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CN102474986A - 在基板中制作导电通孔的方法 - Google Patents

在基板中制作导电通孔的方法 Download PDF

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CN102474986A CN2010800365903A CN201080036590A CN102474986A CN 102474986 A CN102474986 A CN 102474986A CN 2010800365903 A CN2010800365903 A CN 2010800365903A CN 201080036590 A CN201080036590 A CN 201080036590A CN 102474986 A CN102474986 A CN 102474986A
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picoDrill SA
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Abstract

本发明涉及一种用于在基板中制作导电通孔的方法以及由此制作的基板。所述方法包括下列步骤：a)提供由至少一种电绝缘材料制成的基板(1)，b)将所述基板放置在两个电极(3，3‘)之间，所述两个电极被连接至由用户控制的电压源，c)对所述基板施加电压，d)通过局部地或全局地增大所述基板的电导率，贯穿所述基板在所述两个电极之间引起电介质击穿和能量耗散，其中，在步骤d)中，发生所述至少一种电绝缘材料到导电材料的改性，从而产生导电通孔(6)。具体地，在一个实施例中，本发明涉及一种基板，诸如具有一个或若干个无金属导电通孔的印刷电路板。

Description

在基板中制作导电通孔的方法
技术领域
本发明涉及一种在基板中制作导电通孔的方法以及由此制作的基板。具体而言，在一个实施例中，本发明涉及一种基板，诸如具有一个或多个无金属导电通孔的印刷电路板(PCB)。
背景技术
印刷电路板(PCB)被用以使用由金属片蚀刻形成的导电路径来支撑并电连接电子零件，该金属片诸如被层叠到非导电性基板上的铜片。往往必须贯穿这些电路板建立贯通接触，以便从板的一侧到另一侧建立电接触。以往，这在过去通过将金属栓或引脚埋入板中而得以实现。但是，该方法在其分辨率方面受到限制。替代地，可以使用碳化钨钻头来钻出贯通孔，并且随后电镀这样建立的孔。就孔直径而言，这样可以获得的最小尺寸约为200um。孔的直径生成得越小，相应的钻头断裂和磨损的可能性就越大。因此，对于直径＜200um的孔，要用激光将材料从基板排出(eject)。随后，再次电镀孔的内侧。
然而，该技术也容易产生误差，并且，尤其是对于用激光生成的小孔，因为需要沉积允许后续的金属化的初始的籽晶层(germinationlayer)，所以对于这样的小直径孔而言，难以实现电镀工艺。
发明内容
因此，本领域需要一种制作具有导电贯通通孔，尤其是小尺度的导电贯通通孔的基板的替代方法。因此，本发明的目的是要提供一种允许在诸如印刷电路板的电绝缘的基板中制作导电贯通通孔的替代方法。本发明的目的也是要提供一种容易执行并且无需金属化步骤而在一个工作程序中制作这样的贯通孔的方法。
本发明的上述目的是通过在由电绝缘材料制成的基板中制作导电通孔的方法来实现的，该方法包括下列步骤：
a)提供由至少一种电绝缘材料制成的基板，
b)将该基板放置在两个电极之间，该两个电极被连接至由用户控制的以及可选地由过程控制的电压源，
c)对该基板施加电压，
d)通过下列步骤局部地或全局地增大该基板的电导率而贯穿该基板在该两个电极之间引起电介质击穿和能量耗散：
-在该基板的将要发生该能量耗散的位置处对该基板施加热，
-在将要发生该能量耗散的位置处对该基板施加扭曲，和/或
