JP2011009428A - 電気的接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の変形を抑制しながら、信頼性の高い電気的接続を実現する。
【解決手段】第一の基板１と第二の基板１′との間に接合用金属３を配置し、レーザの照射により発熱して接合用金属３を軟化溶融する吸収媒体２を、接合用金属３と第一の基板１との間に存在させ、第一の基板１の外側から吸収媒体２に向けてレーザを照射することにより、吸収媒体２を発熱させて接合用金属３を溶融し、第一の基板１と第二の基板１′を電気的に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いた基板の電気的接続方法に関するものである。

２つの回路素子（基板）を接着すると共にその間の端子を電気的に接続するための材料として、異方性導電接着剤が知られている。異方性導電接着剤は、導電性粒子を絶縁性接着剤に分散させたもので、フィルム状に成形した異方性導電膜（ＡＣＦ）あるいは異方性導電接着剤を液状に調製した異方性導電ペースト（ＡＣＰ）として用いられ、例えばディスプレイなどで使用されているＩＴＯ電極とフレキシブル基板の接続端子との間にＡＣＦを挟み、熱圧着すれば、ＩＴＯ電極とフレキシブル基板の接続端子を電気的に接続することが可能である。

近年、軽量軽薄化を実現するために、基板にはより軽く強度の強いポリカーボネート基板やポリエーテルスルホン基板等のプラスチック基板が用いられるが、ＩＴＯ電極は、プラスチックとの密着性が悪いため、ＡＣＦで接続を図る場合には、圧着時に加圧する必要があり、ＩＴＯ電極に負荷（２０〜４０ｋｇｆ／ｃｍ²）が集中し、その部分のプラスチック基板が変形して、電極の剥離、クラックなどを生じるという問題がある。

上記のような問題を解決するために、特許文献１では比較的低荷重で変形する樹脂コアに金属被膜を形成した導電性粒子を使用することで対処しているが、このような導電性粒子は塑性変形してしまうために、外的応力、熱、湿度等の影響により接続部の寸法変化が生じた場合には接続安定性を確保することができないという問題がある。

特許文献２には、異方性導電接続材料に使用する導電性粒子の圧着温度における弾性率を、接続すべき基板の圧着温度における弾性率に対して一定の値以下にコントロールすることにより、基板としてＩＴＯ電極が設けられたプラスチック基板を使用した場合であってもＩＴＯ電極にクラックを生じさせず、接続信頼性を向上させることが可能であることが記載されている。

特開２０００−２０７９４３号公報 特開２００１−３３２１３６号公報

しかし、上記特許文献２の方法は、圧着時に加圧をすることには変わりがないため、基板の変形を抑制することはできず、接続安定性を確保することは困難である。圧着時に、超音波による加熱という方法も考えられるが、超音波振動により電極の剥離、クラックなどを生じるという問題は解消できない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、電気的に接続される基板の変形を抑制することができ、信頼性の高い電気的接続を実現することが可能な電気的接続方法を提供することを目的とするものである。

本発明の電気的接続方法は、第一の基板と第二の基板を電気的に接続する電気的接続方法であって、前記第一の基板と前記第二の基板との間に接合用金属を配置し、レーザの照射により発熱して前記接合用金属を軟化溶融する吸収媒体を前記接合用金属と前記第一の基板との間に存在させ、前記第一の基板の外側から前記吸収媒体に向けて前記レーザを照射することにより、前記吸収媒体を発熱させて前記接合用金属を溶融し、前記第一の基板と前記第二の基板を電気的に接続することを特徴とするものである。

前記レーザ照射の際には、前記第一の基板と前記第二の基板との間に１ｋｇｆ／ｃｍ²以下の接圧を加えることが好ましい。
前記接合用金属はＩｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種を主成分とする融点１７０℃以下の低融点金属であって、前記吸収媒体はＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌの中から選ばれる少なくとも１種からなることが好ましい。
前記接合用金属は前記吸収媒体によりコーティングされている態様としてもよい。

