CN1041980C - 各向异性导电膜的制造方法以及使用该膜的连接器 - Google Patents

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Abstract

一种新的将半导体元件等以很小的连接电阻而且容易修复的方式与电路基板进行导电连接的各向异性导电膜、其制造方法和使用该膜的连接器。在电绝缘性薄膜3的两面形成覆盖铜箔2。通过腐蚀在铜薄层2中形成孔，其后以铜箔2作为掩模腐蚀上述绝缘性薄膜3从而形成贯通孔5。接着，在贯通孔5内充填导电性弹性体6并进行硬化。之后腐蚀铜箔2形成导电性弹性体6的凸点4。

Description

各向异性导电膜的制造方法以及使用该膜的连接器
本发明涉及形成薄膜状的、在其厚度方向上具有导电性区域、在其横方向上则不具有导电性或导电性极低的各向异性导电膜，涉及该膜的制造方法以及使用该膜的连接器。
作为把半导体元件直接安装到电路基板上的方法，有以往的引线键合方式、TAB方式及倒装芯片方式等，都已经实用化。而且最近又提出了许多利用各向异性导电膜、各向异性的导电糊剂和导电性粘结剂来进行接合的例子。
以往，各向异性导电膜往往是把导电性粒子分散在热可塑性或热硬化性的薄膜内，而且在绝缘薄膜中以一定间隔形成金属凸点(区域)。此外，作为各向导性的导电糊剂也往往把微细的导电性粒子分散到热硬化性树脂中。使用各向异性导电膜和各向异性的导电糊剂的接合方法都是通过介入导电性粒子使衬底电路与半导体元件的电极接触而使之结合的。此外，形成金属凸点是利用凸点金属与电极金属的合金化使之进行金属结合的方式达到电接触。
在上述使用各向异性导电膜的接合方法中，导电性是由以无序方式分散在薄膜中的金属粒子引起的接触来决定的，而为了产生各向异性，树脂膜中所占的粒子含量受到控制。由于这个原因就存在当金属粒子相互间的接触点数变少时使用各向异性导电膜的场合下的连接电阻要增大1～10欧姆的缺点。此外由于采用在连接部处加一个大的压力的同时进行加热和使用热硬化-热可塑性树脂使之粘结硬化的方法达到导电连接，因此还必需使用加热压接机。
再有，一旦粘结后如果想要把它剥离开，需要再次进行加热先将薄膜剥离下来，之后，还要用溶剂擦去粘结处的遗留物，这些都很费事，因此以上方法中存在修复性方面的问题
此外，在绝缘性薄上以一定间隔形成金属凸点的方法中，因为在金属凸点间存在一定间隔的绝缘体，故在导电连接时不存在与相邻的电路产生短路的担心，又因为能取多个接点数，故降低连接电阻是可能的。但是在这个方法中为了要得到稳定的导电连接，用于使凸点的金属与半导体元件和基板的电极产生合金化连接的高温加热和加压是必要的，故用于这方面的装置是必要的，在此同时，加压时的半导体元件的损伤，还有基板本身在电路的连接时的破损等的问题是存在的。就这个方法而言连接一次后要修复是比较困难的。
本发明的目的是提供一种新的连接构件和它的制造方法，该新的连接构件在半导体元件的安装或在使封装了半导体元件的组件导电地连接到电路基板的印刷基板间的微细电极间的接合方面，能容易地进行连接而且连接电阻值很小，在发生连接不良的场合也能容易地进行连接构件的更换修复。
本发明提供一种各向异性导电膜，其特征是：具有在两个表面间形成了许多个贯通孔的、厚度大致一定的电绝缘性薄膜以及充填在该电绝缘性薄膜的上述贯通孔内并以一定尺寸突出于上述电绝缘性薄膜两个表面的多个导电性弹性体。
本发明还提供一种各向异性导电膜的制造方法，该方法的步骤包括：在厚度大致一定的电绝缘性薄膜的两面形成可以进行腐蚀的覆盖箔层；在形成了上述覆盖箔层的上述电绝缘性薄膜中形成多个贯通孔；用导电性弹性体充填该贯通孔；通过腐蚀除去上述覆盖箔层从而形成各向异性导电膜。
