JP2020102316A - ピラー用導電性ペースト - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、近年のチップの高集積化に伴い、最近は銅ピラーを用いたフリップチップ技術が注目されている。銅ピラーは、半導体チップ上に形成し、銅ピラー先端を半導体パッケージの電極と接続する。
銅ピラーは、材質が低電気抵抗の銅であることから、はんだバンプに比べて大電流に対応できる。さらに、金バンプは電極との接触面積が小さいのに対し、銅ピラーは半導体チップ上の電極から半導体パッケージ上の電極に至るまで同じ断面積を維持できることからも、大電流に対応可能であるという利点を有する。上記理由により、銅ピラーの作製は半導体実装において重要であり、銅ピラーを簡便に作製する方法が望まれている。
従来技術としては、基板上に銅ピラーを形成する方法として、メッキ技術を利用した方法が知られている。シード層と呼ばれるメッキ層を電極パッド上に作製し、電解メッキにより銅ピラーを形成する方法である。
その他、メッキ技術により銅ピラーを形成する方法として、無電解メッキを使用する方法もある。半導体チップ上にフォトレジスト層を形成し、銅ピラーを形成する部分のフォトレジスト層を除去・開口し、開口部分分に無電解で銅めっきを形成し、さらに銅めっきの頂部にはんだめっきを形成する方法である。
基板上に銅ピラーを形成する方法として、無電解メッキ技術を用いた場合、基板全面に導電性のシード層を設ける必要はない。しかしながら、銅ピラーの高さ/直径比(アスペクト比)が大きい(細長い)銅ピラーを形成しようとすると、直径が小さく深い穴にめっきを成長させる必要が生じる。この場合、開口部分に十分な濃度のめっき液を送り続けることが難しく、めっきの成長が遅くなりスループットが悪化すること、銅ピラーの直径が目標より細くなるなど形状が不安定になること、析出する銅にボイドが生じること、などから品質及び再現性に問題が生じるという課題がある。
また、メッキ法は大量の廃液を再生又は処分する必要があり、環境負荷が大きく設備維持にコストも要することから代替手段が望まれている。
メッキ技術を利用した方法以外に、基板上に銅ピラーを形成する方法として、導電性ペーストをパターニングされたレジスト層の開口部分に充填させることでピラーを簡便に形成する方法が考えられる。本発明に係る導電性ペースト
本発明に係る導電性ペーストを用いて電極基板上に直接ピラーを形成することにより、従来方法による課題であったエッチング時のアンダーカットを解決することができ、微細な銅ピラーの形成が可能となる。導電性ペーストによるピラー作製は、メッキ液の劣化や、イオンの拡散律速などの制限を受けないため、無電解メッキ法の品質や再現性の課題も解決できる可能性があると考えられる。
しかしながら、導電性ペーストによりピラーを形成するためには、電極パット部(電極基板)と導電性ピラーとの密着強度を向上させる必要がある。電極基板の材料に卑な金属種を用いた場合、電極最表面をその金属種の酸化膜が覆うため、電極基板と導電性ピラーとの密着強度が低下するという課題が生じる。したがって、卑な金属種を電極として用いる場合、電極基板上に貴な金属種から成る接合層を新たに導入する必要があった。貴な金属としては、銀、金又は白金が挙げられるが、非常に効果であることに加えて、エッチングが困難であることから、電極基板のみに製膜することは難しい。
以下に、本発明について具体的に記述する。
導電性ペーストを用いることにより、従来技術であるメッキ技術を使用することなく、スキージ等であらかじめ導電性ペーストをパターニングされたレジスト層の開口部分に充填させることでピラーを簡便に形成することができる。また、メッキ方法による課題であったエッチング時のアンダーカットを解決することができ、微細な銅ピラーの形成が可能となる。導電性ペーストによるピラー作製は、メッキ液の劣化や、イオンの拡散律速などの制限を受けないため、無電解メッキ法の品質や再現性の課題も解決できる可能性があると考えられる。
