專利名稱：用于通孔填充的電傳導(dǎo)粘結(jié)劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉領(lǐng)域?yàn)檠b在絕緣支撐底板，如印刷電路板上的電路電子裝置的制造，特別涉及提供較寬規(guī)格范圍的傳導(dǎo)組合物，其填充到通過絕緣底板的孔中，用作底板材料各側(cè)電路間的相互連接。
電子組裝小型化和成本控制的需要不斷增加。目標(biāo)是在低成本下獲得更高的密集度，更細(xì)小的間距和更高的功能。在往絕緣底板上裝設(shè)電路時(shí)用于通過絕緣底板的互連或通孔，本領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)是采用鍍覆孔。不過在這種工藝狀態(tài)下，鍍覆孔技術(shù)遇到了成本壓力和電路組裝更密集或更緊密的限制。
鍍覆孔或通孔制造中包含的操作很昂貴，而且不容易適應(yīng)未來焊點(diǎn)密集度的要求。目前鍍覆孔技術(shù)接近極限約為每平方厘米20個(gè)焊點(diǎn)或電路節(jié)點(diǎn)。技術(shù)上的需要表明或許要求許多倍的密集度。
在本領(lǐng)域中符合密集度，間距，功能和成本目標(biāo)的努力已經(jīng)導(dǎo)致出稱為“組合多層”的技術(shù)，其電路包含一系列重疊分層的箔和絕緣板，采用細(xì)間距孔用導(dǎo)電膏填充以相互聯(lián)結(jié)。此技術(shù)在文獻(xiàn)中已有廣泛的討論，其中一例為R.Lasky,Electronic Packaging andProduction,1998年4月，75-78頁。還有許多變化種類。一般此技術(shù)能提供每平方厘米大于100個(gè)焊點(diǎn)的密集度。
組合多層電路技術(shù)需要一種電傳導(dǎo)膏，用它充填許多小孔或通孔。這種膏在本領(lǐng)域中還稱作粘結(jié)劑。電傳導(dǎo)膏必須在被使用的地方與其制造和運(yùn)行要求保持熱兼容和可靠性兼容。這種膏一般有金屬顆粒懸浮于媒介質(zhì)中，其在本領(lǐng)域中公知的術(shù)語是樹脂，它能被壓入通過絕緣板的通孔中，并且當(dāng)經(jīng)歷固化期時(shí)媒介質(zhì)固化金屬顆?；ハ嘟佑|，在絕緣板每側(cè)表面上導(dǎo)體之間通過通孔形成電通路。
一種該類膏在美國專利5,652,042中已有描述，其中金屬顆粒如銅懸浮于環(huán)氧樹脂媒介質(zhì)中。膏用刮板或刮刀填入通孔中。有加熱和加壓周期硬化媒介質(zhì)。相互接觸的金屬顆粒提供了電的相互連接。
導(dǎo)電膏技術(shù)的進(jìn)一步工作包括將銀粉引入到媒介質(zhì)中，用低熔點(diǎn)金屬涂覆金屬顆粒以產(chǎn)生金屬顆粒的冶金接合，以及使用能絲網(wǎng)印刷的銀，銅和環(huán)氧樹脂膏。剩下的問題是諸如在狀態(tài)變化時(shí)媒介質(zhì)收縮，以及腐蝕與金屬，特別是純銀和銅的電遷移性能這類工藝特性。
在1998年7月7日提出的專利申請系列號09/111,155和1998年5月13日提出的系列號09/078,043中，介紹了一種技術(shù)，它提供和使用一種涂覆合金金屬顆粒，其拓寬了冶金接合形成范圍，從而使冶金接合不僅在顆粒之間而且還在導(dǎo)電盤之間形成。
隨著本領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，技術(shù)規(guī)格變得更嚴(yán)格，工藝窗口變得更狹窄，所以金屬顆粒和媒介質(zhì)組成的性能及選擇的更寬范圍的需求將不斷增長。
本發(fā)明提供性能具有更廣泛選擇范圍的電傳導(dǎo)粘結(jié)劑，它具有微米直徑范圍隨機(jī)大小顆粒如Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷，每個(gè)顆粒都用低熔點(diǎn)金屬涂覆，涂覆顆粒懸浮在熱固性樹脂和助熔樹脂混合物的媒介質(zhì)中，選擇其具有粘性和低收縮性，絲網(wǎng)印刷性，電和機(jī)械性能均適應(yīng)廣泛范圍的特性條件。媒介質(zhì)或樹脂體系包括熱固性環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，熱固性含苯氧基聚合物，熱固性單官能檸檬油精氧化物和熔劑。顆粒的低熔點(diǎn)涂覆體系包括In,Sn,及合金如In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg。


圖1為微米直徑范圍隨機(jī)大小單個(gè)涂覆顆粒截面描述圖。
圖2為涂覆顆粒相互之間和顆粒與導(dǎo)線相互之間切向接觸面冶金接合的截面描述圖。
圖3為匯輯的本發(fā)明示例配方性能和特性與現(xiàn)有技術(shù)商用典型配方的比較。
提供一種改進(jìn)的電傳導(dǎo)粘結(jié)劑，它能夠壓進(jìn)電路組成部分的絕緣層通孔中，固化后將在絕緣層表面與冶金接合至表面上導(dǎo)電元件之間有一個(gè)冶金傳導(dǎo)通路。粘結(jié)劑是以膏狀壓入到伸入絕緣層的孔中。它在包含加熱和加壓的固化周期中固化。
