JP2009299063A - 電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子とガラス基板を貼り合わせた際に反り等の変形がない半導体素子とガラス基板との貼り合わせに用いる接着剤を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤と、ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満のポリエステル樹脂とを有する接着剤３０であり、ポリエステル樹脂は軟化点が１０５℃以上であり、さらにフェノキシ樹脂、導電性粒子３１が添加されたが添加されている接着剤組成物、および該接着剤で基板１０と半導体素子２０が接着されている電気装置１。
【選択図】図５

Description

本発明は接着剤の技術に関し、特に半導体素子とガラス基板との貼り合わせに用いる接着剤の技術に関する。

従来より、半導体素子を液晶ディスプレイに接続するために、加熱により硬化する熱硬化性の接着剤が用いられている。

熱硬化性の接着剤としては、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含有するものが広く用いられており、エポキシ樹脂が加熱により硬化すると機械的強度の高い重合体となるので、半導体素子と液晶ディスプレイとが該接着剤によって強固に接続され、信頼性の高い電気装置が得られる。

ところで、接着剤を加熱する際に、半導体素子も熱伝導により加熱され、熱膨張により半導体素子が伸張することがあり、加熱終了後に全体が冷却されると伸張した半導体素子が収縮し、その収縮に伴い液晶ディスプレイを構成するガラス基板に反り等の変形が生じることがある。
ガラス基板に変形が生じると、変形した部分に位置する液晶の配向が乱れるため、液晶ディスプレイの表示画像に乱れが生じてしまう。

熱圧着の際に、液晶ディスプレイを載置する載置台を加熱し、液晶ディスプレイと半導体素子との温度差を少なくしたり、熱圧着を低温で行う等の温度管理を行えば、ガラス基板の変形量を少なくすることが可能であるが、載置台を加熱可能に改造することは困難であり、また、熱圧着の低温化は接着剤の硬化に要する時間が長時間化することから好ましくない。

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、液晶ディスプレイに用いられるガラス基板に反り等の変形がない電気装置を製造するための技術を提供するものである。

本発明の発明者等は、接着剤の柔軟性を高くし、半導体素子のような被着体が収縮する際の応力を緩和する方法に着目し、接着剤に柔軟性を付与する樹脂について検討を行った結果、ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満のポリエステル樹脂を接着剤に添加すれば、応力が緩和され、ガラス基板の反りを防止できることを見出した。

かかる知見に基づいて成された請求項１記載の発明は、接着剤であって、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤と、ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満のポリエステル樹脂とを有する接着剤である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の接着剤であって、前記ポリエステル樹脂は軟化点が１０５℃を超える接着剤である。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の接着剤であって、フェノキシ樹脂が添加された接着剤である。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接着剤であって、導電性粒子が添加された接着剤である。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接着剤であって、フィルム状に成形された接着剤である。
請求項６記載の発明は、半導体素子と、基板とを有し、前記半導体素子と前記基板との間には接着剤が配置され、前記接着剤を介して前記基板と前記半導体素子が互いに接続された電気装置であって、前記接着剤は請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の接着剤である電気装置である。
請求項７記載の発明は、半導体素子と、基板とを有し、前記半導体素子と前記基板との間には接着剤が配置され、前記接着剤を介して前記基板と前記半導体素子が互いに接続された電気装置であって、前記接着剤はエポキシ樹脂と、ガラス転移温度が、１８．５℃以上４３℃以下のポリエステル樹脂であり、（２種類以上のポリエステル樹脂を用いる場合には、当該ガラス転移温度の用語は、式１を満足する平均ガラス転移温度）前記エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤と（ただしイソシアネート化合物は除く）フェノキシ樹脂と、導電性粒子とを有することを特徴とする電気装置である。
式（１）：Ｔｇ₀＝（Ｔｇ_A×Ｗ_A＋Ｔｇ_B×Ｗ_B）／（Ｗ_A＋Ｗ_B）
（上記式（１）中、Ｔｇ₀は平均ガラス転移温度を示し、Ｔｇ_A、Ｔｇ_Bは各樹脂のガラス転移温度を示し、Ｗ_A、Ｗ_Bは各樹脂の重量を示す。）

本発明は上記のように構成されており、本発明に用いるポリエステル樹脂はガラス転移温度が４５℃未満と低く、常温での接着剤の柔軟性が高くなっている。
従って、発明の接着剤を介して被着体を貼り合わせた後、常温まで冷却されるときに、被着体が熱収縮しても応力が緩和され、被着体に反りが生じ難い。