-增加将要发生该能量耗散的位置处的基板的湿度，其中，在该位置处在步骤d)中，发生该至少一种电绝缘材料到导电材料的改性，其中该改性是由于：
-该至少一种电绝缘材料的化学转化，例如高温分解、氧化或碳化，
-或者该至少一种电绝缘材料被步骤d)进行时所处的气氛的(一个或多个)成分或者被该电极的(一个或多个)成分所掺杂，
从而产生导电通孔。
能量耗散时，基板材料被局部地改性成导电态。在一个实施例中，基板材料通过例如高温分解或碳化或者通过部分基板材料与周围的气氛发生化学反应而被转化成另一种导电材料。在另一个实施例中，基板通过例如由能量耗散引发的掺杂而变成导电的，掺杂剂可以由电极或者由包围基板和电极的气氛提供。上述气氛可以是适合于基板材料的气体(例如氩气、氧气、氮气、SF6)或者液体(例如H2O、水溶液)的组合物。基板材料可以在过程期间不被排出或者被部分地排出。
在一个实施例中，该导电通孔是贯通孔或盲孔，其壁部已在步骤d)中成为导电的，其中，该贯通孔从基板的一侧延伸至基板的另一侧，并且其中，在步骤d)中的能量耗散时，该贯通孔是由于将材料从该基板排出而得到的。
在另一个实施例中，在步骤d)未形成孔或沟道的情况下，该导电通孔是从基板的一侧延伸至基板的另一侧的导电材料体(body)，该导电材料是在该步骤d)中能量耗散期间由该至少一种电绝缘材料产生的。
在一个实施例中，该至少一种电绝缘材料是含碳聚合物，该含碳聚合物在步骤d)期间在发生该能量耗散的位置处被碳化，且因而成为导电的并且在贯通孔的情况下被从该基板部分地排出。
在一个实施例中，该含碳聚合物是热固性塑料或聚四氟乙烯。
在一个实施例中，该热固性塑料选自环氧树脂、聚酰亚胺、三聚氰胺树脂、酚醛树脂、脲醛泡沫和热固性聚酯。
在一个实施例中，该至少一种电绝缘材料通过电绝缘填充材料而被增强，该电绝缘填充材料诸如纸、棉纸、玻璃纤维、玻璃纤维织物(woven glass)和纤维素纤维。
在一个实施例中，在该基板中，该至少一种电绝缘材料被布置成具有两个相对表面的片材，并且其中，该基板另外还包括诸如金属层的导电材料层或半导体层，该导电材料层或半导体层附接至该电绝缘材料片材的相对表面中的一个或两个并且部分地或全部地覆盖该相对表面中的一个或两个。
在一个实施例中，该导电材料层是金属层，优选地，选自铜层、银层、金层、铝层、锡层、镍层以及任何前述层的合金层。
在一个实施例中，在执行步骤d)之后，该导电通孔通过靠近或直接接触该导电材料层而被电连接至该导电材料层。
在一个实施例中，该基板是由环氧树脂或者诸如玻璃纤维增强树脂的合成环氧树脂制成的。
在一个实施例中，该基板是印刷电路板或印刷电路板工件。
在一个实施例中，由步骤d)得到的该导电通孔是无金属的。
在一个实施例中，对该基板施加热是借助激光而进行的，并且其中，对该基板施加扭曲是通过使位于该基板的相反侧的该电极与该基板进行接触且可选地将该电极压到该基板上而进行的，并且其中，增加基板的湿度是通过将该基板暴露到含水的气氛中而进行的。
在一个实施例中，步骤c)施加的该电压在从100V到20000V的范围内。
在一个实施例中，该电压源经由串联电阻器而被连接至该电极中的一个电极，该电阻器具有1Ohm至1MOhm的电阻。
在一个实施例中，该电压源具有电容在0-50nF的范围内的电容器。
在一个实施例中，该电压被施加从1ms到5000ms的范围内的一段时间。
在一个实施例中，该激光具有从0.5W到50W的范围内的功率。
在一个实施例中，该激光被施加从1ms到5000ms的范围内的一段时间，优选地，在具有1um至500um的直径的焦点中。
在一个实施例中，该导电通孔具有＜1kOhm的电导率。
在一个实施例中，该导电通孔具有在从0.1um到500um的范围内的直径。
本发明的目的也通过由根据本发明的方法制作的基板来实现，具体为具有通过根据本发明的方法制作的一个或多个导电贯通孔的印刷电路板。
