CN101640974A - 印刷电路板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种印刷电路板及其制造方法。电路图案通过在基板上印刷导电墨/膏并通过加热烧结导电墨层或固化导电膏层而形成。第一镀层通过在电路图案上无电镀或者电解镀高熔点的金属而形成。第二镀层通过在第一镀层上无电镀或者电解镀贵金属而形成，以改善与焊料的浸润性。

Description

印刷电路板及其制造方法
技术领域
本发明总地涉及印刷电路板(PCB)，更具体地，涉及通过在基板上印刷导电墨/膏并通过在其上无电镀(electroless plating)或者电解镀(electrolyticplating)高熔点金属而提供的具有双层结构的PCB以及其制造方法。
背景技术
近年来，已经发展了用导电墨/膏(conductive ink/paste)来代替用作电路图案材料的铜覆层(copper cladding)的技术，以试图制造低价格的PCB。导电墨通过将直径为几到几十纳米的金属颗粒常规地分散到溶剂中而制成。当将导电墨印刷到基板上并在特定的温度对其加热时，诸如分散剂的有机添加剂将挥发，金属颗粒之间的间隙收缩并烧结，从而形成彼此电机械连接的导体。导电膏通过将直径为几百到几千纳米的金属颗粒常规地分散到粘合树脂中而制成。当将导电膏印刷到基板上并在特定的温度对其加热时，树脂被固化，金属颗粒之间的电机械接触被固定，从而形成彼此连接的导体。具有由导电墨/膏制成的电路图案的PCB示于图1中。电路通过以预定图案在聚酰亚胺基板1上印刷导电墨/膏2并通过在特定条件下对其加热使导电墨烧结或导电膏固化而形成。
然而，当采用焊料将部件粘结到电路图案时，由于导电墨/膏的熔点较低，电路图案会与焊料一起熔化。通常地，使用导电粘合剂将部件粘结到电路图案的方法被用来解决该问题。在图1中，通过将导电粘合剂3以滴涂方式(dispensing manner)(未示出)涂敷到由导电墨/膏形成的电路图案2上，然后通过施加热或紫外线使导电粘合剂3固化而将部件4粘结到电路图案2。然而，与采用焊料实现的表面贴装器件(Surface Mount Device，SMD)工艺相比，导电粘合剂的滴涂工艺导致显著较低的产率。此外，用于导电粘合剂的材料的存储性差，并且用于导电粘合剂的材料在价格上明显比焊料高。
对于具有由铜包线制成的电路图案的常规PCB，已知有一种双层结构，该双层结构通过在电路图案上镀覆高熔点的金属来防止电路图案与焊料一起熔化，从而将部件粘结到电路图案。
发明内容
本发明旨在至少处理上述问题和/或缺点并至少提供如下所述的优点。因此，本发明的一个方面是提供了一种通过采用焊料将部件粘结到基板上的由印刷导电墨/膏形成的电路图案而制成的印刷电路板(PCB)及其制造方法。
本发明的另一个方面是提供一种通过减少具有电路图案(在基板上印刷导电墨/膏而形成)的电路的电阻而制成的PCB，从而改善产品的电性能，并提供该PCB的制造方法。
本发明的再一个方面是提供一种改善基板与通过在基板上印刷导电墨/膏而形成的电路图案之间的粘附性(coherence)的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种PCB。该PCB包括电路图案，该电路图案通过在基板上印刷导电墨和导电膏中的至少一个，并通过加热执行烧结导电墨层和固化导电膏层中的至少一个而形成。该PCB还包括第一镀层，该第一镀层通过在电路图案上无电镀或者电解镀高熔点的金属而形成。该PCB还包括第二镀层，该第二镀层通过在第一镀层上无电镀或者电解镀贵金属而形成以改善与焊料的浸润性。
