DE60011720T2 - Verbindungsmaterial - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsmaterial zum Verbinden und Kontaktieren von zu verbindenden Elementen, die jedes eine Vielzahl von Elektroden, entgegengesetzt denjenigen des anderen Elementes, aufweisen, insbesondere ein Verbindungsmaterial, das ein wärmehärtbares Harz enthält.
  • BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN VERFAHREN
  • Zum Aufmontieren eines Halbleiters, wie eines IC (Integrierter Schaltkreis), LSI (Hochintegrierter Schaltkreis) oder so weiter auf einer Leiterplatte als Substrat, ist eine Verfahrensweise verwendet worden, bei der ein Halbleiterbaustein, wie ein Trägerchip, unter Verwendung eines Verbindungsmaterials unmittelbar auf der Leiterplatte als Substrat befestigt wird. Hierbei wird die Verbindung eines derartigen Bausteins mit der Leiterplatte dadurch durchgeführt, dass diese beiden in einer Stellung gehalten werden, bei der die auf dem Baustein und der Leiterplatte angeordneten Elektroden oder Kontakte sich an in Bezug aufeinander entsprechenden gegenüberliegenden Stellen befinden, während das Verbindungsmaterial zwischen ihnen eingebracht wird, wonach das Verbindungsmaterial zum Härten veranlasst wird, um gleichzeitig deren mechanisch feste Verbindung und eine sichere, elektrisch leitfähige Kontaktierung zwischen den entsprechenden Elektroden zu erreichen.
  • In einem solchen Verbindungsmaterial wurde ein wärmehärtbares Harz als die grundlegende Komponente verwendet. Das Verbindungsmaterial wird zwischen die Leiterplatte als Substrat und den Halbleiterbaustein eingebracht, und diese werden in einer solchen Stellung gehalten, dass die auf ihnen angeordneten, elektrisch leitend miteinander zu verbindenden Elektroden oder Kontakte sich in Bezug aufeinander entgegengesetzten Stellung befinden, wonach der entstandene Aufbau von beiden Seiten heißgepresst wird, indem er mit Erwärmen zusammengedrückt wird, um das wärmehärtbare Harz zur Härtung zu veranlassen, um dadurch eine feste Verbindung von ihnen zu erreichen. Hier wird die mechanische Verbindung des Bausteins mit der Leiterplatte als Substrat durch die Verbundstärke (Haftungsstärke) des Harzes hergestellt, und die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den entsprechenden Elektroden oder Kontakten wird durch einen unter Druck stehenden reibschlüssigen Kontakt, der durch die Wärmehärtung des Harzes festgehalten wird, erreicht. Diese elektrisch leitende Verbindung zwischen den entgegengesetzten Elektroden kann durch direkten Kontakt der Elektroden miteinander, oder unter Vermittlung durch eine Überbrückung zwischen ihnen durch elektrisch leitfähige Teilchen, die in dem Verbindungsmaterial in einem dispergierten Zustand enthalten sind, erreicht werden.
  • Die Leiterplatte als Substrat mit darauf montiertem(n) Halbleiterbaustein(en) muss Wärmefestigkeit aufweisen, um den Bedingungen bei dem Schritt des Aufschmelzens des Lötmittels standzuhalten, bei dem die als Substrat dienende Platte hoher Temperatur ausgesetzt wird. Der sich ergebende Leiterplattenaufbau kann unter den Umweltbedingungen einer verhältnismäßig hohen Temperatur und verhältnismäßig hohen Feuchtigkeit in Betrieb genommen werden, so dass er derartigen Bedingungen standhalten sollte. Jedoch sind die Wärmefestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbedingungen herkömmlicher Verbindungsmaterialien nicht ausreichend, und daher stellte sich das Problem, dass das Auftreten schadhafter elektrischer Verbindung manchmal nicht nur bei den Prüfungstests auf Wärmefestigkeit und auf Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbedingungen, wie dem Wärmesprungtest, dem Dampfdrucktopftest (PCT, Pressure Cooker Test) und dem Lötmittelaufschmelztest gefunden wird, sondern auch bei den Schritten der Herstellung in der Praxis, wenn der Aufbau einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Eine derartige, fehlerhafte elektrisch leitende Verbindung tritt häufig bei Aufbauten mit Halbleiterbausteinen auf, die ein eng zusammengedrängtes Muster aufweisen, in dem eine große Anzahl von Elektroden innerhalb eines begrenzten Gebietes angeordnet sind.
