高熱循環導體系統的制作方法

專利名稱：高熱循環導體系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生產金屬化陶瓷基底的方法，該金屬化陶瓷基底當表面安裝元件焊接到其表面金屬上并且閉合回路暴露于高溫儲存條件時，表現出優良的粘附特性。
背景技術：
互聯電路板是由電氣上和機械上互聯的多個非常小的電路元件制成的電子電路或子系統的物理實現。以一定的配置組合這些不同的電子元件，從而使它們在單個的小型組件內物理上隔離且彼此相鄰地安裝，并且電氣上彼此相聯和/或聯結于從組件中伸出來的共同的接合處，這經常是令人期望的。
標準的互聯電路板包括其上安裝不同的有源和無源電子元件的金屬化基底。電路組件或子組件可以包括一個或多個這種互聯電路板以提供所需要的電子功能。
互聯電路板可以由有機或陶瓷材料構造并且表面安裝元件最常見地與一種或多種焊料、例如環氧數脂的導電膠和或某種形式的導線或條帶連接。
最密集和復雜的電子電路通常需要金屬化基底由絕緣電介質層分隔開的幾層導體構造。導電層由在電介質層中形成的叫作通路的導電路徑在層之間互聯。這種多層結構能夠實現比使用傳統的單層電路可獲得的電路更加密集的電路。
本發明涉及陶瓷基底和附加元件，陶瓷基底可以是單層，例如只有氧化鋁，或者是一定形式的多層，附加元件使用焊接連接進行制作。本發明也涉及使用常規的厚膜電介質材料或LTCC(低溫共燒陶瓷)材料所形成的多層電路。
在成功使用該材料中一個關鍵的要素是表面導體在熱時效(在150℃等溫儲存至少1000小時)和熱循環(典型地在-55到-40℃范圍內的低溫和100-150℃范圍內的高溫之間進行至少750次循環)條件下均具有優良的焊接粘附性。而且，當在用于制作多層電路的電介質材料上以及只在氧化鋁上對導體進行處理時，這種優良的焊接粘附性應該起作用。這種暴露的結果是在用于將表面安裝元件連接于金屬化基底的焊料接合點中產生應力。這種靜應力(等溫條件)和交變應力(熱循環條件)都能夠隨著時間推移而危及接合點的機械完整性。產生應力的主要原因是構成接合點的不同材料熱膨脹不匹配，構成接合點的不同材料也就是陶瓷、導體金屬、焊料金屬、構成表面安裝器件的導線的金屬以及用于制造該器件的材料。通過仔細選擇材料，使用獨特設計的零件以及熟練地使用合適的底層填料材料，可以使應力分布得更加均勻，也就是較少地集中在任何一個焊料接合點上，從而引起接合點機械破裂的可能性減小。
本發明集中在選擇頂端導體材料和其組合作為改進焊料接合點熱循環粘附強度或對機械破裂的阻抗的手段。
授予Keusseyan等的U.S.5,033,666教授了用于將金屬化元件銅焊(在500℃到840℃的溫度范圍內)到金屬化的陶瓷基基底上的工藝。這個工藝沒有利用焊接技術。
授予Lombard等的U.S.5,431,718提供了一種用于與低燒(low-fire)陶瓷一起使用的高粘附強度、可共燒、可焊接的銀金屬化材料。該金屬化材料包括金屬化粉末以及有機載體和粘附促進劑。要素的組合使可以在相對低的溫度下共燒的金屬化材料用于燒結陶瓷基底材料是必要的，同時提供用于將隨后的電路元件焊接到陶瓷基底上的適當的基體。
授予Nair的U.S.4,416,932公開了一種具有導電圖形涂層的陶瓷基底以及用于制造其的方法，其中該涂層包括貴金屬或合金、低溫熔化、低孔隙率玻璃、形成尖晶石結構的金屬氧化物和有機鈦酸鹽復合物的極細顆粒的混合物。
雖然上面的發明確實提供了對焊料接合點高溫粘附性的一些逐步的改進，但它們確實沒有提供對于隨著熱循環焊料接合點過早破裂的令人滿意的解決方法。將粘附性降低到低于可接受的值的某種形式的機械損耗在達到750個循環的最低必需數量以前就發生了。
本發明的發明者(們)想要提供一種形成能夠承受和超過由實施現有技術所產生的熱循環能力的多層陶瓷電路的方法。該方法必需提供焊料接合點的壽命超過必需的750個熱循環而沒有顯著的粘附性損失的手段，其中粘附性損失來自于占優勢的高溫產生的冶金學反應造成的基底破裂或粘附性降低。