根据本发明的另一个方面，提供了一种PCB的制造方法。导电墨和导电膏中的至少一个以预定图案印刷在基板上。通过加热执行烧结导电墨层和固化导电膏层中的至少一个而形成电路图案。通过在电路图案上无电镀或者电解镀高熔点的金属而形成第一镀层。通过在第一镀层上无电镀或者电解镀贵金属而形成第二镀层，以改善与焊料的浸润性。通过丝网印刷在第二镀层上涂敷焊料，在焊料上安装至少一个部件，并在从150℃到300℃之间变化的高温将焊料熔化以将该部件粘结到第一镀层上。
附图说明
从下面的结合附图的描述，本发明的上述和其它的方面、特征以及优点将更加明显，附图中：
图1是示出具有印刷在其上的导电墨/膏的传统PCB的截面的示意图；
图2是示出根据本发明实施例的具有印刷在其上的导电墨/膏、具有镀层的PCB的截面的示意图；
图3是由扫描电子显微镜(SEM)观察得到的根据本发明实施例形成的电路图案的微结构图像；
图4是由SEM观察得到的根据本发明另一个实施例形成的电路图案的微结构图像。
具体实施方式
本发明的优选实施例将参照附图详细地描述。在全部附图中，相同或者相似的部件可以被指定相同或者相似的附图标记，尽管它们是在不同的附图中示出。本领域中已知的构造或工艺的详细描述将被省略，以避免使本发明的主题模糊。
在下面的描述和权利要求书中使用的术语和措辞并不局限于它们的字面意思，而仅仅是发明人用来使得对本发明的理解清楚和一致。因此，本领域技术人员应该知道，在下面提供对本发明实施例的描述仅仅是为了解释的目的，而不是为了限制本发明的目的，本发明由所附权利要求书及其等同物来限定。
应当理解，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数的指代物。因此，例如，参考“一(a)部件表面”包括参考一个或多个该表面。
如图2所示，在具有镀层的PCB中，电路图案202通过在基板201上印刷导电墨/膏并通过对其加热使导电墨烧结或者使导电膏固化而形成。PCB具有第一镀层203和第二镀层204。第一镀层203通过在电路图案202上无电镀或者电解镀高熔点的金属而形成。第二镀层204通过无电镀或者电解镀形成在第一镀层203上，以增加焊料205的浸润性。
第一镀层203由镍、镍-磷(Ni-P)合金、镍-锡(Ni-Sn)合金、铜(Cu)和镍-铜(Ni-Cu)合金等中的至少一个制成。这里，第一镀层203可以包括具有高熔点的所有金属。
第二镀层204由金(Au)制成。然而，当第一镀层是镍-锡合金时，第二镀层是可选的。这里，第二镀层204可以包括能够增加焊料205在第一镀层203的表面处的浸润性的所有金属。
通过经由丝网印刷等涂敷焊料膏(solder cream)、在焊料膏上安装部件、在150℃到300℃范围之间的高温熔化焊料、然后通过冷却凝固焊料，焊料205形成为将部件206粘结到第一镀层203上。
如图2所示，电路图案202通过在由聚酰亚胺等制成的基板201上印刷导电墨/膏并通过在特定的条件下对其加热使导电墨烧结或者使导电膏固化而形成。
导电墨是通过将直径为几到几十纳米的金属颗粒常规分散到溶剂中而提供的溶液。包括羟基碳酸盐(hydroxyl carbonate)的有机添加剂通常被溶解在该溶液中，以提供墨的动态印刷特性(即，涉及变坏和转移的搅溶性)并调整金属颗粒的均匀分散。具有低熔点和高导电率的银(Ag)和铜(Cu)通常被选择为金属颗粒。当将导电墨印刷到基板上并在特定的温度对其加热时，溶剂和有机添加剂首先挥发并干燥。如果连续加热，金属颗粒之间的间隙收缩并烧结，形成在金属颗粒之间的彼此电机械连接的导体。然而，如果在干燥工艺中溶剂和有机添加剂没有被完全去除，残留的溶剂和有机添加剂会妨碍金属颗粒之间的间隙的收缩和烧结。
