專利名稱：印刷在平面電路板表面上的聚合物厚膜電阻器的制作方法
本申請(qǐng)由政府支持的DARPA授予的協(xié)議No.F33615-96-2-1838完成。政府享有本發(fā)明的一定的權(quán)利。
本發(fā)明一般涉及電路板及其制造。具體地，本發(fā)明涉及在電路板上提供平表面以允許絲網(wǎng)印刷具有改進(jìn)尺寸和電學(xué)容差的聚合物厚膜電阻器。
在混合電子電路中使用厚膜電阻器，以提供寬范圍的電阻值。所述電阻器通過(guò)在基板上印刷，例如絲網(wǎng)印刷厚膜電阻膏或墨形成，所述基板可以為印制布線板(PWB)、柔性電路、或陶瓷或者硅襯底。在有機(jī)印制布線板結(jié)構(gòu)中所使用的厚膜墨通常包括導(dǎo)電材料、有利地影響電阻器的最終電性質(zhì)所使用的各種添加劑、有機(jī)粘結(jié)劑以及有機(jī)媒介物(vehicle)。印刷之后，通常加熱厚膜墨，以干燥墨并將它轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于粘附到基板的膜。如果使用聚合物厚膜(PTF)膜，那么有機(jī)粘結(jié)劑為聚合物基質(zhì)(matrix)材料，加熱步驟用于除去有機(jī)媒介物并固化聚合物基質(zhì)材料。
厚膜電阻器的電阻取決于制造電阻的精確度、電阻器材料的穩(wěn)定性以及電阻器端部的穩(wěn)定性。矩形PTF電阻器的“x”和“z” (分別為電阻器的寬度和厚度)通常由絲網(wǎng)印刷工藝決定，而“y”尺寸(電阻器的電長(zhǎng)度)由電阻器端部的圖形決定。常規(guī)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)通常使用帶有要生成的電阻器的正圖像開(kāi)口的模板。稱做絲網(wǎng)掩模的模板被放置于要在其上形成電阻器的基板之上并非常接近其表面。然后用PTF電阻性墨填充掩模，在掩模表面上移動(dòng)刮墨輥，按壓墨穿過(guò)開(kāi)口到基板的表面上。通常在淀積墨之前通過(guò)附加性(additive)電鍍或去除性(subtractive)腐蝕的電解鍍板電鍍形成銅端部，這兩種方法都能夠獲得高邊緣清晰度，能夠精確地確定電阻器的電學(xué)長(zhǎng)度(y)。
與許多其它的淀積工藝相比，絲網(wǎng)印刷為較粗糙的工藝。由此，絲網(wǎng)印刷的PTF電阻器通常局限為大于約一毫米的尺寸，在所述下限，尺寸容差通常大于約±10％。雖然通過(guò)使用適當(dāng)?shù)墓に囆纬啥瞬靠梢跃_地確定絲網(wǎng)印刷的PTF電阻器的y尺寸(電學(xué)長(zhǎng)度)，但是通過(guò)網(wǎng)目較粗的絲網(wǎng)和淀積后的墨流動(dòng)根本上限制了對(duì)PTF電阻器的x和z(寬度和厚度)尺寸的控制。由于在上印刷電阻性墨的表面的易變性，主要是由于通常厚度約10到35微米的這些電阻器構(gòu)圖的銅互連，使電阻器尺寸的控制進(jìn)一步復(fù)雜。互連妨礙了表面上平滑的輥壓操作，導(dǎo)致不完整的絲網(wǎng)圖像印刷和電阻器墨不均勻的淀積。因此，用絲網(wǎng)印刷的PTF電阻器不用激光修整(對(duì)于復(fù)雜的電路來(lái)講往往是一種其難以承受的工藝)很難獲得小于±20％的電阻容差。
從以上可以看出，需要一種具有更精確尺寸的PTF電阻器的形成方法?？梢允褂猛耆郊有詿o(wú)電電鍍來(lái)制造基本上與介質(zhì)共平面的銅互連，生成能提高印刷精確度的平板表面。然而，與電解板電鍍和隨后的去除性腐蝕相比，無(wú)電電鍍很慢并且工藝很昂貴。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有聚合物厚膜(PTF)電阻器的印刷電路板的制造方法，通過(guò)提供具有要淀積電阻器的平坦表面的電路板結(jié)構(gòu)，以改善的精度限定電阻器的尺寸。要獲得需要的板結(jié)構(gòu)，代替犧牲電鍍抗蝕膜，使用永久光介質(zhì)層作為電鍍掩模，電解地電鍍電阻器的互連圖形?？梢栽谟∷TF電阻器墨之前或之后構(gòu)圖互連。通過(guò)淀積工藝確定電阻器的x和z尺寸(分別為寬度和厚度)，同時(shí)通過(guò)銅端部精確地確定y尺寸(電長(zhǎng)度)。