上記に加えて、本発明に係る導電性ペーストを用いることにより、電極基板と導電性ピラーとの密着強度、接合強度を向上させることができる。さらに、ピラー形成の歩留まりを飛躍的に向上させることができる。本発明に係る導電性ペーストは、還元性ガス(例えば、水素含有ガス、蟻酸雰囲気等)を使用せずに電極基板へピラーを形成することができる。
本発明の金属微粒子として用いることができる金属種は、当該金属種が後述する保護剤中の官能基と化学的に結合できるものであれば特に制限されない。例えば、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、白金、パラジウム、スズ、クロム、鉛、タングステン等を用いることができる。また、金属種は一種類であっても、二種類以上の混合物、または合金であっても良い。
導電性ペースト中の金属微粒子濃度は、40以上95%未満の範囲で使用することができる。より好ましくは60〜90%の範囲で使用可能である。
本発明の保護剤は、金属微粒子や溶剤との親和性を有する官能基を有する化合物を任意に選択することができる。また、使用する保護剤は、分子量の大小にかかわらず使用することができる。使用する金属種や所望する物性に応じて保護剤を設計することで高導電性や分散安定性を金属微粒子に付与することが可能である。
また、金属に対し中程度の相互作用を示し分散媒の液性によって吸着能が変化するアミノ基(例えば、ジメチルアミノエチル基、ジメチルアミノプロピル基)、ヒドロキシ基(ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基)、芳香族基(例えば、ベンジル基)等を有する保護剤を使用することにより、低温焼結においても低い体積抵抗率を発現する高導電性を付加することができる。
このように、種々の目的に応じて金属微粒子用保護剤を選択することで金属微粒子の特性を自在に変更することができる。低分子量の保護剤を用いる場合は、二種以上の化合物を併用することで様々な特性を発現できる。高分子量の保護剤を用いる場合は、化合物中の官能基の数及び種類を変更することで様々な特性を発現できる。
導電性ペースト中の保護剤濃度は、15%以下の範囲で使用することができる。より好ましくは、10%以下の範囲である。保護剤濃度が高すぎる場合には、焼結時に金属粒子同士のネッキング現象が十分に生じず、高い導電性及び接合強度を発現させることが困難となる。
例えば、カルボキシル基を有するカルボン酸としては、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ベヘン酸、オレイン酸、パルミトオレイン酸、エイコセン酸、エルカ酸、ネルボン酸、リシノール酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ジグリコール酸、マレイン酸、イタコン酸、安息香酸、N−オレイルサルコシン、N−カルボベンゾキシ−4−アミノ酪酸、p−クマル酸、3−(4−ヒドロキシフェニル)プロピオン酸、3−ヒドロキシミリスチン酸、2−ヒドロキシパルミチン酸、2−ヒドロキシイコサン酸、2−ヒドロキシドコサン酸、2−ヒドロキシトリコサン酸、2−ヒドロキシテトラコサン酸、3−ヒドロキシカプロン酸、3−ヒドロキシオクタン酸、3−ヒドロキシノナン酸、3−ヒドロキシデカン酸、3−ヒドロキシウンデカン酸、3−ヒドロキシドデカン酸、3−ヒドロキシトリデカン酸、3−ヒドロキシテトラデカン酸、3−ヒドロキシヘキサデカン酸、3−ヒドロキシヘプタデカン酸、3−ヒドロキシオクタデカン酸、15−ヒドロキシペンタデカン酸、17−ヒドロキシヘプタデカン酸、15−ヒドロキシペンタデカン酸、17−ヒドロキシヘプタデカン酸、ラウロイルサルコシン、6−アミノヘキサン酸、2−ベンゾイル安息香酸、12−ヒドロキシステアリン酸、12−ヒドロキシペンタデカン酸、2−ヒドロキシパルミチン酸、3−ヒドロキシデカン酸、15−ヒドロキシペンタデカン酸、ラウロイルサルコシン、6−アミノヘキサン酸、N−(tert−ブトキシカルボニル)−6−アミノヘキサン酸、[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸、N−カルボベンゾキシ−β−アラニン等を例示することができる。また、多量体を形成する化合物であれば、これらの二量体及び三量体から六量体までの多量体を用いても良い。また、1又は2以上のカルボン酸を任意の割合で組み合わせて用いることもできる。
