DE2931634A1 - Verfahren zum bonden von schaltungen und deren elementen mittels leitfaehigem epoxykleber - Google Patents

Verfahren zum bonden von schaltungen und deren elementen mittels leitfaehigem epoxykleber

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DE2931634A1
DE2931634A1 DE19792931634 DE2931634A DE2931634A1 DE 2931634 A1 DE2931634 A1 DE 2931634A1 DE 19792931634 DE19792931634 DE 19792931634 DE 2931634 A DE2931634 A DE 2931634A DE 2931634 A1 DE2931634 A1 DE 2931634A1
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DE
Germany
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conductivity
dipl
bonding
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conductive epoxy
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Withdrawn
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DE19792931634
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Andrew J Lovinger
Louis Haughton Sharpe
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AT&T Corp
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Western Electric Co Inc
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Description

BLUMBACH «"WESER ♦ BEROEN ..KRAMER ZWIRNER-BREHiVl
PATENTANWÄLTE INMÜNCHEN UNO WIESBADEN 2931 Q4h
Patentcönsult Radeckestraße 43 8000 München60 Telefon (089)883603/583604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Tefefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
Western Electric Company, Incorporated Lovinger, 1-
222 Broadway, New York, N.Y. 10038,
U. S. A.
Verfahren zum Bonden von Schaltungen und derön Elementen mittels leitfähigem Epoxykleber
Beschreibung:
Diese Erfindung betrifft elektrisch leitende Epoxyklebersysteme sowie elektrische Vorrichtungen und Verfahren, bei denen diese Systeme angewandt sind. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein elektrisch leitendes Epoxyklebersystem mit einem die Leitfähigkeit erhöhenden Mittel.
In den letzten Jahren hat sich die Anwendung von metallgefüllten, wärmehärtbaren Polymeren als elektrisch leitende Kleber erheblich
1/ München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipt.-Phys. Dr. rer. nat. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat.
Wiesbaden: P. G. Biumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. -G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.^lng.
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ausgeweitet und damit zu einem teilweisen Ersatz üblicher Maßnahmen wie dem Bonden mittels Eutektika oder Thermokompressionsverfahren geführt; elektrisch leitende Klebstoffe werden insbesondere bei miniaturisierten Bauelementen, wie etwa Licht emittierenden Dioden und integrierten Schaltungen angewandt.
Typischerweise stellen diese wärmehärtbaren Polymere ein Gemisch aus einem Epoxyharz und einer leitfähigen Komponente wie etwa Silberflocken, Kupfer und dergleichen, zusammen mit geeigneten Aushärtemitteln, Verdünnern und dergleichen dar. In einem frühen Stadium der Entwicklung dieser Klebersysteme haben Fachleute festgestellt, daß es zur Erzielung maximaler Leitfähigkeit innerhalb des Systems erforderlich war, die Dispersion der leitfähigen Komponente innerhalb der Epoxymatrix zu erhöhen. Dieses Ziel wurde üblicherweise durch Überziehen mit einer Dünnschicht aus organischem Material erreicht. Typische Materialien für diesen Zweck sind Fettsäuren und deren Verbindungen. Diese Überzugsschichten haben sich als höchst wirksam zur Erhöhung der Verteilung der leitfähigen Komponente in dem flüssigen Epoxyharzsystem erwiesen; weiterhin haben diese Komponenten die Dispersion häufig isolierend gemacht, bevor sie auf die erhöhten Temperaturen zur Aushärtung gebracht wurde. Dementsprechend war es erforderlich, daß in einer nachfolgenden Behandlungsstufe diese Schichten wieder abgestreift wurden, um die angestrebte Leitfähigkeit zu erreichen. Dies erfolgt zumeist durch Zuführung der Wärme, die bei dem bei erhöhten Temperaturen erfolgenden Aushärtezyklus auftritt. Die bestimmten Temperaturbereiche hängen von den benutzten Materialien ab. Obwohl sich
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diese älteren, elektrisch leitfähigen Klebersysteme als zufriedenstellend erwiesen haben, sind die Entwicklungsarbeiten fortgesetzt worden, um solche Systeme aufzufinden, die erhöhte Leitfähigkeit aufweisen und bei tieferen Aushärtetemperaturen diejenigen Leitfähigkeitswerte ergeben, die mit denen der bekannten Systeme vergleichbar sind.