本發(fā)明的電傳導(dǎo)粘結(jié)劑采用微米直徑范圍隨機(jī)大小的顆粒如Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷，每一顆粒用低熔點(diǎn)金屬涂覆。固化周期中的加熱為涂覆金屬的熔化溫度量級。在加熱和加壓固化周期中顆粒連結(jié)，其切向表面接觸，以形成熔合或擴(kuò)散的冶金接合。被涂覆的顆粒懸浮在物理性粘合物或媒介質(zhì)中，粘合物或媒介質(zhì)是熱固性樹脂和助熔樹脂的混合物，其選擇為使得粘合物或媒介質(zhì)和顆粒的組合物在固化前具有低的和可選的粘性，在整個(gè)固化期和使用期具有低收縮性。粘合物或媒介質(zhì)是樹脂體系，包括熱固性環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，熔劑，熱固性含苯氧基聚合物，以及還可以包括熱固性單官能檸檬油精氧化物。顆粒的低熔點(diǎn)涂覆體系包括In,Sn,In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg。本發(fā)明的電傳導(dǎo)粘結(jié)劑在很寬的規(guī)格范圍上改進(jìn)了電和機(jī)械性能，改進(jìn)了對于絲網(wǎng)印刷這樣的操作在預(yù)固化狀態(tài)的粘性。
作為示例本發(fā)明用BiSn為低熔點(diǎn)涂覆層，以Cu作為隨機(jī)微米范圍顆粒進(jìn)行闡述。BiSn合金鍍在約5-7微米直徑范圍Cu顆粒上。鍍覆可在與球磨型操作相聯(lián)系的電鍍槽中完成，在專利申請系列號申報(bào)(IBM Docket YO997-089)和申請系列號申報(bào)(IBM Docket YO998-196)中作了介紹。在圖1中描述了結(jié)果顆粒。參看圖1，所示為5-7微米范圍的Cu顆粒1具有涂覆表面2，以BiSn低熔點(diǎn)合金涂覆。按照本發(fā)明低熔點(diǎn)合金涂覆層2帶來許多適應(yīng)技術(shù)特性的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到常規(guī)焊料涂層熔化溫度約215℃，BiSn共晶合金提供了140℃較低的熔化溫度，而且通過改變兩種合金成分比例可以選擇上述熔化溫度值，因此提供了符合新的工藝窗口規(guī)范的能力。BiSn合金涂覆層2還能使Cu顆?？垢g。
一定數(shù)量被BiSn涂覆的Cu顆粒的粉末放進(jìn)媒介質(zhì)或樹脂體系中形成膏，被壓進(jìn)通過絕緣電路底板的通孔如圖2所示，參考圖2的截面圖，其描繪絕緣板5表面4下的孔3，示意出每個(gè)顆粒上的涂覆層2與相鄰顆粒每一切向接觸和與表面4上的導(dǎo)體7接觸形成熔合的冶金接合6。冶金接合在加熱和加壓固化周期下可以是固態(tài)接合也可以是液態(tài)一固態(tài)接合。適宜的加熱周期是150℃,30分鐘。適宜的加壓周期為500磅每平方英寸，其在加熱周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)。
媒介質(zhì)或樹脂體系不用溶劑，由熱固性樹脂如環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，和單官能檸檬油精氧化物與助熔樹脂一起混合配方。檸檬油精氧化物成分可以改變膏的粘性。在膏所壓入的孔的高寬比高的條件下而絲網(wǎng)印刷包括在制造過程中的情況下粘性的可選性非常有用。熔劑成分改善了顆粒之間和與絕緣板表面上導(dǎo)線間的冶金接合。
本發(fā)明規(guī)格的變化和處理方法靈活性變化示于圖3上，該表編輯了本發(fā)明的4種示例配方，標(biāo)注為BiSn48,BiSn49,BiSn53,BiSn54的性能和特性與標(biāo)準(zhǔn)可商業(yè)購買的現(xiàn)有技術(shù)的典型配方標(biāo)為AgCu01的比較。
本發(fā)明所有示例的和現(xiàn)有技術(shù)示例的電和機(jī)械性能，均采用行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合測試技術(shù)確定，在技術(shù)文獻(xiàn)中已有介紹，“Development ofHigh Conductivity Lead(Pb)-Free Conducting Adhesives”,Kang等著，IEEE Transactions on Components,Packaging and ManufacturingTechnology,Part A,21卷，No.118-22頁在其20頁上。
參看圖3下列觀測是改進(jìn)的。
BiSn49,BiSn53和BiSn54示例的電和機(jī)械性能值均高于商用示例AgCu01。當(dāng)絕緣板相對地厚，例如厚約0.105英寸，具有的孔直徑為0.010英寸，所以高寬比為10或以上，對于孔被完全傳導(dǎo)填充，需要用示例的BiSn49和BiSn54配方。在加熱加壓下的層壓中可使用具有0.004英寸厚的膏涂覆層的底膜。當(dāng)絕緣板相對薄，例如約0.024英寸厚，具有孔直徑為0.008英寸，所以高寬比為3，帶有中等流動特征的膏配方如示例BiSn48所提供的最好。
圖3中列舉的樹脂％行適用的材料可從下面獲得環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂由Union Carbide Inc.提供，名稱(ERL-4221E)。
