TWI494473B - 具有穿孔或非穿孔之配線基板及其製造方法 - Google Patents

Description

具有穿孔或非穿孔之配線基板及其製造方法

本發明係有關一種配線板，具有一穿孔及/或一非穿孔，於此等孔中形成一金屬配線。金屬配線由具有約－10%至＋10%之圓球度之球狀粒子製成。本發明之球狀粒子可具有一複合結構。本發明亦有關一製造配線板之方法。

為形成一金屬配線於一穿孔及/或一非穿孔內，傳統上將一導電糊料注入一穿孔及/或一非穿孔內。日本未審查專利公開案第11－298138號揭示一種將一黏性糊料注入一穿孔及/或一非穿孔內以製備多層電路板的方法。

惟，日本未審查專利公開第11－298138號所揭示之發明可於一直徑小到50 μm且其長徑比(孔長度與孔直徑之比)低至2或3的孔內部形成一導電配線。即使導電配線可藉由習知方法形成，惟由於導電糊料包含樹脂，配線的導電性不佳。習知方法無法確保於細孔內形成一金屬配線，其原因在於，於孔內可能有未注入部份。因此，為形成一具有優異導電性之金屬配線，需要一新穎金屬材料及製造方法。

同時，於美國專利第6,808,568號中揭示具有球狀之各種金屬、合金、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬矽化物或此等材料之混合物之微米大小粒子。微米大小粒子具有1－300 μm大小。

可應用進一步方法於自微米大小粒子形成奈米大小粒 子方面。本發明之申請人提出一美國臨時申請案第60/836,407號中，其揭示一奈米大小球狀粒子以及製造該粒子之方法。根據揭示於美國臨時申請案第60/836,407號的方法能以高產能製造各種金屬或合金之球狀粒子。奈米大小粒子的圓球度可約－10%至＋10%。

本發明之一目的在於提供一種電路板，其具有一形成於一穿孔及/或一非穿孔內部之金屬配線。孔可具有25 μm以下的直徑以及5以上的長徑比。穿孔及/或非穿孔金屬配線具有優異導電性。

於本發明中提供一種電路板，其包括一基板以及一形成於一孔內之金屬配線，該孔形成於基板上。金屬配線由焊料合金製成。藉由熔化焊料合金粒子形成金屬配線，使得金屬配線包含一焊料合金多晶區。孔可為形成於基板上的穿孔或非穿孔。基板可為一晶圓。電路板可為多層電路板。

根據本發明，電路板如以下製備：首先，提供一具有一孔的基板。金屬粒子由一焊料合金製成。金屬粒子可包含一多晶區。金屬粒子具有－10%至＋10%的圓球度。金屬粒子具有100至600℃的熔點。於另一實施例中，金屬粒子具有100至250℃的熔點。接著，金屬粒子可在高於熔點的溫度熔融。一般說來，熔化溫度可介於熔點與高於熔點的10%間。將熔融金屬材料注入孔內，俾於孔內形成一金屬配線。金屬粒子以及孔內固化之金屬配線一般包含 多晶區。金屬粒子以及孔內固化之金屬配線一般具有一複合結構。於本發明中，「複合結構」一詞意指均勻地包含一非晶區及一結晶區之結構，各非晶區或結晶區具有200nm以下的尺寸。

金屬材料由一焊料合金製成。對本發明有用的焊料合金包含以錫(Sn)為基材之焊料合金。此焊料合金可為一無鉛合金。以錫為基材之合金可包含鉍(Bi)及銦(In)。以錫為基材之合金可進一步包含鎵(Ga)。以錫為基材之合金可包括30－85 wt%含量的錫、0.001至3 wt%含量的鎵、15至60 wt%含量的鉍以及0至15 wt%含量的銦。

金屬粒子可為具有1至300 μm粒子大小之微米大小球狀粒子，該粒子可如美國專利第6,808,568號所揭示製備。當微米大小球狀粒子接受本發明之電漿處理時，可形成具有小於1 μm粒子大小之奈米大小球狀粒子。於一實施例中。奈米大粒子之粒子大小可在200 nm以下，特別是自1nm至200 nm。

