JP2504057B2 - 導電性粒子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は集積回路、液晶パネルあるいはEL表示パネル
等の回路端子と、必要とする他の電気部材との回路との
間を電気的に接続するに適した導電性接着剤に用いられ
る導電性粒子に関する。

（従来の技術） 導電性粒子は、プラスチックスや接着剤等のマトリッ
クス中に充填して、静電破壊防止用、電磁波シールド用
および回路の接続用等に多用されている。これらの導電
性粒子はカーボンブラックや金属粒子が古くから用いら
れており、最近では雲母、ガラス、セラミック等の無機
材料やプラスチックやゴム等の高分子を核材とし、この
表面にたとえばめっき法などにより金属薄層を形成する
試みもなされるようになってきた。この金属薄層を形成
する方法によれば、金属の使用量が少なく省資源に有効
であり、比重も小さくすることが出来、またマトリック
スと混合し易い等の特長を有する。

本発明者らは先に、高分子核材の表面が金属薄層によ
り実質的に被覆されてなる導電性粒子（以下被覆粒子）
を用いた回路の接続材料について提案した（特願昭61−
31088号）。この方法によれば、導電性粒子は回路接続
時の加圧あるいは加熱加圧により、回路間あるいは導電
性粒子相互間で押しつけるように適度に変形するために
充分な接触面積が得られることや、高分子核材は剛性や
熱膨張収縮特性が金属粒子に較べて接着剤の性質に極め
て近いこと等から温度変化に対する追随性を有するので
接続信頼性が著しく向上した。

ここで温度変化に対する追随性とは温度変化時におけ
る接着剤の熱膨張収縮に対し導電性粒子も接着剤の変化
に近似して膨張収縮することをいう。

すなわち従来の金属粒子の熱膨張率は接着剤に較べて
一般的に１桁程度小さい為、たとえば高温時においては
金属粒子の膨張量は接弱剤に較べて少なく接続回路間隙
の変化に対して追随性が無いので回路への金属粒子の接
触面積や接触点数が減少し接続抵抗の増加や導通不良を
生じる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記先願発明は、多くの回路に対して優れた接続信頼
性を示すが、回路の表面がCr,Alおよび半田などの場合
に接続抵抗、特にその初期抵抗が高く、接続部の信頼性
が不足する場合があり、またICの回路上への搭載の場合
には熱放散性にも劣ること等が最近わかってきた。

上記問題点について検討したところ、前者の場合の回
路表面は水分等の吸着層や酸化層などの汚染層を形成し
易く、被覆粒子では接続時に高分子核体が軟化変形する
ため、回路表面の数Å〜数百Åに存在する汚染層を突き
破ることができず純金属との接触が充分に得られないこ
とが原因であることがわかった。また後者については、
高分子核材に較べて熱伝導性に優れる金属が薄層である
ためと考えられる。

本発明はかゝる状況に鑑みなされたものであり、接続
信頼性にすぐれた導電性粒子を提供せんとするものであ
る。

（問題点を解決するための手段） すなわち本発明ほ、高分子核材の表面が金属薄層によ
り実質的に被覆されてなる被覆粒子の表面に、更に金属
粒子を付着形成してなる導電性粒子に関する。

以下本発明を実施例を示した図面を参照しつつ説明す
る。

第１図および第２図は本発明になる導電性粒子を示す
断面模式図であり、高分子核材１の表面に金属薄層２よ
りなる被覆層を有し、さらにその表面に金属粒子３を付
着形成してなるものである。

本発明になる導電性粒子は球状や卵形あるいは、断面
が概略角状を示す立方体、長方体、円柱状および台垂状
などの形状とすることが出来る。

被覆粒子と金属粒子３の粒径の関係は第１図のように
金属粒子３の方が小さいことが回路への接触点数が増加
することから好ましいが、両者の粒径が略同等程度まで
構成することが可能である。金属粒子の方が大きな場合
は、回路接続時に接続すべき回路間においてスペーサー
的に作用するので、被覆粒子の特徴が発現し難く好まし
くない。金属粒子３の被覆粒子への付着数は１個以上が
可能である。

しかしこの場合においても回路への接触点数が増加す
ることから、第１図のように実質的に全表面に金属粒子
を構成することが好ましい。同じ理由から、金属粒子３
は第３図にように表面に無数の突起を有することが好ま
しい。この場合金属粒子３が被覆層２及び回路の汚染層
４へ充分に食い込み易いので、接触面積の増加により良
好な付着状態を得ることができる。