接着剤に添加するポリエステル樹脂のガラス転移温度が低く、接着剤の軟化点が低くなりすぎると、接着剤を加熱したときの流動性が増し、取り扱いが困難になるが、本発明に用いるポリエステル樹脂はガラス転移温度が６℃を超えており、接着剤の軟化点が低くなりすぎることがなく、取り扱いが容易である。このように、本発明の接着剤は被着体に反り等の変形が生じ難いだけではなく、その取り扱いも容易である。

本発明の接着剤には、フェノキシ樹脂のような他の熱可塑性樹脂を添加することが可能であり、そのような樹脂はガラス転移温度が４５℃以上と高いものが多い。

接着剤をガラス転移温度の高い樹脂のみで構成した場合、常温での弾性率が高くなり、柔軟性が低くなるが、本発明の接着剤にはガラス転移温度が４５℃未満のポリエステル樹脂が添加されているため、フェノキシ樹脂のようにガラス転移温度が高い熱可塑性樹脂を添加した場合であっても、常温での柔軟性が維持される。

一般に、ガラス転移温度の差が大きい樹脂同士は、同種異種にかかわらず親和性が低く、分散性が悪いので、フェノキシ樹脂のようにガラス転移温度が４５℃以上と高い樹脂を接着剤に添加する場合には、ガラス転移温度が２５℃以上のポリエステル樹脂を用いることが好ましい。

本発明の接着剤を用いれば、熱圧着後の基板の反りが防止されるので、液晶ディスプレイの画像に乱れが生じない。

(ａ)〜(ｃ)：本発明の接着剤をフィルム状に成形する工程の一例を説明する断面図 ガラス基板の一例を説明する断面図 半導体素子の一例を説明する断面図 (ａ)〜(ｄ)：本発明による電気装置の製造工程の一例の前半を説明する断面図 (ｅ)、(ｆ)：本発明による電気装置の製造工程の一例の後半を説明する断面図 (ａ)〜(ｃ)：本発明による電気装置の製造工程の他の例を説明する断面図

以下に本発明の接着剤の一例について詳細に説明する。
エポキシ樹脂と、エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤と、フェノキシ樹脂と、ガラス転移温度（Ｔｇ）が６℃を超え、かつ、４５℃未満のポリエステル樹脂と、導電性粒子とを溶媒中に分散し、ペースト状の接着剤を作製する。

図１（ａ）の符号１９は剥離フィルムを示しており、剥離フィルム１９の片面には剥離剤が塗布されている。この剥離フィルム１９の剥離剤が塗布された面に、上記工程で作製されたペースト状の接着剤を塗布し、ペースト状の接着剤からなる塗布層を形成する。図１（ｂ）の符号３２はその塗布層を示しており、塗布層３２中には導電性粒子３１が分散されている。

次いで全体を乾燥し、塗布層３２から溶媒を揮発させると塗布層３２を構成する接着剤がゲル状、又は固体状になり、接着剤がフィルム状に成形される。図１（ｃ）の符号１８はその状態の接着剤からなる接着フィルムを示している。

次に、本発明の接着剤からなる接着フィルム１８を用いて電気装置を製造する工程について説明する。図２は液晶ディスプレイに用いられるガラス基板１０を示している。このガラス基板１０の片面にはＩＴＯ（インジウム錫酸化物）薄膜のパターニングによって電極１５が形成されている。

図３はガラス基板１０に接続される半導体素子２０の一例を示している。この半導体素子２０の片面にはバンプ状の接続端子２５が複数個設けられており、これらの接続端子２５は半導体素子２０の不図示の内部回路に接続されている。

この半導体素子２０をガラス基板１０に接続するには、先ず図４（ａ）に示すように、電極１５が形成された面を上に向けた状態でガラス基板１０を載置台３６表面に載置する。

図１（ｃ）に示した接着フィルム１８を剥離フィルム１９から剥離し、半導体素子２０と略導形状に切り出し、得られたフィルム片３０を電極１５表面に載置する（図４（ｂ））。

次いで、接続端子２５を下に向けた状態で半導体素子２０をガラス基板１０上に配置し、位置合わせによって接続端子２５を電極１５と対向配置させた後、接続端子２５をフィルム片３０表面に押し当てる（図４（ｃ））。

