用于微通孔的納米銅導(dǎo)電膏簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)介

復(fù)雜的積層HDI技術(shù)的應(yīng)用不斷擴(kuò)展。導(dǎo)通孔的鍍銅工藝已經(jīng)很成熟，但需要維護(hù)且耗時(shí)。目前的導(dǎo)電膏填充物導(dǎo)電性不如實(shí)心銅，但可以縮短周期時(shí)間，并且具有高導(dǎo)電性和成本效益。

金屬化導(dǎo)電膏

金屬填充膏已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了。20世紀(jì)60年代初首次用于導(dǎo)電跳線，用銀油墨連接雙面非鍍覆孔PCB，多年來(lái)其用途不斷擴(kuò)大。

20世紀(jì)80年代中期，ORMET開發(fā)了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，瞬時(shí)液相燒結(jié)（transient liquid phase sintering，簡(jiǎn)稱TLPS）導(dǎo)電膏，該導(dǎo)電膏可以燒結(jié)成固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，可用于導(dǎo)電走線、板間多層化和內(nèi)層制造，見圖1所示。

圖1:TLPS系列導(dǎo)電膏實(shí)現(xiàn)板間或內(nèi)層互連的典型應(yīng)用

許多金屬化導(dǎo)電膏最初在21世紀(jì)00年代早期創(chuàng)建的日本HDI工藝中用作導(dǎo)通孔連接，例如任意層內(nèi)部導(dǎo)通孔（Any layer Internal Via Hole，簡(jiǎn)稱 ALIVH）、B2IT或PALUP。這些導(dǎo)電膏使用導(dǎo)電顆粒，不同于納米金屬膏或TLPS膏。

其優(yōu)點(diǎn)是：

提高了可靠性（避免截留空氣或液體）·改善了多層結(jié)構(gòu)的平面度（用于更可靠的表面貼裝或改進(jìn)光刻）更高的互連密度（例如，焊盤內(nèi)導(dǎo)通孔與狗骨設(shè)計(jì)）

更好的熱量管理·可實(shí)現(xiàn)疊層微導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)

制造工藝

導(dǎo)通孔填充工藝（圖2）如今非常普遍?？梢允褂?a target="_blank">自動(dòng)化設(shè)備以及簡(jiǎn)單的樣品儀器實(shí)現(xiàn)。絲網(wǎng)印刷或噴墨是最常用的方法。

圖2:導(dǎo)通孔填充工藝流程

材料特性

載銀導(dǎo)電膏出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初。納米技術(shù)的引入徹底改變了這些導(dǎo)電膏。主要產(chǎn)品是銅基或碳納米管基導(dǎo)電膏。但即使是最好的納米顆粒膏，其體電阻率也超過(guò)主體鍍銅的20倍。

最新開發(fā)的是一種納米銅顆粒，可防止氧化。通過(guò)將納米顆粒與微米級(jí)銅顆?；旌?，電阻率可以降至主體銅的6倍。

瞬態(tài)液相燒結(jié)膏

最具導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的金屬膏是瞬態(tài)液相燒結(jié)(transient liquid phase sintering，簡(jiǎn)稱TLPS)膏。這些金屬膏在助熔聚合物粘合劑中組合小顆粒焊料材料（許多納米顆粒）與小顆?？珊附饘?。

在燒結(jié)之后以及在將子組件芯或盲孔層壓成單個(gè)PCB的過(guò)程中，焊料顆粒熔化、潤(rùn)濕可焊顆粒并形成互連的金屬網(wǎng)。

形成的金屬網(wǎng)的熔點(diǎn)高于原始焊料合金，因此在隨后的熱偏移（例如無(wú)鉛組裝操作）中可保持穩(wěn)定。焊料顆粒也可潤(rùn)濕PTH上的銅蓋，銅帽永久冶金結(jié)合到燒結(jié)焊膏互連的金屬網(wǎng)上，并通過(guò)燒結(jié)金屬接點(diǎn)提供連續(xù)和穩(wěn)健的熱和電傳導(dǎo)。

表1顯示了對(duì)此類膏的測(cè)試。

表1:燒結(jié)膏互連PCB的可靠性分析

通孔填充實(shí)驗(yàn)

盡管這些納米膏的電阻率高于主體鍍銅，但理想的應(yīng)用是填充盲孔，因?yàn)樗鼈兒苄∏覍?duì)電阻率不太敏感。

表2列出了對(duì)直徑為125μm（0.005”）盲孔的測(cè)試結(jié)果，不同的基板的盲孔，深度不同，隨后用納米銅導(dǎo)電膏填充并燒結(jié)。將樣品蝕刻到焊盤中，并作為覆銅板電鍍樣品。通過(guò)808nm二極管激光器、光子閃光管（BB閃光）進(jìn)行燒結(jié)或者在還原環(huán)境溫度下烘烤。

表2:在FR-4和玻璃上使用納米銅導(dǎo)電膏填充盲孔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總

在其他研究中，銅膏被用作硅導(dǎo)通孔(TSV)、玻璃導(dǎo)通孔(TGV)和有機(jī)基板的填充材料。

在基板表層形成的直徑為10~60mμm、深度為90~150μm的非通孔填充有銅膏，硅和玻璃的通孔直徑為30~300μm，有機(jī)基板的通孔直徑為140~3000μm。所有銅膏均已燒結(jié)，結(jié)果見表3所示。使用真空框架和壓板填充通孔的過(guò)程見圖3所示。

表3:工藝和檢查項(xiàng)目

圖3:將TLPS銅膏壓入各種基板并燒結(jié)。結(jié)果顯示盲孔和貫穿通孔均通過(guò)了所有可靠性測(cè)試

燒結(jié)

燒結(jié)指通常通過(guò)熱將顆粒混合物熔合在一起的過(guò)程。燒結(jié)混合物可用作結(jié)構(gòu)、介質(zhì)以及導(dǎo)體。導(dǎo)電燒結(jié)產(chǎn)品已通過(guò)陶瓷厚膜技術(shù)（金屬陶瓷）應(yīng)用于電子產(chǎn)品。金屬陶瓷需要高溫（>800℃）進(jìn)行燒結(jié)，而基于聚合物的導(dǎo)電膏在較低溫度（<220℃）下燒結(jié)。

這些聚合物厚膜(Polymer Thick Films ，簡(jiǎn)稱PTF) 一般為未固化的液態(tài)聚合物，通常是帶有導(dǎo)電顆粒的環(huán)氧樹脂或丙烯酸基填料。當(dāng)聚合物固化和收縮時(shí)，顆粒相互接觸并與基板接觸，形成連接。幸運(yùn)的是，我們目前擁有諸如光子燒結(jié)技術(shù)，可以在不加熱基板的情況下燒結(jié)導(dǎo)體。

結(jié)論

在考慮用電鍍盲孔或貫穿通孔工藝時(shí)，新的導(dǎo)電銅基TLPS膏比電鍍工藝更快、具有幾乎相同的導(dǎo)電性，且可能成本更低。此外光子焊接、光子燒結(jié)的使用使這些導(dǎo)電膏可用于成本較低的基板，例如紙、塑料薄膜或其他不適合浸入酸性電鍍液的有機(jī)材料。

審核編輯：劉清