JP2001283637A - 異方性導電接着材料及び接続方法 - Google Patents

異方性導電接着材料及び接続方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 突起状電極を備えたベアＩＣチップなどの電
子素子と配線基板の接続パッドとを異方性導電接続する
際に、突起状電極としてニッケルバンプなどの比較的硬
いバンプを使用した場合であっても、金バンプやハンダ
バンプを使用した従来の異方性導電接続と変わらない接
続信頼性を確保することが可能な異方性導電接着材料を
提供する。 【解決手段】 導電性粒子を熱硬化性樹脂に分散してな
る異方性導電接着材料において、導電性粒子の１０％圧
縮弾性率（Ｅ）と、当該異方性導電接着材料で接続すべ
き電子素子の突起状電極の縦弾性率（Ｅ′）とが以下の
関係式（１） 【数１】 ０．０２≦Ｅ／Ｅ′≦０．５ （１） を満たすようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、異方性導電接着材
料及び接続方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、突起状電極として金バンプ或いは
ハンダバンプを備えたベアＩＣチップをＩＣ搭載用基板
の電極パッドに直接フリップチップ実装したり、チップ
サイズパッケージ（ＣＳＰ）の形態に加工し実装するこ
とが行われている。このような実装の際には、ベアＩＣ
チップの突起状電極とＩＣ搭載用基板との間に、エポキ
シ樹脂等の熱硬化性樹脂と導電性粒子とが配合された、
フィルム状、ペースト状もしくは液状の異方性導電接着
材料を挟み込み、加熱加圧することが行われている。
【０００３】ところで、金バンプの場合、材料コストが
非常に高価であるという問題がある。またハンダバンプ
の場合、微細で均一なバンプ形成を目的として電解メッ
キ法により製造されるが、レジスト工程が必要であるば
かりでなく、ハンダメッキを行う前に、下地金属層（Ｔ
ｉ／Ｃｕ）を形成し、そしてバリア金属多層メッキ層
（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）を形成する等の複雑な電解メッキ
工程を要するという問題もある。
【０００４】そこで、材料コストが低く、比較的単純な
電解メッキ工程で形成可能なニッケルバンプを使用する
ことが試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ニッケ
ルバンプの硬度が金バンプやハンダバンプに比べ高いた
め、異方性導電接着材料中の導電性粒子がニッケルバン
プにより押し潰されて塑性変形し、ベアＩＣチップのニ
ッケルバンプとＩＣ搭載用基板の電極パッドとに対し安
定した接触状態を保てず、接続信頼性が低下するという
問題があった。
【０００６】本発明は、以上の従来の技術の問題を解決
するものであり、突起状電極を備えたベアＩＣチップな
どの電子素子と配線基板の接続パッドとを異方性導電接
続する際に、突起状電極としてニッケルバンプなどの比
較的硬いバンプを使用した場合であっても、金バンプや
ハンダバンプを使用した従来の異方性導電接続と変わら
ない接続信頼性を確保することが可能な異方性導電接着
材料を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、異方性導
電接続時の接続信頼性が、異方性導電接着材料中の導電
性粒子の１０％圧縮弾性率（Ｅ）と電子素子の突起状電
極の縦弾性率（Ｅ′）とに密接に関係しており、しかも
（Ｅ）に対する（Ｅ′）の比を特定の範囲に調整するこ
とにより接続信頼性を向上させ得ることを見出し、本発
明を完成させるに至った。
【０００８】即ち、本発明は、導電性粒子を熱硬化性樹
脂に分散してなる異方性導電接着材料において、該導電
性粒子の１０％圧縮弾性率（Ｅ）と、当該異方性導電接
着材料で接続すべき電子素子の突起状電極の縦弾性率
（Ｅ′）とが以下の関係式（１）
【０００９】
【数３】 ０．０２≦Ｅ／Ｅ′≦０．５ （１） を満たしていることを特徴とする異方性導電接着材料を
