DE4012061A1

DE4012061A1 - Loesungsmittelfreie isotrope leit- und klebepaste mit eingelagerten elektrisch leitfaehigen partikeln

Info

Publication number: DE4012061A1
Application number: DE4012061A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Dulz; Andreas Dipl Chem Grosse; Christine Lobstaedt; Ralf Heinze; Reinhard Schmidt; Lutz Dipl Ing Baumann; Wolfram Dr Ing Held; Wolfgang Dr Ing Krause
Original assignee: MITTWEIDA ING HOCHSCHULE
Current assignee: MITTWEIDA ING HOCHSCHULE
Priority date: 1990-04-10
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1991-10-17

Description

Die Erfindung betrifft eine lösungsmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln, die sich für die Montage von elektronischen Baugruppen insbesondere für die Herstellung von Kleinschaltungen mit oberflächenmontierbaren Bauelementen (SMD) eignet.

Elektrisch- und wärmeleitfähige Klebstoffe, bestehend aus einer fluiden Phase (organisches Bindemittel) und einer grobdispersen Phase (leitfähige Metallteilchen), werden zur Befestigung von Chip-Bauelementen auf metallischen Trägern und Leitbahnstrukturen eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist der leitfähige Klebstoff Epotek H 31 D.

Oberflächenmontierbare Bauelemente (Chip, SOT, LCCC, PLCC) können nach dem gleichen Prinzip kontaktiert werden. Anwendungsfälle wurden bereits z. B. in den Patenten US 47 40 657 (24. 04. 1988), EP 03 03 384 (02. 08. 1988) sowie WO 86/06 573 (06. 11. 1986) publiziert.

Leitkleber besitzen allgemein eine anisotrope Leitfähigkeit. Diese ist senkrecht zur Klebefuge stärker als parallel zur Klebefuge ausgeprägt. Erfolgt die Aushärtung unter Druck, so wird dieser Effekt verstärkt. Der außen einwirkende Druck überlagert sich mit dem in der Polymermatrix entstehenden Schrumpfdruck. Das führt zu einer Verstärkung der auf die metallischen Teilchen wirkenden Kontaktkräfte.

Werden oberflächenmontierbare Bauelemente lotfrei mit Leitklebern kontaktiert, entstehen folgende Nachteile:

Verzinnte Kontaktflächen auf der Leiterplatte führen durch vom Kontaktdruck in der Kontaktschicht (Sn/Pb) ausgelöste Fließerscheinungen zum Abbau der Kontaktkraft. Die Leitkleber werden überwiegend warm ausgehärtet. Die Wärmeanwendung bedingt eine starke Oxydation von Cu-Leitbahnen.

Bekannt sind weiterhin Polymer-, Leit- und Widerstandspasten. Polymerleitpasten werden in flexiblen Schaltungen eingesetzt. Widerstandspasten finden besonders in Stellelementen Anwendung. Die Leitfähigkeit ist überwiegend anisotrop.

Diese genannten Systeme unterscheiden sich von Leitklebern dadurch, daß neben den permanenten Phasen (Füllstoff und Bindemittel) eine latente Phase (Lösemittel) eingesetzt wird. Die latente Phase dient der Modifizierung der rheologischen Eigenschaften unter besonderer Beachtung der Siebdruckfähigkeit. Die bisher bekannten Polymerpasten eignen sich nicht für den Einsatz als Leitkleber, da die geschlossenen metallischen Kontaktflächen ein Wegschlagen bzw. Ausdunsten der Lösemittel verhindern.

Ziel der Erfindung ist eine lösungsmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln, die es gestattet, elektronische Baugruppen wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine lösungmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln zu schaffen, die eine lötfreie Verbindung zwischen Träger, Leitbahnen, Kontaktflächen und Bauelementen bei gleichzeitigem Leiten und Kleben bei der Strukturierung von Leiterplatten und Kontaktierung oberflächenmontierbarer Bauelemente gestattet.

Erfindungsgemäß wird eine Polymerpaste eingesetzt, die sich aus einer grobdispersen Phase elektrisch leitfähiger Partikel und einer Polymerphase eines thermisch härtbaren vorzugsweise cycloaliphatischen Epoxidharzes mit aliphatischen Ketten zusammensetzt. Die grobdisperse Phase mit einem Masseanteil von 76 bis 78% besteht aus einem Gemisch mindestens zweier sich durch Form und Größe unterscheidender Kornklassen elektrisch leitfähiger Partikel, wobei die Partikel einer ersten Kornklasse mit einem Masseanteil von 15 bis 35% als Primärteilchen überwiegend kugelförmig mit einem Durchmesser von 1 bis 4 µm ausgebildet sind und die Partikel einer weiteren Kornklasse mit einem Masseanteil von 65 bis 85% annähernd die Form von Rotationsellipsoiden mit einem Achsenverhältnis von 1 : 1 : (0,6 bis 0,1) aufweisen und die längste Achse eine Größe von 8 bis 20 µm hat. Vorzugsweise bestehen die elektrisch leitfähigen Partikel aus Silber bzw. Kupfer. Die Polymerphase besteht vorzugsweise aus cycloaliphatischen Epoxidharzen mit aliphatischen Ketten, katalytisch wirkenden Härtern des BF₃-Komplex-Types mit einem aromatischen Liganden bzw. einem aliphatischen Liganden mit mindestens 3 Kohlenstoffatomen und aromatischen Diaminen bzw. Dicyandiamid und aliphatischen Reaktivverdünnern.

