叠层复合材料多层电路及垂直互联微孔的快速金属化方法

技术领域

本发明属于航空先进制造相关技术领域，更具体地，涉及一种叠层复合材料多层电路及垂直互联微孔的快速金属化方法。

背景技术

在宇航与武器装备制造等领域，产品及其部件、组件都倾向于向小型化、轻量化、多功能和高可靠性等方向发展，对电子产品的结构、功能一体化技术提出了越来越高的要求。多层的立体电路的一体化制造技术是产品及其部件、组件满足上述要求的重要保障，要求相关的立体电路制造与封装技术须满足立体电路的多层布线和高密度互连。垂直互连结构作为上下互连的中介层结构，对3D封装集成能力及实现系统整合具有不可替代的作用。

作为上下互连的中介层结构，垂直互连结构对3D封装集成能力及实现系统整合具有不可替代的作用，其关键在于高密度互连印制电路板的线路制作和互连孔的制作上。钻孔并对孔壁进行金属化处理是实现多层电路板层间电互连的主要途径，不仅需要高效低成本的通孔制备工艺，还需要无缺陷的填充工艺。目前通常采用机械钻孔、超声波钻孔、超声波高速钻孔、湿法刻蚀、深反应离子刻蚀、激光刻蚀、激光诱导深度刻蚀等方式制孔，辅以化学镀铜法来实现通孔电互连。

复杂曲面多层互连微孔的制备是高密度微孔金属化的前提。在印制电路板中，互连孔主要包括通孔(连通印制电路板顶层与底层的导通孔)、埋孔(埋嵌于印制电路板内且在表面观察不到的孔)和盲孔(未钻穿的板孔)。埋孔、通孔加工的方法主要是采用机械钻孔法。对于指定的过孔尺寸，最新一代的精密数控钻孔系统的孔径可达100μm。

互通孔技术在诸多产品应用中实现了推广和量产，涵盖了堆叠存储器、图像及光学传感器、惯性传感微系统、射频/微波系统、生物微系统、逻辑与处理器系统和片上网络等领域。当前主要的通孔金属化有真空/压力填充、电镀、印刷、喷墨打印等方式。真空/压力填充主要用于平面基材的通孔填充。Park D等人通过熔融Sn的压力渗透到Si通孔中来形成硅通孔(TSV)，可以在5秒内完成通孔填充，而不管通孔大小如何。不同直径的TSV在10μm-200μm的宽范围内，通过在4MPa的外部压力下浸润熔融Sn，可以很容易地在5s内立即形成。Qiu Y等人利用真空吸附的方式将银基环氧树脂填充入硅通孔，在1.6千帕吸附的压力下3秒可填充超过450μm，制备得到直径100μm、间距500μm的互连通孔，平均电阻24.83Ω。Gu J.等人基于液桥夹断效应的夹断方法，结合晶圆三明治结构进行压力辅助的硅通孔焊料填充，缓慢将真空室抽为真空，直到通过显微镜观察到突然充填通孔，后将腔室压力稳定1分钟，再用氮气缓慢恢复腔室压力，直到达到大气压力，晶圆夹层和焊料池一起被冷却，整个过程可以在几分钟内完成，制备得到直径200μm、深度425μm的通孔，但通孔底部容易产生尖锥。刘等人使用无铅锡合金材料99.3Sn/0.7Cu(熔点约为230℃，表面张力约为0.55N/m)，同样利用表面张力进行硅通孔互连填充，得到直径为120μm、深度为420μm的通孔，测得单个孔柱的电阻为(395±40)mΩ，其中Sn的电阻率为12.6μΩ·cm，单个柱子的电阻理论值应为4.7mΩ。