提供する。
【００１０】また、本発明は、電子素子の突起状電極
と、配線基板の接続パッドとの間に、導電性粒子を熱硬
化性樹脂に分散してなる異方性導電接着材料を挟持さ
せ、それらを加熱加圧することにより電子素子と配線基
板との導通を確保しながら接続する接続方法において、
異方性導電接着材料として、導電性粒子の１０％圧縮弾
性率（Ｅ）と電子素子の突起状電極の縦弾性率（Ｅ′）
とが上述の関係式（１）を満たしているものを使用する
ことを特徴とする接続方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】本発明の異方性導電接着材料は、導電性粒
子を熱硬化性樹脂に分散してなるフィルム状、ペースト
状又は液状の接着材料であるが、導電性粒子の１０％圧
縮弾性率（Ｅ）と、当該異方性導電接着剤で接続すべき
電子素子の突起状電極の縦弾性率（Ｅ′）とが以下の関
係式（１）
【００１３】
【数４】 ０．０２≦Ｅ／Ｅ′≦０．５ （１） を満たしていることが必要である。これは、Ｅ／Ｅ′が
０．０２を下回ると、導電性粒子の復元力が小さいため
に十分な接続信頼性が確保できず、０．５を超えると導
電粒子が十分に潰れず、やはりに十分な接続信頼性が確
保できないためである。
【００１４】ここで、突起状電極の縦弾性率（Ｅ′）
は、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠する試験方法で測定する
ことができる。また、導電性粒子の１０％圧縮弾性率
（Ｅ）は、ラウンダウーリフシッツ理論物理学教程「弾
性理論」（東京図書1972年発行）42頁に定義されるＫ値
に対応する。このＫ値の意味は以下の通りである。
【００１５】半径がそれぞれＲ、Ｒ’の二つの弾性球体
を圧縮させた状態で接触させるとき、ｈは次式（ｉ）及
び（ii）により与えられる。
【００１６】
【数５】 ｈ＝Ｆ2/3［Ｄ2（１／Ｒ＋１／Ｒ’）］1/3 （ｉ） Ｄ＝（３／４）［（１−σ2）／Ｅ＋（１−σ’2）／Ｅ’］ （ii） ここに、ｈはＲ＋Ｒ’と両球の中心間の距離の差、Ｆは
圧縮力、Ｅ、Ｅ’は二つの弾性球の弾性率、σ、σ’は
弾性球のポアッソン比を表す。
【００１７】一方、球を剛体の板に置き換えて、かつ両
側から圧縮する場合、Ｒ’→∞、Ｅ》Ｅ’とすると、近
似的に次式（iii）が得られる。
【００１８】
【数６】 Ｆ＝（２1/2／３）（Ｓ3/2）（Ｅ・Ｒ1/2）（１−σ2） （iii） ここに、Ｓは圧縮変形量を表す。ここでＫ値を式（iv）
のように定義すると、Ｋ値は式（v）で表される。
【００１９】
【数７】 Ｋ＝Ｅ／（１−σ2） （iv） Ｋ＝（３／√２）・Ｆ・Ｓ-3/2・Ｒ-1/2 （v）
【００２０】このＫ値は球体の硬さを普遍的かつ定量的
に表すものである。このＫ値（即ち、１０％圧縮弾性率
（Ｅ））を用いることにより、微球体又はスペーサー
（以下、スペーサー等という）の好適な硬さを定量的、
かつ一義的に表すことが可能となる。Ｋ値の具体的な測
定方法については、本明細書の実施例において詳細に説
明する。
【００２１】なお、導電性粒子の１０％圧縮弾性率
（Ｅ）自体の数値は、小さすぎると接続信頼性試験にお
いて接続不良になる可能性が高く、大きすぎると初期接
続で導通が取れない危険性や、突起状電極以外における
回路部にダメージを与えてしまう危険性があるため、一
般に３〜３０Ｇｐａとする。また、電子素子の突起状電
極の縦弾性率（Ｅ′）自体の数値は、小さすぎると接続
時に導電粒子が突起状電極に滑り込み、接続不良になる
危険性があり、大きすぎると接続時の圧力が高い場合に
は基板側の回路電極等を破壊する危険性があるので、一
般に４０〜２００Ｇｐａとする。
【００２２】本発明の異方性導電接着材料は、以上のよ
うな特徴を有するが、他の構成については、従来の異方
性導電接着材料と同様とすることができる。
【００２３】例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ
樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などを挙
