專利名稱：：具有通孔或非通孔的配線板及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及具有通孔和/或非通孔的配線板，其中在該孔中形成金屬配線。金屬配線由具有大約-10%到+10%球形度的球形顆粒制成。本發(fā)明的球形顆粒可以具有復合結構。本發(fā)明還涉及用于制造配線板的方法。
背景技術：
：為了在通孔或非通孔之內形成金屬配線，通常將導電膠填充到通孔或非通孔中。日本未審查的專利公布號11-298138公開一種用于將粘性膠填充到通孔或非通孔中，以便制備多層電路板的方法。然而，日本未審查的專利公布號11-298138所公開的發(fā)明可以在直徑小到5(^m的孔中形成導電配線，并且該孔的長寬比(孔長度和孔直徑之間的比率)低到2或3。即使可以由傳統(tǒng)的方法形成導電配線，但因為導電膠包括樹脂，配線的導電性并不好。因為在孔中可能存在非填充的部分，傳統(tǒng)方法不能確實地在超微孔中形成金屬配線。因此，需要新型的金屬材料和制造方法，用于形成具有較好導電性的金屬配線。同時，在美國專利號6808568中公開了多種球面形狀的金屬、合金、金屬氮化物、金屬硅化物，或這些材料的混合物的微米級的顆粒。該微米級的顆粒的顆粒大小為l-300pm?？梢詫⑽⒚准壍念w粒進一步的處理成納米級的顆粒。本發(fā)明的申請?zhí)峤涣嗣绹R時申請?zhí)?0/836407，公開了納米級的球形顆粒以及用于制造該顆粒的方法。根據(jù)美國臨時申請?zhí)?0/836407公開的方法，可以地制造多種高屈服點的金屬或合金的球形顆粒。納米級顆粒的球形度可以大約是-10%到+10%。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是為了提供具有在通孔或非通孔中形成的金屬配線的電路板?？椎闹睆娇梢孕∮诨虻扔?5pm，以及長寬比大于或等于5。通孔或非通孔金屬配線有較好導電性。在本發(fā)明中提供了包括襯底和金屬配線的電路板，該金屬配線形成在該襯底上所形成的孔之中。金屬配線由焊料合金制成。通過焊料合金顆粒熔化來形成金屬配線，所以金屬配線包括焊料合金的多晶區(qū)域?？卓梢允窃谝r底上形成的通孔或非通孔。襯底可以是晶片。電路板可以是多層電路板。根據(jù)本發(fā)明，電路板的制備如下首先提供具有孔的襯底。金屬顆粒由焊料合金制成。金屬顆粒可以包括多晶區(qū)域。金屬顆粒的球形度為-10%到+10%。金屬顆粒的熔點為100到60(TC。在另一個實施例中，金屬顆粒的熔點為100到25(TC。接下來，在高于熔點的溫度熔化金屬顆粒。通常，熔化溫度可以在熔點和高于熔點10%之間。熔化的金屬材料對孔進行填充，以在孔中形成金屬配線?？字械慕饘兕w粒和凝固的金屬配線通常包括多晶區(qū)域?？字械慕饘兕w粒和凝固的金屬配線通常具有復合結構。在本發(fā)明中，術語"復合結構"意思是包括均勻的非晶區(qū)域和晶體區(qū)域的結構，每個非晶區(qū)域或晶體區(qū)域的大小小于或等于200nm。金屬材料由焊料合金制成。對于本發(fā)明有用的焊料合金包括基于Sn的焊料合金。焊料合金可以是無鉛合金?；赟n的合金可以包括Bi和In?；赟n的合金可以進一步包括Ga?；赟n的合金可以包含數(shù)量為30-85wt^的Sn;數(shù)量為0.001-3wt^的Ga;數(shù)量為15-60wt^的Bi;以及數(shù)量為0-15wt^的In。金屬顆粒可以是微米級的球形顆粒，其大小為l到300Mm，可以根據(jù)美國專利號6808568的公開來進行制備。