次に、図４（ｄ）に示すように、熱圧着ヘッド３７を半導体素子２０の接続端子２５とは反対側の面に押し当てる。熱圧着ヘッド３７は加熱手段３９を内蔵しており、該加熱手段３９によって予めエポキシ樹脂が硬化する温度よりも高い温度に加熱されている。

従って、熱圧着ヘッド３７を半導体素子２０に押圧すると、熱伝導によって半導体素子２０が加熱されると共に、フィルム片３０が昇温して軟化し、押圧によって半導体素子２０が軟化したフィルム片３０を押し退け、図５（ｅ）に示すように接続端子２５と電極１５とで導電性粒子３１を挟み込んだ状態になる。

その状態を維持すると、硬化剤とエポキシ樹脂とが反応してエポキシ樹脂が硬化し、接続端子２５と電極１５が導電性粒子３１を挟み込んだ状態で接着剤が硬化し、該接着剤によって半導体素子２０がガラス基板１０に固定される。このとき、エポキシ樹脂や硬化剤はポリエステル樹脂とは反応しないので、ポリエステル樹脂の柔軟性は失われずに維持される。

図５（ｆ）は半導体素子２０から熱圧着ヘッド３７を離し、加熱を終了した後の状態を示している。同図の符号３５は硬化した接着剤を示している。接着剤３５は接続端子２５と電極１５が導電性粒子３１を挟み込んだ状態で硬化しており、該接着剤３５によって半導体素子２０はガラス基板１０に固定されている。即ち、半導体素子２０とガラス基板１０は接着剤３５によって機械的に接続されるだけではなく、導電性粒子３１によって電気的にも接続され、電気装置１が構成されている。

上述したように、接着剤３５中のポリエステル樹脂は柔軟性を維持しており、接着剤３５全体が適度な柔軟性を有しているので、加熱の際に熱膨張した半導体素子２０が加熱終了後に収縮しても、接着剤３５が変形することで応力が緩和され、ガラス基板１０に反り等の変形が生じることがない。

尚、載置台３６に加熱手段を設置し、予め載置台３６をエポキシ樹脂が硬化する温度よりも低い温度に加熱しておけば、熱伝導によりガラス基板１０とフィルム片３０とが接着剤が硬化しない程度に加熱されるので、熱圧着ヘッド３７で半導体素子２０を押圧する際に半導体素子２０とガラス基板１０の温度差が少なくなり、ガラス基板１０により反りが生じにくくなる。

エポキシ樹脂である大日本インキ（株）社製の商品名「８４０」（平均分子量８４０）を１８重量部と、エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤である旭化成エポキシ（株）社製の商品名「ＨＸ３９４１ＨＰ」を３１重量部と、フェノキシ樹脂である東都化成（株）社製の商品名「ＹＰ−５０」（平均分子量５００００）を２０重量部と、ガラス転移温度（Ｔｇ）が３５℃のポリエステル樹脂であるユニチカ（株）社製の商品名「ＵＥ３５００」を２０重量部と、添加剤であるシランカップリング剤（日本ユニカー（株）社製の商品名「Ａ−１８７」）を１重量部と、導電性粒子とを溶媒であるトルエンに分散し、ペースト状の接着剤を得た。

尚、旭化成エポキシ（株）社製の商品名「ＨＸ３９４１ＨＰ」はエポキシ樹脂を硬化させる硬化剤がマイクロカプセルに封入されてなる所謂潜在性硬化剤である。この接着剤を膜厚５０μｍの剥離フィルム１９に塗布、乾燥し、膜厚２０μｍの接着フィルム１８を形成し、該接着フィルム１８からフィルム片３０を切り出した。

ガラス基板１０として、膜厚０．７ｍｍのガラス基板１０の片面にＩＴＯ（インジウム錫酸化物）電極１５が形成されたもの用意し、半導体素子２０として縦２ｍｍ、横１８ｍｍ、膜厚０．４ｍｍの長方形形状のものを用意した。

このガラス基板１０と半導体素子２０とを用い、載置台３６の温度が３０℃、熱圧着ヘッド３７の温度が２５１℃の条件で、半導体素子２０に４０ＭＰａ・ｓの荷重を加えながら、フィルム片３０の温度を１０秒間で１９０℃まで昇温させてエポキシ樹脂を硬化させ、実施例１の電気装置１を得た。この電気装置１を用いて下記に示す「導通抵抗」と「反り」の各評価試験を行った。

〔導通抵抗〕
実施例１の電気装置１の導通抵抗を測定した。測定される抵抗値が２Ω以下の場合を「○」、抵抗値が２Ωに近いものを「△」、抵抗値が２Ω以上であって甚だしく大きい場合を「×」として評価した。