  • Untersuchung des Grundes davon hat den Befund ergeben, dass eine Diskrepanz oder ein Versatz zwischen den eingestellten Positionen der Elektroden auftritt, wenn zwei Elemente unter Verwendung eines Verbindungsmaterials miteinander verbunden werden, deren Koeffizienten der linearen Ausdehnung unterschiedlich voneinander sind, wenn das Verbindungsmaterial auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) des Klebstoffharzes in dem Verbindungsmaterial gebracht wird, wie in dem Fall, wo das Material einer derart hohen Temperatur, wie derjenigen beim Aufschmelzen des Lots, ausgesetzt wird, wodurch eine fehlerhafte elektrisch leitende Verbindung verursacht wird. Hierzu wird angenommen, dass die Verschlechterung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen durch eine mögliche Schichttrennung der verbindenden Schicht an den Schnittstellen zwischen der Schicht aus Verbindungsmaterial und den Elementen nach verlängerter Gebrauchszeit verursacht wird, weil die inneren Spannungen in der gehärteten Schicht aus dem Verbindungsmaterial, die aus der Kontraktion des Klebstoffharzes beim Härten herrühren, die bei einem Klebstoffharz mit einer hohen Verbundstärke groß sind, an diesen Schnittstellen konzentriert sind.
  • Weitere Verbindungsmaterialien werden in EP-A-387066 und EP-A-914027 offenbart.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen 1, 6 und 7 beansprucht, ist es, ein Verbindungsmaterial zum Verbinden und Kontaktieren von Elementen bereitzustellen, die jedes an in Bezug aufeinander entsprechenden Stellen gegenüberliegende Elektroden oder Anschlüsse darauf aufweisen, während eine gesicherte elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den entsprechenden Elektroden erreicht wird, wobei das Verbindungsmaterial eine hohe Wärmefestigkeit aufweist und nicht unter dem Auftreten fehlerhafter elektrischer Verbindung leidet, sogar wenn die Elemente eine große Anzahl von in engem Abstand angeordneten Elektroden aufweisen, und sogar wenn das Verbindungsmaterial Bedingungen hoher Temperatur unterworfen wird.
  • Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungsmaterial zum Verbinden und Kontaktieren von Elementen bereitzustellen, die jedes an in Bezug aufeinander entsprechenden Stellen gegenüberliegende Elektroden oder Anschlüsse darauf aufweisen, wobei das Verbindungsmaterial eine hohe Wärmefestigkeit und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbedingungen aufweist und eine äußerst verlässliche, elektrisch leitfähige Verbindung sogar bei Verwendung unter Umweltbedingungen hoher Temperatur und hoher relativer Feuchtigkeit aufrecht erhalten kann.
  • Daher besteht die vorliegende Erfindung aus dem folgenden Verbindungsmaterial:
    • (1) Einem Verbindungsmaterial zum Verbinden und Kontaktieren von Elementen, die jedes an in Bezug aufeinander entsprechenden Stellen gegenüberliegend positionierte Elektroden darauf aufweisen, umfassend eine Klebstoffkomponente, die 20–75 Gew.-% eines Epoxidharzes, 25–80 Gew.-% Siliciumdioxid und ein thermoplastisches Harz in einer Menge von bis zu 40 Gew.-% umfasst; wobei das Material, nachdem es gehärtet wurde, die kennzeichnenden Merkmale umfassend eine Längsschrumpfung von 0,25% oder weniger; und einen Koeffizienten der Längsdehnung (α1) von 35 ppm/°C oder niedriger bei Temperaturen unter der Tg des gehärteten Verbindungsmaterials aufweist.
    • (2) Dem Verbindungsmaterial wie vorstehend unter (1) definiert, das nachdem es gehärtet wurde, ein Absorptionsvermögen für Feuchtigkeit von 2% oder niedriger aufweist.
    • (3) Dem Verbindungsmaterial wie vorstehend unter (1) oder (2) definiert, das ferner 0–30%, bezogen auf das Volumen der Klebstoffkomponente, an elektrisch leitfähigen Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1–10 μm umfasst.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das Verbindungsmaterial der vorliegenden Erfindung ist hervorragend sowohl hinsichtlich Wärmefestigkeit wie Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbedingungen.
