專利名稱：金屬背印刷電路板組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬背印刷電路板組件，它具有一個在它的印刷電路板與金屬背板之間的經(jīng)改進的導電互連層。
在許多應(yīng)用中，例如在蜂窩式系統(tǒng)，個人通信系統(tǒng)和陸基通信系統(tǒng)中，都把印刷電路板連接于金屬背板，以提供一個金屬背印刷電路板組件?？梢园呀饘俦嘲褰雍系揭粋€薄的柔性印刷電路板的表面上，使該板具有剛性，從而使該組件容易處理。金屬背板還可起到一個用于消散熱量的散熱器的作用，從而防止損傷電路系統(tǒng)；當把附加部件焊接到印刷電路板的相對的電路化表面上時，會產(chǎn)生熱量。在一些應(yīng)用中，金屬板也可作為電接地面。
已用一些方法把金屬背板連接到印刷電路板上。其中一種方法需要把印刷電路板焊接到金屬背板上。這種方法在印刷電路板與金屬背板的完整接合表面之間提供一個導電互連層?？上Ш附舆^程能使焊劑截留于金屬背板與印刷電路板之間。因為焊劑是腐蝕性的，故最終會使導電互連層受剝蝕。熱熔焊接難以使導電互連層中不截留空氣和不產(chǎn)生孔洞?？锥吹拇嬖诳善茐木植拷拥兀⑶以谀承┣闆r下可使系統(tǒng)的電性能退化。熱熔焊接還容易使印刷電路板發(fā)生明顯的熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力可使該板中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)增加疲勞，且降低產(chǎn)品的使用壽命。熱熔焊接還具有高的制作過程成本。加之，相對來說，焊接接合是不可塑的。此外，該組件在隨后的處理或使用期間由于CTE失配而容易產(chǎn)生缺陷，從而使印刷電路板與金屬背板之間的機械和電連接變成不可靠，且容易產(chǎn)生故障。
還可以使用象螺釘或鉚釘之類的簡單機械互連方法把印刷電路板連接到金屬背板上。然而，與局部熱應(yīng)力有關(guān)的在印刷電路板與金屬背板之間的不完善的共面性，容易使印刷電路板與金屬背板之間產(chǎn)生一些不接觸的局部區(qū)域。因此，在印刷電路板與金屬背板之間未全部互連，并且事實上可隨時間而顯著地改變。此外，在印刷電路板與金屬背板之間的界面兩側(cè)的電阻容易隨時間而增加，從而可導致組件故障。
另一種方法是使用一種載有大量導電顆粒，尤其是銀顆粒的導電粘合劑，借此建立一些使電流從印刷電路板流向金屬背板的導電路徑。用一些這類粘合劑制作的印刷電路板組件最初是具有低的體電阻。然而不巧，這樣粘合接合的組件的金屬背板在高濕度和高溫度條件下傾向于容易腐蝕。當用鋁制成金屬背板并且導電粘合劑含有象銀之類的非貴金屬時，這一問題是很麻煩的。在導電粘合劑與金屬背板之間的界面處形成的腐蝕產(chǎn)生，最終能導致電的和機械的不穩(wěn)定性，以及印刷電路板與金屬背板之間接合的失效。
因此，希望有一種把印刷電路板導電地接合到金屬背板上的經(jīng)改進的方法。特別希望有一種制作印刷電路板組件的方法，它甚至在延長時期使組件經(jīng)受濕環(huán)境時，也可使印刷電路板與金屬背板之間的機械和電連接保持穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于把印刷電路板導電地接合到金屬背板上的方法。該方法包括提供一種介質(zhì)基片，在基片的兩個面敷以金屬；提供一個金屬背板；和用一種導電粘合劑把金屬背板粘合到基片的金屬化表面之一上，該粘合劑包含一種聚合物粘合劑和至少一種其電動勢(EMF)小于1伏的導電金屬。最好是，粘合劑基本上不含其EMF等于或大于1．0伏的導電金屬。
本發(fā)明還涉及一種這樣的印刷電路板組件，它包括；一個印刷電路板，該板包含一個介質(zhì)基片，在基片的一個相對表面上配置一個第一電路化金屬層，且在所述基片的另一相對表面上配置第二金屬層；一個金屬背板；和一個在金屬背板與印刷電路板第二金屬層之間配置的導電接合層。該導電接合層包含一種聚合物粘合劑和一種其EMF小于1伏的導電金屬。導電接合層基本上不含銀。