Bedingt durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung erfolgt ein Ausgleich in der Polydispersität der angewandten elektrisch leitfähigen Partikel. Die Kontaktbildung wird aufgrund der Hertzschen Flächenpressung unter Einwirkung des Schrumpfdruckes der Polymermatrix gefördert. Damit eignet sich die Paste zum Auftragen der Baugruppenträger nach dem Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren bzw. des Kanülenschreibens.

Anhand von 4 Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert und bestimmt:

1. Zusammensetzung
- - grobdisperse Phase Masseanteil von 77%, davon
  - 1. Kornklasse kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser von 4 µm und einem Masseanteil von 30% und einer
  - 2. Kornklasse ellipsoidförmiger Silberteilchen mit einer längsten Achse von 10 bis 15 µm und einem Achsenverhältnis von 1 : 1 : 0,4 und einem Masseanteil von 70%
- - Polymerphase Masseanteil von 23%, davon
  - - cycloaliphatisches Epoxidharz mit Masseanteil von 80% Di-[3,4-epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-]adipinat
  - - Dicyclopentadiendioxid mit Masseanteil von 11%
  - - BF₃-Komplex des Propylamin mit Masseanteil von 9%
2. Zusammensetzung
- - grobdisperse Phase Masseanteil von 78%, davon
  - 1. Kornklasse kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser von 4 µm und einem Masseanteil von 20% und einer
  - 2. Kornklasse ellipsoidförmiger Silberteilchen mit einer längsten Achse von 10 bis 15 µm und einem Achsenverhältnis von 1 : 1 : 0,4 und einem Masseanteil von 80%
- - Polymerphase Masseanteil von 22%, davon
  - - cycloaliphatisches Epoxidharz mit Masseanteil von 77% 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat
  - - Vinylcyclohexendioxid mit Masseanteil von 5%
  - - BF₃-Komplex des Benzylamin mit Masseanteil von 18%
3. Zusammensetzung
- - grobdisperse Phase Masseanteil von 76%, davon
  - 1. Kornklasse kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser von 2 µm und einem Masseanteil von 15% und einer
  - 2. Kornklasse ellipsoidförmiger Silberteilchen mit einer längsten Achse von 10 bis 15 µm und einem Achsenverhältnis von 1 : 1 : 0,4 und einem Masseanteil von 85%
- - Polymerphase Masseanteil von 24%, davon
  - - cycloaliphatisches Epoxidharz mit Masseanteil von 92% Di-[3,4-epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-]adipinat
  - - 1,4-Cyclohexadiendioxid mit Masseanteil von 1%
  - - Dicyandiamid mit Masseanteil von 7%
4. Zusammensetzung
- - grobdisperse Phase Masseanteil von 78%, davon
  - 1. Kornklasse kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser von 4 µm und einem Masseanteil von 35% und einer
  - 2. Kornklasse ellipsoidförmiger Silberteilchen mit einer längsten Achse von 10 bis 15 µm und einem Achsenverhältnis von 1 : 1 : 0,4 und einem Masseanteil von 65%
- - Polymerphase Masseanteil von 22%, davon
  - - cycloaliphatisches Epoxidharz mit Masseanteil von 70,5% 3,4-Epoxycyclohexyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat
  - - Vinylcyclohexendioxid mit Masseanteil von 20%
  - - 4,4-Diaminodiphenylsulfon mit Masseanteil von 9,5%

Die angegebenen Pasten sind durch Siebdruckfähigkeit, strukturviskosem Verhalten und einem Volumenwiderstand von 5 · 10^-5 Ωcm bis 10^-3 Ωcm gekennzeichnet. Die Pasten sind einkomponentig und wärmehärtbar. Die Polymerphase kann auch aus anderen Polymeren gebildet werden. Diese müssen jedoch mindestens über eine während der Aushärtung auftretende Volumenschrumpfung zwischen 4 und 7% verfügen.

Claims

1. Lösungsmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln, bestehend aus einer Zusammensetzung einer grobdispersen Phase elektrisch leitfähiger Partikel und einer Polymerphase, gekennzeichnet dadurch, daß die grobdisperse Phase mit einem Masseanteil von 76 bis 78% aus einem Gemisch mindestens zweier sich durch Form und Größe unterscheidender Kornklassen elektrisch leitfähiger Partikel besteht, wobei die Partikel einer ersten Kornklasse mit einem Masseanteil von 15 bis 35% als Primärteilchen überwiegend kugelförmig mit einem Durchmesser von 1 bis 4 µm ausgebildet sind und die Partikel einer weiteren Kornklasse mit einem Masseanteil von 65 bis 85% annähernd die Form von Rotationsellipsoiden mit einem Achsenverhältnis von 1 : 1 : (0,6 bis 0,1) aufweisen und die längste Achse eine Größe von 8 bis 20 µm hat und die Polymerphase vorzugsweise von einem cycloaliphatischen Epoxidharz mit aliphatischen Ketten gebildet wird.

2. Lösungsmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Polymerphase sich aus cycloaliphatischem Epoxidharz mit aliphatischen Ketten mit einem Masseanteil von 60 bis 95%, katalytisch wirkenden Härtern des BF₃-Komplex-Types mit einem aromatischen bzw. aliphatischen Liganden mit mindestens 3 Kohlenstoffatomen, aromatischen Diaminen bzw. Dicyandiamid und aliphatischen Reaktivverdünnern mit einem Masseanteil von 1 bis 30% zusammensetzt.

3. Lösungsmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikel aus Silber bestehen.

4. Lösungsmittelfreie isotrope Leit- und Klebepaste nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikel aus Kupfer bestehen.