JP2005240020A - 先端材料用のポリマーを有する組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】 銅表面の初期の不動態化を必要とせず、銅表面に接着し、85℃と85%相対湿度の環境での加速エイジング試験、熱サイクル性試験、はんだ暴露抵抗性試験でも安定性を提供する抵抗器組成物、さらに温度抵抗率を有するように設計した導電性相の提供。
【解決手段】 250℃よりも高いガラス転移温度、および2%以下の吸水率を有するポリマーと、1種または複数の金属もしくは金属化合物と、有機溶媒とを含む組成物であり、該ポリマーがポリノルボルネン、ポリアリレートおよびそれらの混合物からなる群から選択される。
【選択図】 なし

Description

本発明は、組成物と、先端材料を製造するためのその組成物の使用とに関する。詳細には、組成物は電子デバイス構造の製造および他の電子工学的用途に使用される。
電子回路には、抵抗器、コンデンサー、インダクター、導電体、熱伝導体、接着剤、封止材など多くの電子素子が必要である。これらの素子は、いわゆるポリマー厚膜ペーストを加工するスクリーンもしくはステンシル印刷技術を用いて、または適切な組成物のスピンコーティングもしくはキャスティングによって、セラミックもしくはポリマー材料から製造することができる。セラミックペーストは一般にセラミック基板上に印刷され、続いて900℃またはそれ以上の温度で焼成してセラミック素子が形成される。セラミックペースト用のバインダーはガラスであり、組成物に使用される機能性充填材を封止する。ポリマーベースの材料は一般に、熱可塑性もしくは熱硬化性ポリマー材料からなる有機基板上に印刷される。これらのポリマーベース基板は、熱酸化安定性および寸法安定性を保つために一般に200℃以下から300℃の加工温度を必要とする。ポリマー電子素子用のバインダーは一般に熱硬化性エポキシおよびフェノールポリマーである。
受動電子素子(受動体)を印刷回路基板、一般的にはFR4基板の中に埋め込むか、または集積化することは最近の傾向である。埋め込まれた受動体では、回路のサイズとコストを減らし、層数を減らし、高周波性能を向上させ、はんだ接合を省いて信頼性を向上させ、小さな電子デバイスの機能性を増加させる可能性がある。しかし、1個または複数の欠陥がある受動素子が埋め込まれた多層回路基板を手直しする選択肢は限られているので、埋め込まれた受動体は高い性能基準に適合し、高い歩留まりで製造しなければならない。したがって、表面実装受動体、特に抵抗器、コンデンサー、インダクターを埋め込み受動体へ移行するには大きな技術的および経済的な障害がある。
ポリマー厚膜(PTF)抵抗器の組成物はスクリーン印刷可能な液体またはペーストであり、電子用途に抵抗素子を形成するのに使用される。PTF抵抗器の組成物は、バインダー系と、導電性材料(通常、微粉の形態)と、適切な有機溶媒とを含む。現在、市場で入手可能な主要なPTF抵抗器ペーストは、炭素またはグラファイトの粉体を導電性相として有する、熱硬化性または熱可塑性樹脂ペーストである。炭素を含有するPTF抵抗器ペーストは、スクリーン印刷、ステンシル印刷、または他の技術を用いて適切な基板上に塗工することができる。乾燥プロセスに続いて、印刷されたペーストは、比較的低い温度で硬化される。硬化したポリマーバインダーは収縮して導電性粒子を互いに圧縮し、粒子間に電気的な伝導性をもたらす。系の抵抗率は、それらの粒子サイズと充填量と同様に、ポリマーバインダーに組み込まれた材料の抵抗率に依存する。
PTF抵抗器の抵抗率は、導電性粒子間の距離に大きく依存する。その結果、PTF抵抗器には、高い温度と高い湿度環境で抵抗率の変化が認められない安定性が必要である。PTF抵抗器の安定性は、85℃と85%相対湿度の環境での加速エイジング試験、熱サイクル性能試験、はんだ暴露抵抗性試験を含み、いくつかの知られた試験測定法で測定することができる。高性能のPTF抵抗器は、これらの試験の後、あったとしても大きな抵抗率の変化は示さないであろう。
また、PTF材料はウェーブおよびリフローはんだ作業での複数回のはんだに暴露され得る。これらの熱振幅も、特に銅の上に直接印刷されるとき、従来のPTF抵抗器の不安定性の原因である。
Xiらは、高温溶融金属、低温溶融金属、ポリマーバインダー系、および溶媒を含むPTF抵抗器組成物について述べている(例えば、特許文献1参照)。好ましいポリマー結合系はエポキシベース系である。記載されているように、抵抗率の熱係数(TCR)は、バインダーの熱膨張に依存し、大部分の用途には低いTCRが必要である。
現在の多くの抵抗器組成物は銅への接着が弱く、したがって抵抗器ペーストのスクリーン印刷の前に、銅の導体線の予備処理が必要である。現在、銅表面を不動態化して、これにより銅表面の酸化の問題を避けるためには、高価な銀浸漬プロセスが使用される。追加されたプロセスステップは時間がかかりコスト高になる。その結果、最初の銅表面の不動態化を必要としない抵抗器組成物の開発がやはり必要とされている。
米国特許第5,980,785号明細書 米国特許第4,814,107号明細書
このように、本発明の目的は、銅表面の初期の不動態化を必要とせず、銅表面に接着し、85℃と85%相対湿度の環境での加速エイジング試験、熱サイクル性能試験、はんだ暴露抵抗性試験でも安定性を提供する抵抗器組成物を提供することである。さらに本発明の他の目的は、低い温度抵抗率を有するように設計した導電性相を提供することである。
本発明は、250℃よりも高いガラス転移温度、および2%以下の吸水率を有するポリマーと、1種または複数の金属もしくは金属化合物と、有機溶媒とを含む組成物に関する。ポリマーは、1種または複数の架橋剤と架橋することのできる部位を任意選択的に含むことができる。
また、本発明は、250℃よりも高いガラス転移温度、2%またはそれ以下の吸水率、および約20から65ppm/℃の間の熱膨張率を有するポリマーと、有機溶媒とを含む組成物に関する。多くの組成物は、180℃未満の硬化温度を有するであろう。
また、本発明は、250℃よりも高いガラス転移温度、2%以下の吸水率を有するポリマーと、1種または複数の金属もしくは金属化合物と、有機溶媒とを混合して、硬化させていない組成物を提供し、硬化させていない組成物を基板上に塗工し、塗工した組成物を硬化することを含む電子素子の製造方法に関する。
