專利名稱：在多層電路板的相鄰電路板層之間提供電連接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層電路板。本發(fā)明尤其涉及對多層電路板的電路板層的電連接的改進以及實現(xiàn)這些連接的方法。
多層印刷電路板是一種公知技術(shù)，用于實現(xiàn)復(fù)雜的電路。(如此處所用的，電路板上有導(dǎo)電層的圖案，以內(nèi)連電氣元件。導(dǎo)電層粘接到或者以其它方式熔合到絕緣基板上，絕緣基板給元件以機械支撐。這包括單面和雙面板、多層結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、多芯片模塊、面板組件上的芯片等類似結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電軌可以用多種技術(shù)形成，例如電鍍、蝕刻、濺射鍍、使用粘合劑進行機械連接等?；蹇梢允侨嵝缘幕騽傂缘?，可以用各種適當?shù)牟牧?，例如聚合物、陶瓷、玻璃、硅等制成?電路的元件之間的電連接由多層電路板上的電路板層來實現(xiàn)。電路設(shè)計者用多層電路板層可以編排出使用很多元件的、并且這些元件要求大量互連的復(fù)雜的電路設(shè)計。多層電路板提高了每個單位體積的元件密度和功能性。
多層電路板的每一電路板層承載電連接或?qū)щ妼?，它起到?dǎo)線的作用，連接電路的各種元件。相鄰電路板之間的電連接用“通孔”來實現(xiàn)。通孔是在相鄰層之間形成孔來建立的。用導(dǎo)電材料填充該孔，形成兩相鄰層之間的電連接。
一般在制造印刷電路板(PCB)時(在其它情況下也稱為印刷布線板或鍍覆通孔技術(shù))，在多層電路板的每層上獨立形成導(dǎo)電層。然后，在相鄰層之間用電絕緣粘接層把多層電路板的電路板層彼此疊合和對齊。再對組裝成的層加熱和加壓，使相鄰層粘合。在適當?shù)奈恢勉@出通孔，互連順序?qū)由系膲汉更c(pad)。電連接是通過在通孔的側(cè)壁上鍍覆導(dǎo)電材料來實現(xiàn)的。已有技術(shù)要求金屬通孔接觸壓焊點在電路板上有足夠的面積以容納鉆頭截面和/或非對準的情況。這些較大的壓焊點面積限止了電路板的元件密度。為了形成隱孔，需要有額外的步驟。即，把上述結(jié)構(gòu)作為子組件來處理，把幾個結(jié)構(gòu)疊合形成整塊板。
半導(dǎo)體工藝的出現(xiàn)以及材料的改進，可以在比上述的印刷電路板更微小的尺寸上制作電路板。這些例子包括混合電路、多芯片模塊(MCM)等。一般，MCM在航天、軍事和超級計算機應(yīng)用方面少量制造。一個例子是MCD—D。D是指鍍覆技術(shù)，電路制作在無機非導(dǎo)電基片上，用薄膜技術(shù)制備銅或鋁導(dǎo)電層以及有機或無機介電質(zhì)。使用這些技術(shù)，通過一系列工藝，制作多層電路。這種技術(shù)可以制作非常細小的連線和通孔(盲孔、疊合和埋孔)，得到比通過上述的通孔技術(shù)鍍覆成的傳統(tǒng)產(chǎn)品高得多的電路密度。然而，這提高的密度是成本更昂貴的工藝帶來的，它通常是以順序批量加工來實現(xiàn)的。批量加工并不有助于在大批量生產(chǎn)，但由于對一個不合格的層進行鍍覆損壞了整個部件，所以按順序制造導(dǎo)致了較低的成品率。