また、本発明の保護剤を用いて合成した金属微粒子は、保護剤存在量が2〜10%程度と少なく、焼成時の金属粒子同士のネッキング現象を妨げない。
また、本発明においてこれらのポリエチレンオキシド構造を含むリン酸エステル型有機化合物は、チオエーテル基を有しリン酸エステル基をも有しており、これらの基を有することにより、金属微粒子表面に対して適切な親和吸着効果と、加熱による迅速な脱離性を付加することができる。
本発明に係る還元剤は、チップ電極基板表面の酸化被膜を還元反応により化学的に除去することができれば特に制限はない。導電性ペーストに還元剤を添加することによって、フリップチップ実装時において電極基板にフラックス剤を別途塗布する必要がない点においてメリットがある。また、還元剤の沸点を調整することにより、導電性ペーストペースト焼結時に揮発させ、除去することも可能であることから、フラックス残の洗浄工程も省略できる可能性がある点においてもメリットがある。
本発明に係る還元剤は、二種以上の化合物を組み合わせて使用することもできるし、各工程に分割して添加することもできる。ただし、本発明に係る還元剤はチップの電極基板表面の酸化被膜を還元反応により化学的に除去することを目的としているため、チップの電極基板に使用する金属種の還元半反応の標準電極電位よりも卑な電位に標準電極電位を有する化合物を還元剤として用いる必要がある。
チップの電極基板材料として錫を用いた場合、酸性溶液下においてSnO(黒色)/SnのE0は、−0.104Vである。したがって、チップの電極基板表面の酸化被膜がSnOであるとき、還元剤として使用できる化合物は、E0が−0.104Vより卑な電位である必要がある。
チップの電極基板材料として銀を用いた場合、酸性溶液下においてAg+/AgのE0は、+0.799Vである。したがって、チップの電極基板表面の酸化被膜が酸化銀(I)であるとき、還元剤として使用できる化合物は、E0が+0.799Vより卑な電位である必要がある。
例えば、還元剤として、過酸化水素:E0(O2/H2O2)=+0.695V、炭素:E0(CO/C)=+0.518V、メタノール:E0(HCHO/CH3OH)=+0.237V、炭素:E0(O2/H2O2)=+0.206V、アスコルビン酸:E0=+0.058V、ホルムアルデヒド:E0(HCOOH/HCHO)=+0.034V、ジメチルアミンボラン:E0=+0.056V、クエン酸:E0=+0.030V、蟻酸:E0(CO2/HCOOH)=−0.199V、シュウ酸:E0(CO2/H2C2O4)=−0.432V、エチレングリコール:E0(H2C2O4/HOC2H4OH)=−0.690V、ヒドラジン:E0=−1.150V、水素化ホウ素ナトリウム:E0=−1.240V又はそれらの塩を用いることができる。
例えば、Standard Potentials in Aqueous Solution,A.J.Bard,R.Parsons,J.Jordan,NewYork(1985)、S.G.Bratsch,J.Phys.Chem.Ref.Data,18,1(1989)に記載されており、その値を採用することができる。
本発明で用いることができる溶媒としては、沸点が250℃以下の化合物であれば分子量の大小にかかわらず、特に制限されることはない。水又は/及び有機溶剤を溶媒として用いることが可能である。前記溶媒は、金属微粒子を凝集させない良溶媒を用いることが、均一な粒子系を有する導電性ペーストを製造する上では好ましい。
複数の溶媒を組み合わせた混合溶媒を用いる場合、前期混合溶媒(溶液)の沸点は、JIS K2233−1989「自動車用非鉱油系ブレーキ液」7.1に規定する「平衡還流沸点試験方法」に準じて測定することができる。
具体例をあげると、
(1)100mL三つ口フラスコに、2種の溶媒を混合した混合溶液60mLと撹拌子を入れる。
(2)オイルバスの液面とフラスコ内の液面をあわせ、オイルバスを用いて加熱する。
(3)内溶液に気泡が発生した時点の内温を読み取り、混合溶液の沸点とする。