这里所使用的“导电通孔”可以是从电绝缘基板的一侧延伸至另一侧的贯通孔，其中该贯通孔具有导电的内衬或者壁部且因而允许从基板的一侧到另一侧建立电接触。替代地，如这里所使用的，“导电通孔”可以指从基板的一个表面延伸至相反的表面的基板内的区域，该区域中没有贯通孔并且其体积被固体材料占据。该区域可以例如是从基板的一个表面延伸至相反的表面的柱状材料体。由于在这样的区域中材料是导电的，所以该区域本身导电，并且这允许在基板的一侧到另一侧建立电接触。
发明人意外地发现，当使用由至少一种电绝缘材料制成的基板并且对该基板施加电压且随后伴随有贯穿该基板的能量耗散时，可以产生导电通孔，其体材料或者其壁部通过该能量耗散过程而成为导电的。在此过程中，在发生该能量耗散的位置处，且因而在制作导电通孔的位置处，发生了该至少一种电绝缘材料到导电材料的改性。这样的改性是由于：
-该至少一种电绝缘材料的化学转化，
-或者该至少一种电绝缘材料被步骤d)进行时所处的气氛的(一个或多个)成分或者被该电极的(一个或多个)成分所掺杂。
在该过程中，在贯通孔的情况下，将材料从基板排出，从而导致孔的产生。在一个实施例中，发生能量耗散，但以不将材料从基板排出的方式对其控制，然而，仍然发生了原来电绝缘的基板材料到导电材料的转变。这将产生从基板的一个表面延伸至基板的另一个表面的柱体，或者更通常而言，产生从基板的一个表面延伸至基板的另一个表面的导电材料体，该材料体也允许在基板的两侧之间建立电接触。
一般而言，对基板施加电压，并且通过借助激光施加热或者通过对基板施加扭曲，例如通过将两个电极压到基板上，来引发贯通该基板的能量耗散。在于2008年11月7日提交的WO 2009/059786中描述了一种用于执行这样的电介质击穿的设备。如在本文中所使用的，“贯通孔”与“贯通通孔”同义，意指从基板的一侧延伸至基板的另一侧的孔。能量耗散会导致材料排出，其中产生这样的贯通孔。贯通孔的深度和直径可以通过电压、电流、功率和电压源参数来控制。基板材料可以已经具有附接到其上的一些导电迹线或者导电层，诸如金属箔，例如铜箔。如果将根据本发明的方法应用于这样的基板，则本发明人已经发现这些导电层会自动与导电通孔连接。基板也可以仅具有附接到其上的金属贴片(patch)，诸如铜、银、金、锡或金属合金贴片。如果在这样的(一个或多个)贴片的位置处对这样的基板应用根据本发明的方法，则本发明发现这些贴片会自动与导电通孔连接。
在不希望受任何理论限制的情况下，本发明人相信，当被应用于优选由聚合物材料、尤其是由含碳材料制成的电绝缘基板时，本发明的能量耗散过程将会导致部分燃烧，在含碳聚合物的情况下，会导致这样的材料碳化。继而，这又将导致那些发生了碳化的部分的电导率增大。这被示出于图9a)-图9c)中，其中示出了根据本发明产生的导电通孔、以及该通孔所对应的电导率曲线。在优选实施例中，至少一种电绝缘材料是热固性塑料或聚四氟乙烯。因为这些材料被暴露于高温时不会由于例如燃烧而熔化而是发生化学反应，所以易于进行化学转化。
当对基板施加电压时，可以例如通过激光施加热或者通过对基板施加机械能，例如将两个电极压到基板上从而使其局部扭曲/变形来引发上述过程，从而建立较佳的耗散路径。
如果基板已经具有附接的诸如金属层/箔或半导体层的导电层，如印刷电路板中的情况，则激光的波长必须被调整为其只被基板吸收而附接到该基板的金属层或半导体层对于这样的激光而言是透明的。替代地或附加地，激光优选在基板未附接有金属层或半导体层的一侧入射。
基板中的多个贯通孔可以通过将临时性绝缘层附接至基板来产生，该绝缘层可以是固态的、液态的或气态的，并且旨在使贯通孔一经生成即被遮蔽以避免基板通过已经生成的孔而短路。在于2008年12月2日提交的美国临时申请No.61/119,255中描述了这一构思。
根据本发明的方法也可以与诸如用碳化钨钻头钻孔的传统的通孔产生方法相结合。
在于2008年11月7日提交的WO 2009/059786中已经描述了一种用于实施根据本发明的方法的设备。