當將本發(fā)明的等離子處理用于微米級的球形顆粒時，則可以形成納米級的球形顆粒，其顆粒大小小于l|_im。在一個實施例中，納米級顆粒的顆粒大小可以是200nrn或者更小，特別地從lnm到200nm。本發(fā)明的納米級的顆?？梢跃哂袕秃辖Y構。具有復合結構的球形5顆粒顯示了改進的性質。當在熔點和高于熔點約10%的溫度之間熔化金屬顆粒時，金屬顆粒的復合結構得以維持，因此，電路板的配線可以包括復合結構。對球形顆粒和配線的橫截面的觀察可以證實復合結構的存在。一個實施例可以具有網狀間隔約0.3nm的復合結構。復合結構對材料性質有很大影響。復合結構中的每個非晶區(qū)域或晶體區(qū)域的大小小于或等于200nm。納米級的球形顆粒實質上具有完全的球形度。球形顆粒的球形度為-10%到+10%。這樣，納米級球形顆粒的表面態(tài)是穩(wěn)定的；因此，與傳統(tǒng)的球形顆粒相比，納米級的球形顆粒很難被氧化并且有較好的性質。球形顆粒對于制造用于電氣或電子的設備的具有金屬配線的電路板有用?？梢杂靡韵陆忉尩牡谝徊街圃煳⒚准壍那蛐晤w粒。第一步包括通過熔化原材料來制造球形顆粒、將熔化的原材料注入放置在氬惰性保護氣氛中并高速旋轉的碟狀圓盤上、用離心力將熔化的原材料粉碎為超微滴、并使超微滴與惰性保護氣氛接觸，用以將超微滴淬火。因此制備的顆粒的顆粒大小從1到300,，特別地1到2(Vm，具有-10%到+10%的球形度。美國專利6808398公開的處理可以用于上述第一步。接下來，可以通過本發(fā)明的第二步制造納米級的顆粒。第二步包括執(zhí)行等離子處理，在等離子處理中，用等離子漩渦中的氬離子轟擊微米級顆粒的球形顆粒，并使球形顆粒與氣體或蒸汽部件接觸。對中間產品的球形顆粒進行轉換使其實質上具有完整的球形。由該焊料合金制成微米級的顆粒。下面將參考附圖，對適用于第二步的裝置的實例進行詳細描述。在第二步中，如上所述，用氬離子轟擊微米級的顆粒。可以將微米級顆粒中90%或者更多的球形顆粒轉換為納米級的顆粒。用于第二步的保護氣氛可以是惰性氣體，例如氬氣。等離子處理可以包括兩個階段第一級段通過使微米級的顆粒與第一氣體進行接觸來制造第一產品；第二階段通過使第一氣體與第二氣體進行接觸來制造第二產品。第一氣體和第二氣體可以是相同或不同的。等離子處理在制造高屈服點(也就是大于或等于90%)的納米級的球形顆粒時是有用的。本發(fā)明中，可以用微米級的顆粒、納米級的顆粒、或它們的混合物來制備電路板。本發(fā)明中，用于形成金屬配線的孔的形狀和深度并不重要。在一個實施例中，孔可以是通孔和/或非通孔?？椎拈_口的形狀可以是圓形或矩形的。在具有圓形開口的情況下，孔的開口的直徑小于或等于100pm，特別地，直徑小于或等于25pm。在具有矩形開口的情況下，孔的開口的直徑(寬度)小于或等于100pm，特別地，直徑(寬度)小于或等于25pm。說明書中的術語"直徑"指孔的開口的寬度，而不管孔的開口具有何種形狀。圖1是示出了本發(fā)明的用于制造微米級顆粒的離心造粒法裝置的配置的示意圖2是示出了本發(fā)明的用于制造納米級顆粒的裝置的配置的示意圖3是示出了在圖2所示裝置中所包括的等離子處理單元的配置的示意圖4是圖3所示的等離子反應單元的一部分的放大圖5是示出了實例1中所制造的微米級顆粒的橫截面的圖，該圖由電子掃描顯微鏡(SEM)所拍攝的，并且在下文中稱為SEM圖；圖6是實例13中所制造的納米級的顆粒的SEM圖；圖7是示出了實例13中所制造的配線板的橫截面的圖，該圖由電子掃描顯微鏡(SEM)所拍攝的；圖8是實例13中所制造的配線板的X光圖，示出了在孔中所形成的配線的橫截面；圖9是比較實例9制造并以橫截面顯示的配線板的圖，該圖由電子掃描顯微鏡(SEM)截?。