本发明还提供一种使用薄膜状各向异性导电膜的连接器，其特征是：具有在两个表面间形成了许多个贯通孔的、厚度大致一定的电绝缘性薄膜以及充填在该电绝缘性薄膜的上述贯通孔内并以一定尺寸突出于上述电绝缘性薄膜两面的多个导电性弹性体，在具有多个电极的半导体元件等与形成了连接焊接区的衬底之间插入上述连接器并压紧，从而达到两者间的相互连接。
本发明提供一种在将半导体元件或封装了半导体元件的组件连接到衬底上时把形成了既有弹性又有导电性的凸点的各向异性导电膜作为导电连接构件插入到电极焊接区中间、在不使用以往的焊锡等焊剂的情况下进行低温下的接合、在接合不良时能容易地进行更换的装配结构。
该各向异性导电膜做成在电绝缘性薄膜中以一定间隔或无序地开出贯通孔、把导电性弹性体充填到该贯通孔内、导电性弹性体突出于该电绝缘性薄膜的两侧表面的形状。导电性弹性体是采用将金属粉末分散在硅酮系树脂内形成的材料。
半导体元件的封装是在把夹有本发明的各向异性导电膜的基板与半导体元件的电极焊接区的位置进行重合后，采用外加压力或粘结力通过导电性弹性体进行电连接。因为是采用弹性体使之进行加压接合，首先进行接触的部分发生变形，故在各焊接区上能维持一定荷重以上的接合压力，这样在所有的焊接区上都能得到稳定的接触电阻。此外，因为是采取以接触的方式进行电连接，因此如果解除外加压力就能容易地从衬底上取下半导体元件。
以下将详细地叙述关于在本发明中应用的各向异性导电膜的制造方法。
在薄膜方面，如果是具有电绝缘性的材料，那么无论是有机或无机材料都是可以用的。但是比较理想的薄膜材料是两侧覆盖了铜层的、有机的聚酰亚胺薄膜。从该薄膜的两侧或一方开始，采用腐蚀方法开出一定形状(例如圆形)的孔。其后，采用碱性腐蚀方法以铜箔作为掩模对聚酰亚胺薄膜进行腐蚀，这就作成铜-聚酰亚胺-铜的三层结构。孔的直径根据连接的图形不同而不同，可能的范围是从数十微米至数微米。
此外，在已开了孔的孔侧面采用电镀工艺进行通孔电镀，这样可忽略该部分的导电性树脂的电阻，作为最终的薄膜连接器的连接电阻很小，显示出良好的导电性能。
把导电性硅酮橡胶充填到已开孔的薄膜中。导电性硅酮橡胶是在附加型的液体状硅酮树脂中添加金、银、铜、镍、钯、或上述金属的合金，把以上金属电镀到有机或无机物质上形成的复合物、或是将贵金属电镀到金属粒子上再添加到液体状硅酮树脂中而形成的材料。上述添加物的粉末可以通过如电解、还原、粉碎、雾化等方法来制作，颗粒直径相对于薄膜的孔径来说足够小的粉未是比较理想的。
而且，除了把导电性粒子分散到硅酮系树脂中形成的材料之外，可使用所有具有弹性体性质并显示出导电性的材料。
作为把导电性树脂充填到薄膜的孔中去的方法，采用印刷法、刮刀法等的充填树脂的方法是较理想的。除去附着在薄膜的孔以外的部分的树脂，只对充填的树脂进行加热硬化，在薄膜的孔内形成导电性弹性体。
采用腐蚀方法溶解覆盖在薄膜的两面的铜层，形成突出于绝缘薄膜的表面的凸点状的导电性弹性体。采用对该凸点进行贵金属电镀的方法有可能使接触电阻进一步降低从而实现更稳定的接触。关于贵金属电镀的方式，在对整个薄膜进行活性化处理和充分的水洗后先镀镍后镀金的方式是较理想的。特别在导电性树脂内使用银粉末的场合，因为在银的表面采用镍和在其上的金进行覆盖，故可防止银的迁移现象。
在这样的镀金的场合，对突出于弹性体表面的银粒子进行电镀，在作为连接器使用的场合，形成镀以数微米金的凸点，如将该凸点压接到对面一侧的电极上，那么微细的凸点就会渗入到对面一侧的金属中，产生一种摩擦接触(wiping)的效果，从而使接触电阻更为稳定。本发明中因为在弹性体中采用了附加型的液体状硅酮树脂，因此凸点本身具有弹性，又由于在弹性体中混合均匀的粉体的均衡化，赋予了凸点低电阻的导电性机能。
