专利名称：金属背印刷电路板组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属背印刷电路板组件，它具有一个在它的印刷电路板与金属背板之间的经改进的导电互连层。
在许多应用中，例如在蜂窝式系统，个人通信系统和陆基通信系统中，都把印刷电路板连接于金属背板，以提供一个金属背印刷电路板组件。可以把金属背板接合到一个薄的柔性印刷电路板的表面上，使该板具有刚性，从而使该组件容易处理。金属背板还可起到一个用于消散热量的散热器的作用，从而防止损伤电路系统；当把附加部件焊接到印刷电路板的相对的电路化表面上时，会产生热量。在一些应用中，金属板也可作为电接地面。
已用一些方法把金属背板连接到印刷电路板上。其中一种方法需要把印刷电路板焊接到金属背板上。这种方法在印刷电路板与金属背板的完整接合表面之间提供一个导电互连层。可惜焊接过程能使焊剂截留于金属背板与印刷电路板之间。因为焊剂是腐蚀性的，故最终会使导电互连层受剥蚀。热熔焊接难以使导电互连层中不截留空气和不产生孔洞。孔洞的存在可破坏局部接地，并且在某些情况下可使系统的电性能退化。热熔焊接还容易使印刷电路板发生明显的热应力，而热应力可使该板中关键结构增加疲劳，且降低产品的使用寿命。热熔焊接还具有高的制作过程成本。加之，相对来说，焊接接合是不可塑的。此外，该组件在随后的处理或使用期间由于CTE失配而容易产生缺陷，从而使印刷电路板与金属背板之间的机械和电连接变成不可靠，且容易产生故障。
还可以使用象螺钉或铆钉之类的简单机械互连方法把印刷电路板连接到金属背板上。然而，与局部热应力有关的在印刷电路板与金属背板之间的不完善的共面性，容易使印刷电路板与金属背板之间产生一些不接触的局部区域。因此，在印刷电路板与金属背板之间未全部互连，并且事实上可随时间而显著地改变。此外，在印刷电路板与金属背板之间的界面两侧的电阻容易随时间而增加，从而可导致组件故障。
另一种方法是使用一种载有大量导电颗粒，尤其是银颗粒的导电粘合剂，借此建立一些使电流从印刷电路板流向金属背板的导电路径。用一些这类粘合剂制作的印刷电路板组件最初是具有低的体电阻。然而不巧，这样粘合接合的组件的金属背板在高湿度和高温度条件下倾向于容易腐蚀。当用铝制成金属背板并且导电粘合剂含有象银之类的非贵金属时，这一问题是很麻烦的。在导电粘合剂与金属背板之间的界面处形成的腐蚀产生，最终能导致电的和机械的不稳定性，以及印刷电路板与金属背板之间接合的失效。
因此，希望有一种把印刷电路板导电地接合到金属背板上的经改进的方法。特别希望有一种制作印刷电路板组件的方法，它甚至在延长时期使组件经受湿环境时，也可使印刷电路板与金属背板之间的机械和电连接保持稳定。
根据本发明，提供一种用于把印刷电路板导电地接合到金属背板上的方法。该方法包括提供一种介质基片，在基片的两个面敷以金属；提供一个金属背板；和用一种导电粘合剂把金属背板粘合到基片的金属化表面之一上，该粘合剂包含一种聚合物粘合剂和至少一种其电动势(EMF)小于1伏的导电金属。最好是，粘合剂基本上不含其EMF等于或大于1．0伏的导电金属。
本发明还涉及一种这样的印刷电路板组件，它包括；一个印刷电路板，该板包含一个介质基片，在基片的一个相对表面上配置一个第一电路化金属层，且在所述基片的另一相对表面上配置第二金属层；一个金属背板；和一个在金属背板与印刷电路板第二金属层之间配置的导电接合层。该导电接合层包含一种聚合物粘合剂和一种其EMF小于1伏的导电金属。导电接合层基本上不含银。
根据本发明，业已发现，使用一种包含一些其EMF小于1伏的导电金属颗粒的导电粘合剂，去把印刷电路板接合到金属背板上，能够减小甚至消除电阻的增加；当印刷电路板组件经受温度波动和／或潮湿条件时，在粘合剂与金属板之间的界面上可发生电阻的增加。