このポリマーを含む本発明の組成物は、抵抗器、個別のもしくは平面状のコンデンサー、インダクター、電気的および熱的な導体などの電子素子の製造に使用することができる。また、組成物は、封止材、導電性接着剤、および集積回路実装材料など多くの電子工学的用途に使用することができる。
本発明は、250℃よりも高いガラス転移温度、2%以下の吸水率、および約20から65ppm/℃の間の熱膨張率を有するポリマーと、1種または複数の金属もしくは金属化合物と、有機溶媒とを含む組成物に関する。吸水率の量は、当業者には既知の方法であるASTM D−570によって決定される。用語「ガラス転移温度」は、ポリマー化学の技術分野の当業者であればよく理解されており、よく知られた手順によって決定される。
また、本出願人は290℃よりも高いガラス転移温度、または310℃よりも高いポリマーは、硬化した組成物、すなわち好ましい特性を有する材料を提供する傾向があることを観察した。
また、本出願人は、1.5%以下、または1%以下の吸水率を有する組成物に使用されるポリマーは、好ましい特性を有する硬化した材料を提供する傾向があることを観察した。
ある用途において、本発明の組成物に架橋可能なポリマーを使用することは、対応する架橋することができないポリマーよりも重要な性能上の利点を提供することができる。ポリマーが熱硬化の間に架橋剤と架橋することのできる能力により、電子的なコーティングに熱的抵抗性と湿度抵抗性を向上させることができる。得られる架橋したポリマーは、バインダーマトリックスを安定化し、硬化したコーティング組成物のTgを高め、化学抵抗性を高め、または熱的安定性を高めることができる。また、架橋基を含まないポリマーに比べると、わずかに低いTg、またはわずかに高い湿度吸収性も許容することができる。
架橋可能なポリマーと一緒に使用できる熱架橋剤の例には、ブロック化イソシアナート剤などのヒドロキシル−キャッピング剤、ポリヒドロキシスチレン、ノボラック樹脂、ビスフェノール、ジアミン、クレゾールホルムアルデヒド樹脂が含まれる。好ましい架橋剤は、ビスフェノールエポキシ樹脂、フェノールと芳香族炭化水素のエポキシ化コポリマー、エピクロルヒドリンとフェノールホルムアルデヒドのポリマー、1,1,1−トリス(p−ヒドロキシフェニル)エタントリグリシジルエーテルからなる群から選択される。
一つの実施形態では、組成物はポリノルボルネン(PNB)、ポリアリールエート(polyarylate)(PA)、およびその混合物からなる群から選択されるポリマーを含む。この組成物に使用されるPNBポリマーまたはPAポリマーは、1%以下の吸水率を有することが好ましい。
他の実施形態では、この組成物は、290℃よりも高いガラス転移温度、および1%以下の吸水率を有するPNBポリマーまたはPAポリマーを含む。
本発明の組成物は、式Iの分子単位で示される架橋可能な部位のないPNBポリマーを含むことができる。
Figure 2005240020
式中、Rは独立して水素および(C〜C10)アルキルから選択される。用語「アルキル」は、直鎖、分岐鎖、または環状の配置の1個から10個の炭素を有するアルキル基を含む。アルキル基の例には、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチルを含む。
本発明の組成物は、式IIの分子単位で示した架橋可能な部位を有するPNBポリマーを含むことができる。
Figure 2005240020
式中、Rは架橋または網目を形成する反応に関与することの可能なペンダント基である。例には、エポキシド、アルコール、シリルエーテル、カルボン酸、tert−ブチルエステルなどのエステル、無水物を含み、PNBポリマー中の式Iに対する式IIの分子単位のモル比は0より大きくから約0.4まで、または0よりも大きくから約0.2まで。PNBポリマー中の架橋可能なエポキシ基は、組成物が硬化されるとき、ポリマーが本発明の組成物中の1種または複数の架橋剤と架橋することのできる部位を提供する。硬化した材料を改善するには、PNBポリマー中に少量の架橋可能な部位しか必要としない。例えば、組成物は、上で定義したモル比が0より大きくから約0.1までのPNBポリマーを含むことができる。
また、本出願人は、組成物中に架橋可能なPNBポリマーを使用することによって、対応する架橋することができないPNBポリマーよりも重要な性能上の利点を提供することができることを観察した。PNBポリマーが熱硬化の間に架橋剤と架橋することのできる能力は、電子的なコーティングに熱的抵抗性と湿度抵抗性の向上を提供する。得られる架橋したポリマーは、バインダーマトリックスを安定化し、硬化したコーティング組成物のTgを高め、化学抵抗性を高め、または熱的安定性を高めることができる。
組成物は有機溶媒を含む。ポリマーと共に、有機溶媒は、組成物が微細に分離されて固体として分散させるのに役立つ。したがって、有機溶媒は、固体が十分に安定して分散可能なものでなければならない。また、溶媒は、分散物に良好なスクリーン印刷の用途特性を提供するように、十分に高い沸点をもたなければならない。
本出願人は、ある種の有機溶媒が特に本発明の組成物に適していることを見出した。溶媒の例には、エーテルアルコール、環状アルコール、酢酸エーテル、エーテル、酢酸塩、環状ラクトン、芳香族エステルからなる群から選択される。溶媒の選択は、組成物に使用されるポリマーに部分的に依存する。一般に、組成物中のポリマーが主としてPNBであれば、Downol(登録商標)PPHが好ましい溶媒であり、組成物中のポリマーが主としてPAであれば、メチルベンゾアートが好ましい溶媒である。無論、溶媒の任意の混合物も本発明の組成物に使用することができる。
厚膜ペーストの大部分は、スクリーン印刷、ステンシル印刷、分配、フォトイメージ化または予め形成したパターン中へのドクターブレード塗工、または当業者の知る他の技術によって基板に塗工される。これらの組成物は、プレス、積層、押し出し、成形等を含んで、複合材産業で使用される他の任意の技術によって形成することもできる。しかし、厚膜組成物の大部分は、スクリーン印刷によって基板に塗工される。したがって、それらはスクリーンを容易に通過できるように適切な粘度をもたなければならない。さらに、それらは、スクリーン印刷されると速やかに固定され、それによって良好な解像度を与えるように、シキソトロピック(揺変性)でなければならない。流動特性は重要であるが、有機溶媒は、固体と基板への適切な濡れ性、良好な乾燥速度、乱暴な取り扱いに十分耐える乾燥膜の強度を提供しなければならない。