發明概述本發明的方法考慮到由厚膜或LTCC(低溫共燒陶瓷條帶)形成金屬化的單層或多層電路，其包括
(a)將含有銀或銀-鉑的第一導體組合物涂覆到陶瓷基體上，該陶瓷基體可能是燒制氧化鋁、燒制電介質、或者是厚膜或者是LTCC的生(未燒制的)電介質、AlN、鈹或玻璃，該第一導體組合物包括金屬粉末、無機粘結劑和有機介質；(b)干燥所述的第一導體組合物；(c)在足以去除有機介質、用所述的無機粘結劑潤濕該陶瓷并且燒結所述金屬粉末的溫度下任選地燒制所述第一導體組合物從而形成第一金屬化層。前述方法的替代方法是在這個點上不燒制該導體而在該工藝的最后步驟中共燒所有的層；(d)將含有銀或銀-鉑的第二導體組合物涂覆到所述第一導體層上從而使所述第一導體層被第二導體層所覆蓋，第二導體組合物包括金屬粉末和有機介質；(e)干燥所述的第二導體組合物；(f)在足以去除有機介質和燒結第二導體組合物的金屬粉末的溫度下燒制所述的第二導體組合物，從而形成第二金屬化層。一個替代方法是在這個步驟中共燒所有的層。
附圖的簡要說明

圖1是示出在本發明一個實施例的基底中含有的玻璃組分范圍的三元相圖，其中該基底包括含有作為堿土金屬改性劑的CaO、MgO和/或SrO的電介質漿料或條帶。
發明的詳細描述本發明提供了一種形成顯示出超過現有技術可能實現的熱循環粘附能力的陶瓷電路的方法。尤其是，本發明提供了能夠實現承受超過750個熱循環而在焊料接合點中沒有巨量粘附性損失的方法。
形成單層或多層電子電路的方法包括(a)將第一導體組合物涂覆到基體上，該第一導體組合物含有銀金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物、無機粘結劑以及有機介質；(b)干燥所述的第一導體組合物以形成干燥的第一金屬層；(c)在足以去除有機介質和燒結所述金屬粉末的溫度下燒制所述基底和所述干燥的第一金屬層，從而形成燒制雙金屬層的第一燒制金屬導體層；
(d)將第二導體組合物涂覆到所述的第一燒制導體金屬層上，從而使所述的第一燒制金屬層被第二導體組合物所覆蓋，該第二導體組合物包括銀金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物以及有機介質；(e)干燥所述的第二導體組合物形成第二干燥金屬層；(f)在足以去除有機介質和燒結第二導體組合物的金屬粉末的溫度下燒制所述的第二干燥金屬層，從而形成雙金屬層的第二層。
在形成不管是單層還是雙層電子電路的方法中，由此對第一和第二干燥金屬層進行如上所述的處理，但是進行共燒而不是在基底上順序地燒制。
形成多層陶瓷電路的方法包括(a)將電介質組合物涂覆到先前燒制的均在氧化鋁基底上的電介質單層或多層上，以形成氧化鋁和電介質基底；(b)干燥所述的電介質組合物以形成干燥的電介質層；(c)涂覆導體通孔填充組合物(conductor via fill composition)以提供將所述干燥的電介質層上面和下面的導體層連接起來的穿過所述干燥的電介質層的最終的互聯，所述的通孔填充組合物包括銀的金屬粉末、例如氧化物和玻璃的無機添加劑以及無機介質；(d)干燥所述先前干燥的電介質層通孔中的通孔填充組合物；(e)將第一導體組合物涂覆到所述先前干燥的電介質層上，并且接觸干燥的電介質層通孔中的干燥的通孔填充組合物，該第一導體組合物包括主要只由銀組成的金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物、無機粘結劑以及有機介質；(f)干燥所述的第一導體層以形成第一干燥的導體層；(g)將第二導體組合物涂覆到所述第一干燥的金屬層上，從而使所述第一干燥的金屬層被第二導體組合物所覆蓋，該第二導體組合物包括主要只由銀組成的金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物以及有機介質；(h)干燥所述的第二導體層以形成第二干燥的導體層。