  • Als die mittels des erfindungsgemäßen Verbindungsmaterials miteinander zu verbindenden Elemente kann jedes Paar aus Elementen, die jeweils auf der einem anderen Element gegenüberliegenden Seite Elektroden aufweisen, die jeweils paarweise den entsprechenden anderen auf dem anderen Element gegenüber liegen, insbesondere eine große Anzahl von mit entsprechenden Gegenelektroden auf dem anderen Element leitend zu verbindenden Elektroden, als Ziel der Erfindung dienen. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere auf diejenigen anwendbar sein, bei denen jedes der beiden miteinander zu verbindenden Elemente Elektroden hat, die innerhalb eines begrenzten Gebietes mit einem engeren Zwischenraum, in einer kleinen Breite und mit engem Abstand angeordnet sind, wie im Fall des Montierens von einem Halbleiterbaustein, wie einem Nacktchip, auf einer Substratplatte. In vielen Fällen wird eine Substratplatte als das Gegenelement für den vorstehend erwähnten, zu verbindenden Halbleiterbaustein verwendet. Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial kann zum Montieren von Halbleiterbausteinen und dergleichen unmittelbar auf die Substratplatte oder unter Vermittlung zum Beispiel eines dazwischen eingebrachten Elementes verwendet werden. Es können hierbei aus jedem beliebigen Material hergestellte Substratplatten verwendet werden, zum Beispiel Glas/Epoxy-Substratplatten, Harzplatten, Glasplatten und Platten aus flexiblem Harz.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial enthält eine Klebstoffkomponente, die ein Epoxidharz und Siliciumdioxid-Füllmittel umfasst. Das Verbindungsmaterial wird zwischen die zu verbindenden Elemente eingebracht und die Elemente werden von beiden Seiten so zusammen gepresst, dass die entgegengesetzt auf der gegenüberliegendes Seite jedes Elementes angeordneten Elektroden in Kontakt miteinander gebracht werden, während der Zwischenraum zwischen benachbarten Elektroden, der mit dem Verbindungsmaterial ausgefüllt werden soll, beibehalten wird. In diesem Zustand wird das Verbindungsmaterial veranlasst, zu härten, damit elektrischer Kontakt und mechanische Verbindung gleichzeitig erreicht werden. Der elektrische Kontakt zwischen den entgegengesetzten Elektroden kann entweder durch unmittelbare Berührung der Elektroden oder durch Vermittlung über elektrisch leitfähige Teilchen verwirklicht werden. Wenn das Gebiet der Oberfläche des dickeren Teils der Elektrode, wie ein stiftförmiger Löthöcker, klein ist (zum Beispiel 1000 μm2 oder weniger), kann direkte Berührung zugelassen werden, während ein Kontakt durch Vermittlung über elektrisch leitfähige Teilchen für Elektroden mit größerem Abmaß der Oberfläche günstig ist. Die elektrisch leitfähigen Teilchen werden in dem Verbindungsmaterial in einer darin dispergierten Form eingebracht.
  • Als das Epoxidharz können die Harze vorn Bisphenol-Typ, diejenigen vom Epoxid-Novolak-Typ und diejenigen, die aus Epoxidverbindungen mit zwei oder mehr Oxirangruppen im Molekül erhalten wurden, verwendet werden. Kommerzielle Produkte dieser Epoxidharze können auch als solche verwendet werden.
  • Während das Hauptharz des Epoxidharzes der Klebstoffkomponente gewöhnlich durch die gleichzeitige Verwendung eines Härtungsmittels der Härtung unterworfen werden kann, ist es erlaubt, auf die Verwendung des Härtungsmittels zu verzichten, wenn eine die Härtung erleichternde funktionelle Gruppe als Substituent in dem Molekül des Hauptharzes vorhanden ist. Als das Härtungsmittel können diejenigen verwendet werden, welche durch die Einwirkung von Wärme oder Bestrahlung mit einer Strahlung der Härtungsreaktion mit dem Hauptharz unterworfen werden können, zum Beispiel Imidazole, Amine, Säureanhydride, Hydrazide, Dicyanamide und Isocyanate, ebenso wie modifizierte Produkte aus ihnen. Kommerzielle Produkte können auch verwendet werden. Für ein solches Härtungsmittel wird einem latenten Härtungsmittel der Vorzug gegeben.
  • Ein latentes Härtungsmittel wird während den Verarbeitungsvorgängen und der Lagerung bei Normaltemperatur und bei Trocknung bei einer verhältnismäßig niedrigeren Temperatur (40–100°C) nicht einer Härtungsreaktion unterliegen, sondern es wird einer Härtungsreaktion, unter Druck mit Erwärmen (Heißpressen) bei einer Härtungstemperatur oder durch die Einwirkung einer Bestrahlung mit einer Strahlung, wie UV-Strahlung, unterworfen. Für ein solches latentes Härtungsmittel wird einem solchen besonderer Vorzug gegeben, bei dem das vorstehend erwähnte Härtungsmittel, wie ein Imidazol oder ein Amin, in Mikrokapseln eingekapselt ist, wozu ebenfalls kommerzielle Produkte als solche verwendet werden können. Zur Aktivierung durch Erwärmen können diejenigen mit einer Initiationstemperatur der Härtung von 80–150°C bevorzugt werden.