如采用这样的导电性的弹性体，即使在低的接合压力下也可降低接触电阻，由于硅酮树脂在热和腐蚀环境中的化学稳定性，可形成高可靠性的连接器。此外，对凸点内和凸点表面的银粒子镀了金以后，即使在腐蚀环境下使用连接器性能也不会劣化，显示出稳定的电阻。
这样在绝缘薄膜内设置贯通孔并将导电性弹性体微细地分散开，作为连结器不仅可用于与半导体元件的导电连接和半导体组件的导电连接，而且可用于高密度(fine pitch)电路基板的连接。此外，在液晶显示装置用的电路的连接方面使用着以往的各向异性导电膜，但是，如使用本发明的各向异性导电膜，则可解决降低连接电阻、在连接处的短路及修复性方面的问题。
图1至图5是在本发明的各向异性导电膜的一系列制造工序中的各向异性导电膜的截面图。
图6是显示在弹性体凸点处镀了金的例子的截面图。
图7至图9是显示在已开孔的聚酰亚胺薄膜的孔内壁进行了通孔电镀的和在凸点侧面进行了镀金的例子的截面图。
图10是使用了本发明的各向异性导电膜时的电极接合部的截面图。
图11是使用了以往的各向异性导电膜时的电极接合部的截面图。
图12至图13是显示将半导体元件用本发明的各向异性导电膜进行了接合的例子的截面图。
符号说明如下：
1抗蚀剂
2箔(铜箔)
3电绝缘性薄膜
4凸点
5贯通孔
6导电性弹性体(导电性硅酮树脂)
8各向异性导电膜
以下根据本发明的实施例并参照附图进行说明。图1至图9示出各向异性导电膜的制造方法。在厚度为25μm的聚酰亚胺薄膜3的两面在不用粘结剂的情况下形成了17μm厚的铜箔2，为了在这样产生的薄膜上形成直径为50μm的孔(贯通孔)，如图1那样先形成抗蚀剂1。其次如图2那样用氯化铁溶液腐蚀铜箔2，下一步如图3那样用强碱腐蚀聚酰亚胺薄膜3，从而形成贯通孔5。
如图4那样将把杂质极少的银粒子均匀混合在附加型液体状的硅酮树脂中形成的导电性硅酮树脂6用刮刀法充填到上述薄膜的贯通孔中。除去残留于表面的导电性硅酮树脂，将该膜在85℃的加热炉中保持30分钟，这样在贯通孔5中就形成了弹性体的导电物。
用砂纸等轻缓地研磨该薄膜的两面，其次在氯化铁溶液中进行浸渍，如图5那样用腐蚀方法溶解薄膜两面的铜层2，这样就在整个薄膜上形成了弹性体的导电性凸点4。
将该薄膜以边长为20mm的正方形的形状切断开，如图13那样插入到边长为20mm的正方形的半导体元件10与安装它的基板13之间，在元件10的上面以2Kg／cm3的载荷作用一个压紧力，这样来做成电连接的安装结构。半导体元件10的电极9的直径是200μm，在正方形的各边上每边以3列锯齿形方式排列114个元素，合计形成456个电极，对于其导电接合性能进行了评价。如让该直径为200μm的电极9与凸点直径为50μm、凸点间距为100μm的各向异性导电膜8进行连接，则如图10的那样，在1个焊接区上最低接合7个凸点4。
对于上述基板电路的456个焊接区的连接电阻用毫欧计以4端方法进行测定的电阻值最大是35mΩ，最小是12mΩ，平均是16mΩ。此外，接触不良的焊接区连一个也没有。而且，邻接电极间因短路产生的缺陷一个也没有发现，这说明绝缘性能是很好的。
将在实施例1中形成了的、带有弹性体凸点的聚酰亚胺薄膜以边长为20mm的正方形的形状进行切断分离，在(株)高纯度化学社制造的表面活性化处理剂中浸渍1分钟，形成如图6所示的那样的0．3μm的镀金层7。安装与实施例1同样的半导体元件10，用同样的方法测定了电极间的连接电阻。
该测定结果是：电阻值最大15mΩ，最小8mΩ，平均10．5mΩ。而且，连接不良的焊接区连一个也没有。而且，所有的邻接电极间的绝缘性能都是良好的。