前記第一の基板または前記第二の基板の少なくともいずれかをプラスチック基板としてもよい。
前記第一の基板と前記第二の基板を電気的に接続後、前記第一の基板と前記第二の基板との間に、補強用の熱硬化接着剤を供給してもよい。
前記接合用金属は、該接合用金属の厚みの１/２以下のサイズの絶縁体ビードを混合した接合用金属を用いてもよい。

本発明の電子デバイスは、上記電気的接続方法により製造されることを特徴とするものである。
本発明の電気的接続材料は、Ｉｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種を主成分とする融点が１７０℃以下の低融点金属の表面を、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌの中から選ばれる少なくとも１種からなる吸収媒体でコーティングしたことを特徴とするものである。

本発明の電気的接続方法は、第一の基板と第二の基板を電気的に接続する電気的接続方法であって、第一の基板と第二の基板との間に接合用金属を配置し、レーザの照射により発熱して接合用金属を軟化溶融する吸収媒体を、接合用金属と第一の基板との間に存在させ、第一の基板の外側から吸収媒体に向けてレーザを照射することにより、吸収媒体を発熱させて接合用金属を溶融し、第一の基板と第二の基板を電気的に接続するので、圧着時の基板の変形を抑制することが可能であるとともに、圧着時の発熱に起因する金属表面の酸化膜形成を抑制できるので、信頼性の高い電気的接続を実現することが可能である。

なお、接合用金属としてＩｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種を主成分とする融点１７０℃以下の低融点金属を用い、吸収媒体としてＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌの中から選ばれる少なくとも１種を用いれば、従来の異方性導電接着剤のように１９０℃以上の加熱は不要となり、加熱温度を低くしても十分に安定した電気的接続を確保することが可能である。

本発明の電気的接続方法の一実施の態様を示す概略工程模式図である。 本発明の電気的接続方法の別の実施の態様を示す概略工程模式図である。

以下、本発明の電気的接続方法を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の電気的接続方法の一実施の態様を示す概略工程模式図である。まず、基板１上に吸収媒体２を形成する。形成方法は特に限定されるものではないが、微細なパターン形成に有用なリフトオフ法等を用いることができ、フォトリソグラフィーにより、基板１に対してレジストパターニングを行った後、真空蒸着等により吸収媒体２を形成する。吸収媒体２を成膜後、レジストパターンを有機溶剤で除去する（図１(a)）。

次に、その上面に、接合用金属３を印刷、ディスペンス等でパターニングする（図１(ｂ)）。接合用金属３の層厚は、接合する基板の種類、接合用金属の種類や厚みにもよるが、例えば、接合する基板がガラスの場合、１μｍ〜１０μｍが好ましく、接合する基板がエポキシ等の樹脂で接合用金属がペースト状（ＳｎＢｉＡｇ、ＩｎＳｎ）の場合、１０μｍ〜１００μｍが好ましい。接合用金属は、箔状の金属を配置してもよいし、接合用金属の厚みの１/２以下のサイズを持つ、シリカ、ポリカーボネート等の絶縁体ビードを混合したものを用いてもよい。

続いて、ガラススペーサ４を接合用金属３の両側に配置する（図１(ｃ)）。ガラススペーサ４はガラスビードを用いてもよい。次に、基板１と同じように吸収媒体２を形成した基板１′を、基板１の接合用金属３上面に、形成した吸収媒体２を基板１に向けて配置する（図１(ｄ)）。続いて、基板１′の上面に荷重用ガラス基板５を載置する（図１(ｅ)）。荷重用ガラス基板５は、レーザの透過率の高いものを選択する。荷重用ガラス基板５は、後述するレーザ照射の前から後述する接続状態を安定化させるための冷却時まで載置することが好ましく、少なくともレーザ照射時には載置されていることが好ましい。

荷重用ガラス基板５は、基板１と基板１′との間に１ｋｇｆ／ｃｍ²以下、好ましくは５００ｇｆ／ｃｍ²以下、さらには１００ｇｆ／ｃｍ²以下の接圧を加えるものであることが好ましい。従って、基板１’が十分に重量があるガラス基板等の場合には、荷重用ガラス基板５を載置することなく、次の操作を行うことも可能である。従来のＡＣＦで接続を図る場合には、圧着時に２０〜４０ｋｇｆ／ｃｍ²程度の加圧負荷が必要であるため、基板が変形して、電極の剥離、クラックなどを生じるという問題や、圧着時に発熱することによって金属の表面に酸化膜が形成されて、接続のばらつきが大きく、接続の安定性が確保できないといった問題があるが、本発明ではこのような加圧負荷に伴う問題が殆ど起こらない。