げることができる。また、熱硬化性樹脂は、アクリル酸
エステル残基やメタクリル酸エステル残基等の光反応性
官能基を有していてもよい。中でも、常温で固形のエポ
キシ樹脂を使用することが好ましい。この場合、常温で
液状のエポキシ樹脂を併用することもできる。常温で固
形のエポキシ樹脂に対する液状のエポキシ樹脂の配合比
率は、フィルム状とする異方性導電接着材料に対する要
求性能に応じて適宜決定することができる。更に、以上
のような固形もしくは液状のエポキシ樹脂からなるフィ
ルムの可撓性の程度をより向上させ、それにより異方性
導電接着材料のピール強度もより向上させる場合には、
それらのエポキシ樹脂に加えて更に可撓性エポキシ樹脂
を併用することが特に好ましい。この場合、本発明の異
方性導電接着材料に使用される可撓性エポキシ樹脂の含
有量は、少な過ぎる場合には可撓性エポキシ樹脂の添加
効果が十分に得られず、多過ぎる場合には耐熱性が低下
するので、好ましくは５〜３５重量％、より好ましくは
５〜２５重量％とする。
【００２４】本発明において使用する導電性粒子として
は、従来より異方性導電接着材料において用いられてい
るような材料の中から前述の式（１）を満たすように適
宜選択して使用することができる。例えば、半田粒子、
ニッケル粒子などの金属粒子や、スチレン樹脂等の樹脂
コア表面に金属メッキ被膜が形成された樹脂コア金属被
覆粒子や、樹脂コアの周囲にシリカなどの無機粉体をハ
イブリダイゼーションにより付着させ、更に金属メッキ
被膜で被覆した複合粒子を使用することができる。
【００２５】導電性粒子の平均粒子径は、接続対象とな
る電子素子のバンプ材料やパンプ高さ等に応じて適宜決
定することができるが、ベアＩＣチップを高密度でフリ
ップチップ実装する場合等には１〜１０μｍの大きさと
することが好ましい。
【００２６】導電性微粒子の配合量は、接続対象となる
電子素子のバンプ面積や配線基板の接続パッド面積等に
応じて適宜決定することができるが、少なすぎると上下
の電極間に導電粒子が挟み込まれず、導通不良となり、
多すぎると導電粒子の凝集により隣接する電極間でのシ
ョートの原因となるので、通常、本発明の異方性導電接
着材料の樹脂固形分１００重量部に対し３〜３０重量部
とすることが好ましい。
【００２７】本発明の異方性導電接着材料には、必要に
応じて、従来の異方性導電接着材料に配合されている公
知の添加剤、例えば、イソシアネート系架橋剤、エポキ
シシラン化合物などのカップリング剤、エポキシ変性シ
リコーン樹脂、あるいはフェノキシ樹脂等の熱硬化性の
絶縁性樹脂を添加することができる。
【００２８】本発明の異方性導電接着材料は、上述した
熱硬化性樹脂と導電性粒子とを必要に応じてトルエンな
どの溶媒中で均一に混合することにより調製することが
できる。液状あるいはペースト状のまま使用してもよ
く、あるいは成膜して熱硬化性異方性導電接着フィルム
として使用することもできる。
【００２９】本発明の異方性導電接着材料は、電子素子
の突起状電極と、配線基板の接続パッドとの間に、導電
性粒子を熱硬化性樹脂に分散してなる異方性導電接着材
料を挟持させ、それらを加熱加圧することにより電子素
子と配線基板との導通を確保しながら接続する異方性導
電接続方法に好ましく適用することができる。
【００３０】ここで電子素子は、突起状電極を有する素
子が対象となる。例えば、ベアＩＣチップ、ＬＳＩチッ
プ等が挙げられる。突起状電極としては、金バンプ、ハ
ンダバンプなどを例示できるが、中でも硬度が高いが相
対的に材料コストの低いニッケルバンプを好ましく使用
することできる。
【００３１】
【実施例】以下、本発明を以下の実験例により具体的に
説明する。
【００３２】なお、導電性粒子の１０％圧縮弾性率
（Ｅ）（即ち、Ｋ値）は、以下に説明するように測定し
た。
【００３３】（導電性粒子の１０％圧縮弾性率（Ｅ）
（Ｋ値）の測定方法） 平滑表面を有する鋼板の上の導電性粒子を散布し、その
中から１個の導電性粒子を選択する。次に、粉体圧縮試
験機（ＰＣＴ−２００型、島津製作所製）を用いて、ダ
イヤモンド製の直径５０μｍの円柱の平滑な端面で導電
