充劑，其中：該些填充劑在硬化時體積增加，因此該可導電材料在熱作用時硬化造成的體積收縮被抵消。
基本上本發明適用於所有材料的電路板，但特宜用於陶瓷電路板，尤其是由AlN或Al2O3為基礎的陶瓷構成者。
用於導電材料宜可為銅粒子，特別是平均顆粒尺寸d50在1~10微米間者。但其他導電物質，特別是為此目的的一般用的金屬或合金也可使用。
舉例而言，本發明的填充劑可為形成氮化物的物質，它們加到銲膏。在氮大氣下燒入時，這些物質或填充劑氮化，且由於氮化體積變 大。這種體積變大將導電材料的體積減少(例如由於粒子燒結所致)抵消，至少大致抵消。
這類形成氮化物的物質特別為鋁、鈦、鋯及/或這些物質的混合物。這些物質加入的量宜為用於製造銲膏的混合物的1~10重量%，且宜2~5重量%。
其他在熱作用下硬化或轉化時體積會增加的物質可為膨脹(blähend)的非金屬，特別是粘土。依本發明一較佳實施例，該膨脹的非金屬構成製造銲膏的混合物的1~10重量%，且宜2~5重量%。
舉例而言，膨脹的粘土包含膨潤土(Bentonit)或蒙特土(Montmorillonit)，它們另外有利地具有對AlN或Al2O3陶瓷有高親和力。填充劑對一般使用的陶瓷有高親和力乃是很希望有的。俾能確保將導電物質牢牢保持在電路板的孔中。關於本發明，「親和力」一詞係指：導電物質與陶瓷材料形成牢牢結合，這種結合即使機械負荷下不會馬上鬆開。「結合」一詞不只指化合結合，而且一般也指物質之間的可保持的接合。
各種上述的物質或填充劑可單獨地或與其他物質/填充劑一起用於將導電材料的體積收縮抵消。
上述當作填充劑加入的金屬在形成氮化物時，一如粘土，體積會變大，可將導電材料(特別是銅)的收縮抵消。
鍍金屬層與電路板之間的附著性依本發明一較佳實施例可利用與基材之材料只緩慢反應的氧化物而改善。舉例而言，如果基材的材料由氮化鋁構成，則使用之與基材的材料只會緩慢反應的氧化物可為ZnO、SiO2、CaO、TiO2及B2O3，此外，也可加入CuCl當作賦予附著性的物質，它 在熱作用下傳生元素銅。
此外另外還可加「附著玻璃」，在Al2O3陶瓷基材的場合，宜使用含Bi2O3的附著玻璃。這些玻璃的熱脹係數(TCE)可防止在銲膏硬化時由於應力造成裂痕。如不用此方式(或除了此方式外)另外也可加入含ZnO的附著玻璃。
當用氮化鋁陶瓷當電路板基材時，宜加入含ZnO的附著玻璃。含Bi2O3的附著玻璃一如在含Al2O3的陶瓷基材也宜使用，但特別不適合AlN陶瓷。因為這種玻璃和AlN結合力弱，且其拉應力會造成AlN陶中的裂痕。
鍍金屬層的一般配方如下：
本發明在以下利用實例詳細說明，這些實例只用於說明本發，明而不以任何方式限制本發明的範圍。
依以下的配方製造一種銲膏，用於在一AlN或Al2O3陶瓷基材中將貫穿接點鍍金屬：
該銲膏之秤重的固體成分利用一量匙(Spaohtel)在一盂(Wanne)中混合，然後將秤出的油加進去。所選用之向觸性油宜為HERAEUS 212/thix，它用油HERAEUS 213液化。這些物料用一量匙油略量重，然後分二次慢慢地(約1~2公升/每分)拉過去一個三滾子機(例如EXAKT或其他)。
使用一種AlN構成的陶瓷基材，厚度0.5毫米，要填充的通道直徑0.15毫米。將銲膏進入一個具開口的節網直接經通道，換言之，通過該燒結之陶瓷基材之要填充的孔中。通道可為剛沖出或用雷射燒過，低燒結的玻璃陶瓷基材(約900~930℃)也可在玻璃狀態作充填，然後隨充入的銲膏陶瓷化，銲膏的成分的顆粒尺寸宜不超過20微米，否則它們會使一般的篩網堵塞住，且具有不足的反應性。這點會造成在附近不想要的空腔形成或使反應搭檔太少。
要將銲膏放入陶瓷基材孔中，宜用網版印刷之方法，因為電路板的印刷往往用網版印刷方法，因此這種施加方式的程序很經濟且容易實施。但基本上也可使用其他方法(藉之可將電路板的孔充填)。
此放入作業在80℃~100℃的溫度(宜在900℃)在氮大氣下(具小的氧分壓)達成，在上例子在900℃在最高溫度執行為時10分，在上述例子氧分壓為10ppm。
結果顯示：通道或貫穿接點良好充填用略呈多孔隙，而銅附著在氮化鋁基材，鍍金屬層將電路板中的孔密封。用DIN EN 1779：1999的氦積分試驗得到10-8毫巴/升秒。
與此相較，在AlN的基材，沒有助熔劑只有銅的銲膏(亦即沒有鋁和膨潤土)充入通道並燒入。
鍍金屬層顯示有大空腔，且在一些位置不附在壁上。電阻受裂痕影響，比上述例小高30%，通道非密封(氮洩漏測試>10-6毫巴/升秒)。

Claims (12)

  1. 一種在一電路板中製造電貫穿接點的方法，包含將一銲膏混合，將銲膏放入一電路板的孔中，在熱作用下將該銲膏硬化，其中該銲膏至少包含一種可導電的材料以及一些填充劑，其特徵在：該些填充劑在硬化時體積增加，因此該可導電材料在熱作用時硬化造成的體積收縮被抵消，其中該填充劑包含鋁及/或鈦及/或鋯，該填充劑包含可吹脹的非金屬，該些非金屬在熱作用下吹脹，因此在硬化時體積增加，且該可吹脹的非金屬包含粘土。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：所用之電路板為由陶瓷構成的電路板，特別是由以氮化鋁或Al2O3為基礎的陶瓷構成者。
  3. 如前述申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該填充劑構成該銲膏的總重量2~25重量%，且宜構成其4~15重量%。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：所用填充劑的材料係可氮化者，且在氮化時體積增加。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該粘土選設成之對該電路板的陶瓷有親和力。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該粘土包含膨潤土及/或蒙特土。
  7. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：另外加入賦與附著性的物質，該物質改善該銲膏或鍍金屬層對電路板的基材的親和力。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中：所用之賦與附著性的物質為慢慢與該基材的材料反應的氧化物，特別是ZnO、SiO2、CaO、TiO2和B2O3。
  9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中：加入CuCl當作賦與附著性的物質，其在熱作用下形成元素銅。
  10. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該銲膏利用網版印刷方法加入。
  11. 一種具有鍍金屬之貫穿接點的電路板，其係依申請專利範圍第1~10項任一項的方法製造者，包含至少一種導電材料和一些填充劑，其特徵在：該鍍金屬將電路板的孔封閉成密封。
  12. 如申請專利範圍第11項之電路板，其中：對於該貫穿接點依德國工業標準DIN EN 1779：1999氦積分檢查漏測的結果值小於10-7毫巴/升秒。
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