ペーストまたは液状の組成物の硬化は、対流加熱、強制空気対流加熱、気相凝縮加熱、伝導加熱、赤外加熱、誘導加熱、または当業者によって知られた他の技術を含む任意の多くの標準的な硬化方法によって達成される。
ポリマーが本発明の組成物に提供する利点の1つは、比較的低い硬化温度である。多くの組成物は180℃よりも低い温度で妥当な時間で硬化することができる。
180℃は硬化するプロファイルで到達することのできる最高温度ではないことを理解すべきである。例えば、組成物は短い赤外による硬化で約270℃までの最高温度を用いて硬化することもできる。用語「短い赤外による硬化」は、5分間から30分間の高温スパイクを有する硬化するプロファイルを提供することと定義される。温度スパイクは、硬化プロファイルに用いられる平均温度よりも約40℃から約120℃高い。
電子コーティング用途向けの異なるコーティング組成物は、必要な電気的、熱的または絶縁特性を獲得するように異なる機能性充填材を必要とする。抵抗器および導体用の機能性充填材は、1種もしくは複数の金属または金属化合物を含み、例えば、ルテニウム酸化物、および本明細書に開示の全体を参照して組み込まれている特許に記載されている他の抵抗器材料(例えば、特許文献2参照)を含むが、これらに制限されない。
用語「金属化合物」は、IIIA族、IVA族、VA族、VIA族、またはVIIA族の元素の2種以上の金属または1種以上の金属の混合物であると定義される。特に、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、および金属ホウ化物を含む金属化合物は本発明の組成物に使用することができる。
コンデンサー用の機能性充填材には、チタン酸バリウム、ニオブ酸マグネシウム鉛、酸化チタンが含まれるが、これらに制限されない。封止用の機能的充填材には、ヒュームド・シリカ、アルミナ、二酸化チタンが含まれるが、これらに制限されない。封止剤組成物は、有機バインダー系だけを使用して、充填されないこともでき、これは封止された素子のより良好な検査のために透明なコーティングを提供する利点を有する。熱伝導性コーティングの機能性充填材には、窒化バリウム、グラファイト、酸化ベリリウム、銀、銅、ダイアモンドが含まれるが、これらに制限されない。
PTF材料は、特にフレキシブルメンブレンスイッチ、タッチキーボード、自動車部品および通信の市販製品に広く受け入れられている。これらの組成物は、ポリマーバインダー内に分散された抵抗性充填材料を含む。組成物は、比較的低い温度、すなわち組成物中の溶媒の除去とポリマーバインダー系の硬化に必要な温度で加工することができる。得られる抵抗器に必要な実際の抵抗率/導電率は電子用途に応じて変化する。
抵抗素子は通常PTF組成物またはインクをシート上にパターン印刷することによって調製される。シート全体に均一な抵抗率を有することは重要である。すなわち、シートの片面の素子の抵抗率は、その反対面の素子の抵抗率と同じでなければならない。抵抗率の変動は歩留まりを大きく低下させる。
さらに、抵抗素子は組成および機能の両方で安定していなければならない。明らかに、抵抗器の最も重要な特性の1つは、経時的におよびある種の環境的な負荷の条件下で抵抗器が安定していることである。PTF抵抗器の抵抗率が経時的にまたは電子デバイスの寿命の間に変化する程度は、性能にとって重要であり得る。また、PTF抵抗器は印刷回路基板の内層に積層され、複数回のはんだに曝されるので、熱的な安定性が必要である。ある程度の抵抗率の変化は許容し得るが、一般に抵抗率の変化は5%未満でなければならない。
抵抗率は硬化したPTF抵抗器中の機能性充填材、すなわち抵抗器材料の間隔または容積の変化によって変化し得る。容積変化の程度を最小限に抑えるために、ポリマーは、硬化したポリマーバインダーが高湿度の環境に曝されたときに膨張しないよう、吸水率が低くなければならない。さもなければ、抵抗器の粒子の間隔が変化し、抵抗率の変化を招く。
また、抵抗器は、電子デバイスがさらされ易い温度範囲の温度で抵抗率変化が小さい必要がある。抵抗率の熱係数は一般に200ppm/℃未満と低くなければならない。
本発明の組成物はポリマー厚膜(PTF)抵抗器を提供するのに特に適している。この組成物から作られたPTF抵抗器は、優れた抵抗器特性を有し、比較的高い湿度環境中でも熱的に安定である。例えば、多くのPTF抵抗器は、抵抗率の変化が約10%を超えない。PTF抵抗器の大部分は、抵抗率の変化が約15%を超えない。熱および湿度に起因する抵抗率変化を小さくするために、ポリマーは比較的高いTgと比較的低い吸湿率により特徴つけられる。本出願人は、大部分の安定なポリマーマトリックスは、2%以下、好ましくは1.5%以下、さらに好ましくは1%以下の低い吸湿率を有する架橋可能な、高いTgのポリマーを使用することによって達成されることを見出した。
有用であることが判明したもう1つの手法は、充填材をポリイミド溶液と混合する前に、機能性充填材を表面処理剤で処理することである。シラン剤、γ−アミノプロピルトリメトキシシランは、本発明のPTF抵抗器組成物に使用される金属酸化物の機能性充填材を処理するのに特に有用であることが判明した。シランは酸化物の表面と反応して共有結合を形成し、ペンダントアミノ基は架橋剤と反応すると考えられている。シラン剤は硬化した材料中のポリマーバインダーの架橋を効果的に増加させ、したがって、PTF抵抗器中の粒子成分を安定化させる。その結果、PTF抵抗器は、熱的および高湿度のエイジング試験および加速試験の間の性能が向上する。シラン剤による表面処理は、ポリイミド溶液中への機能性充填材の分散性も向上させる。チタン酸塩もPTF抵抗器の特性を高めるために表面処理剤として使用することができる。
本発明の液体状またはペースト状の組成物は、1種または複数の金属接着剤をさらに含むことができる。好ましい金属接着剤は、ポリヒドロキシフェニルエーテル、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドからなる群から選択される。
