DE2931633A1 - Leitfaehige klebstoffzusammensetzung und deren anwendung - Google Patents
Leitfaehige klebstoffzusammensetzung und deren anwendungInfo
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Leitfähige Klebstoffzusammensetzung
- und deren Anwendung
Besenreibung:
Diese Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Klebstoff syst em sowie elektrische Vorrichtungen mit diesem
Klebstoffsystem. ;
In den letzten Jahren hat die Anwendung elektrischleitender
Klebstoffe zum Anbringen kleiner Helbleiterkompönenten an
Substraten zunehmende Anwendung gefunden, da diese Art der
Anbringung eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem üblichen
München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser OipU-Phys; Dr. rer. nat. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat.
Wiesbaden: P.G Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
Ö30009/074S
-4V 2931631
Anbringen über Silicium-Gold-Eutektika bringt. Dementsprechend
richtet sich das Interesse der Fachleute auf die Entwicklung von leitfähigen Klebstoffsystemen, die
mit den Bauelementmaterialien und Verbindungen verträglich sind. Obwohl bereits verschiedene dieser Systeme handelsüblich
zugänglich sind, ist der Bereich der verwertbaren Eigenschaften etwas beschränkt, so daß die Forschungsanstrengungen
fortgesetzt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine leitfähige Klebstoff zusammensetzung bereitgestellt, die durch einen Gehalt
an epoxidiertem Novolakharz, einem Imidazolharnstoff und leitfähigem Material gekennzeichnet ist. v--~: ;."
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
ein neues Klebstoffsystem vorgesehen, das im Hinblick auf - \-
elektrische Eigenschaften und die Handhabbarkeit den z.Zt. handelsüblich verfügbaren Klebstoffsystemen äquivalent ist,
das jedoch hinsichtlich seiner thermischen Beständigkeit überlegen ist. Kurz gesprochen stellt dieses System ein Gemisch der nachfolgenden Komponenten dar:
a) ein polyfunktioneller Phenylglycidylather,
b) ein reaktionsfähiges Viskositätsverringerungsiiiittel,
c) eine leitfähige Komponente,
d) ein Aushärtemittel, und -■-.""
e) ein die Leitfähigkeit steigerndes Kittel. 1/2 - :-" Λ/
030009/0749
Die dabei_ erhaltene, zum Preß- oder Druckbonden geeignete
Klebstoffzusammensetzung weist eine Reihe von Eigenschaften auf, welche die Anforderungen der Praxis erfüllen, die bei
diskreten Bauelementen und integrierten Schaltungen gestellt werden. -
Nachfolgend soll die Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme
auf eine Figur erläutert werden; diese zeigt in einer Draufsicht die Schnittdarstellung eines Bauelementes, bei welchem
eine Ausführungsform-des Klebstoffsysteias verwendet wird.
Nachfolgend sollen die verwendeten Materialien und das Verfahren
zur-Herstellung des Klebstoffsystems angegeben werden.
Wie bereits ausgeführt, gehört zu dem verwendeten Klebstoff-system
ein Gemisch aus einem polyfunktionellen Epoxid, einem
reaktionsfähigen Vxskositätsverringerungsmittel, einer leitfähigen -Komponente, einem .Aushärt emitter und einem die Leitfähigkeit steigernden Mittel. Das polyfunktionelle Epoxid
kann aus den Phenylglycidyläthern ausgewählt werden, die zumeist als epoxidierte (als Phenylglycidyläther) "Novolak-Harze"
bezeichnet werden. Diese Phenylglycidyläther,können als solche oder in Kombination mit Resorcinoldiglycidyläther vorliegen.
Die epoxidierten Novolak-Harze sind durch ein mittleres
gewichtsmäßiges Molekulargewicht von 325 bis 3500 relativ
zu dem Polystyrolstandard (bei der Gelpermeationschromatographie) und durch zumindest zwei Arylkomponenten
pro Molekül gekennzeichnet, wobei der Arylkern „jeder Kompo-
030009/0749
nente 6 bis 10 Kohlenstoffatome aufweist.
Es ist festgestellt worden, daß diese Harze die beste Kombination von Reaktionsfähigkeit und Gesamtbeständigkeit am
fertigen Polymer ergeben. Eine besonders zweckmäßige Verbindung für diesen Zweck ist mit der nachfolgenden Strukturformel
angegeben;
0-CH2-CH-CH2
0-CH2-CH-CH2
rnittl.
hierbei handelt es sich um ein Material, das sowohl in chemischer wie thermischer Hinsicht beständig ist.