続いて、レーザを照射することができるマルチモードファイバ６とレーザの焦点位置を調整するレンズ７を、荷重用ガラス基板５の上に配置する（図１(ｆ)）。配置後、マルチモードファイバ６からレーザをレンズ７を透過させ、基板１′に形成された吸収媒体２に向けて照射する（図１(ｇ)）。レーザが照射された吸収媒体２は発熱して接合用金属３を軟化溶融する（図１(ｈ)）。

このとき、レーザは吸収媒体２に照射されて吸収媒体２が発熱し、接合用金属３を軟化溶融するので、吸収媒体２が配置されず接合用金属３を直接溶融する場合に比べて、投入熱量を下げ、加熱時間を短縮することができる。また、レーザの加熱は吸収媒体２に対する局所加熱となるため、基板の熱変形を最低限に留めることが可能である。従来使用されていた汎用接合用半田材料は、基板全体の加熱が必要となるため基板の熱変形が大きいという問題があったが、本発明の電気的接続方法によれば、基板が大型の場合でも、基板全体が加熱されるということがなく、基板の熱変形を抑制することが可能である。

次に、レーザ照射を止めて、荷重用ガラス基板５を配置したまま冷却することで接続状態を安定化させる（図１(ｉ)）。これによって、基板１と基板１’が吸収媒体２および接合用金属３によって接合し、電気的に接続する。

さらに基板１と基板１′の接合を補強したい場合には、必要により、基板１と基板１′の側面から高浸透接着剤を供給して、吸収媒体２および接合用金属３の周囲を高浸透接着剤８で満たし、この後、紫外光や熱により硬化させる（図１(ｊ)）。なお、高浸透接着剤が接合用金属が軟化する温度以下の温度で硬化することが可能なものであれば、接合用金属の軟化温度以下の温度のレーザを照射することによって接着剤の硬化が可能であり、別に紫外線照射装置等を準備することなく、上記のマルチモードファイバ６を兼用することが可能である。高浸透接着剤は公知のものを適宜使用でき、例えば日立化成社CEL-C-3900等を用いることができる。

上記図１に示す電気的接続方法においては、基板１および基板１′のいずれにも吸収媒体２が設けられた態様を説明したが、レーザからより遠い側の基板、すなわち基板１の吸収媒体２は省略し、レーザにより近い側の基板、すなわち基板１′にのみ吸収媒体２が設けられた態様とすることも可能である。

次に、本発明の電気的接続方法の別の実施の態様として、基板上に、液晶パネルや有機ＥＬなどのＦＰＤ（フラット・パネル・ディスプレイ）向けの電極として多用されている透明導電膜（ＩＴＯ等）が形成されている場合の電気的接続方法について説明する。図２は本発明の電気的接続方法の別の実施の態様を示す概略工程模式図である。なおこの図２において、図１中の構成要素と同等の構成要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。図２に示す本発明の電気的接続方法の別の実施の態様においては、図１に示す接合用金属３に換えて、接合用金属３の全面が吸収媒体２によってコーティングされている電気的接続材料を用いている。

図２(a)に示すように基板１はリフトオフ法等により透明導電膜９があらかじめ形成されているものである。透明導電膜９上には、透明導電膜９と吸収媒体との密着を高めるためのアンカー層１０が形成される。なお、透明導電膜９をエッチング処理して用いる場合には透明導電膜９と吸収媒体の密着性はよくなるため、アンカー層１０は省略することも可能である。次に、第一の実施の形態と同様に、アンカー層１０の上面に、接合用金属３をパターニングする（図２(ｂ)）。