此外，当去除溶剂的金属颗粒在空气中保持长的时间时，氧化层也会妨碍金属颗粒之间的间隙的收缩和烧结。因此，优选地，导电墨的干燥和烧结工艺连续进行。更优选地，可以在惰性气体的气氛或者真空的气氛下加热，以防止在干燥和烧结工艺中金属颗粒表面上的氧化。此外，优选地，干燥工艺在低温下进行较长时间，烧结工艺在高温下持续较短的时间。更具体地，优选地，干燥工艺在100℃到130℃范围之间的温度进行从10到30分钟范围之间的时间。此外，优选地，烧结工艺在130℃到260℃范围之间的温度进行从5到20分钟范围之间的时间。干燥工艺和烧结工艺之间的边界温度可以优选地与有机添加剂的热解温度成比例地调整。此外，最优选地，在干燥和烧结工艺中，通过维持N2、He和Ar气的惰性气氛或者真空气氛而使氧气的浓度控制在1000ppm以下。
在导电墨的干燥和烧结工艺中，如果金属颗粒的烧结进行得不充分，电路图案的电阻会增大。此外，在烧结工艺之后的镀覆工艺中，镀覆溶液会渗透到金属颗粒之间的间隙中并使金属颗粒和基板生锈，从而使基板和电路图案之间的粘附性下降。为了解决该问题，通过最小化金属颗粒之间的间隙以确保电路图案具有精细的微结构是非常重要的。
在下面的表1中示出的第一实施例中，通过在聚酰亚胺基板上印刷导电墨、在150℃的温度执行10分钟的干燥工艺并同时保持N2气氛以及在150℃的温度执行10分钟的烧结工艺并同时保持N2气氛来形成电路图案，其中导电墨通过分散平均直径为30nm的金属粉末来提供。图3是通过扫描电子显微镜(SEM)观察得到的第一实施例中形成的电路图案的微结构图像。图3的SEM图像具有非精细的微结构，因为金属颗粒之间的间隙没有完全去除。在表1中，第一实施例中的电路图案具有1.5×10-5Ωcm-1的比电阻(specificelectric resistance)。此外，在电路图案上电解镀15μm厚的铜之后，通过180°的剥离测试得到与基板的粘附性为250gf/cm。
在表1中示出的第二实施例中，通过在聚酰亚胺基板上印刷导电墨、在120℃的温度执行20分钟的干燥工艺并同时保持N2气氛以及在200℃的温度执行10分钟的烧结工艺并同时保持N2气氛来形成电路图案，其中导电墨通过分散平均直径为30nm的金属粉末来提供。图4是通过SEM观察得到的第二实施例中形成的电路图案的微结构图像。注意，图4的SEM图像具有精细的微结构，因为金属颗粒之间的间隙被完全去除。在表1中，第二实施例中的电路图案具有4.0×10-6Ωcm-1的比电阻。此外，在电路图案上电解镀15μm厚的铜之后，通过180°的剥离测试得到的与基板的粘附性为550gf/cm。因此，当通过在导电墨形成的电路图案的干燥和烧结工艺中施加特定的温度、时间和气氛来形成如上所述的微结构时，在镀覆工艺期间镀覆溶液的渗透和电路图案的腐蚀被抑制，从而使得可以改善基板的粘附性。
表1
 实施例1  实施例2
干燥温度(℃)  150  120
干燥时间(分钟)  10  20
烧结温度(℃)  150  200
烧结时间(分钟)  10  10
比电阻(×-6Ωcm-1)  15.0  4.0
剥离力(gf/cm)  250  550
导电膏是通过将直径为几百到几千纳米的金属颗粒常规分散在粘合树脂中而提供的粘性溶液。具有低熔点和高导电率的银(Ag)和铜(Cu)通常被选择用作金属颗粒。当将导电膏印刷在基板上并在特定的温度对其加热时，树脂被固化并且金属颗粒之间的接触被固定，从而形成彼此连接的导体。然而，对于粘性溶液的体积而言，当金属颗粒的比例在70％以下时，由于金属颗粒之间的不充分接触所以电阻是高的；当树脂的比例在10％以下时，因为基板与金属颗粒的不足的附着力所以基板与电路图案的粘附性较低。因此，最优选地，金属颗粒的比例在70％到90％之间的范围，树脂的比例在30％到10％之间的范围。