本發(fā)明的方法通常需要在介質(zhì)基板上形成第一導(dǎo)電層；在第一導(dǎo)電層中形成開(kāi)口，露出基板的一部分表面，然后形成介質(zhì)層，覆蓋基板的裸露表面部分，優(yōu)選第一導(dǎo)電層附近的表面部分；同時(shí)露出第一導(dǎo)電層的表面部分。使用介質(zhì)層做掩模，然后在第一導(dǎo)電層上淀積第二導(dǎo)電層，以便介質(zhì)層和第二導(dǎo)電層限定了基本上共平面的表面。在優(yōu)選實(shí)施例中，然后除去第一和第二導(dǎo)電層部分，限定由介質(zhì)層分開(kāi)的一對(duì)端部，之后在介質(zhì)層和端部上絲網(wǎng)印刷聚合物厚膜電阻性材料，限定了聚合物厚膜電阻器。此外，在限定端部之前，可以在介質(zhì)層和第二導(dǎo)電層上絲網(wǎng)印刷聚合物厚膜電阻性材料。
如上所述，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解，由于厚膜電阻器墨被淀積在基本上平坦的表面區(qū)域，本發(fā)明的方法能制造厚度可被更精確地控制的PTF電阻器。在優(yōu)選實(shí)施例中，雖然和另一實(shí)施例相比，對(duì)于給定的電阻器尺寸平坦表面區(qū)域的表面積較小，但由于足夠的局部平面性提供其間并且包含端部，仍然可以實(shí)現(xiàn)厚度控制的顯著改善。優(yōu)選實(shí)施例的額外優(yōu)點(diǎn)為可以在印刷之后立即測(cè)試PTF電阻器。
從下面詳細(xì)的說(shuō)明可以更好地理解本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。
從下面結(jié)合附圖的說(shuō)明中，本發(fā)明的以上和其它優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中

圖1到12為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在絲網(wǎng)印刷的PTF電阻器的制造中使用的工藝步驟的剖面和平面圖；以及圖13和14分別為圖9和10中示出的替代工藝步驟的剖面和平面圖。
根據(jù)本發(fā)明制造聚合物厚膜(PTF)電阻器的工藝步驟呈現(xiàn)在圖1到12中，圖9和10的替代工藝步驟顯示在圖13和14中。就形成具有改進(jìn)厚度容差的PTF電阻器而言，圖中所介紹和顯示的工藝達(dá)到了本發(fā)明的有利特點(diǎn)。雖然在圖中顯示了具體的電阻結(jié)構(gòu)，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解可以有多種修改和變形，所述修改和變形在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
參考圖1和2，顯示了其上已形成銅膜12的介質(zhì)基板10。通常，基板10可以為任何適當(dāng)材料，包括印刷布線板、柔性電路、陶瓷或硅襯底、或其它多層電路的介質(zhì)層，但也可以使用其它合適的基板和材料?？梢酝ㄟ^(guò)如無(wú)電電鍍、電鍍、或疊置銅箔的方法形成銅膜12，膜12的適當(dāng)厚度范圍約1到約30微米。雖然優(yōu)選銅膜12，但本領(lǐng)域中技術(shù)人員應(yīng)理解，膜12可以由其它合適的導(dǎo)電材料形成，例如鎳。