1991年9月10日公告的、名稱為制造多層電路板的方法的、Daigle等的美國專利5,046,238描述了一在多層電路板的層與層之間進行連接的方法，援引在此，以作參考。這種技術(shù)要用到昂貴的含氟聚合物，并且在傳統(tǒng)上它是難以加工的。加工難度包括粘接問題和需要高的疊合溫度(700°F及以上)。另外，它是以批量形式進行加工的，不容易提高產(chǎn)量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種以裝配布線密度更高的多層電路板的改進的方法。本發(fā)明改進的是在多層電路板的相鄰層之間形成連接的方法，可以按常規(guī)制造多層電路板，其上的重疊的隱藏的盲孔占的面積比通過通孔技術(shù)鍍覆得到的盲孔占的面積要小。本發(fā)明不是如制造MCM一樣的提高成本減少產(chǎn)量的制造方法。另外，采用并行加工來裝配多層電路板，與按順序加工的方法相比，減少了制造步驟，提高了成品的產(chǎn)量。每塊電路板層是獨立地制作的，可以在把它裝入最終的部件之前對每一層進行檢查。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過電鍍導(dǎo)電材料形成電路板層，它在電絕緣材料的一面上形成電路軌以及連接壓焊點。然后在希望有通孔的位置在電絕緣材料上形成孔，使導(dǎo)電層暴露在電路板層的無電路的一面上。
在形成在電絕緣材料上的孔內(nèi)用導(dǎo)電材料形成剛性突起，它突出電絕緣材料的表面之上，制成內(nèi)連接點。然后，在突起或壓焊點的表面上(更經(jīng)常的是在兩者上)鍍覆導(dǎo)電金屬，這能在突起和相鄰層上的對應(yīng)的壓焊點之間形成電性能優(yōu)異的金屬粘接。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，至少在如上述制作的電路板層的一個表面上鍍覆一層電絕緣粘接材料。然后，把多個這種層對齊，并用一個疊合步驟加熱加壓把它們?nèi)酆显谝黄穑纬啥鄬与娐钒濉Ｍ黄鸨砻嫔系慕饘倥c壓焊點上的金屬粘接，提供層與層之間的電連接，絕緣粘接材料形成機械粘接，保持層與層之間粘接在一起，并與通孔連接隔開。
上述的制造方法可以在批量加工、連續(xù)加工或這兩種加工的結(jié)合中運用。用連續(xù)加工的方式制造能進行大批量的生產(chǎn)，它與在PCB和MCM制造中應(yīng)用的批量型加工相比優(yōu)點是明顯的。在連續(xù)加工中進行大量制作的能力是本發(fā)明的重要方面。
在另一個實施例中，用上述的方法制作電路板層，并如上所述進行加熱和加壓來疊合，但，用各向異性導(dǎo)電的粘接劑代替絕緣粘接材料，通過設(shè)計，使它在電路層平面上電絕緣，而在該平面方向之外能導(dǎo)電。附圖概述

圖1是介電膜電路板層的截面圖。
圖2是圖1的包括粘接膠和種子金屬層的電路板的截面圖。
圖3是圖2的包括已成圖形的光刻膠的電路板層的截面圖。
圖4是圖3的包括導(dǎo)電金屬層的電路板層的截面圖。
圖5是圖4的包括延伸通過電路板的通孔的電路板層的截面圖。
圖6是圖5的除去光刻膠層和鍍覆實心通孔之后的電路板層的截面圖。
圖7是圖6的除去了粘接膠和種子金屬層后的電路板層的截面圖。
圖8是圖7的鍍覆了金屬覆蓋層后的電路板層的截面圖。
圖9是圖8的包括粘接膜和多層空間上分開的電路板層的電路板層的截面圖。
圖10是圖9的按照本發(fā)明進行疊合以形成多層電路板之后的電路板層的截面圖。
圖11是測試樣品的截面圖。本發(fā)明的實施方式圖1至圖11是截面圖。為清晰起見，省略了剖面線。
圖1示出了電路板層10的截面圖。在一較佳實施例中，電路板層10包含預(yù)制聚合介電膜。所用的特定的介電膜是可選擇的，然而，絲網(wǎng)聚酰亞胺是一種較好的例子。如圖2所示，如果需要，可以在電路板層10的第一面上鍍覆導(dǎo)電金屬層和粘接層。粘接層幫助金屬層粘接到介電膜上。粘接層的成份根據(jù)所用的金屬和介電材料來選擇。層12的外金屬層部分可以包含銅或其它合適的導(dǎo)電金屬，并可以用任何適當?shù)姆椒ㄟM行鍍覆。電鍍是一種較好的。產(chǎn)生的金屬層12起到以后鍍覆的種子層的作用。