以上技术虽然各具特色，真空/压力设备复杂，需要真空环境，不适用于大面积和曲面基材的通孔填充，多处于实验研究阶段；电镀实现多层电路垂直互联微孔金属化虽然已经广泛用于电子行业，但效率低下，微孔金属化时间耗费时间长，且涉及电化学反应。目前微孔金属化的基板材料主要为玻璃、陶瓷和硅片，暂未提出一种适用于叠层复合材料多层电路微孔的金属化方法。上述垂直互联微孔金属化方法均为通孔金属化，一个微孔只能用于两层金属导电层之间的电互联，未实现单一微孔贯穿多层电路实现单孔多层电路的互连。

综上所述，现有技术在实现多层电路垂直互联微孔快速金属化方面面临巨大的挑战，因此，需要开发一种新型的多层电路快速金属化高密度微孔互连工艺方法，能够快速高效、低成本、高质量地制备多层导电层垂直互联电路。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种叠层复合材料多层电路及垂直互联微孔的快速金属化方法，其实现了叠层复合材料多层电路垂直互联高密度微孔的快速金属化，从而能够快速高效、低成本、高质量的制备多层导电层垂直互联电路。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种叠层复合材料多层电路的垂直互联微孔的快速金属化方法，该方法包括以下步骤：

(1)对叠层复合材料多层电路进行微孔加工；

(2)将固态的焊锡丝插入所述微孔中，所述焊锡丝凸出于所述微孔；

(3)挤压微孔中的焊锡丝，使焊锡丝与微孔的壁面充分接触；

(4)向焊锡丝受挤压变形而形成的凹陷内填充焊锡丝并进行挤压；

(5)加热所述微孔内的焊锡丝以使得所述焊锡丝融化并与多层电路中的多层金属导电层共融，完成多层电路内外层与中间金属导电层的垂直互联微孔的快速金属化。

进一步地，使用金属针挤压微孔中的焊锡丝，使焊锡丝与微孔壁面充分接触。

进一步地，使用阵列化铝制电烙铁加热微孔内的焊锡丝。

进一步地，叠层复合材料多层电路的金属导电层的材料为铜，绝缘层材料为碳纤维增强复合材料。

进一步地，所述微孔为通孔或者盲孔。

本发明还提供了一种叠层复合材料多层电路，所述多层电路的微孔是采用如上所述的叠层复合材料多层电路的垂直互联微孔的快速金属化方法进行金属化而与导电层实现互联的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的叠层复合材料多层电路及垂直互联微孔的快速金属化方法主要具有以下有益效果：

1.通过常用的固态焊锡丝对加工制备的通孔进行填充，降低了加工所用材料的价格，降低了工艺成本，不受限于多层电路的厚度。

2.根据焊锡丝的成分不同，焊锡的熔点从138℃到245℃不等，可以根据基板所能承受的工艺温度和曲面电路工作环境温度要求选择不同的焊锡丝以满足加工过程中的温度要求与电路工作环境中的高温稳定性要求。

3.通过阵列化电烙铁接触式加热实现焊锡融化实现垂直互联微孔快速金属化，可以通过一次加热实现巨量垂直互联微孔的金属化，大幅降低了微孔金属化所需的加工时间。

4.微孔贯穿多层导电金属层，融化后的焊锡与多层导电金属层的圆周端口共融，可以实现单一微孔的多层导电金属层的电互联；加工过程中不涉及电化学反应，适用于带有大量微小缝隙的叠层复合材料多层电路板的垂直互联高密度微孔金属化。

5.本发明可以通过加工中心或高速钻床对叠层复合材料多层电路板进行微孔制造，制造装备常见，制造工艺简单、快速且稳定。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的叠层复合材料多层电路的垂直互联微孔的快速金属方法的流程图，其中a～g是各个具体步骤；

图2是本发明实施例2提供的叠层复合材料多层电路的垂直互联微孔的快速金属方法的流程图，其中a～g是各个具体步骤；

图3是使用本发明所提供的方法进行垂直互联高密度微孔快速金属化的曲面叠层复合材料多层电路板结构的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一导电层，2-第一绝缘层，3-第二导电层，4-第二绝缘层，5-焊锡，6-金属针，7-阵列化铝制烙铁，第三导电层8，第三绝缘层9，导电层10，绝缘层11。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种叠层复合材料多层电路的垂直互联微孔的快速金属化方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一，对叠层复合材料多层电路板进行微孔加工，形成贯穿叠层复合材料多层电路板的绝缘层与导电层的通孔或盲孔。