被覆粒子への金属粒子３の付着方法としては、双方も
しくは一方の粒子をEDTA等のキレート剤やシラン、アル
ミ、チタン等の各種カップリング剤および接着剤の希薄
溶液で表面処理後に両者を混合付着させる方法が一般的
である。また双方の粒子を混合し、加熱もしくは加熱加
圧することによっても付着粒子を得ることが可能であ
り、また第３図のような金属粒子が突起を有する場合で
あると単なる加圧のみでも充分な付着状態が得られる。

本発明にかかる構成材料について以下説明する。

被覆粒子３は高分子核材１の表面が金属薄層２より実
質的に被覆されてなる、粒子径が１〜50μｍの粒子をそ
の基本とする。高分子核材１は完全な充実体、内部に気
泡を有する発泡体、内部が気体からなる中空体、小粒子
の集まりにより核材を形成する凝集体などのいずれでも
良く、これを単独もしくは複合して用いることが出来
る。

高分子核材の形状はほゞ球状が代表的であるが、その
形状については特に問わない。

当分子核材１の材質としては、ポリスチレンやエポキ
シ樹脂などの各種プラスチック類またはスチレンブタジ
エンゴムやシリコーンゴム等のゴム類およびデンプンや
セルロース等の天然高分子類があり、これらを主成分と
して架橋剤や硬化剤および老化防止剤などの添加剤を用
いることが出来る。

これら高分子核材は既にクロマトグラム用充填剤、標
準粒子、化粧品用途などに、たとえば東洋曹達工業
（株）、日本合成ゴム（株）、トーレ（株）、鐘紡
（株）などから市販されており入手可能である。

金属薄層２は導電性を有する各種の金属、金属酸化
物、合金等が用いられる。

金属元素の例としては、Zn,Al,Sb,Au,Ag,Sn,Fe,Cu,P
b,Ni,Pd,Ptなどがあり、これらを単独もしくは複合して
用いることが出来、さらに特殊な目的たとえば硬度や表
面張力の調整および密着性の改良などのためにMo,Mn,C
d,Si,およびCrなどの他の元素や化合物なども添加でき
る。導電性と耐腐食性から、Ni,Ag,Ad,Sn,Cuが好ましく
適用でき、これらほまた単層もしくは複層以上としても
形成可能である。

これらを用いて被覆層を形成する方法としては、蒸着
法、スパッタリング法、イオンフレーティング法、溶射
法などの乾式法や、めっき法などが適用できるが、湿式
の分散系によることから均一厚みの被覆層を得ることの
出来る無電解めっき法が好ましい。被覆層の厚みは0.01
〜５μｍ程度が適用できるが、0.05〜1.0μｍが好まし
い。ここで厚みはたとえば金属下地層のある場合はその
層をも含むものとする。

被覆層の厚みが薄いと導電性が低下し、厚みが増すと回
路接続時における高分子核材の変形が起り難いことから
回路への接触面積が減少するので好ましくない。被覆粒
子３の粒径は0.5〜50μｍが適用可能である。0.5μｍ以
下では充填粒子数が多くなり回路との接着面積が実質的
に減少するために回路との接触性が低下し、50μｍ以上
では粒子が隣接回路間に存在した時に絶縁性が失なわれ
るので接続部材の分解能の向上をはかる上で好ましくな
い。粒子は接続部材中に独立もしくは凝集して存在する
ことが出来る。

金属粒子４は粒子径0.01〜50μｍであり、回路接続時
において高分子核材１より剛性が高く耐腐食性に優れた
粒子より選択される。粒子径が0.01μｍ以下では、回路
表面の汚染層を突き破る能力に欠けるので本発明の実施
に不適であり、粒子径50μｍ以上では隣接回路間に粒子
が存在した時に絶縁性が失なわれるので好ましくない。
好ましい粒子径の範囲は0.03〜30μｍである。金属粒子
の形状についてはほゞ球状であることが好ましいが特に
規定しない。特に好ましい形状は粒子の表面に突起物や
凹凸を有するものであり、この形状および剛性の高さに
より回路表面の汚染層への食い込み能力が増加する。

これらの金属粒子としては、Zn,Al,Sb,U,Cd.Ga,Ca,A
g,Co,Sn,Se,Fe,Cu,Tn,Pb,Ni,Pd,Be,Mg,Mnなどがあり、
これらを単独もしくは複合して用いることが可能であ
る。またこれらの金属はめっき等により２層以上の構成
とすることも可能である。上記金属粒子では、耐腐食性
に優れかつ入手が容易であることから、Ni,Ag,Auが好ま
しく適用できる。また本発明の変形性を有しない粒とし
て、上記した金属粒子の他に接続時の剛性が高分子核材
よりも高く被覆粒子に較べて変形し難い組成物、たとえ
ばガラス、セラミック、アルミナ等の無機物や高剛性の
高分子材料などを核材とし、その表面を金属めっき等に
より導電性被膜を形成した粒子を用いることも可能であ
る。