上記具体例に沿って見積もられた沸点を溶媒の沸点として採用することができる。二種以上の溶媒を組み合わせた混合溶媒を本発明に使用する場合には、混合溶媒の沸点が250℃以下であれば特に制限されることはない。
本発明の金属微粒子の合成方法としては、化学還元方法を採用したが、金属微粒子表面を保護剤より保護することができれば、任意の方法を採用することができる。
例えば、湿式法として化学還元法の他に熱分解法、電気化学法を採用することもできる。乾式法としてガス中蒸発法、スパッタ法を採用することもできる。金属微粒子の粒子径については、特に制限されるものではないが、少なくとも作製するピラーの開口部分の径よりも小さいことが必要となる。
前記製造方法の具体例を示すにあたり、金属種を銅又は銀とした場合について記述するが、本発明に係る導電性ペーストの金属種を銅又は銀に限定するわけではない。
炭素数8〜200のポリエチレンオキシド構造を含む有機化合物が複合した金属微粒子は、チオエーテル型有機化合物の存在下で、2価の銅イオン化合物又は1価の銀イオン化合物を溶媒と混合する工程と、銅イオン又は銀イオンを還元する工程と組み合わせることで容易に作製することが可能である。
本発明のピラー形成用導電性ペーストは、金属微粒子の合成時又は/及び合成後に還元剤を添加することにより本発明に係る導電性ペーストとしての適性を付与することができる。また、作製した金属微粒子に充填用のペーストとして使い易い溶媒を加え、あるいは、媒体交換することにより、本発明に係る導電性ペーストとしての適性を付与することができる。
本発明のピラー形成用導電性ペーストは、加熱焼結時に加圧を必要とせず、開口部分に充填し焼結するだけで、十分な性能を発揮できる。
本発明におけるピラーの形成方法については、特に制限されるものではない。例えば、簡便にピラーを形成する方法として、開口部分を複数有するレジスト膜を基板上部に作製し、その開口部分分に導電性ペーストを充填し、焼結する方法が考えられる。
導電性ペーストの充填方法としては、特に制限されるものではなく、ゴムスキージ、ドクターブレード、ディスペンサ、インクジェット、プレス注入等、任意の方法を採用することができる。
本発明に係る導電性ペーストは、金属微粒子が融着する温度にまで加熱をすることで、粒子間でネッキングと呼ばれる融着が生じ、導電性が発現する。金属微粒子が融着する温度は、使用する保護剤や溶媒種によって異なる。金属微粒子が融着する温度は、熱重量分析(TG−DTA)や示差走査熱量計(DSC)を用いて見積もることができる。
焼成温度は150〜350℃の範囲であれば融着可能であり、焼成時間は1〜60分間の範囲あれば十分な性能を発揮するが、作業を短時間にする点、及び、その後のレジスト膜の除去を考えると250℃以下で5〜15分間の焼成が好ましい。本発明に係る導電性ペーストを使用すれば、短時間焼成においても十分な性能を発揮することができる。
また、必要に応じて、低温で溶媒を揮発させる仮焼成を行ってから、150〜350℃の範囲で本焼成を行う等の、温度プロファイルを用いて焼成を行うこともできる。
金属微粒子を焼結させる焼成方法としては、ホットプレートや熱風オーブンをはじめとする熱による焼結に制限されるものではなく、金属微粒子の融着が生じればよい。例えば、可視光、赤外光又はレーザー光の照射、フラッシュランプ、水素ガスをはじめとするプラズマ処理を用いても金属微粒子を焼結することができる。
本発明に係る導電性ペーストの金属微粒子含有率は、40以上95%未満であることが、レジスト開口部分への充填適性を考えると好ましい。ここで、導電性ペースト中の金属微粒子含有率が40質量%濃度未満の場合、開口部分に充填し、焼結させた場合に、金属成分が少なすぎるために金属微粒子同士の融着が進まない。したがって、レジスト剥離後にピラーが自立できないばかりではなく、導電性も十分に発揮されない、という問題が生じる。以上より、金属微粒子を含む率は少なくとも40質量%以上有することが好ましい。
以上より、金属微粒子を含む率は少なくとも95質量%濃度以下が好ましい。