灰约皥D10是實例9制造并以橫截面顯示孔中形成的配線的配線板的X光圖。具體實施例方式制備了多種無鉛焊料合金顆粒，并使用無鉛焊料合金顆粒，在襯底的孔中形成金屬配線，以制備電路板。用于制造微米級顆粒的裝置圖l是示出了本發(fā)明的發(fā)明人所擁有的美國專利號6808568中所公開的離心造粒法裝置的配置的示意圖。該裝置用于制造本發(fā)明的微米級的顆粒。如圖1所示，離心造粒法裝置包括原材料供應圓筒l;電烤爐2，例如高頻烤爐，用于熔化原材料；造粒室5;篩選過濾器10;以及顆?；謴蛦卧?1。造粒室5包括圓筒部件、位于圓筒部件之下的圓錐部件、以及安放在圓筒部件之上的頂蓋6。管嘴4從頂蓋6的中央延伸出來。碟形旋轉盤7直接放置在管嘴4之下，并與支撐單元8垂直移動。用于排放球形顆粒的排放管9連接到造粒室5的圓錐部件的下端。管嘴4將電烤爐2連接到高頻加熱器3,并同樣將高頻加熱器3連接到造粒室5。將來自原材料供應圓筒1的原材料提供給電烤爐2，用于熔化原材料。儲存在第一氣體槽12中的第一保護氣氛氣體注入電烤爐2的上部。儲存在第二氣體槽13和第三氣體槽14中的第二保護氣氛氣體和第三保護氣氛氣體分別注入造粒室5。使用第一閥門15和第一排出單元18來控制電烤爐2中的壓強。使用第二閥門16、第三閥門17和第二排出單元19控制造粒室5中的壓強。如果電烤爐2中的壓強維持在稍高于保護氣氛的壓強，并且造粒室5中的壓強維持在稍低于保護氣氛的壓強，則壓強的差異就允許在電烤爐2中熔化的原材料通過管嘴4注入碟形旋轉盤7。注入碟形旋轉盤7的熔化原材料被碟形旋轉盤7的離心力粉碎為超微滴，并且8通過淬火將超微滴凝固為球形顆粒。通過排放管9，球形顆粒注入篩選過濾器IO并且隨后進行篩選。在第一步中，將熔化的原材料注入在諸如氬保護氣氛的惰性保護氣氛中的碟形旋轉盤7上，并且用離心力將其粉碎為超微滴，然后使超微滴與惰性保護氣氛接觸，從而通過淬火將超微滴凝固為球形顆粒。當高速旋轉體具有圓盤或圓錐形狀時，施加應用于熔化的金屬的離心力取決于熔化的金屬所注入的旋轉體部分而變化極大；很難獲得大小均勻的球形顆粒。但是，將熔化原材料注入具有下凹部分的碟形旋轉盤7的端區(qū)，并且因此將端區(qū)的恒定離心力應用到熔化原材料上；因此，形成的超微滴的大小是均勻的。在第二和第三氣體的混合物中將超微滴淬火并且因此凝固為球形顆粒，并且隨后進行收集。第二和第三氣體可以是氬氣。使用類似于離心造粒法裝置的裝置來對熔化的金屬的造粒進行觀察。觀察表明通過淬火，金屬滴通過淬火凝固為具有復合結構的超微顆粒，而且超微顆粒是自組的，從而取決于原材料的組成和/或所使用的保護氣氛氣體的類型，超微成分通過內含物或空穴相互隔離。術語"自組的"意思是在本發(fā)明的粉碎和凝固期間，相同的熔化金屬自動形成復合結構。隨著碟形旋轉盤7的旋轉速度的增加，獲得的球形顆粒的大小減小。當?shù)涡D盤7的直徑為35mm，深度為5mm時，其旋轉速度因此可以大于或等于30000rpm，以獲得平均大小為l-300nm的球形顆粒。用于制造納米級顆粒的裝置圖2示出了用于制造納米級顆粒的裝置。圖2所示的裝置除了用等離子反應單元20來代替電烤爐2之外，具有與圖1所示離心表面顆粒裝置相同的配置。圖3是示出了等離子反應單元20的配置的示意圖。等離子反應單元20用等離子漩渦中的氬離子來轟擊在第一步獲得的微米級顆粒，9以形成納米級的球形顆粒并且使球形顆粒與氣體成分接觸，以使球形顆粒等離子增強結晶。