本發明奈米大粒子可具有一複合結構。具有複合結構之球狀粒子呈現改進的性質。

當金屬粒子熔融於熔點與高於熔點約10%間的溫度時，維持金屬粒子之複合結構，並因此，電路板的配線可包含複合結構。球狀粒子及配線之截面的觀察確認有一複合結構存在。一實施例可具有一複合結構，其格子圖案的間隔約0.3 nm。複合結構對材料性質有極大影響。複合結構中各非晶區或結晶區具有200nm以下尺寸。

奈米大小球狀粒子實質上具有一完全圓球度。球狀粒子具有－10%至＋10%的圓球度。因此，奈米大小球狀粒子的表面狀態穩定；故而，奈米大小球狀粒子難以氧化，且相較於習知球狀粒子，具有優異性質。

球狀粒子在製造具有用於電氣或電子裝置之金屬配線的電路板方面很有用。

微米大小球狀粒子可藉由以下解釋的第1步驟製造。第1步驟包含藉由熔化一原材料，進給熔融原材料至一置於一氬惰氣氛圍中並以高速旋轉的碟形盤，藉離心力將熔融原材料霧化成微細液滴，接著令微細液滴與惰氣氛圍接觸，使微細液滴驟冷，製造球狀粒子。藉此製備的粒子具有1至300 μm的粒子大小，且特別是具有－10%至＋10%之圓球度，1至20μm之粒子大小。可使用揭示於美國專利第6,808,568號的方法於以上第1步驟。

接著，可藉由本發明之第2步驟製造奈米大小粒子。第2步驟包含進行一電漿處理，其中以氬離子於一電漿旋渦中轟擊微米大小球狀粒子，並使之與氣體或蒸汽成份接觸。將中間產品之球狀粒子轉變成實質上具有完全球狀。微米大小粒子由焊料合金製成。

以下將參考圖式，詳細說明用於第2步驟之適當設備例子。

於第2步驟中，如上述，以氬離子轟擊微米大小球狀粒子。可將90%以上的微米大小球狀粒子轉變成奈米大小粒子。用於第2步驟的氛圍可為諸如氬的惰氣。

電漿處理可包含二階段：一第1階段，藉由使微米大小粒子與一第1氣體接觸，製造一第1產品；以及一第2階段，藉由使第1產品與一第2氣體接觸，製造一第2產品。第1氣體與第2氣體可相同或不同。電漿處理在高產能(亦即90%以上)製造奈米大小球狀粒子方面很有用。

於本發明中，可藉微米大小粒子、奈米大小粒子或其混合物製備電路板。

於本發明中，形成金屬配線之孔的形狀及深度無決定性。於一實施例中，孔可為一穿孔及/或非穿孔。孔之開口可形成為圓形或矩形。於具有圓形開口情況下，孔之開口具有100 μm以下的直徑，且特別是25 μm以下的直徑。於具有矩形開口情況下，孔之開口具有100 μm以下的直徑(寬度)，且特別是25 μm以下的直徑(寬度)。於本說明書中，「直徑」一詞係指不管孔之開口形狀如何，孔之開口的寬度。

製備各種無鉛焊料粒子，並使用無鉛焊料粒子，於一基板之孔內形成金屬線以製備電路板。

製造微米大小粒子之設備第1圖係顯示一揭示於本發明之發明人所擁有美國專利第6,808,568號之離心造粒設備配置之示意圖。此設備被用來製造本發明之微米大小粒子。

如第1圖所示，離心造粒設備包含：一原材料供給筒1；一諸如高頻烘爐之電烘爐2，用來熔化原材料；一造粒 室5；一篩濾器10；以及一粒子回收單元11。造粒室5包含：一筒形部；一位於筒形部下方的圓錐部；以及一蓋6，置於筒形部上。一噴嘴4延伸穿過蓋6的中央伸出。一碟形轉盤7配置於噴嘴4正下方，並與一支承單元8垂直移動。一用來排出球狀粒子的排出管9連接於造粒室5之圓錐部的下端。噴嘴4將電烘爐2連接於一高頻加熱器3，亦將高頻加熱器3連接於造粒室5。