所获得的导电通孔/贯通孔/盲孔的直径在从0.1um到500nm的范围内，且其电导率为＜1kOhm。所施加的电压的范围一般在100V到20000V的范围内。电压源具有串联电阻器，该串联电阻器电阻范围为1Ohm到1MOhm。此外，还可以具有电容器，其电容范围为0-50nF。
如果使用激光，则激光功率一般在0.5W到50W的范围内。典型的示例为CO2激光。电压和激光/热都持续施加从1ms到5000ms的范围内的一段时间。
应予以注意的是，在根据本发明的方法中，施加电压和施加热的步骤可以伴随着发生，即同一时间或以交迭的方式发生。例如，可以先施加电压随后施加热同时仍施加电压，或者可以先施加热随后施加电压同时继续施加热。本发明允许以迄今未达到的分辨率贯穿否则电绝缘的基板形成导电通孔。而且，根据本发明的方法易于执行。
具体实施方式
此外，参照附图，其中示出了下列内容：
图1(A)示出了关于在电绝缘基板材料(1)(例如环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂)中形成导电通孔(6)的实施例的示意图。基板被放置在连接至由用户控制的以及可选地由过程控制的电压源(4)的两个电极(3、3’)之间。当在电极之间施加电压并降低基板的击穿电压时，基板内的耗散就被触发。击穿电压的降低通过引入热(如借助激光照射(5))或通过引入扭曲(例如使电极触及/压到基板上从而建立较佳的放电路径)来实现。能量耗散的持续时间和电压源的特性确定耗散能量的区域的范围。能量耗散导致该区域内基板特性的改变，尤其是转化至导电态(例如通过碳化)。导通区/沟道的宽度可以通过例如持续时间、电压、电流来控制。当在该过程期间材料被部分去除时，此区/沟道也可以是具有导电内表面的孔。
图1(B)示出了其中基板材料可以在一个或两个表面上具有导电层或半导体层(2)(例如金属箔、沉积的III-V半导体)的实施例的示意图。代替使用电极，也可以将导电层直接夹至电极/电压源。生成的通孔(6)贯穿基板材料(1)而延伸至层(2)，在通孔(6)和层(2)之间建立电接触。层(2)的特性没有被改变。如果使用激光(5)穿过层(2)照射来触发该过程，则必须选择其波长，使得其被该层充分透射并被基板吸收。
图1(C)示出了借助遮蔽层(7)在单个基板上紧挨着形成多个通孔。该遮蔽层可以是固体(例如石蜡(wax))或液体(例如油脂(oil))或者气体(例如SF6)。为了引发基板内的能量耗散，必须除去该遮蔽层或者提高其电导率。例如，这可以通过例如使用激光加热来完成。在于基板中形成通孔(6)之后，再次用遮蔽层(7)覆盖该通孔。如果遮蔽层(7)为液体或气体，则此覆盖会自然发生，如果其为固体，则可以通过施加热来引入回流。移动被附接至可移动支座(8)的基板，对电极施加电压并且使用聚焦激光束重新开始耗散过程。需要遮蔽预先存在的通孔——取决于内通孔直径和电压大小——以防止通过已经存在的通孔预放电。
在下面的图2-9中，在实验设置中，串联电阻器总是具有R＝100Ohm的电阻。基板材料是环氧的、玻璃纤维增强的，并且基板的厚度约为0.4mm。铜箔的厚度＜0.1mm。然而，应注意的是，同样也可以使用一般用于制造印刷电路板(PCB)的其他基板材料。示例为聚四氟乙烯、诸如酚醛棉纸的合成树脂粘合纸和聚酯。
图2-9示出了使用根据本发明的方法产生的各种通孔。此外，并且更具体地，使用了下列参数(C＝电压源的电容；U＝施加的电压)：
图2和图3：C＝3.5nF，U＝5kV、施加100ms，CO2激光功率＝2W、施加100ms。图2示出了基板的被施加激光(焦点约为100um)的一侧，图3示出了相反的一侧。
图4(非激光侧)和图5(激光侧)：
C＝5.6nF，U＝8kV、施加100ms，CO2激光功率＝2.5W、施加50ms(焦点约为100um)。
图6和图7示出了如果在电绝缘基板的一侧附接有导电材料(在此情况下为金属箔，更具体为厚度＜0.1mm的铜箔)的情况下可以得到的结果。图6示出了附接有金属箔的一侧。使用了下列参数：R＝100Ohm，C＝5.6nF，U＝6kV、持续施加200ms，CO2激光功率＝5W、施加50ms(焦点约为100um)。激光被施加到基板的没有金属的一侧，以便使激光在金属箔处不发生反射。图6示出了铜稍微变形但没有产生孔。图7示出了同一基板的另一侧，其中明显已经产生了孔。