接著，如圖3所示，鍍覆光刻膠14。光刻膠14是用傳統(tǒng)技術(shù)鍍覆在電路板10上的標準的光刻膠。把光刻膠通過掩膜技術(shù)暴露于光的輻射線中。然后對光刻膠進生顯影，除去部分光刻膠，使材料暴露，形成如圖3所示的圖形層14。
在光刻膠14形成圖案之后，如圖4所示，在暴露的粘接和導(dǎo)電金屬層12上鍍覆導(dǎo)電金屬層16。在一較佳實施例中，導(dǎo)電金屬層16為銅，通過電鍍技術(shù)鍍覆，使它僅形成在層12的暴露部分上。導(dǎo)電金屬層16形成承載在電路板層10上的電路。導(dǎo)電金屬層16為安裝在完成的多層電路板上的元件提供互連的導(dǎo)電線路。此外，導(dǎo)電金屬提供了電“壓焊點”(pad)，用于互連相鄰的電路板層。上面的對介電材料電路化的討論圖示說明了一種在介電材料上鍍覆電路軌的方法，然而，也可以用其它的方法在介電材料上鍍覆導(dǎo)電層，而不改變本發(fā)明，例如增加或減少一些工藝，這些工藝包括噴涂、化學(xué)鍍(無電鍍)、干蝕刻等。
接著，如圖5所示，在電路板層10上形成通孔18。在一較佳實施例中，用濕研磨(wet milling)技術(shù)形成通孔18。這可以包括應(yīng)用諸如氫氧化鉀等熱流蝕刻。光刻膠層14和軌金屬層16保護電路板層10部分。濕研磨持續(xù)足夠的時間，確保通孔18完全延伸通過電路板層10至層12。
上段描述的本發(fā)明不必通過通孔技術(shù)的環(huán)狀鍍覆特征，因此，可以提高電路密度。在另一些實施例中，也可以用任何可用的濕或干研磨工藝形成通孔。干研磨的例子包括激光燒蝕、離子研磨、反應(yīng)離子蝕刻、機械沖孔等，其中一些工藝形成的孔比機械鉆孔產(chǎn)生的孔小得多。這產(chǎn)生了更小的通孔，進一步提高了電路密度。
一旦形成了通孔，如圖6所示，就除去承載在電路板10兩面上的光刻膠層14，用通孔金屬20鍍覆電路板10。通孔金屬20可以單獨或與導(dǎo)電金屬層16同時鍍覆在板反面上。通孔金屬通過層12與導(dǎo)電金屬層16電接觸，并形成“突起”或“隆起”，延伸到電路板10的上表面之上。根據(jù)本發(fā)明，該突起用于電連接相鄰電路板層。通孔金屬20應(yīng)當具有良好的導(dǎo)電性和相對于焊料有高的熔化溫度。通孔金屬20較佳的熔化溫度應(yīng)高于500℃。導(dǎo)電金屬層16形成電“壓焊點”，它與相鄰電路板層的通孔金屬突起接觸。對粘接和種子金屬層12進行蝕刻，并從電路板層10的電路一面上除去。這一步驟除去了小部分導(dǎo)電金屬層16。這圖示在圖7的截面圖上。
接著，如圖8所示，在通孔金屬20和導(dǎo)電金屬層16上鍍覆第二金屬層22。在一個實施例中，第二金屬覆蓋層22由低熔點金屬(相對于其它金屬層為低)組成，用于與相鄰電路板層上的壓焊點相熔合。在層與層之間形成穩(wěn)定的電連接。突起和壓焊點可以具有相同或不同的冶金特性，金屬的特性必須足以提供穩(wěn)定的電粘接，但不能軟熔，引起與相鄰連接的短路?？捎糜谶@一覆蓋層的合適的金屬包括錫—鉛、焊錫、錫、金—錫合金或其它金屬等。層22可以通過電鍍、化學(xué)鍍、噴鍍或其它工藝鍍覆。在突起的壓焊點上用化學(xué)鍍工藝鍍覆錫是一種冶金特性較好的例子。覆蓋金屬層的熔化溫度的上限不能超過聚合膜層10或粘接層58、24、60和62的分解溫度。雖然在本實施例中分界表面的冶金特性具有軟熔性，但并不是金屬必須熔化。其它的實施例包括用如冷焊接、超聲波焊接等類似工藝等其它手段進行焊接。最好就用觸點焊接來進行連接。最好能以連續(xù)輸送滾動的滾動工藝來完成所有上述制造步驟，這能提高產(chǎn)量、降低成本，但這并不是必須的。