予期しなかったことであるが、PTF抵抗器に対しては、フェノキシ樹脂PKHH、ポリヒドロキシフェニルエーテルの添加によって化学的に洗浄された銅への接着が向上することが判明した。これにより、PTF抵抗器のはんだ暴露および加速熱エイジングに対する性能を大きく向上させることが判明した。−25℃から125℃の熱サイクルおよび85℃/85%RH熱サイクル試験の両方で性能が大きく向上した。実際に、PNBとPAポリマーおよびフェノキシ樹脂の組合せは、高価な複数工程の銀浸漬処理を銅に施す必要がないという限度で、PTF抵抗器の接着特性を大きく向上させた。さらに、接着促進剤の2−メルカプトベンズイミダゾール(2−MB)は、特に機能性充填材を多く充填するとき、PTF抵抗器のはんだ暴露への安定性を僅かに向上させることが判明した。
また、PNBとPAポリマーは、金属および金属化合物を含まない溶液で提供することもでき、封止材として、またはICおよびウェーハレベル実装における、半導体ストレス緩和剤、相互接続誘電体、保護コーティング(例えば、擦傷保護、不動態化、エッチングマスク等)、接合パッド再配分、はんだバンプアンダーフィルとして使用することができる。この組成物によって提供される利点の1つは、180℃未満の低い硬化温度、または短期間の最高温度270℃の短いIRによる硬化である。現在の実装には約300℃+/−25℃の硬化温度が必要である。
本発明の利点を以下の実施例に示す。
本発明の組成物の調製と試験に使用した方法および試験手段、および比較実施例は以下の通りである。
3ロール粉砕
3ロール粉砕機を使用してペーストを全体に<5μの粉砕粉末度(FOG)に粉砕する。ギャップは1ミル(25.4μm)に調節する。ペーストは、FOGが<5μになるまで0、50、100、150、200、250psiで3回ロール粉砕する。粉砕粉末度はペーストの粒子サイズの測定値である。少量のペーストのサンプルを粉砕ゲージの上端(25μの印)に置く。ペーストを金属スキージーで粉砕ゲージの長さに押し下げる。FOGはx/yとして与えられ、xは粉砕ゲージ上に4個以上の連続的な線が始まるときの粒子サイズ(ミクロン)であり、yはペーストの平均粒子サイズ(ミクロン)である。
スクリーン印刷
230または280メッシュのスクリーンおよび硬度70のスキージーをスクリーン印刷に使用する。印刷機は、8インチ×10インチ(20.3cm×25.4cm)のスクリーンで、スクリーンと基板表面の間のスナップオフ距離が典型的に35ミル(762μm)になるように設定する。下方ストップ(スキージーの上下動の機械的な限界)は5ミル(127μm)に予め設定する。使用したスキージーの速度は典型的に1インチ/秒(2.54cm/秒)、印刷−印刷モード(前進1回、後退1回の2回の印刷)を用いる。ペースト当たり最低20個の試験片を印刷する。ペーストを全ての基板に印刷した後、最低10分間静置(気泡が消えるように)し、次いで強制換気炉中にて170℃で1時間硬化させる。
はんだフロート
サンプルを60/40のスズ/鉛はんだ中に3×10秒浮かべ、はんだ暴露の中間は最低3分間あけてサンプルを室温近くまで冷却する。
85℃/85%RH試験
最低3個のカバー被覆していない試験片を85℃/85%RHチャンバー中に置き、85℃/85%RHで125、250、375、500時間エージングする。暴露時間に達した後、サンプルをチャンバーから取り出し、銅リードの酸化物をワイアブラシで除去し、直ちに抵抗率を測定する。
熱サイクル
カバー被覆していない硬化した抵抗器のサンプルを、10℃/分の加熱と冷却の速度で、−25℃から+125℃の熱サイクルで150から200サイクルにかけ、サンプルは極度に高い温度で30分間保持される。
ESD
5,000ボルトを5回、2,000ボルトを10回与えた後、抵抗率の変化を測定する。
TCR
TCR(抵抗率の温度係数)は、125℃での熱TCR(HTCR)と、−40℃での冷TCR(CTCR)の両方を測定し、ppm/℃で記録する。
各サンプルは、各々8個の抵抗器を含む最低3個の試験片を使用する。自動化TCRで結果を平均化する。
ポリマー膜吸湿試験
これらは、ASTM D570法により決められたポリマーの報告値である。
以下の組成物は使用した各成分の重量%で表している。以下の用語解説は使用した各成分の名前および略称を含む。
PNB溶液 Dowanol(登録商標)PP
H中固形分20%のPromer
us製ポリノルボルネンAppe
ar−3000B。
エポキシ−PNB溶液 ベータ−テルピネオール中固形分
30%のPromerus製エポ
キシ含有ポリノルボルネン。
フェノキシ樹脂PKHH溶液 70/30のDowanol(登
録商標)DPM/ジメチレングリ
コールエチルエーテルアセテート
中に溶解した固形分23.89%
のInChem Corp.製ポ
リヒドロキシフェニルエーテル。
AryLite(商標)A1000 Tg325℃、吸湿率0.3%の
Ferrania製ポリアリール エート(Polyarylate)。
Appear(商標)−3000B Tg330℃、吸湿率0.03%
のPromerus製ポリノルボ
ルネン。
Udel(登録商標) Tg190℃、吸湿率1.3%の
ポリスルホン。
Radel(登録商標)R−5000 ビスフェノールAとジクロロジフ
ェニルスルホンをベースにするポ
リフェニルスルホン。ポリマーは
220℃のTg、および1.1%
の吸湿率を有する。
Torlon(登録商標) NMP中、20%溶液としての無
水トリメリット酸とベンジジンの
ポリアミドイミド。ポリマーは3
00℃のTg、および2.5%の
吸湿率を有する。
Lexan(登録商標) ビスフェノールAをベースにする
GE製ポリカーボナート。
PHS DuPont製ポリヒドロキシス チレン。Electronic
Polymers
2−エチル−4−メチルイミダゾール Aldrich製エポキシ反応用
触媒。
2−メルカプトベンズイミダゾール(2−MB) Aldrich製接着促進剤。
二酸化ルテニウム(P2456) DuPont製、抵抗器材料。
Microcircuit
Materials
表面積12m/g
ルテニウム酸ビスマス(P2280) DuPont製、抵抗器材料。