(+)檸檬油精氧化物(順式和反式的混合物)由Aldrich ChemicalCo.提供，名稱(21,832-4)含苯氧基樹脂為Paphen(TM)含苯氧基樹脂由Phenoxy SpecialtiesCo.提供，名稱PKHC(TM)(CAS)25068-38-6非清熔劑(No Clean Flux)由Qualitek International Inc.提供，名稱Qualitek#305flux。
已經(jīng)介紹了傳導(dǎo)粘結(jié)劑技術(shù)，它包含組合的顆粒涂覆和媒介質(zhì)配方，其在符合生產(chǎn)技術(shù)要求中具有靈活性。
權(quán)利要求
1．在電子裝置制造中，其中使用通過絕緣層的傳導(dǎo)通路與絕緣層至少一個(gè)表面上的至少一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)焊盤接觸，并且通過將有懸浮于媒介質(zhì)中的涂覆顆粒的粘結(jié)劑膏放入至少一個(gè)絕緣層中的至少一個(gè)通孔中而形成該傳導(dǎo)路徑，改進(jìn)的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結(jié)劑膏，所述粘結(jié)劑膏具有微米直徑范圍隨機(jī)大小的顆粒，每一顆粒用低熔點(diǎn)溫度金屬涂覆，其懸浮于接粘度和低收縮性選擇的熱固性樹脂與助熔樹脂的混合物的媒介質(zhì)中，將所述粘結(jié)劑膏引入所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中，以及，使在所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中的所述粘結(jié)劑膏的組合物經(jīng)歷一個(gè)媒介質(zhì)固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點(diǎn)溫度量級的加熱與加壓。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)方法，其中所述的微米直徑范圍隨機(jī)大小的顆粒，其范圍為5-7微米，其材料選自組Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt，聚合物和陶瓷。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)方法，其中所述的低熔點(diǎn)溫度金屬為一種取自組In,Sn,In-Sn,Sn-Pb,Bi-Sn,Bi-Sn-In和InAg的材料。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)方法，其中所述媒介質(zhì)中的所述熱固性樹脂取自組環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，及單官能檸檬油精氧化物。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的改進(jìn)方法，其中所述媒介質(zhì)中的所述熱固性樹脂取自組環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，及單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)方法，其中所述顆粒為Cu，所述低熔點(diǎn)溫度金屬為Bi-Sn，并且所述媒介質(zhì)中的所述熱固性樹脂取自組環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，及單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)方法，其中所述顆粒為Cu，所述的低熔點(diǎn)溫度金屬為Bi-Sn，并且所述媒介質(zhì)中的熱固性樹脂取自組環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物和一種熔劑。
8．在電子裝置制造中，其中使用通過絕緣層的傳導(dǎo)通路與絕緣層至少一個(gè)表面上的至少一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)焊盤接觸，并且通過將有懸浮于媒介質(zhì)中的涂覆顆粒的粘結(jié)劑膏放入至少一個(gè)絕緣層中的至少一個(gè)通孔中而形成該傳導(dǎo)路徑，改進(jìn)的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結(jié)劑膏，所述粘結(jié)劑膏具有5-7微米直徑范圍隨機(jī)大小的Cu顆粒，每一顆粒涂覆BiSn，其懸浮于環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑的混合物的媒介質(zhì)中，將所述粘結(jié)劑膏引入所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中，以及，使在所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中的所述粘結(jié)劑膏的組合物經(jīng)歷一個(gè)媒介質(zhì)固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點(diǎn)溫度量級的加熱與加壓。