圖9示也了包括放置在相鄰層之間的電絕緣粘接膜24在內(nèi)的電路板層10。另外，圖9也示出了根據(jù)前述的本發(fā)明制備的電路板層26、28、30和32，電路板層26—32分別包括導(dǎo)電金屬層34、36、38和40。在電路板層26、28、30和32的通孔內(nèi)分別鍍覆有通孔金屬42、44、46和48。在電路板26、28、30和32的軌金屬層34、36、38和40以及通孔金屬42、44、46和48上分別鍍覆有金屬覆蓋層50、52、54和56。如圖9所示，本發(fā)明能較好地適用于形成盲孔和埋孔，以及如通孔44、46和42、20所示的疊成的通孔。在電路板層26、10、28和30以及分開的相鄰的電路板層上鍍覆電絕緣粘接膜層58、24、60和62。雖然發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂化合物較好，但所用的特定的聚合物是可選擇的。雖然圖9僅示出了5層，但應(yīng)理解，本發(fā)明受到所示的組合形成互連結(jié)構(gòu)的多層電路板層的限制。還應(yīng)注意，這種連接可以用以把單層或多層連接成一剛性結(jié)構(gòu)。例如，對一個柔性的電路，在曲拆處設(shè)置突起，在板上設(shè)置壓焊點可以把柔性的電路固定到印刷電路板上。
在形成了電路板層10、26、28、30和32之后，如圖9所示，把電路板層相疊合并對齊。具體地說，把一層的通孔金屬突起層對準其相鄰層上的對應(yīng)的壓焊點上?？梢杂萌魏魏线m的手段來進行對齊。用對齊短柱的機械對齊方法是較好的一種。
在電路板層10和26—32如圖9對齊之后，對它們進行加熱和加壓來疊合，形成圖10所示的結(jié)構(gòu)。疊合引起電接觸，其中一層上的通孔金屬的“突起”與相鄰層的電襯勢接觸，并且低熔點金屬熔合在一起。同時，粘接層熔結(jié)在一起，形成機械粘接，是電路板層結(jié)合在一起，并與電接觸點相絕緣。疊合條件是可選擇的，并與聚合物與所有的冶金特性有關(guān)?？捎玫膲毫Ψ秶鸀?.15MPa—5MPa，較好的在0.3MPa—3.5MPa，更好是0.7—1.7MPa。疊合的溫度范圍是80℃—425℃，較好的是130—350℃，更好是175—280℃。金屬—金屬之間的粘接瞬時形成，因此，疊合時間取決于粘接材料的粘接時所選的溫度。
在本發(fā)明的另一個實施例中，如上所述制造電路板層。然后用如金、錫、鎳、鈀等導(dǎo)電金屬鍍覆突起和電路。在本發(fā)明的該實施例中，如圖9所示用于粘接層的電絕緣粘接材料58、24、60和62為各向異性導(dǎo)電的粘接劑。這些粘接劑能在一個方向上導(dǎo)電，而在另兩個方向上絕緣。在該實施例中，金屬壓焊點與突起之間不是直接金屬粘接。電接觸是通過壓在給出的突起和其對應(yīng)的壓焊點之間的非常薄的粘接層來完成的。在3M公司擁有的1992年9月1日公告的美國專利5,143,285上描述了這種各向異性導(dǎo)電的粘接劑的一個例子。這種粘接劑被構(gòu)制成當粘接劑受熱受壓而被擠壓進行粘接時，散布在樹脂內(nèi)的較小的導(dǎo)電顆粒被夾在突起和接觸壓焊點之間，并被擠壓。在突起和接觸壓焊點之間形成電接觸。粘接劑固化，夾住該位置上的顆粒。對于這種粘接，不需要金屬軟熔，因此，疊合可以在低于接合面金屬的熔點的溫度下進行。