（作用） 本発明になる各種構成材料の使用について、本発明に
なる導電性粒子を用いた回路の接続を例にとり第５図〜
第４図を参照しながら説明する。

被覆粒子は、金属２が薄層であるために加圧、加熱お
よび加熱加圧により接触面に押しつけるように適度に変
形し接触面積を大きく保つことができる。また、金属が
薄層であることから熱膨張率をマトリックス６と近似さ
せることが可能であり温度変化に対する追随性を向上す
ることができ、接続信頼性が著しく向上する。

金属粒子３は被覆粒子に較べて剛性が高く軟化および
変形性を有しないので、たとえば回路表面の金属酸化層
などの汚染層４に食いこんで接触するので汚染層を含む
各種回路に対して優れた導電性が得られることから信頼
性が向上する。

すなわち本発明による導電性粒子は表面の金属粒子が
接触界面の面積を増加しまた熱伝導率を低下させ、被覆
粒子は全属粒子の熱や応力による歪みを吸収する緩衝材
として作用し、さらに金属粒子は被覆粒子に付着してい
ることからこれらの作用が効率よく得られる。

（実施例） 以下本発明を実施例により説明する。

実施例１〜４および比較例１〜３ （１）被覆粒子の作製 高分子核材として、ユニベックスＣタイプ（球状フェ
ノール樹脂、ユニチカ（株）商品名）を分級して平均粒
径25μｍ（フルイの20μｍオン30μｍバス）の粒子を得
た。

この粒子を用いて以下の方法により、Ni0.5μm/Au0.0
2μｍとなるように無電解めっきをおこなった。

（イ）前処理 上記高分子核材をメチルアルコール中で強制的に撹拌
して、脱脂および粗化を兼ねた前処理を行ない、その後
濾過によりメチルアルコールを分離した。

（ロ）活性化 次にサーキッドプレップ3316（PdCl＋HCl＋SnCl₂系の
活性化処理液、日本エレクトロプレーティングエンジニ
ヤース（株）製商品名）中に分散し、25℃−20分間の撹
拌により活性化処理をおこなった。この後水洗、濾過を
行なった。

（ハ）無電解Niめっき 活性化処理後の粒子をブルーシューマー（無電解Niめ
っき液、浴能力300μdm²/l、日本カニゼン（株）製商品
名）液中に浸漬し90℃−30分間強制撹拌を行なった。所
定時間後水洗した。めっき液量は粒子の表面積から算出
した。

（ニ）無電解Auめっき 以上で得られたNi被覆粒子の表面に、Auの置換めっき
を行なった。めっき液はレクトロレスプレップ（無電解
Auめっき液、日本エレクトロプレーティングエンジニア
ーズ（株）製商品名）であり、90℃−30分間のめっき処
理を行ないその後で水を用いてよく洗浄し、つゞいて90
℃−２時間の乾燥を行なった。

（２）金属粒子 下記グレードを用いた。メーカーは両者ともにインコ
（株）である。Ni123（粒径３〜７μｍ、比表面積0.34m
²/g）、Ni255（粒径２〜３μｍ、比表面積0.68m²/g） （３）導電性粒子の作製 下記により被覆粒子と金属粒子とを付着させて導電性
粒子を得た。

Ａ法…被覆粒子と金属粒子とを体積比で50対50とし、厚
み2mmのガラス板間に挿んで120℃−10kg/cm²−１分間の
加熱加圧を行なった。この粒子を風力分級機アキュアカ
ット（日本ドナルドソン（株）製）を用いて、末付着粒
子を除去し、粒径範囲20〜30μｍの導電製粒子を得た。

Ｂ法…コロネートＬ（多官能ポリイソシアネート、日本
ポリウレタン（株）製商品名）の0.1％酢酸エチル溶液
中で被覆粒子を浸漬撹拌後に、酢酸エチルを風乾除去し
た。この後被覆粒子と金属粒子とを体積比で50対50とな
るように混合し、ミキシングドライヤーOMS−０（分散
流動乾燥機、田中化学機械（株）製商品名）により100
℃−１時間撹拌してイソシアネート薄層により金属粒子
を被覆粒子の表面に付着させた粒子を得た。