  • Das in das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial einzubringende Siliciumdioxid dient dazu, die Wärmefestigkeit und insbesondere den Koeffizienten der Längsdehnung des Verbindungsmaterials zu verbessern, indem es der das Epoxidharz enthaltenden Klebstoffkomponente zugemischt wird. Zur praktischen Verwendung können Produkte aus kristallinem Siliciumdioxid, geschmolzenem Siliciumdioxid und synthetischem Siliciumdioxid verwendet werden, mit Vorzug für diejenigen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1–5 μm.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es zulässig, der Klebstoffkomponente ein thermoplastisches Harz zuzumischen, um dem Verbindungsmaterial die Fähigkeit, auf Substrate beschichtet zu werden oder Filme zu bilden, zu verleihen. Als ein derartiges thermoplastisches Harz kann zum Beispiel ein Phenoxyharz, ein Polyesterharz, ein Acrylharz, ein Polyurethanharz, ein Butyralharz oder ein Kautschukpolymer, wie NBR oder SBR, verwendet werden.
  • Die Klebstoffkomponente des erfindungsgemäßen Verbindungsmaterials kann ferner andere Additive enthalten, wie ein Tensid, Kupplungsmittel, Ionenadsoptionsmittel, Antioxidationsmittel und so weiter.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial, das die vorstehend beschriebene Klebstoffkomponente umfasst, kann oder kann nicht elektrisch leitfähige Teilchen enthalten. Daher kann es Teilchen aus einem Metall, wie einem Lötmetall, Nickelmetall oder so weiter enthalten; mit einem elektrischen Leiter beschichtete Teilchen, bei denen Kernteilchen aus Harz mittels galvanischem Überziehen oder dergleichen mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet werden; und mit einem Isolator beschichtete Teilchen, bei denen diese elektrisch leitfähigen Teilchen mit einem isolierenden Harz beschichtet sind. Die mittlere Teilchengröße dieser Teilchen kann in dem Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 μm liegen.
  • Die Klebstoffkomponente in dem erfindungsgemäßen Verbindungsmaterial umfasst bei Bedarf zusätzlich zu dem Epoxidharz und Siliciumdioxid andere Harze und Additive. Das Verbindungsmaterial umfasst die vorstehend beschriebene Klebstoffkomponente und bei Bedarf die vorstehend erwähnten elektrisch leitfähigen Teilchen.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial besteht aus der Klebstoffkomponente, die aus dem Epoxidharz in einer Menge im Bereich von 20 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 70 Gew.-%, dem thermoplastischen Harz in einer Menge von bis zu 40 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 25 Gew.-%, dem Siliciumdioxid in einer Menge im Bereich von 25 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise von 30 bis 70 Gew.-%, und einem anderen/anderen Additiven) in einer Menge von 0–10 Gew.-%, vorzugsweise 0–5 Gew.-% zusammengesetzt ist, wenn nötig mit Einbringung von elektrisch leitfähigen Teilchen darin in einem Anteil von 0–30%, vorzugsweise 0–20%, bezogen auf das Volumen der Klebstoffkomponente.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial kann als ein Produkt in Form einer Paste oder einer Folie bereitgestellt werden.
  • Um eine Paste aus dem Verbindungsmaterial herzustellen, können geeignete konstituierende Inhaltsstoffe aus den vorstehend angegebenen ausgewählt werden, um eine Paste ohne Verwendung irgendeines Lösungsmittels zu erzeugen, während es im allgemeinen praktisch ist, die Paste durch Auflösen oder Dispergieren der konstituierenden Inhaltsstoffe in einem geeigneten Lösungsmittel zu erzeugen. Als das Lösungsmittel können zum Beispiel Alkohole, Ketone, Ester, Ether, Phenole, Acetale und Stickstoff-haltige Kohlenwasserstoffe verwendet werden, unter denen Toluol, MEK (Methylethylketon), Ethylacetat und Cellosolve beispielhaft erwähnt werden können. Die Menge an zu verwendendem Lösungsmittel kann etwa 20–40%, bezogen auf das Gewicht der Harzkomponenten, betragen.