Die ausgewählten epoxidierten Novolak-Harze sollen eine mitt-/
lere Funktionalität von 2,0 bis 4,0 Epoxygruppen pro Molekül
aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß Harze mit einer mittleren Funktionalität kleiner als 2,0 eine unbefriedigend geringe
Vernetzung ergeben, während eine mittlere Funktionalität größer als 4 zu Materialien mit zu hoher Viskosität führt.
Die polymerisieren Harze weisen eine hohe Glasübergangstemperatur und nach der Aushärtung entsprechend dem nachfolgend
angegebenen Verfahren eine optimale thermische Beständigkeit
auf, woraus sich die Anwendung dieser Harze in dem beschriebenen System ergibt.
30009/0749
Der Resorcinoldiglycidyläther wird als zusätzlicher Reaktionspartner
mit dem Novolak verwendet und im Hinblick auf
seine hohe Reaktivität und hohe Konzentration der Epoxygruppen ausgewählt. Darüberhinaus verringert diese_Verbindung
den Vert der Glasübergangstemperatur nicht merklich,
noch beeinträchtigt diese Verbindung die thermische Beständigkeit des ausgehärteten Gemisches; dagegen fördert diese
Verbindung die Verringerung der Viskosität des nicht-ausgehärteten
Gemisches.
Das reaktionsfähige Viskositätsverringerungsmittel wird aus mono- oder difunktionellenaliphatischen Diglycidyläthern
ausgewählt. Zu typischen, für diesen Zweck geeigneten Materialien gehören die Diglycidyläther von Butandiol. Diese_
Materialien weisen geringe Viskosität und hohe Reaktionsfähigkeit auf. Der Anteil an reaktionsfähigem Viskositätsverringerungsmittel
soll 0 bis 100 Gew.-Teile, bezogen auf 100 Gew.-Teile epoxidierter Novolak betragen.
Die bei diesen Ausführungsformen verwendeten Aushärtemittel sind Imidazolharnstoffe. Obwohl bislang verschiedene
Imidazole als Aushärtemittel für Epoxyharze eingesetzt worden sind, haben Untersuchungen ergeben, daß die bekannten Materialien
füi? die hier angestrebten Zwecke nicht zufriedenstellend sind, nämlich wegen ihrer Reaktionsfähigkeit, die
zu einem kurzen Potlife führt; unter Potlife wird'die
Zeit verstanden, in der Zwei- oder Mehrkomponentensysteme
; 030009/0749
verarbeitungsfähig bleiben, ohne daß Verdickung eintritt. Die Anstrengungen zur Überwindung dieser Begrenzungen haben
sich anfänglich darauf konzentriert, elektronenabziehende Substituenten in die Imidazole einzubauen, um deren katalytische
Aktivität zu verringern. Leider hat sich dieser Versuch nicht als zufriedenstellend erwiesen; vielmehr sind
typischerweise Aushärtemittel erhalten worden, die eine größere oder kleinere Aktivität aufwiesen, als angestrebt
wurde. Dementsprechend hat sich das Interesse darauf konzentriert, solche Imidazole zu verwenden,die durch Anwesenheit
einer blockierenden Gruppe am 1-Stickstoffatom unreaktiv gemacht worden sind; die blockierende Gruppe soll nachfolgend
durch eine chemische Reaktion im Verlauf des Aushärtevorganges entfernt werden, um die volle Aktivität des Imidazols
wieder herzustellen.
Für diesen Zweck haben sich Verbindungen der nachstehenden allgemeinen Formel als zweckmäßig erwiesen:
1 -
wobei R-. für einen Wasserstoff-,-"einen Phenyl- oder einen
Alkoxyphenylrest mit Cx,- bis Cg-Alkoxykette steht;
V 030009/0749
R2 und B/ für einen C^- bis Cg-Alkylrest, einen Phenylrest
oder den Wasserstoffrest stehen; und y für eine cyclische Gruppe der Formel -(CH2)^ oder
oder -0(CH2)^ oder zwei Alkylgruppen (R )2 steht, wobei
R seinerseits für einen C^-bis C^-Alkylrest steht.