根據(jù)本發(fā)明，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，使用一種包含一些其EMF小于1伏的導電金屬顆粒的導電粘合劑，去把印刷電路板接合到金屬背板上，能夠減小甚至消除電阻的增加；當印刷電路板組件經(jīng)受溫度波動和／或潮濕條件時，在粘合劑與金屬板之間的界面上可發(fā)生電阻的增加。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種制作印刷電路板組件的方法，該組件包含一個被導電地和機械地接合于一個金屬背板的印刷電路板。該方法使用一種導電的粘合劑；該粘合劑包含一種熱固性的或熱塑性的聚合物，和一些至少由一種導電金屬制成的顆粒；該金屬的EMF小于1伏，最好是小于零伏。這些導電金屬顆粒被彌散于整個聚合物中，以便在印刷電路板與金屬背板之間提供一些導電路徑。可取的是，導電粘合劑基本上不含銀顆粒。更可取的是，粘合劑基本上不含其EMF大于1伏的金屬。在此所用的導電粘合劑基本上不含金屬；相關(guān)金屬的含量按重量計小于粘合劑總重量的10％，最好是小于2％。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，同使用一種含有其EMF大于1伏的象銀之類的金屬的導電粘合劑的印刷電路板組件相比，根據(jù)本方法制作的印刷電路板組件在經(jīng)受高濕度和／或溫度波動條件時具有更穩(wěn)定的跨越電路板的電阻。同使用一些裝有大量其EMF大于1伏的金屬顆粒的導電粘合劑制作的印刷電路板組件相比，本方法還提供一種在印刷電路板與金屬背板之間有更持久機械連接性質(zhì)的印刷電路板組件。印刷電路板組件接合于金屬背板的印刷電路板包括一個介質(zhì)基片，在基片的兩個相對表面上金屬化。舉例來說，用于形成這類基礎(chǔ)基片的材料包括例如環(huán)氧基樹脂，用玻璃纖維織物增強的環(huán)氧樹脂，非環(huán)氧熱固性樹脂，聚酰亞胺，和最好是，用玻璃纖維織物、短切玻璃纖維或陶瓷充填劑增強的聚四氟乙烯。從Arlon of Bear，DE，Tactonic plastics of Petersburg，NY，和Rogers corp．of Rogers，CT可以買到增強的聚四氟乙烯基片材料。這些基片在其相對的表面上已鍍有一種高度導電的象銅之類的金屬。最好是，使一個表面上的金屬鍍層具有一定的圖形，以形成印刷布線，用于對那些要裝到電路板上的電子元件進行電連接。最好是，在高度導電的銅鍍層上鍍上一層由一種比較耐腐蝕的金屬，例如錫、錫-鉛、或金形成的保護鍍層，以防高度導電的金屬鍍層氧化或演變成雜質(zhì)膜鍍層。
可以用任何一種導熱和導電的金屬，例如銅、黃銅和鋁制成金屬背板。最好用鋁制成金屬背板，因為鋁在成本和重量上有優(yōu)勢。一般說來，金屬背板至少象印刷電路板一樣寬和一樣長，并且被配置成基本上與之一致，以便能夠在印刷電路板表面與金屬背板表面之間建立可靠的接合。然而，金屬背板可以大于或小于印刷電路板。金屬背板的厚度取決于應(yīng)用。一般說來，金屬背板的厚度在0．03與0．5英寸之間。