自原材料供給筒1對電烘爐2供給原材料以熔化原材料。將一貯存於一第1氣槽12之第1氛圍氣體饋送至電烘爐2之一上部。分別將貯存於一第2氣槽13及一第3氣槽14之第2氛圍氣體及第3氛圍氣體饋送至造粒室5。

藉由使用一第1閥15及一第1排氣單元18控制電烘爐2中的壓力。使用一第2閥16、一第3閥17及一第2排氣單元19控制造粒室5中的壓力。若維持電烘爐2中的壓力略高於大氣壓力且造粒室5中的壓力略低於大氣壓力，壓力差即容許透過噴嘴4將熔化於電烘爐2中的原材料饋送至碟形轉盤7。藉碟形轉盤7的離心力將饋送至碟形轉盤7的熔融原材料霧化成微細液滴，並藉由驟冷，將微細液滴固化成球狀粒子。透過排出管9將球狀粒子進給至篩濾器10，且接著藉其篩選。

於第1步驟中，在諸如氬氛圍之惰氣氛圍中，將熔融原材料饋送至碟形轉盤7，接著，藉離心力霧化成微細液滴，並使微細液滴與惰氣氛圍接觸，俾藉由驟冷，將微細液滴固化成球狀粒子。

當高速轉體具有碟型或錐形時，施加於熔融金屬的離心力會因熔融金屬饋送至轉體的一部分而大大不同；因此，難以獲得大小均勻的球狀粒子。惟，熔融原材料被饋送至具有一凹部之碟形轉盤7之一端部區段，且因此該端部區段的恆定離心力施加於熔融原材料；故而，所形成微細液滴大小均一。微細液滴於第2與第3氣體的混合物中驟冷，並因此固化成球狀粒子，然後收集此等球狀粒子。第2及第3氣體可為氬氣。

使用類似於離心造粒設備的設備來調查熔融金屬的造粒。調查顯示，藉由驟冷，熔融液滴固化成具有複合結構的微細粒子，且微細粒子自行聚集，俾依原材料之複合及/或所用氛圍氣體類型而定，微細成分以含有物或凹穴相互隔離。「自行聚集」意指在本發明之霧化及固化期間內，均勻熔融金屬自動形成一複合結構。

隨著碟形轉盤7的旋轉速度增加，所獲得球狀粒子之大小減小。當碟形轉盤7具有35mm之直徑及5mm之深度時，其旋轉速度可在30,000 rpm以上，以獲得具有平均1－300 nm大小的球狀粒子。

用來製造奈米大小粒子之設備第2圖顯示一用來製造奈米大小粒子之設備。第2圖所示設備除了該設備具有電漿反應單元20以取代電烘爐2外，具有實質上與第1圖所示離心造粒設備相同的配置。

第3圖係顯示電漿反應單元20之配置之示意圖。使用電漿反應單元20，藉氬離子在電漿旋渦中轟擊於第1步驟 所得微米大小粒子以形成奈米大小粒子，並使球狀粒子與氣體成份接觸，對球狀粒子進行以電漿增進之結晶。該處理可使球狀粒子具有10%以下的圓球度。如第3圖所示，電漿反應單元20包含一主吹管30、一副吹管33、一第1反應氣體供給單元34以及一第2反應氣體供給單元35。

主吹管30包含：一第1反應氣體供給單元，用來供給一電漿氣體PL；一第1產品供給單元301，用來供給微米大小粒子；以及一陽極302。副吹管33包含一第2反應氣體供給單元，用來供給電漿氣體PL；以及一陰極331。當電漿產生於陽極302與陰極331間時，電漿氣體PL流自第1及第2反應氣體供給單元排出並相互會流。由於電漿氣體PL導電，因此，形成一自副吹管33之管梢延伸至主吹管30之管梢的導電路徑。