図２(ｂ)では接合用金属３は吸収媒体２によって全面にコーティングされている電気的接続材料を用いている。このように、接合用金属３の全面が吸収媒体２にコーティングされているものを用いる場合には、レーザ照射によって加熱した吸収媒体２からの発熱が接合用金属３の全面から伝わるため、吸収媒体２の厚みが薄くても接合用金属３を十分に軟化溶融することが可能である。

また、従来使用されていた汎用接合用半田材料は、基板全体の加熱が必要となるため基板の熱変形が大きいことは上述したが、加熱によって半田表面に酸化膜が形成され、この酸化膜の影響により接続のばらつきが大きいという問題があった。しかし、接合用金属３の全面を吸収媒体２でコーティングされているこの電気的接続材料を用いれば、接合用金属３表面の酸化膜形成を抑制することができるので、さらに接続のばらつきを抑制することが可能となり接続の安定性を確保することができる。

次に、基板１と同じように透明導電膜９とアンカー層１０が形成された基板１′を、基板１に設けられた接合用金属３上に、形成したアンカー層１０を基板１に向けて載置し（図１(ｄ)）、以下、第一の実施の形態と同様の手順により電気的接続を図ることができる。なお、図２(ｄ)では、基板１′は基板１と同じように透明導電膜９とアンカー層１０が形成されたものを用いる態様を示しているが、基板１′は、第一の実施の形態と同様の基板、すなわち基板上に透明導電膜９が設けられておらず、基板上に吸収媒体２を形成したものとする態様とすることも可能である。

本発明の電気的接続方法に用いられる接合用金属は融点が１７０℃以下の金属であり、Ｉｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種を主成分とする低融点金属であることが好ましい。ここで主成分とはＩｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種が５０質量％以上であることを意味する。Ｉｎ、ＳｎおよびＢｉ以外に含有することができる金属としては、Ａｇ、Ａｕ等を好ましく挙げることができる。接合用金属として低融点金属を用いれば、従来の異方性導電接着剤のように１９０℃以上の加熱は不要となり、基板に融点が低いプラスチック基板を用いることが可能であり、加熱温度を低くしても十分に安定した電気的接続を確保することが可能である。

吸収媒体としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌの中から選ばれる少なくとも１種から選択されることが好ましく、これらは１種類の金属を単独で使用してもよいし、２種類以上の合金であってもよいし、さらにはＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌのそれぞれを薄膜とし、これを適宜組み合わせて積層する態様としてもよい。

アンカー層としては、上記吸収媒体と同様のものを用いることができ、好ましくはＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉの中から選ばれる少なくとも１種から選択されることが好ましく、上記吸収媒体と同様に、１種類の金属を単独で使用してもよいし、２種類以上の合金であってもよいし、さらにはＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉのそれぞれを薄膜とし、これを適宜組み合わせて積層する態様としてもよい。

接合用金属の全面が吸収媒体でコーティングされている電気的接続材料は、メッキにより形成することができ、例えば、下地層にＣｒ、吸収媒体として金メッキにより薄膜層を形成する。この電気的接続材料における吸収媒体のコーティング層厚は、接合する基板の種類、接合用金属の種類や厚みにもよるが、例えば、接合する基板がプラスチックで接合用金属がＩｎ／Ｓｎの場合、０．１μｍ〜５μｍが好ましく、接合する基板がガラスで接合用金属がＩｎの場合、０．１μｍ〜５μｍが好ましい。

基板としては、ガラス基板、ポリカーボネート基板、ポリエーテルスルホン基板、ＰＥＴ基板、ポリイミド基板、エポキシ基板等のプラスチック基板を使用することができ、上記基板１と基板１’は同じものを使用してもよいし、圧着時に位置合わせが困難となるような異種材料の組み合わせ、例えばガラス基板とプラスチック基板、ポリイミド基板とＰＥＴ基板のような組み合わせでもよい。熱膨張係数が大きい基板を用いて基板の大型化を図ると、膨張、収縮による残留応力が避けられないという問題があってファインピッチ（例えば３０／３０μｍ：ライン／スペースなど）に対応が困難であるという問題があるが、本発明の電気的接続方法ではレーザを用いて局所的に加熱を行うため、基板の熱変形を最小限に留めることが可能となり、電気的に接続しようとする基板と接合用金属間の熱膨張係数の差が大きくても、圧着時の位置合わせが容易となる。

