用于微通孔的纳米铜导电膏简介

简介

复杂的积层HDI技术的应用不断扩展。导通孔的镀铜工艺已经很成熟，但需要维护且耗时。目前的导电膏填充物导电性不如实心铜，但可以缩短周期时间，并且具有高导电性和成本效益。

金属化导电膏

金属填充膏已经存在很长时间了。20世纪60年代初首次用于导电跳线，用银油墨连接双面非镀覆孔PCB，多年来其用途不断扩大。

20世纪80年代中期，ORMET开发了一项创新技术，瞬时液相烧结（transient liquid phase sintering，简称TLPS）导电膏，该导电膏可以烧结成固态金属结构，可用于导电走线、板间多层化和内层制造，见图1所示。

 

图1:TLPS系列导电膏实现板间或内层互连的典型应用

许多金属化导电膏最初在21世纪00年代早期创建的日本HDI工艺中用作导通孔连接，例如任意层内部导通孔（Any layer Internal Via Hole，简称 ALIVH）、B2IT或PALUP。这些导电膏使用导电颗粒，不同于纳米金属膏或TLPS膏。

其优点是：

提高了可靠性（避免截留空气或液体）· 改善了多层结构的平面度（用于更可靠的表面贴装或改进光刻） 更高的互连密度（例如，焊盘内导通孔与狗骨设计）

更好的热量管理· 可实现叠层微导通孔结构

制造工艺

导通孔填充工艺（图2）如今非常普遍。可以使用自动化设备以及简单的样品仪器实现。丝网印刷或喷墨是最常用的方法。

 

图2:导通孔填充工艺流程

材料特性

载银导电膏出现于20世纪60年代初。纳米技术的引入彻底改变了这些导电膏。主要产品是铜基或碳纳米管基导电膏。但即使是最好的纳米颗粒膏，其体电阻率也超过主体镀铜的20倍。

最新开发的是一种纳米铜颗粒，可防止氧化。通过将纳米颗粒与微米级铜颗粒混合，电阻率可以降至主体铜的6倍。

瞬态液相烧结膏

最具导电性和导热性的金属膏是瞬态液相烧结(transient liquid phase sintering，简称TLPS)膏。这些金属膏在助熔聚合物粘合剂中组合小颗粒焊料材料（许多纳米颗粒）与小颗粒可焊金属。

在烧结之后以及在将子组件芯或盲孔层压成单个PCB的过程中，焊料颗粒熔化、润湿可焊颗粒并形成互连的金属网。

形成的金属网的熔点高于原始焊料合金，因此在随后的热偏移（例如无铅组装操作）中可保持稳定。焊料颗粒也可润湿PTH上的铜盖，铜帽永久冶金结合到烧结焊膏互连的金属网上，并通过烧结金属接点提供连续和稳健的热和电传导。

表1显示了对此类膏的测试。

表1:烧结膏互连PCB的可靠性分析

通孔填充实验

尽管这些纳米膏的电阻率高于主体镀铜，但理想的应用是填充盲孔，因为它们很小且对电阻率不太敏感。

表2列出了对直径为125μm（0.005”）盲孔的测试结果，不同的基板的盲孔，深度不同，随后用纳米铜导电膏填充并烧结。将样品蚀刻到焊盘中，并作为覆铜板电镀样品。通过808nm二极管激光器、光子闪光管（BB闪光）进行烧结或者在还原环境温度下烘烤。

 

表2:在FR-4和玻璃上使用纳米铜导电膏填充盲孔的实验结果汇总

在其他研究中，铜膏被用作硅导通孔(TSV)、玻璃导通孔(TGV)和有机基板的填充材料。

在基板表层形成的直径为10~60mµm、深度为90~150µm的非通孔填充有铜膏，硅和玻璃的通孔直径为30~300µm，有机基板的通孔直径为140~3000µm。所有铜膏均已烧结，结果见表3所示。使用真空框架和压板填充通孔的过程见图3所示。

 

表3:工艺和检查项目

 

图3:将TLPS铜膏压入各种基板并烧结。结果显示盲孔和贯穿通孔均通过了所有可靠性测试

烧结

烧结指通常通过热将颗粒混合物熔合在一起的过程。烧结混合物可用作结构、介质以及导体。导电烧结产品已通过陶瓷厚膜技术（金属陶瓷）应用于电子产品。金属陶瓷需要高温（>800℃）进行烧结，而基于聚合物的导电膏在较低温度（<220℃）下烧结。

这些聚合物厚膜(Polymer Thick Films ，简称PTF) 一般为未固化的液态聚合物，通常是带有导电颗粒的环氧树脂或丙烯酸基填料。当聚合物固化和收缩时，颗粒相互接触并与基板接触，形成连接。幸运的是，我们目前拥有诸如光子烧结技术，可以在不加热基板的情况下烧结导体。

结论

在考虑用电镀盲孔或贯穿通孔工艺时，新的导电铜基TLPS膏比电镀工艺更快、具有几乎相同的导电性，且可能成本更低。此外光子焊接、光子烧结的使用使这些导电膏可用于成本较低的基板，例如纸、塑料薄膜或其他不适合浸入酸性电镀液的有机材料。

审核编辑：刘清