9．在電子裝置制造中，其中使用通過絕緣層的傳導(dǎo)通路與絕緣層至少一個(gè)表面上的至少一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)焊盤接觸，并且通過將有懸浮于媒介質(zhì)中的涂覆顆粒的粘結(jié)劑膏放入至少一個(gè)絕緣層中的至少一個(gè)通孔中而形成該傳導(dǎo)路徑，改進(jìn)的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結(jié)劑膏，所述粘結(jié)劑膏具有5-7微米直徑范圍隨機(jī)大小的Cu顆粒，每一顆粒涂覆BiSn，其懸浮于環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，和一種熔劑的混合物的媒介質(zhì)中，將所述粘結(jié)劑膏引入所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中，以及，使在所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中的所述粘結(jié)劑膏的組合物經(jīng)歷一個(gè)媒介質(zhì)固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點(diǎn)溫度量級的加熱與加壓。
10．在電子裝置制造中，其中使用通過絕緣層的傳導(dǎo)通路與絕緣層至少一個(gè)表面上的至少一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)焊盤接觸，并且通過將有懸浮于媒介質(zhì)中的涂覆顆粒的粘結(jié)劑膏放入至少一個(gè)絕緣層中的至少一個(gè)通孔中而形成該傳導(dǎo)路徑，改進(jìn)的方法包含系列步驟組合如下提供一種粘結(jié)劑膏，所述粘結(jié)劑膏具有5-7微米直徑范圍隨機(jī)大小的Cu顆粒，每一顆粒涂覆BiSn，其懸浮于環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和一種熔劑的混合物的媒介質(zhì)中，將所述粘結(jié)劑膏引入所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中，以及，使在所述至少一個(gè)絕緣層中的所述至少一個(gè)通孔中的所述粘結(jié)劑膏的組合物經(jīng)歷一個(gè)媒介質(zhì)固化周期，其包括所述金屬的所述低熔點(diǎn)溫度量級的加熱與加壓。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的改進(jìn)方法，其中所述環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物和熔劑的混合物按照比例環(huán)氧樹脂為86％，含苯氧基聚合物為10％，和熔劑為4％。
12．根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)方法，其中所述環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和熔劑的混合物按照比例為環(huán)氧樹脂為43％，含苯氧基聚合物為10％，單官能檸檬油精氧化物43％，和熔劑4％。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)方法，其中所述環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂，含苯氧基聚合物，單官能檸檬油精氧化物和熔劑的混合物按照比例為環(huán)氧樹脂為4％，含苯氧基聚合物為4％，單官能檸檬油精氧化物88％，和熔劑4％。
全文摘要
提供一種具有更寬的特性可選范圍的電傳導(dǎo)粘結(jié)劑,其具有微米直徑范圍隨機(jī)大小的顆粒,以低熔點(diǎn)金屬涂覆。涂覆顆粒懸浮于由熱固性樹脂和助熔樹脂混合物的媒介質(zhì)中,選擇其粘性和收縮性,絲網(wǎng)印刷性,電和機(jī)械性能適應(yīng)廣泛范圍的特性條件。媒介質(zhì)或樹脂系統(tǒng)包括熱固性環(huán)脂烴類環(huán)氧樹脂,熱固性含苯氧基聚合物,熱固性單官能檸檬油精氧化物。顆粒的低熔點(diǎn)涂覆系統(tǒng)包括In,Sn及合金如In－Sn,Sn－Pb,Bi－Sn,Bi－Sn－In和InAg。微米直徑范圍顆粒包括Cu,Ni,Co,Ag,Pd,Pt,聚合物和陶瓷。
文檔編號H01B1/00GK1310219SQ0110289
公開日2001年8月29日 申請日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月24日
發(fā)明者杰弗里·D·杰羅姆, 孫·K·剛, 康斯坦丁諾斯·帕帕托瑪斯, 桑帕斯·珀索塔曼 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司