在印刷電路板與金屬背板之間有一個導電的接合層，該層包括一種硬化的熱固性或熱塑性聚合物，該聚合物摻有一種其EMF小于1伏的導電金屬(此后叫作“低EMF金屬”)。用于形成接合層的適宜熱固性聚合物包括例如丙烯酸，硅樹脂，并且最好是環(huán)氧基聚合物。用于形成接合層的適宜熱塑性聚合物包括例如聚羥基醚。用于摻入聚合物中的適宜低EMF金屬包括例如鐵，鎳，鉻或鋅。一般說來，金屬呈薄片、顆?；蚍勰顟B(tài)，它們彌散于整個聚合物樹脂中，以便在整個粘合劑中提供一些導電路徑。此后使用的術(shù)語“顆?！卑ū∑头勰┮约邦w粒。用于制作接合層的粘合劑包含一種低EMF金屬，其重量對總粘合劑重量的百分比為約35％至90％是可取的，45％至90％更可取，且60％至90％最可取。導電接合層基本上不含銀。按照金屬重量對接合層總重量的百分比計算，如果接合層中金屬含量小于10％，最好小于2％，則認為接合層基本上不含金屬。最好是，接合層還基本上不含有其EMF大于1伏的其它金屬，例如金、鉑、鈀、銥、銠、汞、釕、錸和鋨。如果印刷電路板和金屬背板具有同樣的熱膨脹系數(shù)(CTE)，則最好是用于形成接合層的粘合劑的CTE是密切地匹配印刷電路板和金屬背板的CTE的，即，用于形成接合層的粘合劑的CTE處于20至40ppm／℃的印刷電路板和金屬背板的CTE范圍之內(nèi)。如果印刷電路板和金屬背板在CTE方面明顯不同，則最好是粘合劑的CTE屬于印刷電路板CTE與金屬背板CTE的中間。如果印刷電路板和金屬背板在CTE方面明顯不同，則還最好是粘合劑具有低的彈性模量。
制作方法粘合劑既可涂敷于印刷電路板的金屬化連接表面，又可涂敷于金屬背板的連接表面，或者涂敷于二者粘合劑呈膜狀或糊狀。一種優(yōu)選的粘合劑是由AI Technologies，Lawrenceville，NJ出品的含鎳環(huán)氧基糊狀粘合劑EG9090。為了把粘合劑均勻地復(fù)蓋在大的區(qū)域上，最好是用常規(guī)的遮蔽工藝把糊狀的粘合劑涂敷到金屬背板的連接處。然而，其它的方法，例如型板噴刷也是可以接受的。為了實現(xiàn)一個粘合于連接表面之間的薄、連續(xù)、抗應(yīng)力的接合層，粘合劑層的厚度范圍為2．4至3．0mil是可取的，而2．6至2．8mil更可取。
在涂敷粘合劑之前，最好先對連接表面，即置于接觸粘合劑的表面進行脫脂，然后用蒸汽噴砂法進行微觀粗糙化。此外，最好是，洗凈印刷電路板的金屬化連接表面，并且以此清除金屬層上存在的氧化物層。在完成這些預(yù)先連接處理之后，配制含有導電低EMF金屬的粘合劑，并且在加壓下把印刷電路板和金屬背板夾在一起，以形成一個具有印刷電路板／粘合劑接合層／金屬背板界面的印刷電路板組件。然后把該組件加熱以固化粘合劑，從而形成一個金屬背板印刷電路板組件，該組件包括一個在機械、熱和電方面都穩(wěn)定地互連于金屬背板的印刷電路板。
下面介紹一些非限制性實例，以進一步說明本發(fā)明。
實例1使用從AI Technologies買到的裝有鎳顆粒的環(huán)氧基粘合劑EG9090制作一個印刷電路板組件。在涂敷粘合劑之前，對鋁背板的連接表面用異丙醇脫脂，并且用氧化鈦磨料進行蒸汽噴砂。然后用常規(guī)的遮蔽工藝把粘合劑涂敷到鋁背板的經(jīng)處理的表面上，其涂敷厚度約為2．6至2．8mil。使污染物在接觸粘合劑之前從印刷電路板的連接表面上清除，并且涂敷一個鈍化層。在這種處理以后，使印刷電路板的連接表面接觸粘合劑，并且用一個彈簧加載裝置把所得組合體夾在一起。然后通過把所得組合體放在一個以7英寸每分鐘的帶速移動的傳送帶上，把該組合體送入一個從Radiant Technologies公司買到的紅外線(“IR”)爐中。在IR爐中，把所得組合體加熱到120℃的溫度，并以此溫度保持約5分鐘，以便固化粘合劑，并且提供一個印刷電路板組件；在此組件中，把印刷電路板機械地接合于和電氣地互連于鋁背板上。對比實例按實例1所述制作一種印刷電路板組件，但使用從Ablestik，RanchoDominguez，CA買到的裝有銀薄片的環(huán)氧基粘合劑8175。把粘合劑以2．6至3．0mil的厚度涂敷，并且以150℃的溫度固化30分鐘。此外，以3英寸每分鐘的帶速把印刷電路板、鋁背板和粘合劑的組合體送入IR爐中。實例1和對比實例的印刷電路板組件的特征在一個保持85℃和80％相對濕度的箱中安置實例1和對比實例的印刷電路板組件，以確定高濕度條件對這些組件的電性質(zhì)和機械性質(zhì)的影響。測量電阻的時間高達1000小時。其結(jié)果示于表1中。