上面剛提到的方法可以進一步包括對所述氧化鋁和電介質基底、干燥的通孔填充組合物、第一導體層和第二導體層進行燒制，從而使所述干燥的電介質層、所述干燥的通孔填充組合物和兩個(第一和第二)干燥的導體層在足以去除有機介質以及燒結導體層中的金屬粉末和電介質層中的陶瓷粉末的溫度下進行共燒，并且由此在共燒制電介質層的頂端形成多個金屬化層，其接著在先前燒制的導體和電介質的交替層的頂端進行處理。
形成多層陶瓷電路的方法包括排列和層疊由前面描述的通孔填充導體組合物互聯的金屬化LTCC層，由此頂端金屬化層包括順序印刷的導體的兩個干燥的印跡，整體進行共燒以形成典型的LTCC金屬化基底。
在所有上述的四種描述中，當從恰當的導體類型中適當地選擇時，雙金屬層產生了當這種結構受到高溫暴露時改進的粘附性和優良的焊料接合點整體性的好處。不管該結構由單層或多層層工藝，還是由傳統的厚膜或LTCC工藝來生產，都是這種情形。此外，這種好處不取決于使用共燒或順序燒制策略。
本發明每一種厚膜導體組合物的主要構成要素在下面詳細地描述。
玻璃/陶瓷電介質基底和基底組合物在本發明中使用的基底可以包括任何一種熟知的本領域中常規的陶瓷基的基底，只要燒結溫度低于1,000℃左右(或含銀金屬的熔點)。陶瓷基的基底的例子包括陶瓷基底，例如氧化鋁、氧化鈹、二氧化鉿、氮化物和碳化物等。也適合用作陶瓷基的基底的是玻璃/陶瓷和現代陶瓷，例如氮化鋁、碳化硅、氮化硅和氮化硼。此外，可以使用玻璃基底。
在一個實施例中，在本發明中使用的基底是帶有印刷或層疊到氧化鋁上的電介質漿料或條帶(由E.I.du Pont de Nemours and Company生產的Green TapeTM)的氧化鋁基底。電介質層可以通過本領域技術人員熟知的方法制造，例如通過厚膜漿料形式的絲網印刷或通過條帶形式的層疊。
尤其是，本發明一個實施例的電介質體由厚膜電介質組合物所形成，該厚膜電介質組合物包括非晶、部分可晶化的堿土硅酸鋅玻璃組合物類。這些組合物在授予Haun等的在這里結合的美國專利No.5,210,057中公開了。
Haun等公開了一種非晶的部分可晶化的堿土硅酸鋅玻璃，其主要由落入附1的重量點g-l限定的范圍內的組合物所構成，其中(1)α是與從不超過3％Al2O3、6％HfO2、4％P2O5、10％TiO2、6％ZrO2和其混合物所組成的組中選擇的玻璃形成物或附有條件的玻璃形成物相混合的SiO2，附帶條件是該組合物含有至少0.5％的ZrO2；(2)β是從CaO、SrO、MgO、BaO和其混合物中選擇的堿土，附帶條件是該組合物含有不超過15％的MgO和不超過6％的BaO；以及(3)γ是ZnO，點g-l的位置如下點g-α48.0，β32.0，γ20.0；點h-α46.0，β34.0，γ20.0；點i-α40.0，β34.0，γ26.0；點j-α40.0，β24.0，γ36.0；點k-α46.0，β18.0，γ36.0；點k-α46.0，β18.0，γ36.0；點l-α48.0，β19.0，γ33.0。
在本發明中使用的電介質體的一個沒有Pb、沒有Cd的實施例中使用的玻璃涉及堿-堿土-鋁-硼硅酸鹽玻璃組合物，包括，以摩爾百分比計，46-66％的SiO2、3-9％的Al2O3、5-9％的B2O3、0-8％的MgO、1-6％的SrO、11-22％的CaO和2-8％的M，其中M選自于堿金屬元素族的氧化物和其混合物。堿金屬元素在元素周期表的IA族中。例如，堿金屬元素的氧化物可以從Li2O、Na2O、K2O和其混合物中選擇。SrO/(Ca+MgO)的摩爾比在大約0.06到大約0.45之間。這個比例范圍對于保證與本發明的LTCC條帶結合使用的導體材料的相容性是必要的。