圖11示出了具有電路板層72和74的測試樣品70。電路板層72承載銅質(zhì)層76，電路板層74承載銅質(zhì)層78。根據(jù)本發(fā)明，“突起”80、82、84和86在銅質(zhì)層76和銅質(zhì)層78之間延伸，并與銅質(zhì)層78接觸。絕緣介電粘接層88把電路板72與電路板24分開。
制作了6個與樣品70相似的樣品。每個樣品總計有16個“突起”。在銅質(zhì)層76和銅質(zhì)層之間進行電阻測量。所有6個樣品的電阻值均小于0.10歐姆。把電路板72與74拉開，可以單獨檢查各“突起”。在拉開樣品時，大多數(shù)突起都轉(zhuǎn)移到銅質(zhì)層78上，所以可以單獨測試各突起。用一個四點測試器，各突起的電阻小于0.10歐姆。探測到電阻測量值低至0.5毫歐姆。
在疊合本發(fā)明的電路板層時，可以使粘接劑覆蓋住邊緣；使邊緣密封。這改善了在高濕和高溫下電連接的可靠性。用這些例子的方法制造的樣品經(jīng)受85℃和相對濕度85％條件下的濕度老化測試超過1000小時。
在另一個例子中，從柔性開普頓(Kapton)聚酰亞胺基片制造的許多樣品與圖11的相似，4X5英寸排列的突起，間距為40mil，突起直徑和高度分別小于200和25μm，并把一錫的覆蓋金屬粘接到鍍錫銅質(zhì)的基片上。把可從Saint Paul的3M公司買到的高性能的9900環(huán)氧樹脂粘接膜用作粘接劑。在450°F和500Psi下進行疊合30分鐘。在粘接之后，蝕刻周圍的銅材，使各通孔絕緣，并測得單個通孔的電阻小于10毫歐。在用光學(xué)和電子掃描顯微術(shù)檢相切開的樣品時表現(xiàn)出突起—壓焊點的界面上的錫軟熔，表示良好的電接觸。還制造出具有多層這種層結(jié)構(gòu)的樣品。
本發(fā)明改進了多層電路板的相鄰電路板層之間的電連接。本發(fā)明的電路板層的制造工藝是基于已經(jīng)在TAB和柔性電路中大量生產(chǎn)的精密分布的金屬化電路層的工藝的改進。用于組裝本發(fā)明的電路板的疊合技術(shù)是基于傳統(tǒng)的高產(chǎn)量生產(chǎn)的印刷電路板。本發(fā)明包括簡單的經(jīng)改進的電連接方法，它把這兩種發(fā)展較好的技術(shù)結(jié)合在一起，生產(chǎn)連接密度在高密度電路范圍內(nèi)的電路板，但它是用傳統(tǒng)的技術(shù)和以成本相當?shù)偷牟牧蟻碇圃斓?。由于所有的電路都是在疊合之前制作好的，因此，可以在疊合成完整的多層結(jié)構(gòu)之前檢查每一電路層，從而提高成品率。而且，用所謂的并行工藝的單一疊合步驟制造電路板比已有技術(shù)大大節(jié)省了成本。本發(fā)明提供了一種通孔形成方法，用這種方法產(chǎn)生的通孔比現(xiàn)存的PCB技術(shù)更小得多，不需附加工藝就能填復(fù)、填塞和層疊。本發(fā)明還提供了一具有一些固有柔性的基片。本發(fā)明可以在較寬的范圍內(nèi)選用用于形成各電路板層的介電膜。雖然圖示說明了“突起”與壓焊點接觸，但本發(fā)明也可以用一個“突起”與另一個“突起”接觸。
雖然已經(jīng)參照最佳實施例描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員將理解，可以對形式和細節(jié)作改動而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，通孔可以通過諸如激光燒蝕、反應(yīng)離子蝕刻、機械沖孔、成像、化學(xué)研磨、機械形成、鑄造等濕或干工藝形成。也可以用與描述的不同的粘接劑和介電材料。可以完全除去粘接層用合適的膜粘接到相鄰層上來代替介電基層。例，合適的聚酰胺等類似的材料。本發(fā)明可以用于形成多芯片模塊、雙金屬(地平面)帶自動粘接帶以及其它微電子連接裝置。