〔反り〕
表面粗さ測定装置である東京精密（株）社製の商品名「サーフコム」を用い、ガラス基板１０の電極１５が形成された側の面の表面粗さを測定し、ガラス基板１０の反りにより最も高く突き出された部分の高さと、半導体素子２０の端部が位置する部分の高さとの高低差（単位：μｍ）を電気装置１の変形量とした。

ここでは、変形量が３μｍ以下であった場合を「○」、３μｍを超え、かつ、５μｍ以下であった場合を「△」、５μｍを超える場合を「×」として評価した。それらの試験結果を、ポリエステル樹脂のＴｇ、軟化点と共に下記表１に記載する。

＜実施例２、３＞
実施例１で用いたユニチカ（株）社製の商品名「ＵＥ３５００」に代え、上記表１の実施例２、３の欄に記載した２種類のポリエステル樹脂を用いた以外は実施例１と同じ条件で２種類の接着フィルム１８を作製し、それら接着フィルム１８を用いて実施例１と同じ条件で実施例２、３の電気装置１を作製した。

それら実施例２、３の電気装置１を用いて実施例１と同じ条件で「導通抵抗」と「反り」の各評価試験を行った。それらの評価試験の結果を、実施例２、３で用いたポリエステル樹脂の「商品名」、「Ｔｇ」、「軟化点」と共に上記表１に記載した。

＜比較例１〜１０＞
実施例１で用いたポリエステル樹脂に代え、上記表１に示したようにガラス転移温度が６℃以下又は４５℃以上のポリエステル樹脂を用いて１０種類の接着フィルムを作製し、これらの接着フィルムを用いて実施例１と同じ条件で比較例１〜１０の電気装置を作製した。

それら比較例１〜１０の電気装置を用いて実施例１と同じ条件で「導通抵抗」、「反り」の各評価試験を行った。それら評価試験の結果を、比較例１、２で用いたポリエステル樹脂の「商品名」、「Ｔｇ」、「軟化点」と共に上記表１に記載した。

尚、上記実施例１〜３と比較例１〜１０と、後述する実施例４、５で用いたポリエステル樹脂のうち、商品名「ＵＥ３２２１」と、「ＵＥ３２３０」と、「ＵＥ３５００」と、「ＵＥ３２００」と、「ＵＥ３６００」と、「ＵＥ３２１０」と、「ＵＥ３６２０」と、「ＵＥ３４００」の製造会社はそれぞれユニチカ（株）であり、商品名「＃２００」と、「＃３００」の製造会社はそれぞれ東洋紡（株）であり、商品名「ＳＰ１８０」の製造会社は日本合成化学工業（株）であり、商品名「Ｒ１０８９」と、「Ｒ９９」の製造会社は東レ（株）である。

上記表１から明らかなように、比較例１〜１０に比べ、実施例１〜３は「反り」と、「導通抵抗」の両方の評価試験で高い評価結果が得られた。これらのことから、Ｔｇが６℃を超え、かつ、４５℃未満、より好ましくはＴｇが３５℃以上４３℃未満のポリエステル樹脂を接着剤に添加すれば、信頼性の高い電気装置を製造可能なことが確認された。

また、比較例１〜１０のうち、軟化点が１１２℃以上１６５℃以下のポリエステル樹脂を用いた比較例１〜８に比べ、軟化点が１０５℃以下のポリエステル樹脂を用いた比較例９、１０は実用に耐えないほどガラス基板の反りが大きかった。

＜実施例４、５＞
実施例１で用いたポリエステル樹脂に代え、それぞれ異なる種類のポリエステル樹脂Ａ、Ｂの混合物を用いた以外は実施例１と同じ条件で２種類の接着フィルム１８を作製し、これらの接着フィルム１８を用いて実施例４、５の電気装置１を作製した。

実施例４、５の電気装置１を用いて実施例１と同じ条件で「導通抵抗」、「反り」の各評価試験を行った。各評価試験の結果と、接着剤に用いたポリエステル樹脂Ａ、Ｂの「商品名」、「Ｔｇ」、各ポリエステル樹脂Ａ、Ｂの配合比率、ポリエステル樹脂Ａ、Ｂの混合物の平均ガラス転移温度を下記表２に記載する。