根据本发明，提供一种制作印刷电路板组件的方法，该组件包含一个被导电地和机械地接合于一个金属背板的印刷电路板。该方法使用一种导电的粘合剂；该粘合剂包含一种热固性的或热塑性的聚合物，和一些至少由一种导电金属制成的颗粒；该金属的EMF小于1伏，最好是小于零伏。这些导电金属颗粒被弥散于整个聚合物中，以便在印刷电路板与金属背板之间提供一些导电路径。可取的是，导电粘合剂基本上不含银颗粒。更可取的是，粘合剂基本上不含其EMF大于1伏的金属。在此所用的导电粘合剂基本上不含金属；相关金属的含量按重量计小于粘合剂总重量的10％，最好是小于2％。
业已发现，同使用一种含有其EMF大于1伏的象银之类的金属的导电粘合剂的印刷电路板组件相比，根据本方法制作的印刷电路板组件在经受高湿度和／或温度波动条件时具有更稳定的跨越电路板的电阻。同使用一些装有大量其EMF大于1伏的金属颗粒的导电粘合剂制作的印刷电路板组件相比，本方法还提供一种在印刷电路板与金属背板之间有更持久机械连接性质的印刷电路板组件。印刷电路板组件接合于金属背板的印刷电路板包括一个介质基片，在基片的两个相对表面上金属化。举例来说，用于形成这类基础基片的材料包括例如环氧基树脂，用玻璃纤维织物增强的环氧树脂，非环氧热固性树脂，聚酰亚胺，和最好是，用玻璃纤维织物、短切玻璃纤维或陶瓷充填剂增强的聚四氟乙烯。从Arlon of Bear，DE，Tactonic plastics of Petersburg，NY，和Rogers corp．of Rogers，CT可以买到增强的聚四氟乙烯基片材料。这些基片在其相对的表面上已镀有一种高度导电的象铜之类的金属。最好是，使一个表面上的金属镀层具有一定的图形，以形成印刷布线，用于对那些要装到电路板上的电子元件进行电连接。最好是，在高度导电的铜镀层上镀上一层由一种比较耐腐蚀的金属，例如锡、锡-铅、或金形成的保护镀层，以防高度导电的金属镀层氧化或演变成杂质膜镀层。
可以用任何一种导热和导电的金属，例如铜、黄铜和铝制成金属背板。最好用铝制成金属背板，因为铝在成本和重量上有优势。一般说来，金属背板至少象印刷电路板一样宽和一样长，并且被配置成基本上与之一致，以便能够在印刷电路板表面与金属背板表面之间建立可靠的接合。然而，金属背板可以大于或小于印刷电路板。金属背板的厚度取决于应用。一般说来，金属背板的厚度在0．03与0．5英寸之间。
在印刷电路板与金属背板之间有一个导电的接合层，该层包括一种硬化的热固性或热塑性聚合物，该聚合物掺有一种其EMF小于1伏的导电金属(此后叫作“低EMF金属”)。用于形成接合层的适宜热固性聚合物包括例如丙烯酸，硅树脂，并且最好是环氧基聚合物。用于形成接合层的适宜热塑性聚合物包括例如聚羟基醚。用于掺入聚合物中的适宜低EMF金属包括例如铁，镍，铬或锌。一般说来，金属呈薄片、颗粒或粉末状态，它们弥散于整个聚合物树脂中，以便在整个粘合剂中提供一些导电路径。此后使用的术语“颗粒”包括薄片和粉末以及颗粒。用于制作接合层的粘合剂包含一种低EMF金属，其重量对总粘合剂重量的百分比为约35％至90％是可取的，45％至90％更可取，且60％至90％最可取。导电接合层基本上不含银。按照金属重量对接合层总重量的百分比计算，如果接合层中金属含量小于10％，最好小于2％，则认为接合层基本上不含金属。最好是，接合层还基本上不含有其EMF大于1伏的其它金属，例如金、铂、钯、铱、铑、汞、钌、铼和锇。如果印刷电路板和金属背板具有同样的热膨胀系数(CTE)，则最好是用于形成接合层的粘合剂的CTE是密切地匹配印刷电路板和金属背板的CTE的，即，用于形成接合层的粘合剂的CTE处于20至40ppm／℃的印刷电路板和金属背板的CTE范围之内。如果印刷电路板和金属背板在CTE方面明显不同，则最好是粘合剂的CTE属于印刷电路板CTE与金属背板CTE的中间。如果印刷电路板和金属背板在CTE方面明显不同，则还最好是粘合剂具有低的弹性模量。
制作方法粘合剂既可涂敷于印刷电路板的金属化连接表面，又可涂敷于金属背板的连接表面，或者涂敷于二者粘合剂呈膜状或糊状。一种优选的粘合剂是由AI Technologies，Lawrenceville，NJ出品的含镍环氧基糊状粘合剂EG9090。为了把粘合剂均匀地复盖在大的区域上，最好是用常规的遮蔽工艺把糊状的粘合剂涂敷到金属背板的连接处。然而，其它的方法，例如型板喷刷也是可以接受的。为了实现一个粘合于连接表面之间的薄、连续、抗应力的接合层，粘合剂层的厚度范围为2．4至3．0mil是可取的，而2．6至2．8mil更可取。