Microcircuit
Materials
表面積9〜10m2/g。
銀(P3023) DuPont製、抵抗器材料。
Microcircuit
Materials
表面積2.2〜2.8m/g。
アルミナ(R0127) 非導電性充填材。表面積7.4か
ら10.5m/g。
チタン酸バリウム(Z9500) Ferro製コンデンサー材料。
表面積3.6m/g、平均粒子
サイズ1.2ミクロン。
窒化アルミニウム Alfa Aesar製熱伝導性
材料。平均粒子サイズ<4ミクロ
ン。
ヒュームド・シリカ(R972) Degussa製粘度修正剤。表
面積90〜130m/g。
グラファイト(HPN−10) Dixon Ticondrog
a Co.製天然グラファイト。
表面積0.5m/g。
(実施例1および2)
PNBポリマーを有する実施例1の組成物と、PAポリマーを有する実施例2の組成物を用いてPTF抵抗器を調製した。PNBポリマーとPAポリマーの両方とも低い吸湿率と高いTgを有している。得られるPTF抵抗器は、230℃での優れたはんだフロート性と85℃/85%RHでの優れた試験結果を示す。
ポリマー 実施例
1 2
Appear(商標)3000−B 10
AryLite(商標)A100 10
二酸化ルテニウム粉 21.6 21.6
ルテニウム酸ビスマス粉 15.7 15.7
銀粉 5.0 5.0
アルミナ 4.5 4.5
Dowanol PPH 56
BLO 56
Tg(℃) HO吸収% 抵抗率変化%
はんだフロート 85℃/
(3×10秒) 85%RH
230℃ 260℃ 288℃ (500時間)
実施例1 330 0.03 −0.9 28.4 205 +1.8
実施例2 325 0.4 −1.5 32.9 − −3.4
(実施例3)
架橋可能なエポキシ部位を有するPNBポリマーをPTF抵抗器組成物の調製に使用した。組成物は、ポリマーのエポキシ部位と反応するPHSおよび接着促進剤のフェノキシ樹脂も含む。抵抗器ペーストは化学的に洗浄された銅へ直接印刷した。すなわち、導体の銀浸漬予備処理をしないで直接印刷した。PTF抵抗器組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
二酸化ルテニウム粉 27.46
ルテニウム酸ビスマス粉 19.89
銀粉 6.44
アルミナ粉 5.76
エポキシ−PNB 5.76
フェノキシ樹脂PKHH 4.75
PHS 3.28
2−エチル−4−メチルイミダゾール 0.11
ベータ−テルピネオール 26.55
混合物は1ミル(25.4μm)のギャップで、各々0、50、100、200、250、300psiで3回ロール粉砕して、5/2ミクロンの粉砕粉末度を得た。ペーストは、280メッシュのスクリーンおよび硬度70のスキージーを用いて、10psiのスキージー圧力で40および60ミル(1,016および1,524μm)の抵抗器パターンを事前の化学的な洗浄を行わないでFR−4基板上に印刷した。サンプルを強制換気炉中において170℃で1時間焼成した。硬化した抵抗器の特性を以下に示す。はんだフロート試験の結果の向上が観察された。
抵抗率(オーム/平方) 198
厚さ(ミクロン) 8.1
HTCR(ppm/℃) 149
CTCR(ppm/℃) 241
40ミル抵抗器の%抵抗率の変化:
288℃はんだ、10秒で3回のフロート後 2.4
85℃/85%RHで500時間後 −3.1
熱サイクル(−25℃から125℃)後 −2.2
ESD(5,000vで5パルス)後 −0.12
(実施例4)
架橋できないPNBポリマーを用いてPTF抵抗器組成物を調製した。再び、抵抗器ペーストを導体パターンの銀浸漬予備処理を行わずに、化学的に洗浄した銅に直接印刷した。組成物は優れた抵抗器の特性を提供した。PTF抵抗器組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
二酸化ルテニウム粉 38.99
ルテニウム酸ビスマス粉 28.28
銀粉 9.07
アルミナ粉 8.08
PNB溶液 11.63
フェノキシ樹脂PKHH溶液 3.91
2−MB(NMP中で10%の固形分) 0.04
混合物は1ミル(25.4μm)のギャップで、各々0、50、100、200、250、300psiで3回ロール粉砕して、5/2ミクロンの粉砕粉末度を得た。ペーストは、280メッシュのスクリーンおよび硬度70のスキージーを用いて、10psiのスキージー圧力で40および60ミル(1,016および1,524μm)の抵抗器パターンを化学的な洗浄を行ったFR−4基板上に印刷した。サンプルを強制換気炉中にいて、170℃で1時間焼成した。硬化した抵抗器の特性を以下に示す。TCR測定用のサンプルは残留溶媒の除去を確実にするため、最初に加熱した。
抵抗率(オーム/平方) 90
厚さ(ミクロン) 11.5
HTCR(ppm/℃) −156
CTCR(ppm/℃) 172
40ミル抵抗器の抵抗率の変化%:
288℃はんだ、10秒で3回のフロート後 10.1
85℃/85%RHで500時間後 2.1
熱サイクル(−25℃から125℃)後 2.1
ESD(5,000vで5パルス)後 −0.02
(実施例5)
PNBポリマーを使用してグラファイトを含有するPTF抵抗器組成物を調製した。抵抗器組成物は、導体パターンの銀浸漬予備処理を行わずに、化学的に洗浄した銅に直接印刷した。PTF抵抗器組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
二酸化ルテニウム粉 14.83
ルテニウム酸ビスマス粉 2.26
銀粉 15.48
グラファイト粉 16.13
PNB溶液 27.97
フェノキシ樹脂PKHH溶液 14.03
Dowanol(登録商標)PPH 9.30
混合物は1ミル(25.4μm)のギャップで、各々0、50、100、200、250、300psiで3回ロール粉砕して、5/2ミクロンの粉砕粉末度を得た。ペーストは、280メッシュのスクリーンおよび硬度70のスキージーを用いて、10psiのスキージー圧力で40および60ミル(1,016および1,524μm)の抵抗器パターンを化学的な洗浄を行ったFR−4基板上に印刷した。サンプルを強制換気炉中において170℃で1時間焼成した。硬化した抵抗器の特性は、以下の通りであった。