图8示出了上面附接有金属箔(如图6和图7中的铜箔)的基板的类似的处理。然而，这时，除此之外，绝缘黑胶带被附接至金属箔，这同样使得金属/铜箔本身穿孔。金属箔中的孔是通过使材料从基板极其突然地排出而产生的。对于该示例，参数为：C＝5.6nF，U＝6kV、施加400ms，CO2激光功率＝5W、施加250ms(焦点约为100um)。
图9示出了其中未形成贯通孔的玻璃纤维增强环氧树脂基板中根据本发明产生的通孔。面a)示出了该通孔的照片，该通孔的直径约为300um。在基板的背面有铜箔(照片中未示出)。用于产生该通孔的参数为：C＝3.5nF，U＝4kV、施加130ms，CO2激光功率＝2W、施加60ms。面b)和面c)示出了以距通孔中心的距离(单位为um)相对绘制的电导率。y值为通孔内的电导率(“g通孔”)由通孔外的基板的电导率(“g基板”)归一化而得到的比值。在此情况下，g基板＜1/(2GOhm)。基板的测量电阻＞2GOhm，因而对应于g基板为＜1/(2GOhm)。通孔中的测量电阻为100Ohm，因而对应于g通孔为1/(100Ω)。为了计算，对于基板中的电阻使用2GOhm，因而电导率的比值至少为2×107。面b)和面c)示出了以距通孔中心(0um处)的距离相对绘制的上述比值的二维表示和三维表示。这些结果表明，使用根据本发明的方法能够非常精确地产生导电通孔。
说明书、权利要求书和/或附图中所公开的本发明的特征既可以单独地也可以以其任意组合的方式作为以其各种形式实现本发明的材料。

Claims (23)

1.一种在由电绝缘材料制成的基板中制作导电通孔的方法，所述方法包括下列步骤：
a)提供由至少一种电绝缘材料制成的基板，
b)将所述基板放置在两个电极之间，所述两个电极被连接至由用户控制的以及可选地由过程控制的电压源，
c)对所述基板施加电压，
d)通过下列步骤局部地或全局地增大所述基板的电导率，贯穿所述基板在所述两个电极之间引起电介质击穿和能量耗散：
-在所述基板的将要发生所述能量耗散的位置处对所述基板施加热，
-在将要发生所述能量耗散的位置处对所述基板施加扭曲，和/或
-增加将要发生所述能量耗散的位置处的所述基板的湿度，其中，在所述位置处在步骤d)中，发生所述至少一种电绝缘材料到导电材料的改性，其中所述改性是由于：
-所述至少一种电绝缘材料的化学转化，例如高温分解、氧化或碳化，
-或者所述至少一种电绝缘材料被步骤d)进行时所处的气氛的一个或多个成分或者被所述电极的一个或多个成分所掺杂，
从而产生导电通孔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电通孔是贯通孔或盲孔，其壁部已在步骤d)中成为导电的，其中，所述贯通孔从所述基板的一侧延伸至所述基板的另一侧，并且其中，在步骤d)中的能量耗散时，所述贯通孔是由于将材料从所述基板排出而得到的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤d)未形成孔或沟道的情况下，所述导电通孔是从所述基板的一侧延伸至所述基板的另一侧的导电材料体，所述导电材料是在步骤d)中所述能量耗散期间由所述至少一种电绝缘材料产生的。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述至少一种电绝缘材料是含碳聚合物，所述含碳聚合物在步骤d)期间在发生所述能量耗散的所述位置处被碳化，且因而成为导电的并且在贯通孔的情况下，被从所述基板部分地排出。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述含碳聚合物是热固性塑料或聚四氟乙烯。