表1暴露于高濕度環(huán)境前后的電阻電阻(毫歐姆
如表1所示，兩個實例的初始電阻是很相似的。實例1的印刷電路板組件的電阻在整個測試期間保持相對恒定。實例1的印刷電路板組件的電阻只增加一倍，即，從暴露于高濕度環(huán)境以前的0．60毫歐姆平均值增加到1000小時結(jié)束時1．24毫歐姆平均值。與此對比，對比實例的印刷電路板組件的電阻從暴露于高濕度環(huán)境以前的0．47毫歐姆值迅速增加到在把組件放入高濕度環(huán)境中以后500小時內(nèi)的1．98毫歐姆平均值。而且以前的測試已表明，按照對比實例中所述方法制作的印刷電路板組件的電阻增加程度大于按實例1所述制作的印刷電路板組件的電阻增加程度。這些結(jié)果表明，使用含有一種其EMF小于1伏的導電金屬的熱固性聚合物基粘合劑把印刷電路板粘合到金屬背板上的印刷電路板組件，要比使用含有一種其EMF大于1伏的金屬充填劑的導電粘合劑制成的印刷電路板組件，具有更穩(wěn)定的導電結(jié)合性。
在1000小時結(jié)束時，還試圖用人力拉開實例1和對比實例的印刷電路板組件的印刷電路板和金屬背板?？珊敛毁M力地拉開對比實例的印刷電路板組件。在許多場合，如果不先把組件通過放在虎鉗中加以穩(wěn)定，則靠普通人力不能拉開實例1的印刷電路板組件。這些結(jié)果表明，使用含有一種其EMF小于1伏的導電金屬的熱固性聚合物基粘合劑把印刷電路板粘合到金屬背板上的印刷電路板組件，要比使用含有一種其EMF大于1伏的金屬充填劑的導電粘合劑制成的印刷電路板組件，具有更耐久的機械結(jié)合性。
對在80％的相對濕度和85℃的溫度的環(huán)境中暴露1000小時以后被拉開的組件進行的目視觀察表明，對比實例的印刷電路板組件的金屬背板在其連接表面上，具有一層厚的粉紅色鋁氧化物。這類氧化層以鋁水解為特征。與此對比，在實例1的印刷電路板組件的金屬背板的連接表面的外觀上，沒有可觀察的變化。這樣，當使用含有低EMF導電金屬的導電粘合劑制作印刷電路板組件時，沒有鋁氧化物形成和鋁水解的證據(jù)。
雖然以某種程度的特殊性描述本發(fā)明，但在不背離所附權(quán)利要求書中規(guī)定的本發(fā)明范圍的情況下，可以作出各種改進和變更。
權(quán)利要求
權(quán)利要求書1．一種印刷路板組件，包括a)一個印刷電路板，它包括一個介質(zhì)基片，一個安置于所述基片的一個相對表面上的第一金屬層，和一個安置于所述基片的另一個相對表面上的第二金屬層；b)一個金屬背板，它具有一個連接表面；和c)一個粘合層，用于把所述印刷電路板的第二金屬層粘合到所述金屬背板的連接表面上；所述粘合層包括一種粘合劑聚合物和至少一種其EMF小于1伏的導電金屬，所述導電金屬被彌散于整個所述聚合物中。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的印刷電路板組件，其特征在于所述粘合層基本上不含銀。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的印刷電路板組件，其特征在于所述粘合層基本上不含選自由銀、金、鉑、鈀、銥、銠、汞和鋨構(gòu)成的組中的金屬。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的印刷電路板組件，其特征在于所述粘合層基本上不含其EMF大于1伏的金屬。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的印刷電路板組件，其特征在于粘合劑聚合物是一種環(huán)氧基聚合物。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的印刷電路板組件，其特征在于導電金屬是一種選自由鎳、鐵、鉻和鋅構(gòu)成的組的低EMF金屬。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的印刷電路板組件，其特征在于導電金屬是鎳。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的印刷電路板組件，其特征在于導電金屬是一種選自由鎳、鐵、鉻和鋅構(gòu)成的組的低EMF金屬。