在這個沒有Pb和沒有Cd的實施例中，認為玻璃中含有堿金屬和堿土金屬改性劑在提供了對于處理LTCC條帶材料很關鍵的玻璃粘度降低的同時，增加了玻璃的熱膨脹系數。雖然堿土金屬氧化物BaO可以用來制造LTCC條帶，但是由于其很容易在低pH值的溶液中濾出，所以發現其降低了化學阻抗。由于這個原因，發現對于在上面所限定的比例極限和摩爾百分比范圍內的堿土金屬改性劑組分具有優良的化學阻抗。氧化鍶在涂覆到條帶外部層的導體材料系統中產生了優良的可焊性和低電阻。當在玻璃中存在的含量包括和超過1摩爾％時，在玻璃中含有氧化鍶提供了改進了的導體性能。數據表明1到6摩爾％的含量提供了改進了的導體性能。氧化鍶優選的含量是1.8-3.0摩爾％。當應用在生條帶中時玻璃中堿金屬氧化物的存在通過控制條帶的致密化和結晶化行為而改進了玻璃對熱處理條件的敏感性。堿金屬添加物的決定性作用是在希望的燒制溫度下給條帶提供所需的流動和致密化特性。其完成了玻璃粘度降低的功能而不影響條帶所需的物理和電學性能。用于改善玻璃粘度性能的堿金屬離子的類型和數量也對玻璃制成的條帶的電損耗特性產生影響。
在此描述的玻璃可以包括幾種其它的氧化物組分。例如，ZrO2、GeO2和P2O5可能如下所述地部分替代玻璃中的SiO2，以基于全部玻璃構成成分的摩爾百分比0-4摩爾％ZrO2、0-2摩爾％P2O5和0-1.5摩爾％GeO2。此外，基于全部玻璃構成成分的0-2.5摩爾％的CuO可以部分替代堿金屬和/或堿土金屬組分。使用玻璃作為組分的LTCC條帶形成的適宜性因素是需要與導體以及用作條帶表面內和條帶表面上的電路元件的惰態材料有相容性。這包括物理約束，例如合適的熱膨脹以及條帶合適的密度和強度水平的獲得，后者可以通過玻璃粘度的適宜性以在所需的熱處理溫度范圍內提供條帶來實現。
在此描述的玻璃由常規的玻璃制造技術來生產。尤其是，玻璃可以如下來制備。玻璃典型地用500-1000克的量來制備。典型地，稱量組分、然后按照需要的比例混合，并且在底部裝料的爐子中加熱以在鉑合金坩堝中形成熔體。典型地加熱到峰值溫度(1500-1550℃)并且加熱一定的時間，從而使熔體完全成為液體并且均勻。然后通過傾注到轉向相反的不銹鋼輥表面上以形成10-20mil厚的玻璃片或通過傾注到水箱中將玻璃熔體快冷下來。將所產生的玻璃片或水冷熔塊進行研磨以形成在1-5微米之間具有50％體積分布的粉末。所產生的粉末與填充物和介質配成厚膜漿料或可澆鑄的電介質組合物。
玻璃在加到條帶中時與共燒厚膜導體材料是相容的。條帶中的玻璃一燒制就不過多地流動。這是由于玻璃的部分結晶化，玻璃的部分結晶化是由典型地是Al2O3的陶瓷填充物與玻璃之間的反應所引發的。部分結晶化之后剩余的玻璃變成了更加難熔的玻璃。這消除了條帶受導體材料的浸蝕并且產生了厚膜導體材料的焊料浸濕或化學鍍。焊料浸濕是例如在印刷電路板上使陶瓷電路與外部導線進行連接的一個重要的特征。如果將厚膜導體的化學鍍施加到條帶的表面層上，低pH值的電鍍槽會從條帶的表面釋放出離子污染電鍍槽。由于這個原因，在條帶中存在的玻璃通過在減小了pH值的溶液中的化學腐蝕而使玻璃組分的釋放最小化。
此外，在條帶中存在的玻璃也通過在強堿溶液中的化學腐蝕而使玻璃組分的釋放最小化。
導體組合物厚膜導體組合物包括賦予組合物適當電性能的功能相；給功能相提供內聚性和給基底提供粘附性的粘結劑相，在燒制過程中將其涂覆到基底上；用作功能相和粘結劑相的載體并能夠實現絲網印刷工藝的有機相。絲網印刷是將導體組合物轉移到基底上的主要方法。功能相包括單種金屬粉末或金屬粉末的混合物。無機粘結劑相包括玻璃料和單種氧化物粉末和其混合物。有機相典型地是聚合物在溶劑中的溶液。
A.第一導體組合物銀或銀鉑功能粉末第一導體組合物的功能相只包括銀粉末或包括銀和鉑粉末的混合物。在一個實施例中，組合物的全部金屬功能相是68重量％，銀和鉑分別以76份比1份的比例存在。