Dementsprechend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bonden eines Schaltungselementes oder einer Schaltung mittels eines elektrisch leitenden Epoxymaterials an ein(e) andere(s) oder an einen Träger angegeben; nach diesem Verfahren ist vorgesehen, das nicht-ausgehärtete, elektrisch leitende Epoxymaterial auf zumindest einer Oberfläche aufzubringen, die zu bondenden Oberflächen zusammenzubringen und das elektrisch leitende Epoxymaterial auszuhärten. Die Besonderheit der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das zum Bonden benutzte Material ein Epoxyharz, eine leitfähige Komponente und ein die Leitfähigkeit erhöhendes Mittel enthält; dieses die Leitfähigkeit erhöhende Mittel ist eine Verbindung der nachstehenden allgemeinen Formel
HOCH2
R0- 0 — R3 CH2OH
R2 R5
mit einem Molekulargewicht kleiner als 500, wobei Rq und R- für gleiche oder verschiedene C,- bis Cc-Alkylgruppen stehen,
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R,/ Ry, R, und R5 für gleiche oder verschiedene C,- bis
Cc-Alkylgruppen oder Wasserstoff stehen, und η einen Wert von 1 bis 10 hat;
oder eine Verbindung der nachstehenden allgemeinen Formel
R6-(OR7J2-OR8
wobei R/ und R^ für C,- bis Cc-Alkylgruppen stehen,
R8 für Wasserstoff oder den ReSt-OCR9 steht, wobei seinerseits R„ für eine C,- bis C^-Alkylgruppe steht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden obige Aufgaben durch die Anwendung eines neuen, die Leitfähigkeit erhöhenden Mittels gelöst, das ein Äther mit endständiger Hydroxylgruppe oder deren Ester ist. Die für die Anwendung vorgesehenen Äther sind Verbindungen der nachstehenden Formel
Rl
HOGH2
ι;
R0 —— 0 R3
R2 R,
wobei Rq und R, für gleiche oder verschiedene C,- bis Cc-Alkylgruppen stehen;
R,, R2, Ri und Rr für C,- bis Cc-Alkylgruppen oder Wasserstoff stehen; die zuletzt genannten Gruppen können sämtlich gleich, teilweise gleich oder verschieden sein, wie das angestrebt wird.
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η hat einen Wert im Bereich von 1 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10,
Das, die Leitfähigkeit erhöhende Mittel kann alternativ aus Verbindungen der nachfolgenden allgemeinen Formel
ausgewählt werden,
wobei R, und R7 für gleiche oder verschiedene C,- bis Ccgruppen stehen und
R8 für Wasserstoff oder den ReSt-OCR9 steht, wobei Rq seinerseits für C,- bis Cc-Alkylgruppen steht.
Der Wert für η ergibt sich durch die Beschränkung des Molekulargewichtes des Äthers auf einen Wert kleiner als 500, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 140 und 500. Diese Beschränkung ergibt sich aus praktischen Erwägungen im Hinblick auf die Löslichkeit. Als besonders geeignete Verbindungen für diesen Zweck haben sich die Äthylenglykolmonobutyläther (C4H9(OCH2CH2)20H); Diäthylenglykolmonoäthylätheracetat (CH3COO(CH2CH2O)2C2H5); Polyäthylenglykole (HOCH2(CH2OCH2InCH2OH) und dergleichen erwiesen.
Die in diesen Klebersystemen Verwendeten Epoxyharze sind vorzugsweise Epoxy-Novolakharze, Bisphenol A-Epichlorhydrin-Harze, cycloaliphatische Epoxyverbindungen und dergleichen. Die Auswahl des speziellen Epoxyharzes ist nicht bedeutsam, solange dieses mit den ausgewählten Äthern verträglich ist.
