JP4207838B2 - 接続材料 - Google Patents

Description

本発明は相対する電極を有する被接続部材を接続するための接続材料、特に熱硬化性樹脂を含む接続材料に関するものである。

相対する電極を有する被接続部材間を接続するために、熱硬化性樹脂を主成分とする接続材料が用いられている。例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）ではガラス基板上のＩＴＯ(Indium Tin Oxide)膜とＴＣＰ（Tape Carrier Package)との接続、ＩＴＯ膜とドライバーＩＣとの接続などがある。またＩＣ、ＬＳＩ等の半導体をプリント基板に実装する技術として、ベアチップ等の半導体チップを接続材料により直接基板に実装する方法がある。これらの被接続部材の接続は、チップや基板のそれぞれ相対する位置に設けた多数の電極を対向させた状態で、接続材料により接続し、電気的接続と機械的固着を同時に得ようとするものである。

このような接続材料としては主成分として熱硬化性樹脂が用いられており、チップや基板等の被接続部材間に接続材料を介在させ、相対する電極を対向させた状態で両側から加圧するとともに、加熱して樹脂を硬化させることにより接続している。チップと基板等の被接続部材間の機械的固着は樹脂の固着（接着）力により行い、電極の電気的接続は樹脂の固着により接点同士を圧着することにより行っている。この場合接続材料中に導電性粒子を分散させることにより電極間に導電粒子を介在させて電気的接続を得る場合と、電極同士を直接接触させて電気的接続を得る場合とがある。

近年、携帯電子機器を中心とした軽薄短小化の市場要求から、半導体チップと基板間あるいはＴＣＰとＩＴＯ間の接続における接続面積の低下による接着強度の低下が問題となっている。またドライバーＩＣ等をフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）上に搭載することが検討されており、接続材料についても接着強度（引き剥がし強度）を上げる必要性が出てきている。特にＦＰＣにはポリイミド樹脂フィルムが用いられているが、このようなポリイミド樹脂フィルムに対して優れた接着性を示す接着材料は知られていなかった。

一般に接着強度を大きくするためには、接着剤バルクをより軟らかくしてタフネスパラメーターを向上させる手法が知られているが、この場合ガラス転移温度（以下、Ｔｇという場合がある）が低下したり、あるいは弾性率が大幅に低下する現象が起こる。接着強度としては、このような処理により向上が期待できるが、種々条件下における電気的接続の確保は困難になる。例えば高温、高湿エージングにおける接着強度の低下に伴い、接続部で電気抵抗が上昇することが知られており、この現象をいかに小さく抑えるかも重要である。

本発明の課題は、接着強度および電気的接続信頼性が高く、ポリイミド樹脂フィルムを接続する場合でも有効に機械的固着と電気的接続を行うことができ、また高温多湿下において使用しても電気的接続信頼性が低下しない接続材料を得ることである。

本発明は次の接続材料である。
（１） 相対する電極を有する被接続部材を接続する接続材料であって、
熱硬化性樹脂４０〜７０重量％と、
ガラス転移温度が５０℃を越える熱可塑性樹脂１０〜３０重量％と、
ガラス転移温度が３０℃以下の熱可塑性樹脂および／またはガラス転移温度が３０℃以下、平均粒径３０〜３００ｎｍの架橋ゴムからなるエラストマー微粒子５〜３０重量％とを含有する接着剤成分を含み、
硬化後の３０℃における弾性率（ＤＭＡ法）が１．８〜２．１ＧＰａ、
弾性率測定時のｔａｎδの最高ピークの温度で表されるガラス転移温度が１３０〜１４０℃、
引張り伸び率（ＪＩＳＫ７１６１）が３．６〜７．２％であり、
接着強度および電気的接続信頼性が高く、
ポリイミド樹脂フィルムを接続する場合でも有効に機械的固着と電気的接続を行うことができ、
高温多湿下において使用しても電気的接続信頼性が低下しない接続材料。
（２） 接着剤成分に対し導電性粒子を０〜４０容量％含有する上記（１）記載の接続材料。