第一導體組合物的無機粘結劑在一個實施例中，第一導體組合物的無機粘結劑是與ZnO混合的Bi、Pb、Si氧化物玻璃。這個實施例的無機粘結劑占第一導體組合物總量的7.2重量％。根據以下選擇粘結劑(a)將與基底的燒制粘附性最大化而不會引起基底機械強度的任何降低的能力。
(b)促進功能相的燒結以將燒制金屬薄膜的密度最大化的能力。
(c)燒制薄膜反潤濕焊料的能力，它通常是導體不希望具有的特征，但是在這種情況下，通過在其表面上形成富硅玻璃成為需要的特征。
有機介質無機組分典型地通過機械混合與有機介質相混合以形成叫做“漿料”的粘稠組合物，它具有適于印刷的合適的稠密度和流變特性。多種惰性液體可以用作有機介質。有機介質必須是無機組分在其中能適當穩定地分散的一種介質。介質的流變特性必須是使它們給組合物提供優良的的涂覆性能，包括固體的穩定分散、對于絲網印刷來說適當的粘度和觸變性、可接受的未燒制“生坯”強度、基底和漿料固體的適當的可潤濕性、優良的干燥率和優良的燒制性能。有機介質典型地是聚合物在溶液中的溶液。此外，少量的添加劑，例如表面活性劑可以是有機介質的一部分。為這個目的最常使用的聚合物是乙基纖維素。聚合物的其它例子包括乙基羥乙基纖維素、木松香、乙基纖維素與酚醛樹脂的混合物、低醇的聚甲基丙烯酸酯，也可以使用乙二醇單醋酸酯的單丁醚。在厚膜組合物中存在的應用最廣泛的溶劑是酯醇和萜烯，例如α-或β-萜品醇或其與其它溶劑如煤油、鄰苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、己二醇和高沸點醇和醇酯的混合物。此外，用于促進涂覆到基底上之后快速硬化的揮發性液體可以包括在載體中。這些和其它溶劑的不同組合進行搭配以獲得所希望的粘度和揮發性要求。
在厚膜組合物中的有機介質與分散體中的無機組分的比例取決于涂覆漿料的方法和使用的有機介質的種類，并且其可以變化。通常，為了獲得優良的涂層，分散體包含50-95重量％的無機組分和5-50重量％的有機介質(載體)。
B.第二導體組合物第二導體組合物是分散在有機介質中的含銀組合物。第二導體組合物可以含有或可以不含有一些鉑粉末。此外，該組合物可以含有或可以不含有任何無機粘結劑材料。
將第二導體組合物涂覆到第一導體組合物上。不完全覆蓋第一導體組合物可以產生一些好處。
銀或銀鉑功能粉末第二導體組合物的功能粉末是含銀粉末。如前面所提及的，功能粉末也可以含有一些鉑。如果存在鉑，其優選組成范圍是0.3-3.5重量％。
在一個實施例中，由E.I.du Pont de Nemours and Company出售的產品號碼為5082的組合物含有0.75％重量、并且銀與鉑的比例分別是134份比1份。
無機粘結劑第二導體組合物可以含有或可以不含有無機粘結劑。如果粘結劑是第二導體組合物的一部分，那么如果存在第一導體層的印刷錯誤，其可提供一些保護。更加重要的是，其也與在第一導體組合物表面上的玻璃發生反應并且提供錫從焊料擴散到燒制薄膜的增強了的屏障。錫擴散到燒制薄膜是在焊料接合點的高溫暴露期間起作用的一個粘結退化機理。
在一個實施例中，基于第二導體組合物的全部重量百分比，無機粘結劑含有1.7重量％的玻璃和1.3重量％的Pb和Bi的氧化物。
有機介質第二導體組合物的有機介質可以與上面詳細描述的、第一導體組合物的有機介質相同。
應用本發明的方法可以與未處理陶瓷材料的電介質層協同使用以形成多層電子電路，未處理的陶瓷材料電介質層例如Green TapeTM或漿料。電介質層可以由厚膜漿料形式的絲網印刷或以條帶形式的層疊來形成。
Green TapeTM典型地用作用于多層電子電路的電介質或絕緣材料。用每一個角落中的對準孔將Green TapeTM片切割成稍微大于電路實際尺寸的尺寸。為了連接多層電路的不同層，在Green TapeTM中形成通孔。這典型地通過機械沖孔來完成，然而，可以利用任何合適的方法來形成通孔。例如，可以使用急劇聚焦的激光在Green TapeTM中揮發和形成通孔。