  • Um das Verbindungsmaterial in der Form einer Folie herzustellen, wird die vorstehende Paste aus dem Verbindungsmaterial in einer Schicht auf einer Abziehfolie beschichtet, wonach das Lösungsmittel der Paste verflüchtigt wird, um eine Folie aufzubauen.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial sollte so aus den vorstehend angegebenen konstituierenden Inhaltsstoffen zubereitet werden, dass das sich ergebende Verbindungsmaterial, nachdem es gehärtet wurde, eine Längsschrumpfung von 0,25% oder weniger, vorzugsweise 0,22% oder weniger, und einen Koeffizienten der Längsdehnung (α1) bei Temperaturen unter der Tg des gehärteten Verbindungsmaterials von 35 ppm/°C oder niedriger, vorzugsweise 33 ppm/°C oder weniger aufweist, indem geeignete Inhaltsstoffe und deren Anteile ausgewählt werden. Hierbei kann das zweite Verbindungsmaterial günstigerweise, nachdem es gehärtet wurde, ein Absorptionsvermögen für Feuchtigkeit von nicht mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 1,7 Gew.-% aufweisen.
  • Die konkreten Vorgehensweisen für die Bestimmung der vorstehend erwähnten kennzeichnenden Eigenschaften sind wie folgt:
    • – Tg wird als die Temperatur bei dem Peak von tan δ bei der Bestimmung des Elastizitätsmoduls bestimmt.
    • – die Längsschrumpfung wurde mittels des Verfahrens gemäß JIS K-6911 bestimmt.
    • – Absorptionsvermögen für Feuchtigkeit wurde durch 500 Stunden langes Halten der Probe auf 85°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 85% und Berechnung aus der Gewichtsdifferenz der vor und nach dieser Behandlung beobachteten Probe bestimmt.
  • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial wird zwischen zwei miteinander zu verbindende Elemente eingebracht, wie eine Leiterplatte als Substrat und einen Halbleiterbaustein, die jedes auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Vielzahl von Elektroden versehen sind, während diese Elemente in einer Stellung gehalten werden, bei der die Elektroden auf der gegenüberliegenden Fläche jedes Elementes sich in einer in übereinstimmender Weise entgegengesetzten Beziehung zueinander befinden, wonach die Elemente durch Zusammendrücken mit Erwärmen von beiden Seiten her heißgepresst werden, um zu bewirken, dass das wärmehärtbare Harz gehärtet wird, um einen festen Aufbau zu erzeugen. In dem Fall der Verwendung einer Paste aus dem Verbindungsmaterial wird sie auf eines der Elemente über ein zu verbindendes Gebiet einschließlich der Elektroden beschichtet, während das andere der Elemente vor oder nach dem Trocknen der beschichteten Schicht in einer solchen Stellung auf die derart beschichtete Seite des anderen Elementes gesetzt wird, dass die Elektroden sich in einer in übereinstimmender Weise entgegengesetzten Beziehung zueinander befinden, gefolgt von Heißpressen des Aufbaus, um Härten des Harzes zu bewirken. In dem Fall der Verwendung einer Folie aus dem Verbindungsmaterial wird diese zwischen die zu verbindenden Elemente eingebracht, gefolgt von Heißpressen des Aufbaus, um Härten des Harzes zu bewirken. Das Härten kann nicht nur mittels Erwärmen, sondern auch durch die Einwirkung der Bestrahlung mit einer Strahlung, wie UV-Strahlung, verwirklicht werden.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Kontaktieren durch Zusammendrücken mit Erwärmen von beiden Seiten her des zwischen zwei miteinander zu verbindende Elemente eingebrachten Verbindungsmaterials wird das Verbindungsmaterial zuerst geschmolzen und aus dem Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Elektroden zur Seite in den freien Raum, wo sich keine Elektrode befindet, herausgedrückt, bis die sich gegenüberliegenden Elektroden auf den Elementen in Kontakt miteinander gebracht sind, wodurch die sich gegenüberliegenden Elektroden so zusammengedrückt werden, dass ein elektrisch leitender reibschlüssiger Kontakt zwischen ihnen aufgebaut wird, während das wärmehärtbare Harz in dem Verbindungsmaterial dann dort gehärtet wird, um den festen Aufbau aufzubauen. In dem Fall dass elektrisch leitfähige Teilchen beinhaltet sind, werden einige dieser Teilchen bei dem Heißpressen zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden darin bleiben und werden von den einander gegenüberliegenden Elektroden dort zusammengedrückt, um eine Brücke aus elektrisch leitfähigem, reibschlüssigem Kontakt zwischen diesen einander gegenüberliegenden Elektroden aufzubauen. Der aus dem Zwischenraum zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden zur Seite in den elektrodenfreien Raum herausgedrückte Teil des Verbindungsmaterials wird dort gehärtet, so dass eine solide, feste Verbindung zwischen den beiden Elementen aufgebaut wird. Auf diese Weise werden der elektrisch leitende Kontakt zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden und die mechanische Verbindung der beiden Elemente gleichzeitig zu Stande gebracht.