本発明における導電性ペースト中の金属微粒子を含有率は、熱重量分析(TG/DTA)により算出することができる。導電性ペーストを熱重量分析用アルミパンに精密にはかり、示差熱重量分析装置に載せ、不活性ガス雰囲気下において、室温〜600℃まで毎分10℃の割合で昇温して、重量減少率に基づいて金属微粒子含有率を計算した。
導電性ペースト2〜25mgを熱重量分析用アルミパンに精密にはかり、EXSTAR TG/DTA6300型示差熱重量分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製)に載せ、不活性ガス雰囲気下において、室温〜600℃まで毎分10℃の割合で昇温して、100℃〜600℃の重量減少率を測定した。前記重量減少率より有機物の含有率を計算した。
(実施例1)
<分散体の合成>
酢酸銅(II)一水和物(3.00g、15.0mmol)(東京化成工業社製)、エチル3−(3−(メトキシ(ポリエトキシ)エトキシ)−2−ヒドロキシプロピルスルファニル)プロピオナート〔ポリエチレングリコールメチルグリシジルエーテル(ポリエチレングリコール鎖の分子量2000(炭素数91))への3−メルカプトプロピオン酸エチルの付加化合物〕(0.451g)、およびエチレングリコール(10mL)(関東化学社製)からなる混合物に、窒素を50mL/分の流量で吹き込みながら加熱し、125℃で2時間通気攪拌して脱気した。この混合物を室温に戻し、ヒドラジン水和物(1.50g、30.0mmol)(東京化成工業社製)を水7mLで希釈した溶液を、シリンジポンプを用いてゆっくり滴下した。約1/4量を2時間かけてゆっくり滴下し、ここで一旦滴下を停止し、2時間攪拌して発泡が沈静化するのを確認した後、残量を更に1時間かけて滴下した。得られた褐色の溶液を60℃に昇温して、さらに2時間攪拌し、還元反応を終結させた。
得られた銅微粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察すると、得られた銅微粒子の一次粒子径は20nmであった。水分散液中の不揮発物含量は16%であった。TG−DTA測定による重量減少より、得られた銅微粒子には3%のポリエチレンオキシド構造を含む有機物が存在していた。
上記の水分散液5mLをそれぞれ50mL三口フラスコに封入し、ウォーターバスを用いて40℃に加温を行いながら、減圧下、窒素を5mL/分の流速で流すことで、水を完全に除去し、銅微粒子複合体乾燥粉末1.0gを得た。
得られた乾燥粉末に窒素バブリングしたエチレングリコールと、蟻酸アンモニウムと、を添加した。蟻酸アンモニウムの添加量は、得られた乾燥粉末に対して50ppmの濃度になるように調製した。添加後、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACE(DIC社製)を添加した。
<分散体の合成>
実施例1記載の調製方法と同様の方法で、チオエーテルを含む有機化合物と銅微粒子との複合体の水分散液を得た。
上記の水分散液5mLをそれぞれ50mL三口フラスコに封入し、ウォーターバスを用いて40℃に加温を行いながら、減圧下、窒素を5mL/分の流速で流すことで、水を完全に除去し、銅微粒子複合体乾燥粉末1.0gを得た。
得られた乾燥粉末に窒素バブリングしたエチレングリコールと、蟻酸アンモニウムと、を添加した。蟻酸アンモニウムの添加量は、得られた乾燥粉末に対して500ppmの濃度になるように調製した。添加後、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の合成>
実施例1記載の調製方法と同様の方法で、チオエーテルを含む有機化合物と銅微粒子との複合体の水分散液を得た。
上記の水分散液5mLをそれぞれ50mL三口フラスコに封入し、ウォーターバスを用いて40℃に加温を行いながら、減圧下、窒素を5mL/分の流速で流すことで、水を完全に除去し、銅微粒子複合体乾燥粉末1.0gを得た。
得られた乾燥粉末に窒素バブリングしたエチレングリコールと、蟻酸と、を添加した。蟻酸の添加量は、得られた乾燥粉末に対して50ppmの濃度になるように調製した。添加後、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の合成>