抵抗率(オーム/平方) 25.4
厚さ(ミクロン) 15.3
(比較実施例1から4)
いくつかの市販の熱可塑性ポリマー系を試験して、抵抗器PTF組成物における性能を評価した。これらの組成物は熱架橋剤または接着促進樹脂を含まなかった。比較するPTF組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 比較実施例
1 2 3 4
Ultem(登録商標)1000 10
Radel(登録商標)R−5000 10
Udel(登録商標) 10
Lexan(登録商標) 10
二酸化ルテニウム粉 21.6 21.6 21.6 21.6
ルテニウム酸ビスマス粉 15.7 15.7 15.7 15.7
銀粉 5.0 5.0 5.0 5.0
アルミナ粉 4.5 4.5 4.5 4.5
NMP 40 40 40 40
次いで組成物を実施例1に提供した手順に従って化学的に洗浄した銅の上にスクリーン印刷し、170℃で1時間硬化し、実施例1のとおりに試験した。組成物はPTF抵抗器組成物としてはんだフロート、および85℃/85%RHの加速エイジング性能を評価した。ASTM D−570法からの平衡水摂取値を用いた。評価したポリマーおよび大きな抵抗率変化%を示す試験結果を以下に示す。
Tg(℃) HO吸収% 抵抗率変化%
はんだフロート 85℃/
(3×10秒) 85%RH
230℃ (500時間)
比較実施例1 220 0.8 +30 −5.5
比較実施例2 220 1.1 +36 −15
比較実施例3 190 1.3 +42 −12
比較実施例4 145 0.4 +47 +3.1
データが示すように、比較的低いTgを有するポリマーで調製した比較例の抵抗器組成物は、はんだ暴露で抵抗率安定性に劣る結果になる。
(比較実施例5および6)
いくつかの市販の熱可塑性ポリマー系を試験して、抵抗器PTF組成物における性能を評価した。これらの組成物は熱架橋剤または接着促進樹脂を含まなかった。比較例のPTF組成物は、以下の成分から比較実施例1から4の手順に従って調製した(グラム)。
成分 比較実施例
5 6
Celzole(登録商標)PBI(CM) 10
Torlon(登録商標) 10
二酸化ルテニウム粉 21.6 21.6
ルテニウム酸ビスマス粉 15.7 15.7
銀粉 5.0 5.0
アルミナ 4.5 4.5
NMP 40 40
Tg(℃) HO吸収% 抵抗率変化%
はんだフロート 85℃/
(3×10秒) 85%RH
230℃ (500時間)
比較実施例5 400 5.0 −0.6 −28.0
比較実施例6 300 2.5 −1.6 −18
データが示すように、吸水率が>1%のポリマーで調製した比較の抵抗器組成物は、85℃/85%RH試験で抵抗率安定性に劣る。
(比較実施例7)
市場で入手可能なAsahiペーストTU−100−8を実施例2のように化学的に洗浄した銅の上にスクリーン印刷し、170℃で1時間硬化した。得られた硬化した抵抗器の特性は、以下のとおりである。
抵抗率(オーム/平方) 50
厚さ(ミクロン) 30
HTCR(ppm/℃) −359
CTCR(ppm/℃) −172
40ミル(1,016μm)抵抗器の抵抗率の変化%:
288℃はんだ、10秒で3回のフロート後 −10.2
85℃/85%RHで500時間後 62
熱サイクル(−25℃から125℃)後 4.0
ESD(5,000vで5パルス)後 −2.6
(実施例6)
この実施例は、PTFコンデンサー組成物を調製するのに、高いTgと低い吸水率を有する架橋できないPNBポリマーの使用が有用であることを示している。PTFコンデンサーの組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
チタン酸バリウム粉 58.02
PNB溶液 23.07
フェノキシ樹脂PKHH溶液 7.54
Dowanol(登録商標)PPH 11.37
混合物は1.0ミル(25.4μm)のギャップで、各々0、50、100、200、250psiで少なくとも1回ロール粉砕して、5/2ミクロンの粉砕粉末度を得た。次いでAMIポリマー厚膜スクリーン印刷機を用い、印刷−印刷モードで硬度70のスキージーを用いて誘電体を印刷した。乳剤厚さ0.4ミル(10.2μm)の280メッシュのスクリーンを像形成して16個の個々のコンデンサーを銅箔の処理した側に印刷した。次いで印刷物は80℃で5分間硬化した。第2の印刷を同じプロセスで調製した。銅箔上のコンデンサーは次いで170℃で1時間硬化した。硬化した誘電体上に銅ベースの導体ペーストを印刷し、150℃で30分間硬化して上端電極を形成し、以下の特性を有するコンデンサーを形成した。結果は16個の個々のコンデンサーの測定の平均である。
平均キャパシタンス 9.8nf/in(1.52nf/cm
平均損失 1.2%
平均厚さ 1.1ミル(27.94μm)
見かけのK 48
(実施例7)
この実施例は、銅上へのコンデンサー組成物のPTFキャストを調製するのに、高いTgと低い吸水率を有する架橋できないPNBポリマーの使用が有用であることを示している。PTFコンデンサーの組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
チタン酸バリウム粉 23.10
PNB溶液 40.72
フェノキシ樹脂PKHH溶液 20.30
酢酸エチル 15.88
銅上へのキャスト(COC)サンプルの調製には、分散物を1ミル(25.4μm)のドクターナイフで1ミル(25.4μm)の両面を処理された銅へ溶液キャストした。コーティングは100℃で10分間および170℃で1時間乾燥した。キャパシタンス密度(C/A)を求めるために、DuPont製CB200銅導電性ペーストをCOCサンプル上に1インチ×1インチ(2.54cm×2.54cm)のコーティングを塗工し、続いて170℃で15分間硬化した。キャパシタンス(銅パッド上の上端のプローブ、ベースフィルムの銅縁部上の下部のプローブ)は3.0nF/in(0.465nF/cm)で2%の平均損失が測定された。厚さは0.95ミル(24.13μm)であることが判明した。誘電定数は1Hzで12.5であることが測定された。