將微米大小粒子饋送至第1產品供給單元301，且接著沿一中心軸32自其排出。於該作業中，在進給微米大小粒子同時，自第1反應氣體供給單元34排出諸如氬之惰氣。惰氣沿中心軸32流動，並用來作為保護氣體。從而，避免微米大小粒子分散，並因此能以接近100%的速率處理。如於第3圖中放大顯示，電漿氣體PL形成一繞中心軸32行進的電漿氣流31。微米大小粒子的饋送速率可為1至30L/min。

於微米大小粒子受到上述之一第1電漿反應之後，藉第2反應氣體供給單元35施加一第2電漿反應。

用於該步驟中之氣體可為氬。反應氣體的饋送速率可 為1至30 L/min。

將藉此處理之微米大小粒子進給至一造粒室5，接著受到如以上參照第1圖所說明之造粒，以製造奈米大小粒子。

實施例 實施例1至12

藉第1圖所示設備處理包含銦(In)、錫(Sn)、鎵(Ga)及鉍(Bi)之各種焊料合金，以製備各種無鉛微米大小粒子。將電烘爐2內部的壓力設定為9×10^－2 pa(帕)以下。將造粒室5內部的壓力設定為14.699 psi ± 1%，並在5℃以下溫度下注入0.3至0.7 ppm濃度之含氧大氣。碟形轉盤7具有約35mm之直徑及約5mm之深度。

將焊料合金饋送至離心造粒設備所含電烘爐2，藉此，熔化焊料合金。熔融焊料合金通過一噴嘴4到達一造粒室5。於造粒室5中，熔融焊料合金被饋送至一碟形轉盤7，接著藉碟形轉盤7之高速旋轉所產生之離心力霧化成液滴，並使液滴驟冷。獲得具有複合結構之成形球狀粒子。於該步驟中，使用氬，且造粒室5內的壓力約為0.3MPa。

所獲得之微米大小粒子具有平均約15 μm的粒子大小。第5圖係以截面顯示之微米大小粒子之SEM影像。第5圖顯示非晶金屬區均勻地存在於球狀粒子中。這確認球狀粒子具有複合結構。

藉此製備之無鉛焊料實施例1至9摘錄於表1中。

實施例13

使含有銦(In)、錫(Sn)、鎵(Ga)及鉍(Bi)之原材料受到第1圖所示設備，俾以與實施例1至12相同的方式製備微米大小粒子。於實施例13中，使微米大小粒子進一步受到第2圖所示設備。使用氬作為氣體。

藉此獲得之實施例13無鉛焊料具有鉍：25.33 wt%、銦：6.17 wt%、鎵：0.78 wt%以及錫：67.72 wt%的成分。實施例13之無鉛焊料係具有100至200 nm及約－1%至＋1%之圓球度之微細球狀粒子。

第6圖係實施例13無鉛焊料之SEM影像。第6圖顯示微細粒子具有球狀形狀。

比較例1－12

使用不銹鋼容器，藉由在大氣環境下，熔化原金屬材料，製備無鉛焊料合金之各種微米大小粒子。將原材料加熱至250至300℃。以下摘錄比較例1－9的成分於表1。

製備電路板之方法提供一絕緣基板。於絕緣基板上形成一具有23 μm直徑及長徑比(深度/直徑)約7的非穿孔。將基板放入室內，並將室內的壓力減為0.2 Pa(帕)。使用根據實施例1至13及比較例1－12所製備之粒子。在高於熔點5%的溫度下熔化粒子。例如，於熔化坩堝中將實施例1之粒子在約126℃下加熱。施加55至65kHz的超音波於基板。將熔融金屬倒入孔內。接著，恢復減低的壓力，將室內的壓力增至大氣壓力。超音波持續5分鐘。藉由冷卻，固化熔融金屬。