  • In dem Fall des Anbringens eines Halbleiterbausteins, als das eine zu verbindende Element, auf der Leiterplatte als Substrat als dem zu verbindenden Gegenelement, kann der erstere auf der letzteren mittels des erfindungsgemäßen Verbindungsmaterials aufmontiert werden, und der sich ergebende Aufbau ist wegen der Unterdrückung der Ansammlung innerer Spannungen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Betriebsumgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit überlegen, weil die Längsschrumpfung und der Koeffizient der Längsdehnung (α1) niedrig sind.
  • Bei der Prüfung zur Untersuchung der Wärmebeständigkeit mittels Umweltbedingungsprüfungen, einschließlich Wärmesprungprüfung, PCT- und Lötmittelaufschmelzprüfung, tritt ebenfalls kein fehlerhafter elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden auf.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial ist hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Betriebsumgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit überlegen, weil das Verbindungsmaterial eine Klebstoffkomponente, umfassend eine wärmehärtbares Harz und ein Füllmittel in einer derartigen Kombination und derartigen Anteilen umfasst, dass die Längsschrumpfung und der Koeffizient der Längsdehnung bei Temperaturen unter der Tg des gehärteten Verbindungsmaterials jeweils innerhalb eines spezifischen Bereiches liegen.
  • BEISPIELE
  • Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mittels Beispielen und Vergleichsbeispielen weiter beschrieben.
  • Beispiele I bis II und Vergleichsbeispiel I
  • <Herstellung des Verbindungsmaterials>
  • Eine Paste des Verbindungsmaterials wurde durch Kneten des Epoxidharzes A oder eines Epoxidharzes C (ein Produkt der Firma Yuka Shell-Epoxy mit dem Handelsnamen EP828) als das wärmehärtbare Harz, einem auf Imidazol beruhenden Härtungsmittel (ein Produkt der Firma Asahi Ciba mit dem Handelsnamen HX-3941 HP) als dem Härtungsmittel, einem Phenoxyharz (ein Produkt von Tohto Kasei Co., Ltd. mit dem Handelsnamen YP 50) als das thermoplastische Harz, einem kommerziellen Siliciumdioxid (ein Produkt der Firma Tatsumori mit dem Handelsnamen SOE 2, mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 μm) als das anorganische Füllmittel, und mit einem elektrischen Leiter beschichteten Teilchen (ein Produkt von Nippon Chemical Industries Co., mit dem Handelsnamen 20GNR-4.6HE, mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm) als die elektrisch leitfähigen Teilchen, zusammen mit Toluol in einem in Tabelle 2 angegebenen Verhältnis hergestellt, wonach die entstandene Paste auf eine Abziehfolie beschichtet und die Beschichtungsschicht getrocknet wurde, um ein Verbindungsmaterial als eine Folie mit einer Dicke von 35 μm zu erhalten. Die Eigenschaften des Verbindungsmaterials, nachdem es gehärtet wurde, werden in Tabelle 2 aufgelistet.
  • <Prüfung der Materialeigenschaften>
  • Längsschrumpfung
  • Eine Folienprobe (Dicke 40 μm) des von der Abziehfolie entfernten getrockneten, ungehärteten Verbindungsmaterials wurde in Bänder einer Größe von ungefähr 1 cm × 10 cm geschnitten und die genaue Länge des entstandenen Bandes wurde bestimmt, bevor und nachdem das Band in einem Heizschrank einer eine Stunde langen Wärmebehandlung bei 100°C und eine weitere Stunde lang bei 150°C zum Wärmehärten des wärmehärtbaren Harzes unterworfen worden war, woraus die prozentuale Längsschrumpfung des Verbindungsmaterials mittels der Gleichung Längsschrumpfung % = [1–(L1/Lo)] × 100berechnet wurde, in der Lo die Länge des Bandes vor der Wärmehärtung und L1 dessen Länge nach der Wärmehärtung ist.
  • Koeffizient der Längsdehnung
  • Unter Verwendung einer zylinderförmigen Probe mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 15 mm, die eine Stunde lang bei 190°C gehärtet worden war, wurde der Koeffizient der Längsdehnung des gehärteten Verbindungsmaterials aus dem Unterschied der Ausdehnungen zwischen dieser gehärteten Probe und einer Probe aus Quarzglas der selben Größe bei deren Erwärmen von Raumtemperatur auf 200°C berechnet.