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Zur Herstellung des Klebersystems wird das Epoxyharz anfänglich mit einem reaktionsfähigen Viskositätsverringerungsmittel und mit einem Aushärtemittel vermischt; geeignete Verbindungen dieser Art sind bekannt. Anschließend wird das angegebene, die Leitfähigkeit erhöhende Mittel dem Harzsystem zugesetzt in einem Anteil, der (bezogen auf das Gesamtharzgewicht) vorzugsweise O7I bis 10 Gew.-% ausmacht. Diese Beschränkungen ergeben sich aus praktischen Erwägungen. Das heißt, die Anwendung des, die Leitfähigkeit erhöhenden Mittels in einem über diesen Maximalwert hinausgehenden Anteil beeinträchtigt die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Systems, während unterhalb des Mindestwertes liegende Anteile unerwünschte Ergebnisse bringen. Daraufhin wird die leitfähige Komponente, typischerweise in Form von Metallpulver oder Metallflocken mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 50 pm dem Epoxyharz in einem Anteil von 25 bis 85 Gew.-% (bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials) zugesetzt. Die nachfolgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken.
Beispiel 1:
Aus den nachstehenden Komponenten wurde ein Epoxyharzklebersystem hergestellt:
a) 31 Gew.-% Epoxynovolakharz mit im Mittel 3,6 Epoxygruppen pro Molekül, einer Viskosität von 20.000 bis 50.000 cP bei 50 C und einem Epoxyäquivalentgewicht von 176 bis 181;
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b) 44 Gew.-% Resorcinoldiglycidyläther mit einer Viskosität von 300 bis 500 cP bei 25 C und einem Epoxyäquivaleritgewicht von angenähert 127;
c) 12,5 Gevi.-% Tetraglycidyläther von Tetraphehyläthan;
d) 12,5 Gew.-% Butandioldiglycidyläther;
e) auf 100 g Harz 0,0275 Mol i-Dimethylcarbamoyl-4-phenylimidazol, und
f) 1,4 Gew.-% Äther mit endständiger Hydroxygruppe, nämlich HOGH2 (CH2OCH2 )nQ,3CH2OH.
Diesem Gemisch wurden Silberflocken mit einem Oberflächenbereich von 0,75 bis 1,35 m /g (mit einem maximalen Chloridgehalt von 0,02 %) und einer maximalen Teilchengröße von 0,5 bis ungefähr 5 pm zugesetzt. Daraufhin wurde der spez. elektrische Widerstand an einer streifenförmigen Probe bestimmt. Hierzu wurde ein Objektträger mit zwei im Abstand von 25 mm zueinander angeordneten, mit*· tels Klebstoff gebondeten Kupferflecken verwendet. Von einem Ende zum anderen Ende des Objektträgers in Längsrichtung über die Flekken hinweg wurde ein druckempfindliches Klebeband aufgelegt. Mittels einer Rasierklinge wurden zwei 2,5 mm voneinander entfernte Längsschnitte in das Klebeband über die Flecken hinweg von einem Ende zum anderen Ende des Objektträgers durchgeführt und der dazwischen liegende Abschnitt des Bandes abgezogen. Daraufhin wurde mittels der Kante eines weiteren Objektträgers der leitfähige
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4,5
"■-.■--- 12 -
Kleber in diese Öffnung hineingedrückt, so daß die Kleberoberseite mit der Klebebandoberfläche fluchtet; daraufhin wurde das restliche Klebeband entfernt. Man erhält danach einen Kleberstreifen, der die beiden Kupferflecke überbrückt, und nach einer 30 min langen Aushärtung bei 175 C 2,5 mm breit und angenähert 0,038 mm dick ist. Der Widerstandswert dieses Streifens wurde aus dem Spannungsabfall über dem Streifen bei einem Strom von 100 mA errechnet (hierzu diente ein Keithley 160B Digital Multimeter und eine Keithley 227-Konstantstromquelle). Der spez. Widerstand P (ohm·cm) als Mittel aus zwei Proben beträgt anfänglich 1,80x10 ohm'cm.
Das beschriebene Verfahren wurde mit der Abweichung wiederholt, daß einmal 2,4 Gew.-% und zum anderen 6,2 Gew.-% Äther mit endständiger Hydroxygruppe zugesetzt wurde. Hierbei wurden spez. Widerstände von 1,43XlO"4" ohm'cm bzw. 1,22x10" ohm-cm erhalten. Zu Vergleichszwecken ist das beschriebene Verfahren ohne die Zugabe von Äther mit endständiger Hydroxygruppe durchgeführt worden; der dabei erhaltene Kleberstreifen weist einen spez. Widerstand von 3,15x10 ohm'cm auf.