実施例1記載の調製方法と同様の方法で、チオエーテルを含む有機化合物と銅微粒子との複合体の水分散液を得た。
上記の水分散液5mLをそれぞれ50mL三口フラスコに封入し、ウォーターバスを用いて40℃に加温を行いながら、減圧下、窒素を5mL/分の流速で流すことで、水を完全に除去し、銅微粒子複合体乾燥粉末1.0gを得た。
得られた乾燥粉末に窒素バブリングしたエチレングリコールと、蟻酸と、を添加した。蟻酸の添加量は、得られた乾燥粉末に対して500ppmの濃度になるように調製した。添加後、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の合成>
実施例1記載の調製方法と同様の方法で、チオエーテルを含む有機化合物と銅微粒子との複合体の水分散液を得た。
上記の水分散液5mLをそれぞれ50mL三口フラスコに封入し、ウォーターバスを用いて40℃に加温を行いながら、減圧下、窒素を5mL/分の流速で流すことで、水を完全に除去し、銅微粒子複合体乾燥粉末1.0gを得た。
得られた乾燥粉末にエチレングリコールを添加し、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACE(DIC社製)を添加した。
<分散体の合成>
硝酸銅(東京化成工業社製)5.6g、保護剤としてオクチルアミン(東京化成工業社製)9.2g、リノール酸(東京化成工業社製)2.1gをトリメチルペンタン(東京化成工業社製)1Lに加え、攪拌混合し溶解した。この混合溶液に、0.01mol/Lの水素化ホウ素ナトリウム(東京化成工業社製)を含むプロパノール(東京化成工業社製)溶液1Lを1時間かけて滴下し銅を還元した。さらに、3時間攪拌して黒色の液体を得た。得られた黒色の液体をエバポレーターによって濃縮した後、これにメタノール2Lを加えて褐色の沈殿物を生成させた後、吸引ろ過により沈殿物を回収した。生成した沈殿物をトリメチルペンタンに再分散させ、ろ過した後、乾燥させて、銅微粒子を黒色の固体として、銅微粒子乾燥粉末1.0gを得た。
得られた銅微粒子乾燥粉末を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察すると、得られた銅微粒子の一次粒子径は6nmであった。
得られた乾燥粉末に窒素バブリングしたテルピネオール(和光純薬工業製)と、蟻酸と、を添加した。蟻酸アンモニウムの添加量は、得られた乾燥粉末に対して500ppmの濃度になるように添加した。添加後、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACE(DIC社製)を添加した。
<分散体の合成>
アルゴンガス雰囲気下で1Lフラスコに、N,N−ジメチルエチレンジアミン(東京化成工業社製)153.2g(1.738mol)、3−(2−エチルヘキシルオキシ)プロピルアミン(東京化成工業社製)325.6g(1.738mol)を添加後、この混合液の内温が30℃になるまでオイルバスで加熱攪拌した。加熱攪拌下、シュウ酸銀(松田産業社製)35.2g(0.116mol)を添加して、内温が40℃になるまで加熱攪拌した。1時間加熱攪拌を維持した後、フラスコ上部を開放し、オイルバスを95℃まで昇温した。シュウ酸銀とアミンの熱分解により反応液が90−97℃まで上昇することを確認後、フラスコをオイルバスから外し、アルゴンガス雰囲気下で反応液の内温が40℃以下になるまで冷却し、銀微粒子分散体を得た。
過剰なアミンを銀微粒子分散体から除去するために、N−ヘキサン(関東化学社製)によりデカンテーションを実施し、銀微粒子分散体を洗浄した。デカンテーション後、銀微粒子分散体約22gを得た。
得られた銀微粒子分散体を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察すると、一次粒子径は17nmであった。