在下面的表2中示出的第三实施例中，当对于粘性溶液的体积而言具有1500nm平均直径的金属颗粒的比例为70％并且树脂的比例为30％时，通过印刷导电膏形成的电路图案具有7.0×10-5Ωcm-1的比电阻。此外，在电路图案上电解镀15μm厚的铜之后，通过180°的剥离测试得到的与基板的粘附性为800gf/cm。在示于表2的第四实施例中，当对于粘性溶液的体积而言具有1500nm平均直径的金属颗粒的比例为80％并且树脂的比例为20％时，通过印刷导电膏形成的电路图案具有3.5×10-5Ωcm-1的比电阻。此外，在电路图案上电解镀15μm厚的铜之后，通过180°的剥离测试得到的与基板的粘附性为800gf/cm。在示于表2的第五实施例中，当对于粘性溶液的体积而言具有1500nm平均直径的金属颗粒的比例为90％并且树脂的比例为10％时，通过印刷导电膏形成的电路图案具有3.0×10-5Ωcm-1的比电阻。此外，在电路图案上电解镀15μm厚的铜之后，通过180°的剥离测试得到的与基板的粘附性为400gf/cm。因此，可以通过在制造导电膏期间将金属颗粒的比例和树脂的比例调节到特定的条件来降低电路的电阻并改善基板与电路图案的粘附性。
表2
 实施例3  实施例4  实施例5
  金属颗粒的比例(％)  70  80  90
  树脂的比例(％)  30  20  10
  比电阻(×-5Ωcm-1)  7.0  3.5  3.0
  剥离力(gf/cm)  800  800  400
尽管已经参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而不背离本发明的精神和范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同物来限定。

Claims (10)

1、一种印刷电路板，包括：
电路图案，通过在基板上印刷导电墨和导电膏中的至少之一，并通过加热执行烧结所述导电墨的层和固化所述导电膏的层中的至少之一而形成；
第一镀层，通过在所述电路图案上无电镀或者电解镀高熔点的金属而形成；
第二镀层，通过在所述第一镀层上无电镀或者电解镀贵金属而形成，以改善与焊料的浸润性。
2、根据权利要求1所述的印刷电路板，其中所述第一镀层包括镍、镍-磷合金、镍-锡合金、铜和镍-铜合金中的至少一个的组合。
3、根据权利要求1所述的印刷电路板，其中所述第二镀层包括金。
4、根据权利要求1所述的印刷电路板，其中所述焊料以焊料膏的形式涂敷在所述第二镀层上，所述焊料在150℃到300℃范围之间的高温熔化以将至少一个部件粘结到所述第一镀层上。
5、根据权利要求1所述的印刷电路板，其中所述基板包括聚酰亚胺、FR4(4型耐燃剂)和耐热环氧树脂中的至少一个的组合。
6、根据权利要求1所述的印刷电路板，其中当所述第一镀层包括镍-锡合金时，所述第二镀层是可选的。
7、根据权利要求1所述的印刷电路板，其中当所述电路图案通过印刷所述导电膏而形成时，金属颗粒的体积比例在70％到90％之间的范围内并且树脂的体积比例在30％到10％之间的范围内。
8、一种制造印刷电路板的方法，该方法包括以下步骤：
(a)以预定图案在基板上印刷导电墨和导电膏中的至少一个；
(b)通过加热执行烧结所述导电墨的层和固化所述导电膏的层中的至少一个而形成电路图案；
(c)通过在所述电路图案上无电镀或者电解镀高熔点的金属而形成第一镀层；
(d)通过在所述第一镀层上无电镀或者电解镀贵金属而形成第二镀层，以改善与焊料的浸润性；
(e)通过丝网印刷在所述第二镀层上涂敷焊料，在该焊料上安装至少一个部件，并在150℃到300℃范围之间的高温使所述焊料熔化以将所述部件粘结到所述第一镀层上。
9、根据权利要求8所述的方法，其中烧结所述导电墨的层包括：
在100℃到130℃范围之间的温度执行干燥工艺10到30分钟范围之间的时间；并且
在130℃到260℃范围之间的温度执行烧结工艺5到20分钟范围之间的时间。
10、根据权利要求8所述的方法，其中烧结所述导电墨的层包括：
通过保持N2、He和Ar气的惰性气氛或者通过保持真空气氛而将氧气浓度控制在1000ppm以下。
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