Das Aushärtemittel kann zweckmäßigerweise durch Umsetzung
eines Imidazoles mit einem Garbamoylchlorid in Anwesenheit
von tertiärem Amin hergestellt werden. Zum Beispiel kann . ._
1-(N,N-dimethylcarbamoyl)-4-phenylimidazöl (eine für diesen Zweck bevorzugte Verbindung) durch Umsetzung von 4-Phenylimidazol
mit Dimethylcarbamoylchrorid in Anwesenheit von
-Triäthylamin hergestellt werden. Das als Katalysator dienende Aushärtemittel wird in einem .Anteil von 0,03 his
0,1 Mol auf 1 Mol Epoxygruppen angewandt. -.-."_"
Nachfolgend wird ein typisches Verfahren zur Herstellung
von/1-CN,N-Dimethylcarbamoyl)-4-phenylimidazol angegeben:
Eine Lösung aus 14,4 g 4-Phenylimidazol, 12 g Dimethylcarbamoylchlorid
und 18 g Triäthylamin in 25 ml Tetra- ;
hydrofuran wird 18 h lang am Rückfluß gekocht. Der Hauptanteil
an flüchtigen Komponenten wird daraufhin im Rotationsverdampfer
entfernt, dessen Kühlfalle ausreichend viel Wasser enthält, um jegliches kondensierte Carbamoylchlor-idzu
zersetzen. Der Rückstand wird daraufhin in Chloroform gelöst, mit Wasser extrahiert und über Natriumsulfat
getrocknet. Die Kristallisation aus Chloroformäther
030009/0749 "V5-
- ORIGINAL INSPECTED
2831633
ergibt 18 g farblosen leststoff (was einer Ausbeute von
80% entspricht) mit einem Schmelzpunkt von 144,9 bis 145,3°C
(corr.). Im IR-Spektrum dieser Verbindung tritt bei 1700 cm
eine bedeutsame Absorption auf.
Analysenwerte für C^H^N^O:
Analysenwerte für C^H^N^O:
CBer; 66,97
CGef: 66,98, 66,79;
HBer; 6,09
HGef: 6,15, 6,10;
NBer: ^^
NGef: 19,43, 19,23.
Die Klebstoffzusammensetzung enthält weiterhin leitfähige
Komponenten, typischerweise in der Form von Metallpulvern oder rietallflocken mit einer max. Teilchengröße im Bereich
von 0,5 his 50 lim. Der Anteil dieser Komponente des Systems
beträgt typischerweise 25 bis 85 Gew.-%, bezogen auf das
Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
Wahlweise kann ein die Leitfähigkeit erhöhender und den spez. Widerstand verringernder Zusatz vorgesehen werden. Zu geeigneten
Materialien für diesen Zweck gehören Polyäthylenglykol, Lösungsmittel wie etwa Diäthylenglykolmonobutyläther
und deren Ester. Der Anteil an diesem die Leitfähig-
030009/0749 ,_„Ten
ORIGINAL INSPECTED
2831633
keit erhöhenden Zusatz soll 0 "bis 10 Gew.-%, bezogen auf
das Gewicht des Harzsystems, "betragen.
Die Herstellung der Klebstoffzusammensetzung erfolgt durch_
Vermischen des epoxidierten Novolakharzes mit dem Resorcinoldiglycidylather,
einem Viskositätsverringerungsmittel und einem die Leitfähigkeit steigernden Zusatz in den erforderlichen
Anteilen. Anschließend wird dem in einem Gefäß befindlichen
Harzgemisch das Aushärtemittel zugesetzt, das Gefäß geschlossen und sofern erforderlich, auf eine Temperatur
von angenähert 6Ö°C erwärmt; die Erwärmung kann beispielsweise
durch Eintauchen des Gefäßes in heißes Wasser erfolgen. Das Aushärtemittel wird durch gelegentliches Umrühren
gelöst. Um eine unerwünschte Beschleunigung der Harzaushärtung zu vermeiden, wird die.Dauer dieser Erwärmungsstiife
auf max. 1 h beschränkt.
Anschließend wird die leitfähige Komponente des Klebstoffes zugesetzt. Dies kann durch irgendeinen üblichen mechanischen
Mischvorgang erreicht werden. Nach dem Vermischen wird das Material bei' Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes aufbewahrt,
bis es für die Anwendung vorgesehen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Material aus dem Gefrierschrank entfernt
und vor seiner Anwendung auf Raumtemperatur gebracht. Die "
Aushärtung des Klebstoffsystems erfolgt durch Erwärmung auf
eine Temperatur im Bereich von 14-0 bis 2000C für eine Zeitspanne
von 5 bis 60 min.
5/6 030009/0749
ÜS3T633.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken.