9．根據(jù)權(quán)利要求5的印刷電路板組件，其特征在于導電金屬是鎳。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的印刷電路板組件，其特征在于粘合層基本上不含銀。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的印刷電路板組件，其特征在于粘合層包括一種其EMF小于1伏的導電金屬，該金屬的重量對粘合層的總重量的百分比為從約35％至90％。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的印刷電路板組件，其特征在于粘合層包括一種其EMF小于1伏的導電金屬，該金屬的重量對粘合層的總重量的百分比為從45％至90％。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的印刷電路板組件，其特征在于粘合層包括一個其EMF小于1伏的導電金屬，該金屬的重量對粘合層的總重量的百分比為從約60％至90％。
14．一種用于制作印刷電路板組件的方法，包括下列步驟a)提供一個包括一個金屬層的印刷電路板；b)提供一個具有一個表面的金屬背板；和c)用一種粘合劑把所述金屬背板的表面粘合到所述印刷電路板的金屬層上，該粘合劑包括i)一種粘合劑聚合物；和ii)一種其EMF小于1伏的導電金屬，其中所述金屬彌散于整個所述聚合物中，以提供一個導電的粘合劑。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述粘合劑基本上不含其EMF大于1伏的金屬。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述粘合劑含有一種選自由鎳、鐵、鋅和鉻構(gòu)成的組的導電金屬。
17．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述粘合劑含有鎳，并且基本上不含銀。
18．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于粘合劑聚合物是一種環(huán)氧基聚合物。
19．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于粘合劑含有一種其EMF小于1伏的導電金屬，該金屬的重量對粘合劑的總重量的百分比從約35％至90％。
20．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于粘合劑基本上不含銀，并且含有一些鎳顆粒，鎳顆粒的重量對粘合劑的總重量的百分比為從約45％至約90％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種印刷電路板組件,它包括一個有一介質(zhì)基片的印刷電路板,該基片有一個安置于基片一個相對表面上的第一電路化金屬層和一個安置于基片另一個相對表面上的第二金屬層;一個金屬背板;和一個置于金屬背板與印刷電路板第二金屬層之間的導電粘合層。導電粘合層包括一個粘合劑聚合物和一個其EMF小于1伏的導電金屬。導電粘合層基本上不含銀。
文檔編號C09J9/00GK1204940SQ98109590
公開日1999年1月13日 申請日期1998年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月9日
發(fā)明者莉薩·J·基馬勒斯, 戴維德·N·賴特 申請人:國際商業(yè)機器公司