上記合成により得られた銀微粒子分散体に、銀に対して2.0%になるように、リシノール酸(東京化成工業社製)を加えた1−ブタノール(関東化学社製)混合液を、銀濃度が70質量%になるように添加した。0.5時間程度攪拌し、蟻酸を500ppmの濃度になるように添加し、褐色の導電性ペーストを得た。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の調製>
実施例1記載の方法と同様にして、チオエーテルを含む有機化合物と銅微粒子との複合体の水分散液を作製した。
上記の水分散液5mLをそれぞれ50mL三口フラスコに封入し、ウォーターバスを用いて40℃に加温を行いながら、減圧下、窒素を5mL/分の流速で流すことで、水を完全に除去し、銅微粒子複合体乾燥粉末1.0gを得た。
得られた乾燥粉末に窒素バブリングした水を添加し、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の調製>
実施例6記載の方法と同様に、銅微粒子乾燥粉末を作製した。
次に、得られた銅微粒子乾燥粉末1.0gにアルゴンガス置換したグローブバッグ内で、30分間窒素バブリングしたテルピネオールを添加し、乳鉢で10分間混合することで金属微粒子含有率70%の導電性ペーストを作製した。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の調製>
実施例7記載の方法と同様に、銀微粒子分散体を作製した。
得られた銀微粒子分散体に銀に対して2.0%になるように、リシノール酸を加えた1−ブタノール混合液を銀濃度が70%になるように添加した。0.5時間程度攪拌し、褐色の導電性ペーストを得た。また、表面張力を調整するためにフッ素系レベリング剤MEGAFACEを添加した。
<分散体の調製>
実施例1記載の方法と同様にして、チオエーテルを含む有機化合物と銅微粒子との複合体の水分散液を作製した。
比較例1記載の方法と同様にして、導電性ペーストを作製した。
表1は、実施例1から7及び比較例1から4に記載した導電性ペーストを用いてピラーを形成した際の歩留りを示している。導電性ペーストをレジスト開口部分分に充填し、焼結し、レジスト薄膜を除去することによりピラーを作製した。以下に、詳細を記載する。
実験に用いた電極基板の作製方法を述べる。ピラーの基板への接合状態を観察するため、以下の手順で歩留り評価用の基板を作製した。
実施例1から7及び比較例1から3において、4インチのシリコンウエハー上に、Ti(厚さ50nm)をスパッタした後、Cu(250nm)をスパッタした電極基板を作製し、実験に用いた。
参考例1において、電極基板表面の酸化がピラーの接合に及ぼす影響を調査するために、銅よりも貴な金属であるAuを電極基板に使用した。4インチのシリコンウエハー上に、メッキによりNiを製膜した後、Auをメッキした電極基板を作製し、実験に用いた。
スパッタ又はメッキをしたシリコン基板に最終膜厚が30μmになるようにレジスト樹脂を塗布し、パターニングした。レジストパターンの形状は円柱形状であり、開口部分分の直径は30μm、開口部分の深さは30μmである。したがって、アスペクト比は、1.0で、Hole:Space=1:1となるようにデザインした。
導電性ペーストの充填は、スクリーン印刷用のウレタンゴムスキージを用いておこなった。図1には、直径30μmの開口部分に導電ペーストを充填し、焼結した際のレジスト表面の形状を示している。使用した導電性ペーストは、実施例1記載の導電ペーストである。いずれの開口部分においても導電性ペーストが均一に充填されていることがわかる。
ゴムスキージによりペーストを開口部分に充填した後、不活性ガス(窒素)雰囲気下において250℃で10分間焼結し、放冷した後、レジストを除去した。
レジスト膜を除去した後、作製した電極基板上のピラーを光学顕微鏡により観察した。観察したピラーの本数(「観察数」)は、各900である。「欠損」は、本来ピラーが作製されるべき箇所にピラーが存在しなかったことを意味している。「欠け」は、円柱形状に形成されるべきピラーが、円柱の形状を保っていないことを意味している。
評価基準について、
◎:作製したピラーの歩留まりが99%以上であることを示す。
○:作製したピラーの歩留まりが90%以上であることを示す。
△:作製したピラーの歩留まりが70%以上であることを示す。