權(quán)利要求
1.一種進行多層連接的方法，包含在第一電路板層的第一面上鍍覆導(dǎo)電金屬；形成一個通孔，其在第一電路板層的第一面和第二面之間延伸，其中，通孔延伸至導(dǎo)電金屬層；在通孔內(nèi)鍍覆通孔金屬，所述通孔金屬形成從所述第一電路板層的第二面上的所述通孔向外的隆起；在第二電路板層的第一面上鍍覆電接觸點；把第一電路板層與第二電路板層對齊，把粘接劑夾在第一和第二電路板層之間，第二電路板層的電接觸點與第一電路板層的通孔對齊；把第一電路板層疊合到第二電路板上，第一電路板層的通孔金屬與第二電路板層的電接觸點電接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成通孔包含濕或干研磨第一電路板層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，干研磨包含用激光燒蝕，以在第一電路板層內(nèi)制造通孔。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包含用低熔點金屬鍍覆通孔金屬。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鍍覆電接觸點包含鍍覆導(dǎo)電金屬層，導(dǎo)電金屬層形成壓焊點，作為電接觸點。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括至少把三層電路板層疊合到第一和第二電路板層上。
7.一種多層連接，包含第一電路板層，具有第一和第二面，第一電路板層包括一個通孔，從第一面延伸通過第一電路板到第二面上；鍍覆在第一電路板板層的第一面上的導(dǎo)電金屬層；承載在第一電路板層的通孔內(nèi)的導(dǎo)電通孔金屬，導(dǎo)電通孔材料與導(dǎo)電金屬電接觸，在第一電路板層的第二面上的通孔外形成隆起；具有第一面的第二電路板；在第一電路板層的第一面和第二電路板層的第一面之間的粘接劑；在第二電路板層的第一面上的電接觸點，該電接觸點與通孔和導(dǎo)電通孔材料對齊，導(dǎo)電通孔材料在導(dǎo)電金屬和電接觸點之間提供導(dǎo)電通路。
8.如權(quán)利要求7所述的多層連接，其特征在于，第一和第二電路板層了聚合物膜。
9.一種進行多層連接的方法，包含形成第一電路板，它具有一在第一面和第二面之間延伸的通孔，通孔延伸到承載在第一面上的導(dǎo)電金屬層上，通孔承載導(dǎo)電通孔材料，以與導(dǎo)電金屬層電接觸，并在第一電路板層的第二面上的通孔外形成隆起；形成第二電路板層，它具有電接觸點，承載在第一面上；把第一電路板層與第二電路板層對齊，其中，第一電路板的通孔基本上與第二電路板層的電接觸點對齊；把第一電路板層疊合到第二電路板層上，第一電路板層的導(dǎo)電通孔材料與第二電路板層的電接觸點電接觸。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，進一步包括，把至少三塊電路板層疊合到第一和第二電路板層上。
全文摘要
一種多層電路板，包括多層板的相鄰電路板層之間的電連接。設(shè)置一通孔通過電路板層。通孔用通孔金屬填滿。用低熔點的金屬鍍覆通孔金屬。在電路板層上鍍覆粘接膜。多層電路板的相鄰層重疊在一起，并對齊。在加熱和加壓下進行疊合。低熔點金屬提供相鄰層之間的電連接。
文檔編號H05K3/40GK1125998SQ9419234
公開日1996年7月3日 申請日期1994年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月8日
發(fā)明者喬爾·A·格伯, 彼得·A·吉斯 申請人:美國3M公司