在实施例1的各向异性导电膜的制造工序中在对两面覆盖铜层的薄膜开了孔后，在孔的内侧如图7那样进行通孔电镀，如图8至图9所示的那样在导电性硅酮树脂6的侧面形成了具有镀金层7的凸点14。将该薄膜与实施例1完全同样地与半导体元件10一起进行安装并测定了电极间的连接电阻。
该测定结果是：电阻值最大13mΩ，最小4mΩ，平均8．5mΩ。而且，连接不良的焊接区连一个也没有。而且，所有的邻接电极间的绝缘性能都是良好的。
在实施例1中制成的边长为20mm的正方形的、带有导电性弹性体凸点的各向异性导电膜8的中心开一个边长为10mm的正方形的孔，如图12所示的那样在安装半导体元件时于连接面的中心10mm的四方粘结热压粘结片12并在180℃下对它边进行加热边进行热压粘结。在这种连接法的场合，不需要如实施例1～3那样的对半导体元件进行加压的装置，安装面积与半导体元件本身的面积是相等的。此外，在连接不良的场合，可以边加热边将元件取下，因为在电极9处的导电连接部没有附着粘结剂，故修复性是很好的。
如测定热压粘结后的连接电阻，电阻值最大30mΩ，最小17mΩ，平均22mΩ。而且，连接不良的焊接区连一个也没有。而且所有的邻接电极间的绝缘性能都是良好的。
比较例
将市场上出售的热压粘结型各向异性导电膜以边长为20mm的正方形的形状切断分离开，在实施例1中已叙述过的基板上安装半导体元件，在温度为140℃，压紧力为20Kg／cm3的条件下将半导体元件接合到基板上。其后如与实施例1同样地对基板和元件电极间的连接电阻进行测定，则电阻值最大980mΩ，最小820mΩ，平均915mΩ。而且，连接不良的焊接区连一个也没有。再有，所有的邻接电极间的绝缘性能都是良好的。
此外，如将连接了半导体元件的该电极焊接区切开并观察其截面，则如图11所示的那样在电极间只不过很少的粒子11进行着导电连接。
用本发明得到的各向异性导电膜中以凸点形状形成以一定尺寸突出于电绝缘性薄膜的表面的、具有弹性的导电性弹性体。因此，即使在低的接合压力下连接电阻也很小，由于导电性弹性体能以糊剂状的方式来使用，故可把凸点加工成微细的形状。此外，通过对凸点表面和薄膜的孔侧面进行无电解电镀，可做成接触电阻更低的、即连接电阻更低的连接器。
把这种薄膜状的连接器插入到电极间，如果作用一个压紧力则可得到稳定的连接电阻。此外，没有在使用焊锡时那种对加热和焊剂的不良影响的担心，因为是通过加压连接来达到电接触，因此可以自由地进行安装和拆卸。因而，在集成电路等的微细的半导体组件与基板、FPC和TAB与基板等的导电连接方面，使高密度(fine pitch)的多点连接和具有修复性功能的连接成为可能，这样就能实现高密度安装电路基板。

Claims (3)

1．一种各向异性导电膜，其特征在于：
具有在两表面间形成了多个贯通孔、厚度一定的电绝缘性薄膜；以及
多个充填在该电绝缘性薄膜的上述贯通孔内、同时以一定尺寸突出于上电绝缘性薄膜的两表面的导电性弹性体。
2．一种各向异性导电膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在厚度一定的绝缘性薄膜两面覆盖可以进行蚀刻的箔；
在覆盖了上述箔的上述电绝缘性薄膜的两表面间形成多个贯通孔；
用导电性弹性体充填该贯通孔；
通过蚀刻除去上述覆盖箔从而形成各向异性导电膜。
3．一种使用薄膜状各向异性导电膜的连接器，其特征在于：
具有在两表面间形成了多个贯通孔、厚度一定的电绝缘性薄膜；以及
多个填在该电绝缘性薄膜的上述贯通孔内、同时以一定尺寸突出于上述电绝缘性薄膜两面的导电性弹性体；
将上述连接器插入具有多个电极的半导体元件与形成了连接焊接区的衬底之间，并加以压紧，从而达到两者间的相互连接。
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