本発明の電気的接続方法の具体的な態様としては、例えば基板がガラス基板の場合、アンカー層としてＣｒを２０ｎｍ、吸収媒体としてＡｕを２００ｎｍ、接合用金属としてＩｎ（融点１５６．４℃）を５μｍをこの順に積層し、レーザ照射（４０５ｎｍ）によってプロセス温度１５０〜１７０℃で接合することが可能である。また、基板がプラスチック基板の場合には、アンカー層としてＣｒを２０ｎｍ、吸収媒体としてＡｕを２００ｎｍ、接合用金属としてＩｎ／Ｓｎ（Ｉｎ：Ｓｎが５０：５０、融点１１７℃）２μｍをこの順に積層することによりレーザ照射（４０５ｎｍ）によってプロセス温度は１３０℃で接合することが可能である。

レーザは、レーザの照射により吸収媒体が発熱して接合用金属を軟化溶融させる波長を有するものであればよく、波長としては３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲、より好ましくは３５０ｎｍ〜４５５ｎｍの範囲であるレーザが好ましく、具体的にはＧａＮ半導体レーザ、ＹＡＧレーザの第二高調波（ＳＨＧ）、ファイバレーザの第二高調波（ＳＨＧ）等のレーザを用いることができる。

本発明の電気的接続方法により製造される電子デバイスは、半導体を含有しかつ２つ以上の電極を有し、その電極間に流れる電流や生じる電圧を、電気、光、磁気、化学物質などにより制御するデバイス、あるいは、印加した電圧や電流により、光や電場、磁場などを発生させるデバイスであり、例えば液晶等の表示媒体、有機ＥＬ等の発光媒体に代表される電子素子を封止した電子デバイスなどが挙げられる。

１，１′ 基板
２ 吸収媒体
３ 接合用金属
４ ガラススペーサ
５ 荷重用ガラス基板
６ マルチモードファイバ（レーザ）
７ レンズ
８ 高浸透接着剤
９ 透明導電膜
１０ アンカー層

Claims (9)

1. 第一の基板と第二の基板を電気的に接続する電気的接続方法であって、前記第一の基板と前記第二の基板との間に接合用金属を配置し、レーザの照射により発熱して前記接合用金属を軟化溶融する吸収媒体を前記接合用金属と前記第一の基板との間に存在させ、前記第一の基板の外側から前記吸収媒体に向けて前記レーザを照射することにより、前記吸収媒体を発熱させて前記接合用金属を溶融し、前記第一の基板と前記第二の基板を電気的に接続することを特徴とする電気的接続方法。
2. 前記レーザ照射の際に、前記第一の基板と前記第二の基板との間に１ｋｇｆ／ｃｍ²以下の接圧を加えることを特徴とする請求項１記載の電気的接続方法。
3. 前記接合用金属が、Ｉｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種を主成分とする融点１７０℃以下の低融点金属であって、前記吸収媒体がＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１または２記載の電気的接続方法。
4. 前記接合用金属が前記吸収媒体によりコーティングされていることを特徴とする請求項１、２または３記載の電気的接続方法。
5. 前記第一の基板または前記第二の基板の少なくともいずれかがプラスチック基板であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の電気的接続方法。
6. 前記第一の基板と前記第二の基板を電気的に接続後、前記第一の基板と前記第二の基板との間に、補強用の熱硬化接着剤を供給することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の電気的接続方法。
7. 前記接合用金属が、該接合用金属の厚みの１/２以下のサイズを持つ絶縁体ビードを混合したものであることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の電気的接続方法。
8. 請求項１〜７記載の電気的接続方法により製造されることを特徴とする電子デバイス。
9. Ｉｎ、ＳｎおよびＢｉの少なくともいずれか１種を主成分とする融点が１７０℃以下の低融点金属の表面を、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌの中から選ばれる少なくとも１種からなる吸収媒体でコーティングしたことを特徴とする電気的接続材料。

Images