性粒子を圧縮する（試験荷重＝０．００９８Ｎ（１０ｇ
ｒｆ）；圧縮速度（定負荷速度圧縮方式）＝２．６×１
０-3Ｎ（０．２７ｇｒｆ）／秒；測定温度＝２０℃）。
この際、圧縮荷重を電磁力として電気的に検出し圧縮変
位を作動トランスによる変位として電気的に検出し、図
１（ａ）に示す圧縮変位−荷重の関係を求める。この図
から導電性粒子の１０％圧縮変形における荷重値と圧縮
変位をそれぞれ求め、これらの値と式（v）から図１
（ｂ）に示すように、圧縮歪みだけでなくＫ値（１０％
圧縮弾性率（Ｅ））を求める。但し、圧縮歪みは圧縮変
位を導電性粒子の粒子径で割った値を％で表したもので
ある。
【００３４】実施例１ エポキシ樹脂（エピコート１００９、油化シェルエポキ
シ（株）製）５０重量部と潜在性硬化剤（ＨＸ３７２
１、旭化成（株）製）４５重量部とを混合した熱硬化性
絶縁性接着剤中に、球状のニッケル粒子に金メッキを施
した導電性粒子（日本化学工業（株）製、平均粒子径６
μｍ、１０％圧縮弾性率（Ｅ）＝４１．６ＧＰａ）５重
量部を均一に分散させたものを成膜することにより３５
μｍ厚の異方性導電接着フィルムを作製した。
【００３５】この異方性導電接着フィルムを半導体チッ
プ（バンプ材質＝Ｎｉ、バンプ高さ＝２０μｍ、バンプ
面積＝１００００μｍ2、縦弾性率（Ｅ′）＝９８ＧＰ
ａ、Ｅ／Ｅ′＝０．４２、外形６．３ｍｍ□）とガラス
エポキシ基板（配線材質＝Ｃｕ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、配
線厚み１８μｍ）との間に挟み、１８０℃、１４７Ｎ
（１５ｋｇｆ）、２０ｓｅｃの条件下で熱プレスするこ
とにより両者を接続した。得られた接続体の１端子あた
りの初期導通抵抗は５〜１０ｍΩであり、良好な接続状
態であった。また、接続体に対して１００時間のプレッ
シャークッカーテスト（ＰＣＴ）（１２１℃、０．２１
３Ｍｐａ（２．１ａｔｍ）、飽和湿度環境）を行った
が、ＰＣＴ後の導通抵抗値と初期導通抵抗値との間に大
きな変動はなかった。
【００３６】実施例２ 実施例１で調製した熱硬化性絶縁性接着剤中に、球状の
ベンゾグアナミン樹脂の粒子に金メッキを施した導電粒
子（日本化学工業（株）製、平均粒子径５μｍ、１０％
圧縮弾性率Ｅ＝４．７ＧＰａ、Ｅ／Ｅ′＝０．０４８）
５重量部を均一に分散させたものを成膜することにより
３５μｍ厚の異方性導電接着フィルムを作製した。この
異方性導電接着フィルムを使用して実施例１と同様に半
導体チップとガラスエポキシ基板とを接続して接続体を
得た。得られた接続体の１端子あたりの初期導通抵抗は
５〜１０ｍΩであり、良好な接続状態であった。また、
接続体に対して１００時間のプレッシャークッカーテス
ト（ＰＣＴ）（１２１℃、０．２１３Ｍｐａ（２．１ａ
ｔｍ）、飽和湿度環境）を行ったが、ＰＣＴ後の導通抵
抗値と初期導通抵抗値との間に大きな変動はなかった。
【００３７】実施例３ 実施例１で調製した熱硬化性絶縁性接着剤中に、球状の
ベンゾグアナミン樹脂をシリカで被覆し、更にその外側
に金メッキを施して得られた導電性粒子（日本化学工業
（株）製、平均粒子径７μｍ、１０％圧縮弾性率（Ｅ）
＝２１．６ＧＰａ、Ｅ／Ｅ′＝０．２２）５重量部を均
一に分散させたものを成膜することにより３５μｍ厚の
異方性導電接着フィルムを作製した。この異方性導電接
着フィルムを使用して実施例１と同様に半導体チップと
ガラスエポキシ基板とを接続して接続体を得た。得られ
た接続体の１端子あたりの初期導通抵抗は５〜１０ｍΩ
であり、良好な接続状態であった。また、接続体に対し
て１００時間のプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）
（１２１℃、０．２１３Ｍｐａ（２．１ａｔｍ）、飽和
湿度環境）を行ったが、ＰＣＴ後の導通抵抗値と初期導
通抵抗値との間に大きな変動はなかった。
【００３８】比較例１ 実施例１で調製した熱硬化性絶縁性接着剤中に、球状の
ポリスチレン樹脂に金メッキを施した導電性粒子（日本
化学工業（株）製、平均粒子径５μｍ、１０％圧縮弾性