通過用厚膜導電組合物填充通孔來形成層之間的互聯。在本發明的情況下，典型地利用在這里公開的不同于第一和第二導電導體組合物的厚膜導電組合物作為通孔填充厚膜導電組合物。通常用標準的絲網印刷技術涂覆這種導電組合物，然而，可以使用任何合適的涂覆技術來涂覆這種導電組合物。典型地通過絲網印刷導體路徑來完成電路的每一層。也可以在選擇的層上印刷電阻墨水或高介電常數的墨水來形成電阻或電容電路元件。典型地用常規的絲網印刷技術來形成導體、電阻器、電容器和任何其它元件。
本發明的導體組合物可以在層疊之前或之后印刷在電路的最外層。電路的最外層用來連接元件。元件典型地導線連接、膠結或焊接到燒結部件的表面上。在焊接元件的情況下，本發明的導體組合物尤其有用，因為其可以具有比現有技術的組合物優良的熱時效和熱循環粘附性。
在完成了電路的每一層之后，將單個的層進行排列和層疊。典型地使用受限單軸或等靜壓模具來保證層之間的精確對準。在層疊之后將組件修整到合適的尺寸。典型地在傳送帶爐中或在具有程序化熱循環的箱式窯中進行燒結。在燒結過程中條帶或者受限或者自由燒結。例如，可以利用授予Steinberg的U.S.4,654,095、授予Mikeska的U.S.5,254,191以及授予Wang的美國專利公開2003/023407中公開的方法，也可以利用本領域普通技術人員公知的其它方法。
正如在這里所使用的，術語“燒制”意味著在氧化性氣氛如空氣中將組件加熱到一定溫度，并且加熱一定的時間，這個時間足以將裝配體的層中的有機材料揮發(燒掉)并且容許條帶和導體的無機組分的反應和燒結。“燒制”引起層中的無機組分發生反應或燒結，這樣就密實整個組件，從而形成燒制制品。這個燒制制品可以是應用在電信中的多層電路和自動推進應用(例如汽車)。
術語“功能層”指印刷的Green TapeTM，印刷的Green TapeTM具有導體、電阻、電容或電介質功能性。因此，如上所述，典型的Green TapeTM層可以含有一個或更多的導電路徑、導電通孔、電阻器和/或電容器。
例子現在將用例1-8更加詳細地描述本發明。例3和7代表用于比較目的的單一導體組合物印跡。
在表1例子中所使用的檢驗過程將E.I.du Pont de Nemours and Company生產和銷售的產品號QM44D的電介質漿料使用280目絲網印刷到氧化鋁基底上并進行干燥。在這個過程中所有的干燥步驟都在150℃下進行10分鐘。然后用30分鐘850℃的外形輪廓將氧化鋁基底和電介質印刷料進行燒制，在峰值溫度下燒制10分鐘。然后將第二電介質印刷料以相似的方式涂覆到先前燒制的印刷料上，然后再干燥；然而，在這時不燒制。然后，將QM18的導體印刷料涂覆(325目絲網)到干燥的電介質表面上。也將這種材料進行干燥。QM18是由E.I.du Pont de Nemours andCompany生產和銷售的。最后，使用與先前的步驟相同的圖案將第二導體組合物，選擇的形式QS300或5082在第一干燥的導體組合物上進行印刷(325目絲網)和干燥。QS300或5082都是由E.I.du Pont de Nemours and Company生產和銷售的。最后，基底、第二電介質印刷料、第一和第二導體印刷料按照與先前描述相同的燒制輪廓進行共燒。
在例3和7的情況下，只使用230目絲網印刷單一的導體組合物QM22，并與第二電介質層進行共燒，例3和7均是試驗性的控制。QM22是由E.I.du Pontde Nemours and Company生產和銷售的。
也準備了以與例1-8相同方式制造的另外的單一印刷比較例。這些比較例是例9-12。