第7圖及第9圖分別係使用實施例13及比較例9所製 備配線板之截面之SEM影像。第8圖及第10圖分別係藉實施例13及比較例9所製備，形成於孔內之金屬配線之X射線影像。

比較第8圖與第10圖，藉由使用實施例13所形成之包含金屬配線之空隙遠較使用比較例9者小。

使用諸例及諸比較例，計測有關金屬配線的導電率。將其結果摘錄於表1中。於一實施例中，本發明之金屬配線的導電率可小於100 μΩ cm，於另一實施例中，本發明之金屬配線的導電率可自1 μΩ cm至30 μΩ cm，於又另一實施例中，本發明之金屬配線的導電率可自5 μΩ cm至20 μΩ cm。

由X射線影像的結果及導電率發現，本發明之金屬配線具有較使用習知金屬粒子者更優異的導電率。

1‧‧‧原材料供給筒

2‧‧‧電烘爐

3‧‧‧高頻加熱器

4‧‧‧噴嘴

5‧‧‧造粒室

6‧‧‧蓋

7‧‧‧碟形轉盤

8‧‧‧支承單元

9‧‧‧排出管

10‧‧‧篩濾器

11‧‧‧粒子回收單元

12‧‧‧第1氣槽

13‧‧‧第2氣槽

14‧‧‧第3氣槽

15‧‧‧第1閥

16‧‧‧第2閥

17‧‧‧第3閥

18‧‧‧第1排氣單元

19‧‧‧第2排氣單元

20‧‧‧電漿反應室

30‧‧‧主吹管

31‧‧‧電漿氣流

32‧‧‧中心軸

33‧‧‧副吹管

34‧‧‧第1氣體供給單元

35‧‧‧第2氣體供給單元

301‧‧‧第1產品供給單元

302‧‧‧陽極

331‧‧‧陰極

PL‧‧‧電漿氣體

第1圖係顯示一用來製造本發明微米大小粒子之離心造粒設備配置之示意圖；第2圖係顯示一用來製造本發明奈米大小粒子之離心造粒設備配置之示意圖；第3圖係第2圖所示設備中所含一電漿處理單元配置之示意圖；第4圖係第3圖所示電漿反應理單元之一部分之放大圖；第5圖係於實施例1中所產生，以橫剖面顯示之微米大小粒子之影像，該影像由一掃瞄電子顯微鏡(SEM)攝得，且此後稱為SEM影像；第6圖係於實施例13中所產生之微米大小粒子之SEM影像；第7圖係於實施例13中所產生，以橫剖面顯示之一配線板之影像，該影像由一掃瞄電子顯微鏡(SEM)攝得；第8圖係於實施例13中所產生，形成於一孔中之配線以橫剖面顯示之配線板之X射線影像；第9圖係於比較例9中所產生，以橫剖面顯示之配線板之影像，該影像由一掃瞄電子顯微鏡(SEM)攝得；以及第10圖係於比較例9中所產生，形成於一孔中之配線以橫剖面顯示之配線板之X射線影像。

Claims (3)

1. 一種電路板，包括：基板，具有孔；以及配線，形成於該孔內，其中該配線由具有100至600℃熔點之焊料合金製成；其中該焊料合金係具有多晶構成之複合結構的以Sn為基材之無鉛合金，該孔之孔徑為低於25μm，且其長徑比為5以上，該焊料合金含有Bi、Sn、及Ga，導電率係在8~9.3μΩcm的範圍。
2. 如申請專利範圍第1項之電路板，其中該複合結構中的結晶區或非晶區係具有200nm以下的尺寸。
3. 一種製備如申請專利範圍第1或2項之電路板之方法，包括：準備程序，準備具有孔的基板；提供程序，提供由合金製成之金屬粒子；熔融程序，於該熔點與高於該熔點10%間之溫度下，將該金屬粒子加熱，使該金屬粒子熔化；填充程序，該孔以該熔融金屬粒子填充；以及形成程序，固化該熔融金屬粒子，而於該孔之內部形成金屬配線，該孔之孔徑為低於25μm，且其長徑比為5以上。