率（Ｅ）＝１．５ＧＰａ、Ｅ／Ｅ′＝０．０１５）５重
量部を均一に分散させたものを成膜することにより３５
μｍ厚の異方性導電接着フィルムを作製した。この異方
性導電接着フィルムを使用して実施例１と同様に半導体
チップとガラスエポキシ基板とを接続したところ、電極
間に挟まれた導電性粒子は押し潰された状態（即ち、導
電粒子が破壊した状態）となったが、得られた接続体の
１端子あたりの初期導通抵抗は５〜１０ｍΩであった。
しかし、接続体に対して１００時間のプレッシャークッ
カーテスト（ＰＣＴ）（１２１℃、０．２１３Ｍｐａ
（２．１ａｔｍ）、飽和湿度環境）を行ったところ、Ｐ
ＣＴ後の導通抵抗は初期導通抵抗値から大きく上昇して
おり、接続信頼性が大きく低下した。
【００３９】比較例２ 実施例１にて作製した異方性導電接着フィルムを半導体
チップ（バンプ材質＝Ａｕ、バンプ高さ＝２０μｍ、バ
ンプ面積＝１００００μｍ2、縦弾性率（Ｅ′）＝７
６．４ＧＰａ、Ｅ／Ｅ′＝０．５４、外形６．３ｍｍ
□）とガラスエポキシ基板（配線材質＝Ｃｕ、Ｎｉ／Ａ
ｕメッキ、配線厚み１８μｍ）との間に挟み、１８０
℃、１４７Ｎ（１５ｋｇｆ）、２０ｓｅｃの条件下で熱
プレスすることにより両者を接続した。得られた接続体
の１端子あたりの初期導通抵抗は５〜１０ｍΩであり、
良好な接続状態であった。しかし、接続体に対して１０
０時間のプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）（１２
１℃、０．２１３Ｍｐａ（２．１ａｔｍ）、飽和湿度環
境）を行ったところ、ＰＣＴ後の導通抵抗は初期導通抵
抗値から大きく上昇しており、接続信頼性が大きく低下
した。
【００４０】
【発明の効果】本発明の異方性導電接着材料によれば、
突起状電極を備えたベアＩＣチップなどの電子素子と配
線基板の接続パッドとを異方性導電接続する際に、突起
状電極としてニッケルバンプなどの比較的硬いバンプを
使用した場合であっても、金バンプやハンダバンプを使
用した従来の異方性導電接続と変わらない接続信頼性を
確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】荷重と圧縮変位との関係図（同図（ａ））及び
圧縮歪みとＫ値との関係図（同図（ｂ））である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F044 KK01 LL09 QQ03 5G301 DA02 DA10 DA29 DA53 DA57 DA59 DD03 5G307 HA02 HB03 HB06 HC01

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導電性粒子を熱硬化性樹脂に分散してな
    る異方性導電接着材料において、該導電性粒子の１０％
    圧縮弾性率（Ｅ）と、当該異方性導電接着材料で接続す
    べき電子素子の突起状電極の縦弾性率（Ｅ′）とが以下
    の関係式（１） 【数１】 ０．０２≦Ｅ／Ｅ′≦０．５ （１） を満たしていることを特徴とする異方性導電接着材料。
  2. 【請求項２】 該導電性粒子の平均粒径が１〜１０μｍ
    である請求項１記載の異方性導電接着材料。
  3. 【請求項３】 電子素子の突起状電極がニッケルから構
    成されている請求項１又は２記載の異方性導電接着材
    料。
  4. 【請求項４】 電子素子の突起状電極と、配線基板の接
    続パッドとの間に、導電性粒子を熱硬化性樹脂に分散し
    てなる異方性導電接着材料を挟持させ、それらを加熱加
    圧することにより電子素子と配線基板との導通を確保し
    ながら接続する接続方法において、異方性導電接着材料
    として、導電性粒子の１０％圧縮弾性率（Ｅ）と電子素
    子の突起状電極の縦弾性率（Ｅ′）とが以下の関係式
    （１） 【数２】 ０．０２≦Ｅ／Ｅ′≦０．５ （１） を満たしているものを使用することを特徴とする接続方
    法。
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