Beispiel 2:
Diäthylenglykolmonoäthylätheracetat (CH3COO(CH2CH2O)2C2H5); und Diäthylenglykolmonobutyläther (C4H9(OCH2CH2)20H) wurden in handelsüblich zugängliche leitfähige Epoxyverbindungen (unter der Handelsbezeichnung Ablebond 36-2 vertrieben) eingearbeitet. Diese Materia-
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lien enthalten 70 % Silberflocken. Nach einer 30 min langen Aushärtung bei 175° C beträgt der spez. Widerstand dieser Kleber angenähert 6x10 ohnvcm. Damit sind diese Werte zwischen zwei- und dreimal kleiner als jene, die in Abwesenheit des die Leitfähigkeit erhöhenden Mittels erhalten wurden.
Ersichtlich kann das die Leitfähigkeit erhöhende Mittel als ein die Leitfähigkeit erneuernder Zusatz von leitfähigen Klebersystemen verwendet werden, von denen bekannt ist, daß sie durch längere Aufbewahrung im nicht-ausgehärteten Zustand einen Teil ihrer Leitfähigkeit verlieren.
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Claims (7)

  1. BLUMBAGH VtfESER . BEReEN . KRAMER " ZWIRNER · 3REiHM
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2931634
    Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Pateniconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943^561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
    Western Electric Company, Incorporated Lovinger, 1-6
    Broadway, New York, N.Y. 10038,
    U.S.A.
    Verfahren zum Bonden von Schaltungen und deren Elementen mittels leitfähigem Epoxykleber
    Patentansprüche:
    / 1/^Verfahren zum Bonden eines Schaltungselementes oder einer Schaltung mittels elektrisch leitendem Epoxymaterial an ein(e) andere(s) oder on einen Träger,
    bei dem nicht-ausgehärtetes, elektrisch leitendes Epoxymaterial auf wenigstens einer Oberfläche aufgebracht wird, die zu bondenden Oberflächen zusammengebracht werden, und das elektrisch leitende Epoxymaterial ausgehärtet wird,
    München: R. Kramer Dipl.-lng. · V/. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer.-nal. » H.P.Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-lng. . F. Bergen Dipl.-lng. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-lng. DipI.-W.-tny.
    030009/0750
    dodurch gekennzeichnet, daß
    das zum Bonden benutzte Material ein Epoxyharz, eine leitfähige Komponente und ein die Leitfähigkeit erhöhendes Mittel enthält; und
    dieses, die Leitfähigkeit erhöhende Mittel entweder eine Verbindung der nachstehenden allgemeinen Formel
    Rl R4
    HOCH
    CH0OH
    mit einem Molekulargewicht kleiner als 500 ist,
    wobei R« und R- für gleiche oder verschiedene C,- bis Cc-Alkylgruppen stehen,
    R,, Ry, R, und Rc für gleiche oder verschiedene C,- bis Cc-Alkylgruppen oder. Wasserstoff stehen, =_...__
    und-in einen Wert von 1 bis 10 hat/
    oder eine Verbindung der nachstehenden allgemeinen Formel ist
    wobei R, und R^ für C,- bis Cc-Alkylgruppen stehen,
    R8 für Wasserstoff oder den Rest-OCR? steht, wobei Rq seinerseits für eine C,- bis C^-Alkylgruppe steht.
    030009/0750
    2831634
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Bonden benutzte Material zusätzlich ein Aushärtemittel enthält.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf das Gesamtgewicht des Harzes der Anteil an die Leitfähigkeit erhöhendem Mittel 0,1 bis 10 Gew.-% beträgt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Leitfähigkeit erhöhende Mittel Diäthylenglykolmonoäthylätheracetat ist.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Leitfähigkeit erhöhende Mittel Diäthylenglykolmonobutyläther ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Leitfähigkeit erhöhende Mittel Polyäthylenglykol ist.
  7. 7. Schaltung oder Schaltungselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement oder die Schaltung untereinander oder an
    030009/0750
    . CFiiC^'AL JNSPECTED"
    einen Träger nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 gebondet sind.
    030009/0750
DE19792931634 1978-08-04 1979-08-03 Verfahren zum bonden von schaltungen und deren elementen mittels leitfaehigem epoxykleber Withdrawn DE2931634A1 (de)

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