銅膜12的選擇腐蝕的結(jié)果顯示在圖3和4中，開(kāi)口14被構(gòu)圖在銅膜12中，露出基板10的表面區(qū)域16。常規(guī)的掩蔽和腐蝕技術(shù)可以用于工藝的該步驟，因此不再作進(jìn)一步詳細(xì)討論。圖5和6示出了介質(zhì)層18選擇性地形成在部分銅膜12和基板10的裸露表面區(qū)域16上。介質(zhì)層18優(yōu)選由可光致成像的厚膜聚合物形成，由此可以使用公知的光致成像和顯影技術(shù)以構(gòu)5和6所示的層18。合適的厚膜聚合物的成分通常包括樹(shù)脂、感光劑以及硬化劑。樹(shù)脂成分可以是任何合適的液體樹(shù)脂或固體樹(shù)脂，能使樹(shù)脂混合物容易以液體形式淀積到銅膜12和區(qū)域16的表面上，或疊置形成介質(zhì)層18?？捎玫臉?shù)脂包括熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、彈性橡膠及其混合物，和感光材料混合時(shí)生成可光致成像的合成物。厚膜聚合物需要的性質(zhì)包括穩(wěn)定的物理特性，不僅在介質(zhì)層18的淀積和光致成像過(guò)程中始終保持穩(wěn)定，而且由于層18被用做電路結(jié)構(gòu)的永久介質(zhì)層，還要在電路結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境中仍保持穩(wěn)定。由于這些原因，環(huán)氧樹(shù)脂類特別適合作為介質(zhì)層18的樹(shù)脂，優(yōu)選的環(huán)氧基合成物為可從Ciba-Geigy和VIALUX81購(gòu)買的PROBELEC，從E.I.du Pont de Nemour & Company購(gòu)買的干膜材料。
從圖6中可以看出，介質(zhì)層18已光致成像并顯影，由此它覆蓋了由開(kāi)口14露出的表面區(qū)域16的有限面積和開(kāi)口14相對(duì)側(cè)上銅膜12有限的表面部分。更具體地，介質(zhì)層18覆蓋了表面區(qū)域16的中間部分和與表面區(qū)域16的中間部分相鄰并由中間部分和開(kāi)口14分開(kāi)的銅膜12的兩個(gè)邊緣區(qū)域。介質(zhì)層18優(yōu)選如圖所示覆蓋在銅膜12的邊緣區(qū)域上，以允許未對(duì)準(zhǔn)。由于開(kāi)口14，位于介質(zhì)層18之下的銅膜12不連續(xù)，以不使將在介質(zhì)層18上形成的電阻器30短路，從圖11和12中可以看出。由介質(zhì)層18露出的其余部分為由介質(zhì)層18分開(kāi)的表面區(qū)域16的兩側(cè)邊區(qū)域22，至少銅膜12的部分表面20環(huán)繞介質(zhì)膜18。側(cè)邊區(qū)域22的目的是容許介質(zhì)層18的未對(duì)準(zhǔn)。
為了整個(gè)膜12具有電連續(xù)性，圖5和6中所示的結(jié)構(gòu)允許在銅膜12上電解電鍍額外的銅，以便在電鍍期間可以施加并保持電位。圖7和8示出了已淀積在銅膜12的裸露表面20上的銅層24，由此介質(zhì)層18和銅層24限定了基本上共平面的表面，從圖7中可以容易看出。銅層24優(yōu)選使用永久介質(zhì)層18作為電鍍抗蝕膜，通過(guò)電鍍銅膜12(即，“平面鍍敷”)形成。從圖8中可以看出，銅層24沒(méi)有淀積在基板10的兩個(gè)裸露區(qū)域22上。介質(zhì)和銅層18和24的適當(dāng)厚度約10到約50微米。
在圖9和10中，銅層24已被構(gòu)圖，在介質(zhì)層18的相對(duì)兩端形成一對(duì)端部26。銅層24可以任何合適的方式構(gòu)圖，例如通過(guò)涂敷和構(gòu)圖光致抗蝕劑，然后腐蝕銅層24的裸露部分。由于銅層24基本上與介質(zhì)層18共平面(圖7)，因此端部26也基本上與介質(zhì)層18共平面，如圖9所示。圖11和12示出了工藝最終步驟的結(jié)果，聚合物厚膜電阻性材料28已淀積在介質(zhì)層18和端部26上形成聚合物厚膜電阻器30。圖11示出了在銅膜12中構(gòu)圖開(kāi)口以防止端部26之間短路的重要性。由于介質(zhì)層18和端部26提供了局部的平面性，因此和使用現(xiàn)有技術(shù)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成PTF電阻器相比，電阻性材料28可以絲網(wǎng)印刷得更均勻。局部的平面性也有利于通過(guò)其它方法淀積電阻性材料28，例如用微型筆(micropen)或其它任何合適的模板印刷或直接寫淀積。