焊接粘附強度檢驗方法對于表2的例9-12，使用包括2mm*2mm墊片的3*3單純矩陣的典型粘附檢驗圖案。對于表1的例1-8，使用單行的2mm*2mm墊片。每個導體的燒結厚度在10到14μm之間。在這里描述的導體組合物沒有表現出在順序燒結或共同燒結的電介質體上產生可觀察到的變形。
對于所有的粘附性檢驗，穿過每行的3個墊片(或在例1-9的情況下穿過單個墊片)連接三個鉗狀導線，并且對于所有的檢驗，使用60Sn/40Pb(Sn/Pb)和95Sn/5Ag焊料，進行軟浸焊(例9-12)或者使用焊料漿料(例1-8)焊接。使用焊料漿料(從α金屬(60/40或95/5)得到)完成例1-8。
對于使用焊料漿料的例1-8，60Sn/40Pb焊料漿料加熱到240℃+/-5℃十秒鐘。95Sn/5Ag焊料漿料加熱到260℃+/-5℃十秒鐘。此外，與95Sn/5Ag焊料漿料一起使用的導線不含鉛。該導線是涂覆Sn的銅線。
部件與60Sn/40Pb在240℃+/-5℃下軟浸焊十秒鐘。部件與95Sn/5Ag在260℃+/-5℃下軟浸焊十秒鐘。在焊接之后，殘留的焊劑用Arcosolve(供應者)從焊接的導線部分清除。然后將部件分成用于初始粘附性、熱時效粘附性(150℃浸透)或熱循環粘附性(-40到125℃，每個循環2小時)的單個的檢驗樣品。
在焊接之后讓部件在室溫下靜止16小時。對于粘附性檢驗，與每個部件上印刷的彎曲痕跡相一致將導線彎曲90°，然后對于每個墊片測量拉伸強度。對于三到四個測量的部件每個部件的三個(3)墊片的平均值用作涂覆到基底上的厚膜導體的粘附強度。對于所有的粘附檢驗均使用這種模式。
熱循環和熱循環粘附性在焊接和清除之后，將部件放置到熱循環室中，然后熱循環室每兩小時在-40和125℃之間進行循環。在不同的間隔(循環)將部件取出進行檢驗。選擇的名義循環數是0、100、250、500、750和1000。所選擇的實際間隔可以變化同時該選擇取決于所獲得的中間檢驗結果的狀態。
在如上面描述的粘附性檢驗之后，失效方式與粘附性值一起用來評價可接受性。失效定義為可見的基底裂紋，當基底是燒結的電介質體，并且粘附性拉伸強度值低于12牛頓時尤其重要。結果在表1和表2中進行描述。
表1熱循環粘附性(-40℃到125℃-2小時)

表2熱循環粘附性(-40℃到125℃-2小時)

表1中的數據表明雙金屬化比單金屬化更好地承受熱循環并且滿足所要求的在750個循環后沒有裂紋以及粘附性數值超過12N的性能指標。對于所有的組合并不都是這種情況。合適組合的選擇是獲得所要求的結果的關鍵。
權利要求
1.一種形成電子電路的方法，包括(a)將第一導體組合物涂覆到基底上，該第一導體組合物包含銀金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物、無機粘結劑以及有機介質；(b)干燥所述的第一導體組合物以形成干燥的第一金屬層；(c)在足以去除有機介質和燒結所述金屬粉末的溫度下燒制所述基底和所述干燥的第一金屬層，從而形成燒制雙金屬層的第一燒制金屬導體層；(d)將第二導體組合物涂覆到所述的第一燒制導體金屬層上，從而使所述的第一燒制金屬層被第二導體組合物所覆蓋，該第二導體組合物包含銀金屬粉末或銀和鉑金屬粉末的混合物以及有機介質；(e)干燥所述的第二導體組合物形成第二干燥金屬層；(f)在足以去除有機介質和燒結第二導體組合物的金屬粉末的溫度下燒制所述的第二干燥金屬層，從而形成雙金屬層的第二層。
2.一種形成電子電路的方法，包括(a)將第一導體組合物涂覆到基底上，該第一導體組合物含有銀金屬粉末或銀和鉑金屬粉末的混合物、無機粘結劑以及有機介質；(b)干燥所述的第一導體組合物以形成干燥的第一金屬層；(c)將第二導體組合物涂覆到該干燥的第一金屬層上，從而使所述的第一干燥金屬層被第二導體組合物所覆蓋，第二導體組合物包含銀金屬粉末或銀和鉑金屬粉末的混合物以及有機介質；(d)干燥所述的第二導體組合物形成第二干燥金屬層；(e)在足以去除有機介質和燒結所述第一和第二導體組合物的金屬粉末的溫度下對所述的基底、第一干燥金屬層和第二干燥金屬層進行共燒，從而形成雙金屬層。