COCコーティングの接着試験のために、3Mの圧力感受性接着剤のシート、製品#8141を3インチ×5インチ(7.62cm×12.7cm)のガラス板に積層した。100℃で10分間乾燥したCOCコーティングの1インチ(2.54cm)幅の数本の細片を、コーティング側を圧力感受性の接着剤に向けてハンドロールで積層した。IMAS SP−2000剥離試験機で試験できるように、2Kgセル容量を用いて、遅延時間2秒、平均化時間20秒、速度12インチ/分(30.48cm)、角度180°でCOCコーティングを銅から十分剥離してもどした。剥離強度は3.3pliであることが測定された。
(実施例8)
この実施例は、PTFの導体組成物を得るために、高いTgと低い吸水率を有する架橋できないPNBポリマーをフェノキシ樹脂と共に使用することを示している。PTFの導体組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
銀粉 57.22
PNB溶液 23.32
フェノキシ樹脂PKHH溶液 11.70
Dowanol(登録商標)PPH 7.76
混合物を1.5ミル(38.1μm)ギャップでロール粉砕して粉砕粉末度8/5を得た。圧力は200psiを超えないように設定した。1000平方のへび状パターンを0.5ミル(12.7μm)の乳剤を有する230メッシュのスクリーンに像形成した。次いで、AMIポリマー厚膜スクリーン印刷機を用いて、印刷−印刷モードで硬度70のスキージーで導体を印刷した。導体ペーストはブランクのセラミック片に印刷し、170℃で1時間、次いで200℃で2分間硬化した。導体線の抵抗率は38ミリオーム/平方であることが測定された。
(実施例9)
この実施例は、封止材組成物を得るために、高いTgと低い吸水率性を有する架橋できないPNBポリマーをフェノキシ樹脂と共に使用することを示している。封止材組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
ヒュームド・シリカ 3.20
PNB溶液 48.78
フェノキシ樹脂PKHH溶液 31.77
Dowanol(登録商標)PPH 16.25
混合物は1ミル(25.4μm)のギャップで、各々0、50、100、200、250psiで少なくとも1回ロール粉砕して、5ミクロン未満の粉砕粉末度を有する均一なペーストを形成した。次いでAMIポリマー厚膜スクリーン印刷機を用い、印刷−印刷モードで硬度70のスキージーで封止材を印刷した。乳剤の厚さ1ミル(25.4μm)の120メッシュのスクリーンを像形成して、印刷された個々の40ミルと60ミル(1,016μmと1,524μm)の抵抗器の上に連続的なコーティングを印刷し、170℃で1時間硬化して印刷溶媒を除去し、抵抗器を被覆する連続的な固化したポリマーコーティングを形成した。コーティングの外観は曇っていた。抵抗器は700時間の85/85試験の後、3.7%の平均ドリフトを示した。
(実施例10)
この実施例は、封止材組成物を得るために、高いTgと低い吸水率の同じものをフェノキシ樹脂と共に使用することを示している。封止材組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
PNB溶液 11.57
フェノキシ樹脂PKHH溶液 9.72
Dowanol(登録商標)PPH 78.72
均一な溶液は上記の成分で形成した。実施例7とは異なり、溶液はロール粉砕しなかった。次いでAMIポリマー厚膜スクリーン印刷機を用い、印刷−印刷モードで硬度70のスキージーで封止材を印刷した。乳剤の厚さ1ミル(25.4μm)の120メッシュのスクリーンを像形成して、印刷された個々の40ミルと60ミル(1,016μmと1,524μm)の抵抗器の上に連続的なコーティングを印刷し、170℃で1時間硬化して印刷溶媒を除去した。抵抗器の上に、僅かに曇った連続的な固化したポリマーコーティングが形成された。抵抗器は700時間の85/85試験の後、4.4%の平均ドリフトを示した。
(実施例11)
この実施例は、封止材組成物を得るために、高いTgと低い吸水率の同じものをフェノキシ樹脂と共に使用することを示している。封止材組成物は以下の成分から調製した(グラム)。
成分 重量%
PNB溶液 15.0
Dowanol(登録商標)PPH 85.0
均一な溶液は上記の成分で形成した。実施例8と同様に、溶液はロール粉砕しなかった。次いで、AMIポリマー厚膜スクリーン印刷機を用い、印刷−印刷モードで硬度70のスキージーで封止材を印刷した。乳剤の厚さが1ミル(25.4μm)の120メッシュのスクリーンを像形成して、印刷された個々の40ミルと60ミル(1,016μmと1,524μm)の抵抗器の上に連続的なコーティングを印刷し、170℃で1時間硬化して印刷溶媒を除去した。抵抗器の上に、連続的な固化した透明なポリマーコーティングが形成された。抵抗器は700時間の85/85試験の後、−3.1%の平均ドリフトを示した。
以下の議論の目的は、本発明の実施形態を選択するためだけであり、上の開示は本発明の全体的な範囲を制限するものではない。本発明の範囲は請求項によって定義されるべきである。

Claims (33)

  1. 250℃よりも高いガラス転移温度、および2%以下の吸水率を有するポリマーと、
    1種または複数の金属もしくは金属化合物と、
    有機溶媒とを含むことを特徴とする組成物。
  2. 前記ポリマーが、ポリノルボルネン、ポリアリールエートおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  3. 前記ガラス転移温度が290℃よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  4. 前記ガラス転移温度が310℃よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  5. 前記吸水率が1%以下であることを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  6. 前記吸水率が1%以下であることを特徴とする請求項3に記載の組成物。
  7. 前記ポリマーが、式Iの分子単位を含むポリノルボルネンであることを特徴とする請求項2に記載の組成物。
    Figure 2005240020