  • Absorptionsvermögen für Feuchtigkeit
  • Eine zylinderförmige Probe mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 15 mm, die eine Stunde lang bei 190°C gehärtet worden war, wurde in einem Heizschrank bei hoher Temperatur und hoher relativer Feuchtigkeit Feuchtigkeit absorbieren gelassen, wonach das Absorptionsvermögen für Feuchtigkeit (%) mittels der folgenden Gleichung berechnet wurde: Absorptionsvermögen für Feuchtigkeit (%) = [1–(W1/Wo)] × 100 in der Wo das Probengewicht vor der Absorption von Feuchtigkeit und W1 das Probengewicht nach der Absorption von Feuchtigkeit ist.
  • <Prüfung zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit>
  • Ein IC-Baustein mit im Abstand von 150 μm angeordneten metallbeschichteten Löthöckern mit einem Oberflächenabmaß des Löthöckers von 1 000 μm2 und einer Dicke der Löthöcker von 20 μm2 als die Elektroden wurde auf eine Leiterplatte als Substrat mit einem aufgedruckten Muster aus goldbeschichtetem Kupfer als die Gegenelektroden in einer derjenigen der Löthöcker in entsprechender Weise gegenüberliegenden Stellung montiert, unter Vermittlung durch die vorstehende Probefolie aus Verbindungsmaterial, wonach der entstandene Aufbau bei 180°C bei einer Presskraft von 1,47 N (150 p) pro Löthöcker 20 Sekunden lang heißgepresst wurde. Der entstandene Aufbau wurde mittels der folgenden PCT- und Wärmesprungprüfungen untersucht. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 wiedergegeben.
  • In Tabelle 1 wird
    • „Bew. A" durch die Bewertung des elektrisch leitfähigen Kontaktes in dem verbundenen Aufbau mittels eines 300 Stunden langen PCT mit den nachstehend angegebenen Bewertungskriterien unter den Bedingungen von 121°C, 100% relative Feuchtigkeit und eines Drucks von 2 atm, nachdem der Aufbau zweimal eine Lötmittel-Aufschmelzprüfung mit der höchsten erreichbaren Temperatur von 240°C durchlaufen hatte, ausgedrückt.
    • „Bew. B" wird durch die Bewertung des elektrisch leitfähigen Kontaktes in dem verbundenen Aufbau mittels einer Wärmesprungprüfung mit den nachstehend angegebenen Bewertungskriterien ausgedrückt, indem Wärmezyklen wiederholt werden, bei denen der Aufbau bis zu 1 000 Zyklen mal alle 15 Minuten abwechselnd bei –55°C und bei +125°C gehalten wird, nachdem der Aufbau zweimal eine Lötmittel-Aufschmelzprüfung mit der höchsten erreichbaren Temperatur von 240°C durchlaufen hatte.
    • „Bew. C" wird durch die Bewertung des elektrisch leitfähigen Kontaktes in dem verbundenen Aufbau durch eine PCT mittels den nachstehend angegebenen Bewertungskriterien unter Bedingungen, bei denen der Aufbau 168 Stunden lang der Absorption von Feuchtigkeit bei 30°C und 70% relativer Feuchtigkeit unterworfen wird, gefolgt von einer zweimal wiederholten Lötmittel-Aufschmelzprüfung mit der höchsten erreichbaren Temperatur von 240°C und einer weiteren, 300 Stunden langen PCT unter den Bedingungen von 121°C und 100% relativer Feuchtigkeit, ausgedrückt; und
    • „Bew. D" wird durch die Bewertung der elektrisch leitenden Verbindung in dem verbundenen Aufbau mittels einer Wärmesprungprüfung mittels den nachstehend angegebenen Bewertungskriterien ausgedrückt, indem Wärmezyklen wiederholt werden, bei denen der Aufbau bis zu 1 000 Zyklen mal alle 15 Minuten abwechselnd bei –55°C und bei +125°C gehalten wird, nachdem der Aufbau 168 Stunden lang der Absorption von Feuchtigkeit bei 30°C und 70% relativer Feuchtigkeit unterworfen worden war und zweimal einen Lötmittel-Aufschmelzprüfung mit der höchsten erreichbaren Temperatur von 240°C durchlaufen hatte.
  • Kriterien zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit
  • Grad Kriterium
    • O : Alle beobachteten elektrischen Widerstände sind niedriger als 1 Ohm
    • Δ : der höchste beobachtete Widerstand ist nicht niedriger als 1 Ohm, aber niedriger als 3 Ohm.