×:作製したピラーの歩留まりが70%未満であることを示す。
比較例1から3のいずれにおいても、ピラーの歩留りは70%未満であった。レジスト膜を剥離後、基板表面を観察した結果250〜300本あまりのピラーが欠落していた。ピラーの欠落は、スジスト膜剥離時に生じたものであり、電極基板とピラーとの密着性が低いことを示している。
なお、参考例として酸化被膜を形成しないと考えられるAuを電極基板に使用した場合の歩留り評価結果を示した。本発明に係る導電性ペーストを使用することにより、卑な金属種を電極として用いた場合であっても、高い歩留りを維持できることがわかる。
表2は、実施例1から7及び比較例1から3に記載した導電性ペーストを用いて、作製したピラーのシェア強度試験結果を示している。導電性ペーストをレジスト開口部分分に充填し、焼結し、レジスト薄膜を除去することによりピラーを作製した。以下に、詳細を記載する。
実験に用いた電極基板の作製方法を述べる。ピラーの基板への接合強度を評価するため、以下の手順でシェア強度試験用のピラーを電極基板上に作製した。
4インチのシリコンウエハー上に、Ti(厚さ50nm)をスパッタした後、Cu(250nm)をスパッタした電極基板を作製し、実験に用いた。スパッタをしたシリコン基板に最終膜厚が30μmになるようにレジスト樹脂を塗布し、パターニングした。レジストパターンの形状は円柱状であり、開口部分の直径は75μm、開口部分の深さは30μmとした。Hole:Space=1:1となるようにデザインした。
導電性ペーストの充填は、スクリーン印刷用のウレタンゴムスキージを用いておこなった。ゴムスキージによりペーストを開口部分に充填した後、不活性ガス(窒素)雰囲気下において250℃で10分間焼結し、放冷した後、レジストを除去した。
作製した電極基板上のピラーの強度をシェア試験により測定した。試験条件は、高さを電極基板より7μm、スピードを200μm/s、で実施した。
評価基準について、
◎:作製したピラーのシェア強度の中央値が80MPa以上であることを示す。
○:作製したピラーのシェア強度の中央値が60MPa以上であることを示す。
△:作製したピラーのシェア強度の中央値が40MPa以上であることを示す。
×:作製したピラーのシェア強度の中央値が40MPa未満であることを示す。
同様に実施例1、3、6及び7においても60MPa以上の強度を示しており、高いシェア強度が観測された。
比較例1から3のいずれにおいても、最大で35MPaの強度にとどまった。シェア試験後の基板を観察すると。ピラーと電極基板と界面において破断していた。これは、電極基板に対してピラーが十分な強度で接合されていないことを示しており、電極基板表面の酸化膜の存在に起因していると推察される。
Claims (6)
- 金属微粒子と、
保護剤と、
還元剤と、
を含有するピラー用導電性ペーストであって、
金属微粒子の含有率が40以上95質量%濃度未満であり、
還元剤が電子を喪失したときに得られる半反応に対応する還元半反応の298Kにおける標準電極電位(E0)が、電極基板に使用する金属種の還元半反応の標準電極電位よりも卑な電位にある還元剤であり、
該還元剤の含有率が10ppm以上である、
ことを特徴とするピラー用導電性ペースト。 - さらに、沸点250℃以下の溶媒を含有することを特徴とする請求項1記載のピラー用導電性ペースト。
- 請求項1記載の還元剤のE0が、+0.518Vより卑な電位であることを特徴とする請求項1または2に記載のピラー用導電ペースト。
- 請求項1記載の還元剤が、分子内に少なくとも一つの第1級又は第2級水酸基、アルデヒド基、カルボキシ基を有する化合物、または、それら化合物の塩、から選ばれる少なくとも一つの還元剤であることを特徴とする請求項1〜3いずれか一項に記載のピラー用導電ペースト。
- 請求項1記載の金属微粒子の金属が、銀、銅又はこれらの複合体である、請求項1〜4いずれか一項に記載のピラー用導電性ペースト。
- 請求項1〜5いずれか一項に記載のピラー用導電性ペーストを用いたピラー。
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