3.一種形成多層陶瓷電路的方法，包括(a)將電介質組合物涂覆到先前燒制的均在氧化鋁基底上的電介質單層或多層上，以形成氧化鋁和電介質基底；(b)干燥所述的電介質組合物以形成干燥的電介質層；(c)涂覆導體通孔填充組合物以提供將所述電介質層上面和下面的導體層連接起來的穿過該電介質層的最終的互聯，所述的通孔填充組合物包含銀的金屬粉末、例如氧化物和玻璃的無機添加劑以及無機介質；(d)干燥所述干燥的電介質層通孔中的通孔填充組合物；(e)將第一導體組合物涂覆到所述干燥的電介質層上，并且接觸所述干燥的電介質層通孔中的干燥的通孔填充組合物，該第一導體組合物包含主要只由銀組成的金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物、無機粘結劑以及有機介質；(f)干燥所述的第一導體層以形成第一干燥的導體層；(g)將第二導體組合物涂覆到所述第一干燥的金屬層上，從而使所述第一干燥的金屬層被第二導體組合物所覆蓋，第二導體組合物包含主要只由銀組成的金屬粉末或銀和鉑粉末的混合物以及有機介質；(h)干燥所述的第二導體層以形成第二干燥的導體層。
4.權利要求3的方法，還包括對所述的氧化鋁和電介質基底、干燥的通孔填充組合物、第一導體層和第二導體層進行燒制，從而在足以去除有機介質和燒結所述第一和第二導體層中的金屬粉末和所述電介質層中的陶瓷粉末的溫度下對所述干燥的電介質層的頂端、所述干燥的通孔填充組合物和所述干燥的第一和第二導體層進行共燒，從而在共燒電介質層的頂端形成多個金屬化層，其接著在先前燒制的導體和電介質交替的層的頂端進行處理。
5.權利要求1或2任何一個所述的方法，其中所述的基底包括氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、玻璃、電介質漿料或電介質條帶。
6.權利要求1或2任何一個所述的方法，還包括在所述雙金屬層的表面上設置至少一個金屬化的元件并將該元件焊接到所述雙金屬層的表面上。
7.權利要求1或2任何一個所述的方法，其中所述的基底包含電介質漿料或電介質條帶，包含非晶的部分可晶化的堿土硅酸鋅玻璃，其主要由落入附1的重量點g-l限定的區域范圍內的組合物所構成，其中(1)α是與從不超過3％Al2O3、6％HfO2、4％P2O5、10％TiO2、6％ZrO2和其混合物所組成的組中選擇的玻璃形成物或附有條件的玻璃形成物相混合的SiO2，附帶條件是該組合物含有至少0.5％的ZrO2；(2)β是從CaO、SrO、MgO、BaO和其混合物中選擇的堿土，附帶條件是該組合物含有不超過15％的MgO和不超過6％的BaO；以及(3)γ是ZnO，點g-l的位置如下點g-α48.0，β32.0，γ20.0；點h-α46.0，β34.0，γ20.0；點i-α40.0，β34.0，γ26.0；點j-α40.0，β24.0，γ36.0；點k-α46.0，β18.0，γ36.0；點k-α46.0，β18.0，γ36.0；點l-α48.0，β19.0，γ33.0。
8.權利要求1、2或3任何一個所述的方法，其中所述的第二導體組合物還包含無機粘結劑。
9.由權利要求1、2或3任何一個所述的方法形成的電路。
全文摘要
本發明提供一種生產金屬化陶瓷基底的方法，該金屬化陶瓷基底當表面安裝元件焊接到其表面金屬上時表現出優良的粘附特性，并且當制成的電路暴露于高溫儲存條件下時提供優良的穩定性。
文檔編號H05K1/03GK1738514SQ200510103830
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月12日 優先權日2004年7月12日
發明者R·J·巴徹, C·R·尼迪斯, A·J·奧澤爾 申請人:E.I.內穆爾杜邦公司