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述热固性塑料选自环氧树脂、聚酰亚胺、三聚氰胺树脂、酚醛树脂、脲醛泡沫和热固性聚酯。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述至少一种电绝缘材料通过诸如纸、棉纸、玻璃纤维、玻璃纤维织物和纤维素纤维的电绝缘填充材料而被增强。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在所述基板中，所述至少一种电绝缘材料被布置成具有两个相对表面的片材，并且其中，所述基板另外还包括诸如金属层的导电材料层或半导体层，所述导电材料层或半导体层附接至所述电绝缘材料片材的相对表面中的一个或两个并且部分地或全部地覆盖所述相对表面中的一个或两个。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述导电材料层是金属层，优选地，选自铜层、银层、金层、铝层、锡层、镍层以及任何前述层的合金层。
10.根据权利要求8-9中任何一项所述的方法，在执行步骤d)之后，所述导电通孔通过靠近或直接接触所述导电材料层而被电连接至所述导电材料层。
11.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述基板是由环氧树脂或者诸如玻璃纤维增强树脂的合成环氧树脂制成的。
12.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述基板是印刷电路板或印刷电路板工件。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，由步骤d)得到的所述导电通孔是无金属的。
14.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，对所述基板施加热是借助激光而进行的，并且其中，对所述基板施加扭曲是通过使位于所述基板的相反侧的所述电极与所述基板进行接触且可选地将所述电极压到所述基板上而进行的，并且其中，增加基板的湿度是通过将所述基板暴露到含水的气氛中而进行的。
15.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤c)施加的所述电压在从100V到20000V的范围内。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电压源经由串联电阻器而被连接至所述电极中的一个电极，所述电阻器具有1Ohm至1MOhm的电阻。
17.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述电压源具有电容在0-50nF的范围内的电容器。
18.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述电压被施加从1ms到5000ms的范围内的一段时间。
19.根据权利要求14-18中任何一项所述的方法，其中，所述激光具有从0.5W到50W的范围内的功率。
20.根据权利要求14-19中任何一项所述的方法，其中，所述激光被施加从1ms到5000ms的范围内的一段时间，优选地，在具有1um至500um的直径的焦点中。
21.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述导电通孔具有＜1kOhm的电导率。
22.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述导电通孔具有在从0.1um到500um的范围内的直径。
23.一种通过根据前述权利要求中任何一项所述的方法制作的基板，具体地，一种具有通过根据前述权利要求中任何一项所述的方法制作的一个或若干个导电贯通孔的印刷电路板。
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