本発明において接続の対象となる被接続部材は、相対する電極、特に多数の電極を有する部材がすべて対象となる。その中でもＬＣＤのドライバーＩＣやＴＣＰ、あるいはメモリー、ＡＳＩＣ等の半導体チップのように、狭い領域に多数の電極が設けられ、電極のピッチ、幅および間隔が狭い被接続部材の電極間の接続に適している。上記の半導体チップ等の被接続部材を接続する相手としては基板の場合が多いが、本発明の接続材料は半導体チップ等を直接プリント基板に実装する場合にも、またインターポーザ等を介して実装する場合にも適用可能である。基板としてはガラス／エポキシ基板、樹脂基板、ガラス基板、フレキシブル樹脂基板など、任意の材質からなる基板がある。材質的にはポリイミド樹脂フィルムは接着性が悪いが、本発明の接続材料はこのようなポリイミド樹脂フィルムでも接着することができ、しかも、電気的接続信頼性を得ることができる。ポリイミド以外の材質についても接着可能であり、この場合一般の接続材料よりもさらに優れた接着性と電気的接続信頼性を得ることができる。

本発明の接続材料は熱硬化性樹脂を含有する接着剤成分を含み、この接続材料を被接続部材間に介在させ、両側から加圧して相対する電極を押しつけて接触させ、接続材料を電極の存在しない部分に集めた状態で硬化させて接着することにより、電気的接続と機械的固着を行うように構成される。電極間は直接接触させてもよく、導電性粒子を存在させて接触させてもよい。スタッドバンプのように電極の突出部の面積が小さい場合（例えば１０００μｍ²以下の場合）に直接接触させることができるが、電極面積が大きい場合には導電性粒子を存在させるのが好ましい。導電性粒子を存在させるためには接続材料中に導電性粒子を配合する。

本発明の接続材料の接着剤成分に用いる熱硬化性樹脂の主剤樹脂としてはエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、水酸基含有ポリエステル樹脂、水酸基含有アクリル樹脂など、硬化剤との併用により加熱下またはＵＶ等の光照射下に硬化する樹脂が制限なく使用できるが、特にその硬化温度、時間、保存安定性等のバランスからエポキシ樹脂が好ましい。
エポキシ樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、エポキシノボラック樹脂または分子内に２個以上のオキシラン基を有するエポキシ化合物等が使用できる。これらの樹脂には市販品がそのまま使用できる。

上記の熱硬化性樹脂の主剤樹脂は一般に硬化剤と併用することにより硬化反応を行うことができるが、主剤樹脂に硬化反応に寄与する官能基が結合している場合は硬化剤を省略することができる。硬化剤としてはイミダゾール、アミン、酸無水物、ヒドラジッド、ジシアンジアミド、これらの変性物など、加熱、光照射等により主剤樹脂と反応して硬化反応を行うものが使用でき、市販品でもよい。このような硬化剤としては潜在性硬化剤が好ましい。

潜在性硬化剤は常温における製造、保存ならびに比較的低温（４０〜１００℃）による乾燥時には硬化反応を行わず、硬化温度における加熱加圧（熱圧着）またはＵＶ等の光照射により硬化反応を行う硬化剤である。このような潜在性硬化剤としてはイミダゾール、アミン等の上記の硬化剤成分をマイクロカプセル化したものなどが特に好ましく、市販品をそのまま使用することもできる。熱活性の場合、硬化開始温度としては８０〜１５０℃のものが好ましい。

本発明の接続材料は、このような熱硬化性樹脂と、ガラス転移温度が５０℃を越える熱可塑性樹脂と、ガラス転移温度が３０℃以下の熱可塑性樹脂、および／またはガラス転移温度が３０℃以下、平均粒径３０〜３００ｎｍの架橋ゴムからなエラストマー微粒子とを含有する接着剤成分を含む。
熱可塑性樹脂としては、Ｔｇが３０℃以下であり、室温でゴム弾性を有する樹脂が使用でき、例えばアクリル樹脂、ポリエステル樹脂等があげられる。

エラストマー微粒子としては、Ｔｇが３０℃以下であり、室温でゴム弾性を有する天然または合成ゴムの微粒子が使用でき、例えば天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）などがあげられる。
これらのゴムは架橋ゴムが使用される。エラストマー微粒子の平均粒径は３０〜３００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍが好適である。これらのエラストマー微粒子も市販品がそのまま使用可能である。

本発明では接続材料に塗布性あるいはフィルム形成性を付与することを目的としてＴｇが５０℃を超える熱可塑性高分子材料を接着剤成分に配合する。このような熱可塑性高分子材料としてはフェノキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂等が使用できる。
このほか本発明の接着剤成分には界面活性剤、カップリング剤、老化防止剤等の添加剤を配合することができる。

本発明においては上記の接着剤成分のほかに導電性粒子を用いなくてもよいが、用いる場合、はんだ、ニッケル等の金属粒子、高分子核材粒子をメッキ等により導電材で被覆した導電被覆粒子、またはこれらの導電性の粒子を絶縁性樹脂で被覆した絶縁被覆導電粒子などが使用できる。これらの導電性粒子の平均粒径は１〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μｍとすることができる。