在涂敷粘合剂之前，最好先对连接表面，即置于接触粘合剂的表面进行脱脂，然后用蒸汽喷砂法进行微观粗糙化。此外，最好是，洗净印刷电路板的金属化连接表面，并且以此清除金属层上存在的氧化物层。在完成这些预先连接处理之后，配制含有导电低EMF金属的粘合剂，并且在加压下把印刷电路板和金属背板夹在一起，以形成一个具有印刷电路板／粘合剂接合层／金属背板界面的印刷电路板组件。然后把该组件加热以固化粘合剂，从而形成一个金属背板印刷电路板组件，该组件包括一个在机械、热和电方面都稳定地互连于金属背板的印刷电路板。
下面介绍一些非限制性实例，以进一步说明本发明。
实例1使用从AI Technologies买到的装有镍颗粒的环氧基粘合剂EG9090制作一个印刷电路板组件。在涂敷粘合剂之前，对铝背板的连接表面用异丙醇脱脂，并且用氧化钛磨料进行蒸汽喷砂。然后用常规的遮蔽工艺把粘合剂涂敷到铝背板的经处理的表面上，其涂敷厚度约为2．6至2．8mil。使污染物在接触粘合剂之前从印刷电路板的连接表面上清除，并且涂敷一个钝化层。在这种处理以后，使印刷电路板的连接表面接触粘合剂，并且用一个弹簧加载装置把所得组合体夹在一起。然后通过把所得组合体放在一个以7英寸每分钟的带速移动的传送带上，把该组合体送入一个从Radiant Technologies公司买到的红外线(“IR”)炉中。在IR炉中，把所得组合体加热到120℃的温度，并以此温度保持约5分钟，以便固化粘合剂，并且提供一个印刷电路板组件；在此组件中，把印刷电路板机械地接合于和电气地互连于铝背板上。对比实例按实例1所述制作一种印刷电路板组件，但使用从Ablestik，RanchoDominguez，CA买到的装有银薄片的环氧基粘合剂8175。把粘合剂以2．6至3．0mil的厚度涂敷，并且以150℃的温度固化30分钟。此外，以3英寸每分钟的带速把印刷电路板、铝背板和粘合剂的组合体送入IR炉中。实例1和对比实例的印刷电路板组件的特征在一个保持85℃和80％相对湿度的箱中安置实例1和对比实例的印刷电路板组件，以确定高湿度条件对这些组件的电性质和机械性质的影响。测量电阻的时间高达1000小时。其结果示于表1中。
表1暴露于高湿度环境前后的电阻电阻(毫欧姆
如表1所示，两个实例的初始电阻是很相似的。实例1的印刷电路板组件的电阻在整个测试期间保持相对恒定。实例1的印刷电路板组件的电阻只增加一倍，即，从暴露于高湿度环境以前的0．60毫欧姆平均值增加到1000小时结束时1．24毫欧姆平均值。与此对比，对比实例的印刷电路板组件的电阻从暴露于高湿度环境以前的0．47毫欧姆值迅速增加到在把组件放入高湿度环境中以后500小时内的1．98毫欧姆平均值。而且以前的测试已表明，按照对比实例中所述方法制作的印刷电路板组件的电阻增加程度大于按实例1所述制作的印刷电路板组件的电阻增加程度。这些结果表明，使用含有一种其EMF小于1伏的导电金属的热固性聚合物基粘合剂把印刷电路板粘合到金属背板上的印刷电路板组件，要比使用含有一种其EMF大于1伏的金属充填剂的导电粘合剂制成的印刷电路板组件，具有更稳定的导电结合性。
在1000小时结束时，还试图用人力拉开实例1和对比实例的印刷电路板组件的印刷电路板和金属背板。可毫不费力地拉开对比实例的印刷电路板组件。在许多场合，如果不先把组件通过放在虎钳中加以稳定，则靠普通人力不能拉开实例1的印刷电路板组件。这些结果表明，使用含有一种其EMF小于1伏的导电金属的热固性聚合物基粘合剂把印刷电路板粘合到金属背板上的印刷电路板组件，要比使用含有一种其EMF大于1伏的金属充填剂的导电粘合剂制成的印刷电路板组件，具有更耐久的机械结合性。
对在80％的相对湿度和85℃的温度的环境中暴露1000小时以后被拉开的组件进行的目视观察表明，对比实例的印刷电路板组件的金属背板在其连接表面上，具有一层厚的粉红色铝氧化物。这类氧化层以铝水解为特征。与此对比，在实例1的印刷电路板组件的金属背板的连接表面的外观上，没有可观察的变化。这样，当使用含有低EMF导电金属的导电粘合剂制作印刷电路板组件时，没有铝氧化物形成和铝水解的证据。