    • X : der höchste beobachtete Widerstand ist nicht niedriger als 3 Ohm.
  • Aus den in Tabelle 1 angegebenen Ergebnissen ist zu ersehen, dass die Verbindungsmaterialien in den Beispielen I und II bezüglich Wärmefestigkeit und Widerstandsfähigkeit überlegen sind, wogegen das Verbindungsmaterial des Vergleichsbeispiels I, bei welchem der Gehalt an anorganischem Füllmittel außerhalb des von der vorliegenden Erfindung vorgeschriebenen Bereiches liegt, bezüglich der Widerstandsfähigkeit unterlegen ist.
  • Figure 00150001
  • Figure 00160001

Claims (7)

  1. Verbindungsmaterial zum Verbinden und Kontaktieren von Elementen, die jedes an in Bezug aufeinander entsprechenden Stellen positionierte Elektroden oder Anschlüsse darauf aufweisen, umfassend eine Klebstoffkomponente, die 20–75 Gew.-% eines Epoxidharzes, 25–80 Gew.-% Siliciumdioxid und ein thermoplastisches Harz in einer Menge von bis zu 40 Gew.-% umfasst; wobei das Material, nachdem es gehärtet wurde, die kennzeichnenden Merkmale umfassend eine Längsschrumpfung von 0,25% oder weniger; und einen Koeffizienten der Längsdehnung (α1) von 35 ppm/°C oder niedriger bei Temperaturen unter der Tg des gehärteten Verbindungsmaterials aufweist.
  2. Verbindungsmaterial nach Anspruch 1, das in der Lage ist, nicht mehr als 2 Gew.-% Feuchtigkeit zu absorbieren, nachdem es gehärtet wurde.
  3. Verbindungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das thermoplastische Harz ein Phenoxyharz ist.
  4. Verbindungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, das ferner 0–30%, bezogen auf das Volumen der Klebstoffkomponente, an elektrisch leitfähigen Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1–10μm umfasst.
  5. Gegenstand umfassend mindestens zwei Elemente mit auf entgegengesetzten Flächen davon in entsprechender Weise positionierten Elektroden oder Anschlüssen, die mittels eines Verbindungsmaterials, wie in irgendeinem der Ansprüche 1–3 definiert, miteinander verbunden sind.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials zum Verbinden und Kontaktieren von Elementen, die jedes an in Bezug aufeinander entsprechenden Stellen positionierte Elektroden oder Anschlüsse darauf aufweisen, umfassend die Schritte: Aufbringen einer Klebstoffkomponente, die 20–75 Gew.-% eines Epoxidharzes, 25–80 Gew.-% Siliciumdioxid und ein thermoplastisches Harz in einer Menge von bis zu 40 Gew.-% umfasst, auf ein zu verbindendes Element, um eine Beschichtungsschicht zu bilden; Trocknen der Beschichtungsschicht, um ein Verbindungsmaterial zu ergeben; und Härten des Verbindungsmaterials; wobei: ein zweites Element vor oder nach dem Trocknen der beschichteten Schicht auf die derart beschichtete Seite des Elements gesetzt wird; das Material, nachdem es gehärtet wurde, eine Längsschrumpfung von 0,25% oder weniger aufweist; und das gehärtete Produkt einen Koeffizienten der Längsdehnung (α1) von 35 ppm/°C oder niedriger bei Temperaturen unter der Tg des gehärteten Verbindungsmaterials aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials zum Verbinden und Kontaktieren von Elementen, die jedes an in Bezug aufeinander entsprechenden Stellen positionierte Elektroden oder Anschlüsse darauf aufweisen, umfassend die Schritte: Aufbringen einer Klebstoffkomponente, die 20–75 Gew.-% eines Epoxidharzes, 25–80 Gew.-% Siliciumdioxid und ein thermoplastisches Harz in einer Menge von bis zu 40 Gew.-% umfasst, auf eine Abziehfolie; Trocknen der Beschichtungsschicht, um eine Folie aus Verbindungsmaterial zu ergeben; Einbringen der Folie aus Verbindungsmaterial zwischen zwei zu verbindende Elemente; und Härten des Verbindungsmaterials; wobei: das Material, nachdem es gehärtet wurde, eine Längsschrumpfung von 0,25% oder weniger aufweist; und das gehärtete Produkt einen Koeffizienten der Längsdehnung (α1) von 35 ppm/°C oder niedriger bei Temperaturen unter der Tg des gehärteten Verbindungsmaterials aufweist.
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