根據(jù)常規(guī)的做法，通過(guò)淀積工藝確定電阻器30的x尺寸(寬度)，而通過(guò)銅端部26確定y尺寸(電長(zhǎng)度)，銅端部26在板結(jié)構(gòu)上的位置通過(guò)構(gòu)圖介質(zhì)層18使用的光致成像工藝精確地確定。電阻性材料28基本上可以是可以通過(guò)絲網(wǎng)印刷或選擇淀積方法適當(dāng)?shù)氐矸e的任何PTF電阻器墨。適合于絲網(wǎng)印刷的墨的例子為可從日本東京的Asahi Chemical Research Company購(gòu)買的TU-00-8墨系列。
由圖1到12的工藝步驟可以看出，在淀積電阻性材料28之前，限定由銅層24的剩余部分形成的端部26和互連，允許立即測(cè)試電阻器30。在圖13和14中示出的另一實(shí)施例中，在腐蝕銅層24之前，絲網(wǎng)印刷電阻性材料28。腐蝕圖13和14中所示結(jié)構(gòu)的銅的結(jié)果基本上與圖11和12所示的相同。本發(fā)明的替代工藝步驟的優(yōu)點(diǎn)是為改善絲網(wǎng)印刷的電阻性材料28的厚度控制而提供了較大的平面區(qū)域。然而其弱點(diǎn)是電阻器30被由銅層24所形成的連續(xù)的導(dǎo)電區(qū)域與電路的其它部件短路，妨礙了印刷時(shí)電阻器30的電測(cè)試。
雖然根據(jù)特定的實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以采用其它的形式，因此本發(fā)明的范圍僅由下面的權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1．一種印刷電路板的制造方法，該方法包括以下各步驟在介質(zhì)基板(10)上形成第一導(dǎo)電層(12)，第一導(dǎo)電層中具有開(kāi)口(14)，露出了基板的區(qū)域(16)，露出的區(qū)域具有由中間部分分開(kāi)的兩個(gè)側(cè)邊部分，第一導(dǎo)電層具有與露出的區(qū)域的中間部分相鄰并由開(kāi)口和裸露區(qū)域的中間部分分開(kāi)的兩個(gè)邊緣區(qū)域；形成介質(zhì)層(18)，覆蓋基板的裸露區(qū)域的中間部分，介質(zhì)層具有覆蓋第一導(dǎo)電層的兩個(gè)邊緣區(qū)域的兩個(gè)端部，第一導(dǎo)電層具有由介質(zhì)層露出的表面區(qū)域；在至少與介質(zhì)層的兩個(gè)端部相鄰的表面區(qū)域部分上淀積第二導(dǎo)電層(20)；除去部分第二導(dǎo)電層和部分第一導(dǎo)電層，由此限定了由介質(zhì)層分開(kāi)的一對(duì)端部(26)；以及在介質(zhì)層和端部上淀積聚合物厚膜電阻性材料(28)，由此限定了聚合物厚膜電阻器(30)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中淀積第二導(dǎo)電層，由此介質(zhì)層和第二導(dǎo)電層限定了基本上共平面的表面。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)選自無(wú)電電鍍、電鍍和疊置中的一種方法形成第一導(dǎo)電層。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)電鍍淀積第二導(dǎo)電層。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)絲網(wǎng)印刷淀積聚合物厚膜電阻性材料。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)在第一導(dǎo)電層上淀積光介質(zhì)材料形成介質(zhì)層，然后光致成像并顯影光介質(zhì)材料以限定介質(zhì)層。