In der Masse wurde aus den nachfolgenden Komponenten ein Harzgemisch hergestellt:
a) 50 Gew.-Teile Resorcinoldiglycidyläther mit
einer Viskosität von 3OO bis 5OO cP bei 25°C und
einem Epoxyaquivalentgewicht von angenähert 127;
b) 100 Gew.-Teile Epoxy-Novolakharz mit im Mittel 3,6 Epoxygruppen pro Molekül, einer Viskosität von
20 000 bis 50 000 cP bei 500C und einem Epoxyaquivalentgewicht
im Bereich von 176 "bis 181;
c) 20 Gew.-Teile Butandioldiglycidylather;
d) 2 Gew.-Teile Polyäthylenglykol (mit einem Molekulargewicht
von angenähert 200); und
e) 0,0275 Mol 1-Dimethylcarbamoyl-4~phenylimidazol
auf jeweils 100 g Harzmischung.
Diesem Gemisch wurden Silberflocken mit einem Oberflächenbereich von 0,75 bis 1,35 m'Vg mit einem Anteil von max.
0,02% Chlorid und mit maximaler Teilchengröße von 0,5 bis
ungefähr 5 /im zugesetzt. Das fertige Produkt besteht aus;
030009Λ07*9 C0PY
: " 13 " 2831633
28 Gew.~% Harzmischung und 72 Gew.-% Silberflocken.
Ein Anteil des so hergestellten Klebstoffes wurde sandwichartig zwischen zwei lolien (7 x 7 cm) aus fluoriertem Äthylen--Propylen-Polymer
eingebracht. Das "erhaltene Laminat wurde anschließend_ zwischen zwei Bögen aus Bristol-Karton eingebracht
und die Klebstoffschicht zu einer Filmdicke kleiner als 1 mm ausgearbeitet. Das Laminat wurde daraufhin auf einer
vorgeheizten Aluminiumplatte angeordnet und 33 min lang in
einem zirkulierenden Ofen bei 175°C gehalten. . . " ■ .."
Daraufhin wurde die Probe"aus-dem Ofen entfernt; nach Abkühlung
zog man die Folien von dem Klebstoffilm ab. In den
Film wurde daraufhin mittels einer Rasierklinge ein Kreuzmuster geritzt, und der EiIm von Hand in einzelne entsprechende
Stücke zerbrochen. Die thermische Beständigkeit des ausgehärteten Materials wurde mittels thermogravimetrischer
Analyse an diesen Stücken bestimmt.
Zur Bestimmung des spez. elektrischen Widerstandes wurden
streifenförmige Proben benutzt. Hierzu wurde ein Objektträger verwendet, an dem mittels Klebstoff zwei Kupferflecken
im Abstand von-2,5 cm zueinander angebracht waren. Druckempfindliches Klebeband wurde in Längsrichtung über
die ilecken von einem Ende zum anderen Ende des Objektträgers
gelegt/Daraufhin wurden mit einer Rasierklinge in Abstand von 2,5 nim zueinander zwei Schnitte in Längsrichtung
des Bandes über die Flecken hinweg von einem Ende zum anderer;
7/ 030009/0749
- 14 - 2831633
erzeugt; daraufhin wurde der Außenabschnitt des auf diese Weise geschnittenen Bandes abgezogen. In die auf diese Weise
gebildete öffnung wurde der leitfähige Klebstoff mittels der Kante des Objektträgers hineingedrückt, so daß die
Klebstoffoberfläche mit der Oberseite des verbleibenden Bandes fluchtete; das verbleibende Band wurde daraufhin
abgezogen. Der verbleibende Klebstoffstreifen überbrückt
die beiden Kupferflecken und ist nach der Aushärtung 2,5 mm
breit und angenähert 0,038 bis 0,046 mm dick. Der elektrische Widerstand wurde aus dem Spannungsabfall über dem Streifen
bei einem Strom von 100 mA berechnet (hierzu diente ein Keithley 160B Digital Multimeter und eine Keithley
Konstant-Stromquelle). Die Glasübergangstemperatur T einer
wie oben beschrieben frisch hergestellten, ausgehärteten
Probe und die spez. widerstände der ausgehärteten Proben als Funktion der Alterung von unausgehärtetem Mate? ial bei
Raumtemperatur sind nachfolgend in Tabelle 1 angegeben.