本発明の接続材料において、接着剤成分は熱硬化性樹脂を４０〜７０重量％、Ｔｇが５０℃を超える熱可塑性樹脂を１０〜３０重量％、Ｔｇが３０℃以下の熱可塑性樹脂および／またはエラストマー微粒子を５〜３０重量％、他の添加剤を０〜１０重量％、好ましくは０〜５重量％含むことができる。導電性粒子はこれらの接着剤成分に対して０〜４０容量％好ましくは０〜３０容量％配合することができる。

本発明の接続材料はペースト状またはフィルム状の形態の製品とすることができる。ペースト状とする場合は上記の各成分を選択することにより無溶媒でペースト状とすることもできるが、一般的には各成分を溶媒に溶解または分散させてペースト状とすることができる。溶媒としては、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、フェノール類、アセタール、窒素含有炭化水素のような溶媒が使用でき、例えば、トルエン、ＭＥＫ、酢酸エチル、セロソルブアセテート等があげられる。溶媒の使用量は、樹脂成分に対して２０〜４０重量％程度である。
フィルム状とする場合は上記のペーストを剥離シートにフィルム状に塗布し、溶媒を揮発させることにより成形することができる。

本発明の接続材料は硬化後の３０℃における弾性率が１．８〜２．１ＧＰａ、Ｔｇが１３０〜１４０℃、引張り伸び率が３．６〜７．２％となるように前記各成分の種類および量を選ぶ。
上記の各特性の測定法は次の通りである。
弾性率：ＤＭＡ法
Ｔｇ：弾性率測定時のｔａｎδの最高ピークの温度をＴｇとする
引張り伸び率：ＪＩＳ Ｋ７１６１

本発明の接続材料は、相対する電極を有する被接続部材間、例えば基板と半導体チップ間に介在させた状態で、被接続部材の両側から加圧、加熱して、樹脂を硬化させることにより接続を行う。接続材料がペースト状の場合は被接続部材の電極を含む接続領域に接続材料を塗布し、乾燥後あるいは乾燥することなく他の被接続部材を重ねて圧着し、硬化させる。接続材料がフィルム状の場合は、接続材料を被接続部材間に介在させて加圧、加熱、硬化を行う。硬化は加熱のほかＵＶ等の光照射によって行うこともできる。

上記の接続の工程では、被接続部材間に接続材料を介在させた状態で加熱して接続材料を溶解させ加圧すると、接続材料は電極の対向する部分から電極のない部分に流れ、電極部分が圧着する。導電粒子が含まれる場合には、導電粒子が電極間に残って電極間に接触する。電極のない部分に流れた接着剤成分はその部分で硬化して被接続部材間を固着する。これにより電極間の電気的接続と部材間の機械的固着が行われる。本発明の接続材料を用いることにより、電極の面積および間隔が狭い場合、あるいはＦＰＣのようにポリイミド樹脂フィルムを用いる場合でも機械的固着および電気的接続は良好に行われる。ポリイミド以外の被接続部材の場合も接着強度が大きくなる。

例えば基板に半導体チップ等を実装する場合、上記により一方の被接続部材としての半導体チップ等を、他方の被接続部材としての基板等に接続することにより実装した後、高温、多湿の環境において使用することになるが、本発明の接続材料を用いることにより、長期にわたり電気的接続信頼性が得られ、電極間の導通不良は発生しない。

本発明によれば、熱硬化性樹脂を主成分とし、ガラス転移温度が５０℃を越える熱可塑性樹脂と、ガラス転移温度が３０℃以下の熱可塑性樹脂および／またはガラス転移温度が３０℃以下、平均粒径３０〜３００ｎｍの架橋ゴムからなるエラストマー微粒子とを特定量含有する接着剤成分を含み、特定の弾性率、Ｔｇ、引張り伸び率となるようにしたので、接着強度および電気的接続信頼性が高く、ポリイミド樹脂フィルムを接続する場合でも有効に固着と電気的接続を行うことができ、また高温多湿下において使用しても電気的接続信頼性が低下しない接続材料を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を実施例により説明する。