這個處理可以使球形顆粒的球形度小于或等于10%。如圖3所示，等離子反應單元20包括主噴槍30、輔噴槍33、第一反應氣體供應單元34和第二反應氣體供應單元35。主噴槍30包括用于供應等離子氣體PL的第一等離子氣體供應單元、用于供應微米級顆粒的第一產品供應單元301和陽極302。輔噴槍包括用于供應等離子氣體PL的第二等離子氣體供應單元和陰極331。在陽極302和陽極331之間生成等離子時，從第一和第二等離子氣體供應單元排放等離子氣體PL流并相互交叉。由于等離子氣體PL是導電的，則形成了從輔噴槍33的頂端延伸到主噴槍30的頂端的導電通路。將微米級的顆粒注入第一產品供應單元301，并且隨后從那里沿著中軸32進行排放。在這個操作中，與微米級的顆粒的注入同時地從第一氣體供應單元34排放諸如氬的惰性氣體。惰性氣體沿中軸32流動并作為保護氣氛。因此，微米級的顆粒避免被散射，并因此可以以接近100%的比率進行處理。如圖3的放大圖所示，等離子氣體PL形成沿中軸32傳播的等離子氣體流31。微米級顆粒的注入速率可以是1至U30L/min。微米級的顆粒經歷上述的第一等離子反應后，用第二反應氣體供應單元35來進行第二等離子反應。這一步使用的氣體可以是氬氣。反應氣體的注入速率可以是1到30L/min。因此從而將已處理的微米級顆粒注入造粒室，并且隨后進行參考圖1所述的造粒法，從而可以制造納米級的顆粒。實例實例1到12通過圖1所示的裝置來處理包括銦(In)、錫(Sn)、鎵(Ga)和鉍(Bi)的多種焊料合金，以制備多種無鉛的微米級顆粒。將電烤爐2中的壓強設置為小于或等于9X1(T2Pa。將造粒室5中的壓強設置10為14.699psi±l%，并且注入保護氣氛氣體，包括溫度低于或等于5'C的濃度為0.3到0.7ppm的氧氣。碟形旋轉盤7的直徑約為35mm，深度約為5mm。將焊料合金注入包括在離心造粒法裝置中的電烤爐2，從而熔化焊料合金。熔化的焊料合金通過管嘴4到達造粒室5。在造粒室5中，熔化的焊料合金注入碟形旋轉盤7上，并且通過碟形旋轉盤7的高速旋轉所產生的離心力將其粉碎為小滴，并且對小滴淬火。獲得所形成的具有復合結構的球形顆粒。在這一步使用氬氣，而且造粒室5中的壓強約為0.3MPa。獲得的微米級顆粒的平均顆粒大小約為15pm。圖5是示出了微米級顆粒的橫截面的SEM圖。圖5舉例說明非晶金屬區(qū)域在球形顆粒中均勻呈現(xiàn)。這證實了球形顆粒氣氛具有復合結構。因此表1總結了實例1到9所制備的無鉛焊料合金。實例13將包含銦(In)、錫(Sn)、鎵(Ga)和鉍(Bi)的原材料經歷圖1所示的裝置，從而按照與實例1到13相同的方式制備微米級的顆粒。實例13中，微米級的顆粒進一步經歷圖2所示的裝置。將氬氣用作氣體。因此實例13獲得的無鉛焊料合金具有成分Bi:25.3wt%、In:6.17wt%、Ga:0.78wt^和Sn:67.72wt%。實例13無鉛焊料合金是顆粒大小為100到200nm，球形度約為-1%到+1%的超微球形顆粒。圖6是實例13分無鉛焊料合金的SEM圖。圖6舉例說明超微顆粒有球形形狀。比較實例1-12通過在保護氣氛環(huán)境下熔化原金屬材料，使用無雜質的鐵容器來制備無鉛焊料合金的多種微米級的顆粒。原材料在250到30(TC的溫度下加熱。下文的表1總結了比較實例1到9的成分。用于制備電路板的方法提供了絕緣襯底。在絕緣襯底上形成了直徑23pm的非通孔和約為7的長寬比(深度/直徑)。將襯底放入腔室中，則腔室內的壓強降至0.2Pa。使用按照實例1-13和比較實例1-12來制備的顆粒。在高于熔點5%的溫度下熔化顆粒。例如，在坩鍋中將實例1的顆粒加熱到約126°C。