    (式中、Rは独立に水素および(C〜C10)アルキルから選択される。)
  8. 前記ポリマーが、式IIの分子単位をさらに含むポリノルボルネンであることを特徴とする請求項7に記載の組成物。
    Figure 2005240020
    (式中、Rは、エポキシド、アルコール、シリルエーテル、カルボン酸、エステル、無水物を含む群から選択される、架橋または網目形成反応に関与することの可能なペンダント基であり、式Iに対する式IIの分子単位のモル比は0から約0.4よりも大きい。)
  9. 前記ポリマーがポリアリールエートであることを特徴とする請求項4に記載の組成物。
  10. 前記ポリマーが、1種または複数の架橋剤と架橋することのできる部位を含むことを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  11. ポリヒドロキシスチレンを含む1種または複数の架橋剤をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の組成物。
  12. 金属接着促進剤をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  13. 前記金属促進剤が、フェノキシ樹脂、ポリヒドロキシフェニルエーテル、2−メルカプトベンズイミダゾールからなる群から選択されることを特徴とする請求項12に記載の組成物。
  14. ヒドロキシルキャッピング剤をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の組成物。
  15. 前記ヒドロキシルキャッピング剤がブロック化されたイソシアナート剤であることを特徴とする請求項14に記載の組成物。
  16. 抵抗器および個々のコンデンサーもしくは平面コンデンサーから選択される電子素子を製造するのに使用されることを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  17. 前記電子素子が、相対湿度試験に関して±5%未満の抵抗率変化%を有する抵抗器であることを特徴とする請求項16に記載の組成物。
  18. 前記抵抗器が、ESD試験に関して±1%未満の抵抗率変化%を示すことを特徴とする請求項17に記載の組成物。
  19. 前記電子素子が、5%未満の損失%を有する個々のコンデンサーもしくは平面コンデンサーであることを特徴とする請求項16に記載の組成物。
  20. 導電性接着剤を調製するのに使用されることを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  21. 180℃未満の温度の硬化温度を有するか、または短い赤外による硬化で約270℃までの最高温度を用いて硬化することができることを特徴とする請求項1に記載の組成物。
  22. 250℃よりも高いガラス転移温度、および2%以下の吸水率を有するポリマーと、有機溶媒とを含むことを特徴とする組成物。
  23. 前記ポリマーが、ポリノルボルネン、ポリアリールエート、およびその混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項22に記載の組成物。
  24. 前記組成物は、180℃未満の温度の硬化温度を有するか、または短い赤外による硬化で約270℃までの最高温度を用いて硬化することができ、かつ、封止材として使用されるか、または半導体ストレス緩和剤、相互接続誘電体、保護コーティング結合パッドの再配分、はんだバンプアンダーフィルから選択される集積回路兼ウェーハレベルパッケージとして使用されることを特徴とする請求項22に記載の組成物。
  25. 250℃よりも高いガラス転移温度、および2%以下の吸水率を有するポリマーと、1種または複数の金属もしくは金属化合物と、有機溶媒とを混合してPTF抵抗器組成物を提供すること、
    前記PTF抵抗器組成物を基板に塗工すること、
    前記塗工したPTF抵抗器組成物を硬化することを含むことを特徴とするPTF抵抗器を製造する方法。
  26. 前記ポリマーが、ポリノルボルネン、ポリアリールエートおよびその混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項25に記載の方法。
  27. 前記塗工したPTF抵抗器組成物の硬化が、180℃未満の硬化温度、または短い赤外による硬化での約270℃までの最高温度を含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。
  28. 前記ポリマーが、290℃よりも高いガラス転移温度を有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
  29. 前記ポリマーが、1%以下の吸水率を有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
  30. 前記ポリマーが、式Iの分子単位を含むポリノルボルネンであることを特徴とする請求項26に記載の方法。
    Figure 2005240020
    (式中、Rは独立に水素および(C〜C10)アルキルから選択される。)
  31. 前記ポリマーが、式IIの分子単位をさらに含むポリノルボルネンであることを特徴とする請求項30に記載の方法。
    Figure 2005240020
    (式中、Rは架橋可能なエポキシ基であり、式Iに対する式IIの分子単位のモル比は0より大きくから約0.4まで。)
  32. 前記ポリマーがポリアリールエートであることを特徴とする請求項26に記載の方法。
  33. PTF抵抗器および個々の抵抗器もしくは平面抵抗器からなる群から選択される電子素子であって、前記電子素子が、
    250℃よりも高いガラス転移温度、および2%以下の吸水率を有するポリマーと、1種または複数の金属もしくは金属化合物と、有機溶媒とを混合して未硬化の組成物を提供すること、
    前記未硬化の組成物を基板に塗工すること、
    前記塗工した組成物を硬化することを含む方法によって調製された硬化した組成物を含むことを特徴とする電子素子。
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