実施例１〜５、比較例１〜３
（接続材料の調製）
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、４０３２Ｄ、商品名）、硬化剤としてイミダゾール系硬化剤（旭化成社製、ＨＸ−３９４１ＨＰ、商品名）、Ｔｇ３０℃以下の架橋ゴムからなるエラストマー微粒子としてポリブタジエンゴム微粒子（クラレ社製、平均粒径８０ｎｍ）、Ｔｇ３０℃以下の熱可塑性樹脂としてアクリル樹脂（藤倉化成社製、ＳＧ８０、商品名、Ｔｇ：−２５℃）、Ｔｇ５０℃を超える熱可塑性樹脂としてフェノキシ樹脂（東都化成社製、ＹＰ５０、商品名、Ｔｇ：８０℃）、導電性粒子として導電被覆粒子（日本化学工業社製、ＥＨ２０ＧＮＲ、商品名、粒径５μｍ）を表１の組成で用い、溶媒としてトルエンに溶解させてペースト状の接続材料とした。これを剥離処理の施されたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる剥離フィルム上に乾燥膜厚４０μｍとなるようにコーティングし、８０℃の熱風循環式オーブン中に５分間放置してフィルム状の接続材料を得た。

（物性試験）
弾性率の測定方法は、未硬化の接続材料を６ｃｍ×０．２ｃｍの大きさに切り出し、１８０℃で１５分間硬化後ＰＥＴフィルムから剥してサンプルとした。試験機としてオリエンテック社製バイブロンＤＤＶ０１ＦＰ（商品名）を用いチャック間距離５ｃｍ、測定周波数１１Ｈｚ、昇温速度３℃／ｍｉｎで測定した。
この弾性率測定時のｔａｎδのピーク温度をＴｇとした。

（引張試験）
引張試験の測定方法は、未硬化の接続材料を１ｃｍ×１５ｃｍの大きさにカッターナイフを用いて切り出し、１８０℃の熱風循環式オーブン中で１５分間硬化後、ＰＥＴフィルムから剥がしてサンプルとした。引張試験機として島津社製オートグラフＡＧＳ−Ｈおよびビデオ式伸び計ＤＶＥ−２００を用い、引張速度１ｍｍ／ｍｉｎ、チャック間距離１０ｃｍ、標線間距離５ｃｍ、測定温度２３℃で引張り伸び率を測定した。

（接続試験）
ＩＣチップ（材質：シリコン、寸法：６ｍｍ×３ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍｔ、バンプ：金メッキ、バンプ厚：２０μｍｔ、バンプ数：２７２ピン、ピッチ：８５μｍ）を、上記フィルム状接続材料を介してＦＰＣ基板に接続した。ＦＰＣ基板は厚さ２５μｍのポリイミドフィルム（東レ社製、カプトン、商品名、寸法：４０ｍｍ×４０ｍｍ）にＩＣチップのバンプに対応して導体パターン（銅１２μｍ、ニッケル−金メッキ）を形成したものである。上記基板上に接続材料を介してＩＣチップをバンプと導体パターンが対向するように重ね１９０℃×１０秒×推力４ｋｇｆで加熱加圧して接続した。

上記接続体について、９０°ピール強度を測定して接続強度とした。
電気的接続信頼性については、４端子法にて、初期および８５℃８５％ＲＨ雰囲気下に１０００ｈｒ放置後の接続抵抗を測定し、測定端子４０箇所の平均値で表示した。
結果を表１に示す。

＊１：接着剤成分に対する容量％

表１の結果より、実施例１〜５の接続材料はポリイミド樹脂フィルムに対しても優れた接着性を示し、電気的接続信頼性についても優れた結果が得られている。これに対して各特性が本発明の範囲を満足しない比較例１〜３は、接続強度に劣るものがあるほか、電気的接続性についてはいずれも劣っていることがわかる。

Claims (2)

1. 相対する電極を有する被接続部材を接続する接続材料であって、
   熱硬化性樹脂４０〜７０重量％と、
   ガラス転移温度が５０℃を越える熱可塑性樹脂１０〜３０重量％と、
   ガラス転移温度が３０℃以下の熱可塑性樹脂および／またはガラス転移温度が３０℃以下、平均粒径３０〜３００ｎｍの架橋ゴムからなるエラストマー微粒子５〜３０重量％とを含有する接着剤成分を含み、
   硬化後の３０℃における弾性率（ＤＭＡ法）が１．８〜２．１ＧＰａ、
   弾性率測定時のｔａｎδの最高ピークの温度で表されるガラス転移温度が１３０〜１４０℃、
   引張り伸び率（ＪＩＳＫ７１６１）が３．６〜７．２％であり、
   接着強度および電気的接続信頼性が高く、
   ポリイミド樹脂フィルムを接続する場合でも有効に機械的固着と電気的接続を行うことができ、
   高温多湿下において使用しても電気的接続信頼性が低下しない接続材料。
2. 接着剤成分に対し導電性粒子を０〜４０容量％含有する請求項１記載の接続材料。