微孔加工的方式包括三轴加工中心或五轴加工中心机械加工制孔、机器人加工制孔、超声波钻孔、湿法刻蚀、深反应离子刻蚀、激光刻蚀、激光诱导深度刻蚀。

步骤二，将固态的焊锡丝插入所述微孔中，所述焊锡丝凸出于所述微孔。

所述焊锡丝可以为市面上常见的商用焊锡丝。

步骤三，使用金属针挤压微孔中的焊锡丝，使焊锡丝与微孔壁面充分接触。

步骤四，再次填充焊锡并挤压，填补步骤三中焊锡变形形成的凹陷。

步骤五，使用阵列化铝制电烙铁加热叠层复合材料多层电路板微孔中的焊锡丝，使微孔中的焊锡丝融化并与多层电路中的多层金属导电层共融，完成多层电路内外层与中间金属导电层的垂直互联微孔的快速金属化。

加热方式除阵列化电烙铁接触式加热外，也可以为恒温热箱加热、热风枪加热、电磁加热等。

叠层复合材料多层电路板包含但不限于两层导电层和两层绝缘层，导电层布置于两绝缘层之间，金属导电层材料为铜，绝缘层材料为碳纤维增强复合材料或其他绝缘聚合物和复合材料；由于本发明方法在填充过程中是使用固态焊锡丝插入微孔中再加热从而对微孔进行金属化垂直导电互联的，因此并不会受限于微孔深度。

本发明方法同样适用于平面或曲面多层电路板的微孔快速垂直互联金属化。

以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例1所用电路板结构如图1中的a所示，包括依次相连接的第一导电层1、第一绝缘层2、第二导电层3和第二绝缘层4，第一导电层1与第二导电层3的材料为铜，厚度为3μm，第一绝缘层2与第二绝缘层4的材料为叠层碳纤维复合材料，第一绝缘层2的厚度为500μm。

本发明实施例1所提供的方法主要包括如下步骤：

(1)多层电路板微孔加工：采用机械加工的方法对叠层复合材料多层电路板进行微孔加工，将叠层复合材料多层电路板固定于加工基座上，使用UG对通孔加工路径进行路径规划之后导入加工中心控制软件中，对叠层复合材料多层电路板进行微孔加工。如图1中的b所示，加工的微孔是深度大于500μm的盲孔，微孔贯穿第一导电层1、第一绝缘层2和第二导电层3，而终止于第二绝缘层4内，加工所得的微孔直径为200μm，加工完成后取下电路板。

(2)电路板微孔加工后处理：完成微孔加工后需要对电路板进行后处理，使高压空气喷嘴清理微孔中机械加工残留的碎屑；使用注射针管抽取适量氧化层清洗液，将清洗液少量注入到微孔中，静置10s，去除导电层断口金属氧化物；使用注射针管抽取适量无水乙醇，将无水乙醇少量注入到微孔中，冲洗掉残留的氧化层清洗液，将经过无水乙醇清洗的带微孔叠层复合材料多层电路板置于干燥环境中若干分钟，使得通孔中残留的无水乙醇完全挥发。

(3)在通孔中插入焊锡丝5：如图1中的c所示，焊锡丝直径与通孔内径应满足间隙配合的要求，使得焊锡丝5可以顺利通过通孔，焊锡丝使用轴向拉伸断裂的方法进行分段，拉断产生的拉伸断裂颈缩断面小于焊锡丝直径，相较于直接截断更容易插入微孔；焊锡丝插入微孔后的长度应略长于微孔深度，本实施例中选用的焊锡丝为Sn0.7Cu，熔点为227℃。