T a b e 1 1 e 1
Τ (0G) spez.Widerstand ρ (Ohm-cm) (als Mittel aus 2 Proben)
84 _ anfänglich 1,09 χ 10"^
25 h ET 1,51 χ 10~4
97 h RT 1,30 χ 1(T4
117 h RT 1,68 χ 1O~4
145 h RT 2,44 χ 10~4
169 h ET 2,35 χ 1O~4 262 h RT ■;_■■ 2,02 χ 1O~4
362 h RT - 4,70 χ 10~5
7/8 - ■ ·
03 0009/0 74 9
"; -■?-■:':■ "283-1633
Die von diesem Material erhaltenen TGA-Temperaturwerte
wurden mit solchen eines handelsüblichen Klebstoffes
(AbIebond 36-2) verglichen und erwiesen sich gegenüber dem letzteren als deutlich überlegen.
Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 1 wiederholt; abweichend unterblieb der Zusatz von Resorcinoldiglycidyläther
und es wurden 4-0 Gew.-Teile Butandioldiglycidyläther
verwendet.
Die Glasübergangstemperatur T der frisch hergestellten, aus-
gehärteten Probe sowie die spez.-Widerstände der ausgehärteten Probe als Funktion der Alterung von unausgehärtetem Material
bei Raumtemperatur sind nachfolgend in Tabelle 2 angegeben.
T (0C) spez-.Widerstand ρ (Ohm-cm) (als Mittel aus
- g - Proben)
75 anfänglich 1,30 χ 10~4
;"--.-"- 25 h RT 1,43x10"4
52 h JRT 1,34 χ 10"4
74 h RT 1,18 χ 10~4
. 100 h RT 1,72 x 10"4
173 h RT 1,18 χ 10"4
270 h RT 2,77 χ ΙΟ"4
" 509 h RT 6,26 c 10"2
8/ ' V
030009/0749
Dieses Material weist gute Beständigkeit bei Raumtemperatur auf und lediglich geringe Änderungen des spez. Widerstandes
bei zunehmender Alterung.
Mit der einzigen Figur ist eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher die beschriebene Klebstoffzusammensetzung verwendet
ist. Mit der Figur ist eine elektrisch geschaltete Vorrichtung 11 mit einem Halbleiterchip 12 dargestellt, der
über den beschriebenen Klebstoff 13 an elektrische Leitungen
14 und 15 angeschlossen ist. Der Leiter 14 ist weiterhin an
einen leitfähigen Anschluß 16 angeschlossen, der seinerseits mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle verbunden ist;
der positive Pol dieser Gleichstromquelle ist mit dem Leiter
15 verbunden. Eine geeignete elektrochrome Vorrichtung kann
dadurch erhalten werden, daß der, Halbleiterchip 12 mit Linsen 16 verkittet wird und ein reflektierender Träger 17 für
die Vorrichtung vorgesehen wird. \ ;
Für Fachleute ist ersichtlich, daß der beschriebene Klebstoff in verschiedenen Vorrichtungen verwendet werden kann,
wo die Anbringung bzw. das Bonden von Komponenten erforderlich ist. Zu typischen Vorrichtungen gehören lichtemittierende
Moden, optische Isolatoren, integrierte Schaltungen, diskrete Transistoren und dgl.
r/ _ 030 0 09/074 9
Claims (6)
1. .-Lieitfähige Klebstoff zusammensetzung,
gekennzeichnet durch "-_ _._ einen Gehalt an ... epoxidiert em Novolakhärz,
Imidazolharnstoff und leitfähigem Material. -
10/ -
nchen: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Wi ssbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing.
3 0009/07A9
München: R. Kramer Dipl.-Ing, · W. Weser Oipl.-Phys. Or. rer. nal. · H.P.Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat.
Wiesbaden: P. G. Blumbach Dip!.-tng. . P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Imidazolharnstoff 1-(N,N-Dimethylcarbamoyl)-4--phenylimidazol
ist.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich ein reaktionsfähiges Viskositätsverringerungsmittel vorhanden ist.
4. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zusammensetzung Resorcinoldiglydidyläther und Butandioldiglycidyläther
enthält.
5. Mektrische Vorrichtung mit einem Substrat mit ersten
und zweiten leii^fähigen; Bahnen,; . -.- --.. -\
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite leitfähige Bahn ein Material einer Zusammensetzung der Patentansprüche 1 bis 4 enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
zu der Vorrichtung eine lichtemittierende Diode, ein
Transistor oder eine integrierte Schaltung gehören;_und
diese Bauteile an die-erste leitfähige Bahn angeschlossen
sind. - " " ■. ---"" ■■""_
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