將55到65KHz的超聲波應用于襯底。將熔化的金屬澆入到孔中。接下來，降低的壓強恢復，腔室中的壓強增至保護氣氛的壓強。超聲波持續(xù)5分鐘。通過冷卻將熔化的金屬凝固。圖7和9是分別使用實例13和比較實例9所制備的配線板橫的截面的SEM圖。圖8和10是分別通過實例13和比較實例9所制備的，在孔中形成的金屬配線的X光圖。將圖8與圖10進行比較，使用實例13所形成的包括金屬配線的空位遠小于使用比較實例9所形成的該空位。通過使用實例和比較實例來測量金屬配線的導電性。結果總結在表1中。在一個實施例中，本發(fā)明金屬配線的導電性可以小于100nncm，在另一個實施例中，本發(fā)明金屬配線的導電性可以從lpQcm到30^cm，并且在另一個實施例中，本發(fā)明金屬配線的導電性可以從5^cm到20pQcm。從X光圖和導電性的結果中，發(fā)現(xiàn)與使用傳統(tǒng)金屬顆粒的結果相比，本發(fā)明的金屬配線具有較好的導電性。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權利要求1、一種電路板，包括具有孔的襯底；以及所述孔中形成的配線，其中所述配線由熔點為100到600℃的焊料合金制成，其中所述配線包括所述焊料合金的多晶區(qū)域。2、如權利要求1所述的電路板，其中所述孔是在所述襯底上形成的通孔或非通孔。3、如權利要求1所述的電路板，其中所述孔的直徑小于或等于100(im，長寬比大于或等于l。4、如權利要求l所述的電路板，其中所述孔的直徑小于或等于25pm，長寬比大于或等于5。5、如權利要求l所述的電路板，其中所述襯底是晶片。6、如權利要求l所述的電路板，其中所述電路板是多層電路板。7、如權利要求1所述的電路板，其中通過將金屬顆粒熔化以填充所述孔中，來形成所述配線。8、如權利要求1所述的電路板，其中所述焊料合金是Sn基無鉛n五o9、一種用于制備電路板的方法，包括提供具有孔的襯底；提供由合金制成的包括多晶區(qū)域的金屬顆粒，其球形度為-10%到+10%，熔點為100到600。C，在所述熔點和高于所述熔點10%的溫度之間對所述金屬顆粒進行加熱，以熔化所述金屬顆粒；用所述熔化的金屬顆粒填充所述孔；以及凝固所述熔化的金屬顆粒，以在所述孔中形成金屬配線。10、如權利要求9所述的用于制備電路板的方法，其中所述金屬配線包括多晶區(qū)域。11、如權利要求9所述的用于制備電路板的方法，其中所述顆粒具有復合結構。12、如權利要求9所述的用于制備電路板的方法，其中所述金屬顆粒的大小為1到300pm。13、如權利要求9所述的用于制備電路板的方法，其中所述金屬顆粒的大小小于lMm。14、如權利要求9所述的用于制備電路板的方法，其中在用所述熔化的焊料合金填充所述孔時，將超聲波應用于所述襯底。15、如權利要求9所述的方法，其中所述焊料合金是Sn基無鉛a會n五o16、如權利要求9所述的方法，其中將所述襯底嵌入腔室內，在增加所述腔室內的壓強并且對所述襯底應用超聲波的同時，用所述熔化的金屬顆粒填充所述孔。全文摘要這里提供一種具有通孔或非通孔的配線板及其制造方法。該配線板包括具有孔的襯底。在孔中形成金屬配線。該配線由熔點為100到600℃的焊料合金制成，并且該金屬配線包括焊料合金的多晶區(qū)域。本發(fā)明的金屬配線有較好的導電性。文檔編號H05K1/11GK101494950SQ200810003749公開日2009年7月29日申請日期2008年1月22日優(yōu)先權日2008年1月22日發(fā)明者關根由莉奈,關根重信申請人:納普拉有限公司