(4)使用金属针6挤压微孔中的焊锡，使焊锡与微孔壁面充分接触：如图1中的d所示，使用金属针1挤压微孔中的焊锡丝，所述金属针针尖直径小于微孔直径200μm。按压后焊锡丝在微孔中变形，变形后的焊锡丝与第二导电层3圆周断面充分接触，保证了后续垂直互联微孔快速金属化的成功率和导电性。

(5)再次填充焊锡丝并挤压：如图1中的d所示，金属针挤压焊锡丝后会在微孔上表面形成锥形凹陷，锥形凹陷的存在可能会导致焊锡融化后无法与第一导电层1实现电互联，因此需要再次进行焊锡填充。如图1中的e所示，向微孔中填入少量焊锡后使用平面金属块按压焊锡，使得焊锡填满锥形凹陷并与第一导电层1充分接触，保证后续垂直互联微孔快速金属化的成功率和导电性。

(6)使用阵列化铝制电烙铁加热叠层复合材料多层电路板微孔中的焊锡，使微孔中的焊锡融化并与多层电路中的多层金属导电层共融；如图1中的g所示，将电烙铁与微孔外层的铝箔接触，在280℃的加热条件下接触加热10s，使得焊锡丝完全融化并与第一导电层1和第二导电层2共融，实现通孔金属化互连，完成多层电路内外层与中间金属导电层的垂直互联微孔快速金属化。

叠层复合材料多层电路垂直互联微孔快速金属化后的导电性测试：测试第一导电层1和第二导电层2之间的电阻值，以确定微孔金属化的导电性。对于未能成功导电的通孔，重复步骤(4)到(6)，使得微孔重新进行金属化，实现多层电路第一导电层1和第二导电层2之间的电互联。

实施例2

请参阅图2，本发明实施例2的微孔贯穿多层导电金属层，融化后的焊锡与多层导电金属层的圆周端口共融，可以实现单一微孔的多层导电金属层的电互联。叠层复合材料多层电路板可以包含多层导电金属层，如图2中的a所示。叠层复合材料多层电路板包括第一导电层1、第一绝缘层2、第二导电层3、第二绝缘层4、第三导电层8、第三绝缘层9，导电层材料为铜，厚度为3μm，绝缘层材料为叠层碳纤维复合材料，厚度为500μm。

针对上述叠层复合材料多层电路结构，其垂直互联高密度微孔快速金属化工艺步骤为：

(1)多层电路板通孔加工：采用机械加工的方法对叠层复合材料多层电路板进行微孔加工，将叠层复合材料多层电路板固定于加工基座上，使用UG对通孔加工路径进行路径规划之后导入加工中心控制软件中，对叠层复合材料多层电路板进行微孔加工。加工微孔是深度大于1000μm的盲孔，微孔贯穿第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层，而终止于第三绝缘层内，加工所得的微孔直径为200μm，加工完成后取下电路板。

后续步骤与上述实施例1步骤(2)到(6)相同。

本发明方法同样适用于平面和曲面叠层复合材料多层电路垂直互联高密度微孔径快速金属化。如图3所示曲面叠层复合材料多层电路板结构可以使用本发明方法进行垂直互联高密度微孔径快速金属化。所述曲面叠层符合材料多层电路板由n层导电层10和m层绝缘层11构成(n、m为大于等于2的自然数)。

本发明的叠层复合材料多层电路垂直互联微孔快速金属化方法通过对已经叠层复合材料多层电路板进行微孔加工，微孔贯穿多层电路板的多层导电层；使用焊锡丝贯穿微孔填充，使用挤压法使焊锡与导电层断面充分接触；在插入焊锡的电路板表面粘附铝箔，固定焊锡位置；通过加热微孔外层的铝箔，使微孔中的焊锡融化并与多层导电层互联；去除电路板外层的铝箔，完成叠层复合材料多层电路垂直互联微孔快速金属化，或使用铝制电烙铁直接对微孔中的焊锡进行加热从而实现叠层复合材料多层电路垂直互联微孔快速金属化。本发明方法可以实现快速高效、低成本、高质量、环保地实现多层电路垂直互联微孔快速金属化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。