7．一種印刷電路板的制造方法，該方法包括以下各步驟在介質(zhì)基板上形成第一銅層；在第一銅層中腐蝕出開(kāi)口，露出基板的一個(gè)區(qū)域，露出的區(qū)域具有由中間部分分開(kāi)的兩個(gè)側(cè)邊區(qū)域，第一銅層具有與露出的區(qū)域的中間部分相鄰并由開(kāi)口和裸露區(qū)域的中間部分分開(kāi)的兩個(gè)邊緣區(qū)域；在第一銅層和基板的裸露區(qū)域上淀積光介質(zhì)層；光致成像并顯影光介質(zhì)層，由此光介質(zhì)層僅覆蓋裸露區(qū)域的中間部分和第一銅層的兩個(gè)邊緣區(qū)域，同時(shí)露出裸露區(qū)域的兩個(gè)側(cè)邊部分和第一銅層的表面區(qū)域；在至少與介質(zhì)層的兩個(gè)端部相鄰的表面區(qū)域部分上電鍍第二銅層，由此光介質(zhì)層和第二銅層限定了基本上共平面的表面；除去部分第二銅層，由此限定了由光介質(zhì)層分開(kāi)的一對(duì)端部；以及將聚合物厚膜電阻性材料絲網(wǎng)印刷到光介質(zhì)層和端部上，由此限定了聚合物厚膜電阻器。
8．一種印刷電路板的制造方法，該方法包括以下各步驟在介質(zhì)基板上形成第一導(dǎo)電層，第一導(dǎo)電層中具有開(kāi)口，露出了基板的一個(gè)區(qū)域，露出的區(qū)域具有由中間部分分開(kāi)的兩個(gè)側(cè)邊部分，第一導(dǎo)電層具有與露出的區(qū)域的中間部分相鄰并由開(kāi)口和裸露區(qū)域的中間部分分開(kāi)的兩個(gè)邊緣區(qū)域；形成介質(zhì)層，覆蓋基板的裸露區(qū)域的中間部分，介質(zhì)層具有覆蓋第一導(dǎo)電層的兩個(gè)邊緣區(qū)域的兩個(gè)端部，第一導(dǎo)電層具有由介質(zhì)層露出的表面區(qū)域；在至少與介質(zhì)層的兩個(gè)端部相鄰的表面區(qū)域部分上淀積第二導(dǎo)電層；在介質(zhì)層和第二導(dǎo)電層上淀積聚合物厚膜電阻性材料；以及除去部分第二導(dǎo)電層和部分第一導(dǎo)電層，由此限定了由介質(zhì)層分開(kāi)的一對(duì)端部，聚合物厚膜電阻性材料和端部限定了聚合物厚膜電阻器。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中淀積第二導(dǎo)電層，由此介質(zhì)層和第二導(dǎo)電層限定了基本上共平面的表面。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)選自無(wú)電電鍍、電鍍和疊置中的一種方法形成第一導(dǎo)電層。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)電鍍淀積第二導(dǎo)電層。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)絲網(wǎng)印刷淀積聚合物厚膜電阻性材料。
13．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)在第一導(dǎo)電層上淀積光介質(zhì)材料形成介質(zhì)層，然后光致成像并顯影光介質(zhì)材料以限定介質(zhì)層。
全文摘要
一種印刷電路板的制造方法,電路板具有聚合物厚膜(PTF)電阻器,通過(guò)提供具有電阻器要淀積的平坦表面的電路板結(jié)構(gòu)提高精度地限定尺寸。要獲得需要的板結(jié)構(gòu),代替犧牲電鍍抗蝕膜,使用永久光介質(zhì)層作為電鍍掩膜,電解地圖形電鍍電阻器的互連。可以在印刷PTF電阻器墨之前或之后構(gòu)圖互連。通過(guò)淀積工藝確定電阻器的X和Z尺寸(分別為寬度和厚度),同時(shí)通過(guò)銅端部精確地確定y尺寸(電長(zhǎng)度)。
文檔編號(hào)H05K1/16GK1304536SQ00800830
公開(kāi)日2001年7月18日 申請(qǐng)日期2000年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月11日
發(fā)明者格雷戈里·鄧恩 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司