（４）接続部材の作製 上記により得た導電性粒子を、下記接着剤中に２体積
％（固形分比）混合分散し、バーコータによりセパレー
タ（ジリコーン処理ポリエステルフィルム）上に塗布
し、100℃−５分間の乾燥により厚み40μｍの接続部材
を得た。

（５）回路の接続 ライン巾0.1mm、ピッチ0.2mm、厚み35μｍのCu回路を
有する全回路巾100mmのフレキシブル回路板（FPC）に、
接着巾3mm長さ100mmに切断した接続部材を載置して150
−2kg/cm²−５秒の加熱加圧により、接続部材付のFPCを
得た。

その後セパレータを剥離して、他の同一ピッチを有す
る透明導電ガラス（Cr回路、ガラス厚み1.1mm）と顕微
鏡下で回路の位置合わせを行ない、150℃−30kg/cm−20
秒間の加熱加圧により回路の接続を行なった。なお酸化
層を有する回路とするために、FPCおよびCr回路を露出
した状態で100℃−２時間の加熱処理後に回路の接続を
おこなった。

（６）評価方法 上記により得た回路の接続体の熱衝撃試験前後の接続
抵抗の測定結果を表１に示した。

接続抵抗の測定はマルチメータ（TR−6877、アドバン
テスト社製）により行ない１試料500点の接続抵抗の平
均値で表示した。熱衝撃試験は−40℃/30分100℃/30
分を１サイクルとして300サイクルおこなった。

なお隣接回路間の絶縁抵抗はいずれも10⁹Ω以上と良
好であった。

（７）結果 各実施例とも表面酸化層を有する回路に対して良好な
初期および熱衝撃試験後の接続抵抗を示すことがわかっ
た。熱衝撃試験は信頼性評価の中でも最苛酷試験である
ことから、良好な信頼性有することがわかる。

それに対して比較例１では、初期抵抗が高いことから
回路の酸化層が悪影響を及ぼしていることがわかる。

しかしながら熱衝撃試験後の抵抗変化は比較的少な
い。

また比較例２〜３では、初期抵抗は良好であるが熱衝
撃試験後の抵抗変化は大きい。

この理由は、熱衝撃試験における接着剤層の膨張収縮
に対し金属粒子の熱膨張率が小さなことから、回路の熱
膨張に対し追随性を示さないためと考えられる。

実施例５〜６ 実施例１〜２の接続部材を用いて、実施例１〜６と同
様な回路の接続と評価をおこなった。

たゞし、FPC回路は表面に厚さ３μｍの半田めっき
（融点154℃）品を用いた。

結果を表１に示すが良好な初期および長期信頼性を示
した。この接続部の断面を走査型電子顕微鏡で観察した
ところ、FPC側では金属粒子は半田めっき中に食い込み
合金化していた。また回路間は被覆粒子により連結され
た被覆粒子と回路間には金属粒子が存在していた。

さらにCr回路面の接続部材を溶剤により除去し観察し
たところ、接続前の回路面に比較して荒れが目立った。
接続時の加熱加圧により金属粒子はCr回路面に食い込ん
で接続されていた為とみられる。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明における導電性粒子は、高
分子核材の表面が金属薄層により実質的に被覆されてい
る被覆粒子の表面に金属粒子を付着せしめたことにより
次の効果がある。

（１）接触材料の表面の酸化層などの汚染層を突き破っ
て接触することが可能である。そのため回路の接続材料
とした場合には適用回路の種類を選ばずに広範囲の回路
に対して適用できる。

（２）核となる高分子核材は温度変化に対する追随性に
すぐれ、また加熱加圧等により変形性を有するので接触
面積を大きく保つことができることと合わせて、接続信
頼性を大きく向上できる。

（３）効果的に導電性を発現できることから、マトリッ
クス中への添加が少量でも目標とする導電性が得られる
ので、機械的強度などのマトリックスの物性低下が少な
い。

（４）熱放散特性に優れた導電性粒子となりうる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明になる導電性粒子を示す
断面模式図、第３図および第４図は本発明になる導電性
粒子を用いた回路の接続状況を示す断面模式図である。 符号の説明 １……高分子核材、２……金属薄層 ３……金属粒子、４……汚染層 ５……回路、６……マトリックス

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加圧もしくは加熱加圧下で変形性を有する
   高分子核材の表面が金属薄層により実質的に覆われてな
   る粒子の表面に、さらに前記金属薄層に接して金属粒子
   が付着形成されてなることを特徴とする導電性粒子。