尚、平均ガラス転移温度とは、ガラス転移温度の異なる複数の樹脂を混合した場合において、各樹脂のガラス転移温度と添加量（重量）との積の合計を、樹脂の合計重量で除した値に百を乗じて得られるものである。例えば、２種類の樹脂Ａ、Ｂを混合した場合の平均ガラス転移温度は下記式（１）で求められる。

式（１）：Ｔｇ₀＝（Ｔｇ_A×Ｗ_A＋Ｔｇ_B×Ｗ_B）／（Ｗ_A＋Ｗ_B）
（上記式（１）中、Ｔｇ₀は平均ガラス転移温度を示し、Ｔｇ_A、Ｔｇ_Bは各樹脂のガラス転移温度を示し、Ｗ_A、Ｗ_Bは各樹脂の重量を示す。）

上記表２から明らかなように、平均ガラス転移温度が１８℃以上であった実施例４、５の電気装置１は、各評価試験で高い評価結果が得られた。このことから、２種類以上のポリエステル樹脂を用いる場合は、その混合物の平均ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満の範囲にあれば、信頼性の高い電気装置が得られることがわかる。

以上は、各接着剤にポリエステル樹脂を１種類又は２種類用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、３種類以上のポリエステル樹脂の混合物を用いることができる。

接着剤に２種類以上のポリエステル樹脂を用いる場合、各ポリエステル樹脂を混合した後の平均ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満になるのであれば、ガラス転移温度が６℃以下又は４５℃以上のポリエステル樹脂を用いることもできる。

しかし、各ポリエステル樹脂のガラス転移温度の差が大きい場合には、樹脂同士の親和性が低く、混ざり難くいので、２種類以上のポリエステル樹脂の混合物を用いる場合は、ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満の範囲にある樹脂をそれぞれ用いることが好ましい。

以上は、接着剤をフィルム状に成形する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図６（ａ）に示すようにペースト状の接着剤を直接ガラス基板１０に塗布して塗布層５０を形成した後、図６（ｂ）に示すように位置合わせ後の半導体素子２０を塗布層５０に載せ、図４（ｄ）〜図５（ｅ）の工程で熱圧着を行えば、接着剤５５が完全に硬化し、図６（ｃ）に示すような電気装置５が得られる。

以上は、接着剤に導電性粒子を分散させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、導電性粒子を接着剤に添加しない場合も本発明には含まれる。この場合には、熱圧着の工程で接続端子２５を直接電極１５に当接させれば、半導体素子２０とガラス基板１０とが電気的に接続される。

以上は添加剤としてシランカップリング剤を添加する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、添加剤としては老化防止剤や着色剤等種々のものを用いることができる。

１、５……電気装置
１０……ガラス基板
２０……半導体素子
１８、５０……接着剤

Claims (7)

1. エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤と、ガラス転移温度が６℃を超え、かつ、４５℃未満のポリエステル樹脂とを有する接着剤。
2. 前記ポリエステル樹脂は軟化点が１０５℃を超える請求項１記載の接着剤。
3. フェノキシ樹脂が添加された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の接着剤。
4. 導電性粒子が添加された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接着剤。
5. フィルム状に成形された請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接着剤。
6. 半導体素子と、基板とを有し、前記半導体素子と前記基板との間には接着剤が配置され、前記接着剤を介して前記基板と前記半導体素子が互いに接続された電気装置であって、
   前記接着剤は請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の接着剤である電気装置。
7. 半導体素子と、基板とを有し、前記半導体素子と前記基板との間には接着剤が配置され、前記接着剤を介して前記基板と前記半導体素子が互いに接続された電気装置であって、
   前記接着剤はエポキシ樹脂と、
   ガラス転移温度が、１８．５℃以上４３℃以下のポリエステル樹脂であり、
   （２種類以上のポリエステル樹脂を用いる場合には、当該ガラス転移温度の用語は、式１を満足する平均ガラス転移温度）
   前記エポキシ樹脂を硬化させる硬化剤と（ただしイソシアネート化合物は除く）
   フェノキシ樹脂と、
   導電性粒子と
   を有することを特徴とする電気装置。
   式（１）：Ｔｇ₀＝（Ｔｇ_A×Ｗ_A＋Ｔｇ_B×Ｗ_B）／（Ｗ_A＋Ｗ_B）
   （上記式（１）中、Ｔｇ₀は平均ガラス転移温度を示し、Ｔｇ_A、Ｔｇ_Bは各樹脂のガラス転移温度を示し、Ｗ_A、Ｗ_Bは各樹脂の重量を示す。）

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