虽然以某种程度的特殊性描述本发明，但在不背离所附权利要求书中规定的本发明范围的情况下，可以作出各种改进和变更。
权利要求
权利要求书1．一种印刷路板组件，包括a)一个印刷电路板，它包括一个介质基片，一个安置于所述基片的一个相对表面上的第一金属层，和一个安置于所述基片的另一个相对表面上的第二金属层；b)一个金属背板，它具有一个连接表面；和c)一个粘合层，用于把所述印刷电路板的第二金属层粘合到所述金属背板的连接表面上；所述粘合层包括一种粘合剂聚合物和至少一种其EMF小于1伏的导电金属，所述导电金属被弥散于整个所述聚合物中。
2．根据权利要求1的印刷电路板组件，其特征在于所述粘合层基本上不含银。
3．根据权利要求1的印刷电路板组件，其特征在于所述粘合层基本上不含选自由银、金、铂、钯、铱、铑、汞和锇构成的组中的金属。
4．根据权利要求1的印刷电路板组件，其特征在于所述粘合层基本上不含其EMF大于1伏的金属。
5．根据权利要求1的印刷电路板组件，其特征在于粘合剂聚合物是一种环氧基聚合物。
6．根据权利要求1的印刷电路板组件，其特征在于导电金属是一种选自由镍、铁、铬和锌构成的组的低EMF金属。
7．根据权利要求6的印刷电路板组件，其特征在于导电金属是镍。
8．根据权利要求5的印刷电路板组件，其特征在于导电金属是一种选自由镍、铁、铬和锌构成的组的低EMF金属。
9．根据权利要求5的印刷电路板组件，其特征在于导电金属是镍。
10．根据权利要求9的印刷电路板组件，其特征在于粘合层基本上不含银。
11．根据权利要求1的印刷电路板组件，其特征在于粘合层包括一种其EMF小于1伏的导电金属，该金属的重量对粘合层的总重量的百分比为从约35％至90％。
12．根据权利要求11的印刷电路板组件，其特征在于粘合层包括一种其EMF小于1伏的导电金属，该金属的重量对粘合层的总重量的百分比为从45％至90％。
13．根据权利要求12的印刷电路板组件，其特征在于粘合层包括一个其EMF小于1伏的导电金属，该金属的重量对粘合层的总重量的百分比为从约60％至90％。
14．一种用于制作印刷电路板组件的方法，包括下列步骤a)提供一个包括一个金属层的印刷电路板；b)提供一个具有一个表面的金属背板；和c)用一种粘合剂把所述金属背板的表面粘合到所述印刷电路板的金属层上，该粘合剂包括i)一种粘合剂聚合物；和ii)一种其EMF小于1伏的导电金属，其中所述金属弥散于整个所述聚合物中，以提供一个导电的粘合剂。
15．根据权利要求14的方法，其特征在于所述粘合剂基本上不含其EMF大于1伏的金属。
16．根据权利要求14的方法，其特征在于所述粘合剂含有一种选自由镍、铁、锌和铬构成的组的导电金属。
17．根据权利要求14的方法，其特征在于所述粘合剂含有镍，并且基本上不含银。
18．根据权利要求14的方法，其特征在于粘合剂聚合物是一种环氧基聚合物。
19．根据权利要求14的方法，其特征在于粘合剂含有一种其EMF小于1伏的导电金属，该金属的重量对粘合剂的总重量的百分比从约35％至90％。
20．根据权利要求18的方法，其特征在于粘合剂基本上不含银，并且含有一些镍颗粒，镍颗粒的重量对粘合剂的总重量的百分比为从约45％至约90％。
全文摘要
本发明涉及一种印刷电路板组件,它包括一个有一介质基片的印刷电路板,该基片有一个安置于基片一个相对表面上的第一电路化金属层和一个安置于基片另一个相对表面上的第二金属层;一个金属背板;和一个置于金属背板与印刷电路板第二金属层之间的导电粘合层。导电粘合层包括一个粘合剂聚合物和一个其EMF小于1伏的导电金属。导电粘合层基本上不含银。
文档编号C09J9/00GK1204940SQ98109590
公开日1999年1月13日 申请日期1998年6月8日 优先权日1997年7月9日
发明者莉萨·J·基马勒斯, 戴维德·N·赖特 申请人:国际商业机器公司