JP3782590B2 - 導電性微粒子、異方性導電接着剤及び導電接続構造体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細電極間の接続に用いられる導電性微粒子、異方性導電接着剤、及び、上記導電性微粒子又は上記異方性導電接着剤が用いられた導電接続構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶ディスプレイ、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器等のエレクトロニクス製品において、半導体素子等の小型電気部品を基板に電気的に接続したり、基板同士を電気的に接続するため、いわゆる異方性導電材料といわれるものが使用されている。
また、上記異方性導電材料としては、導電性微粒子をバインダー樹脂に混合した異方性導電接着剤が広く用いられている。
【0003】
上記異方性導電接着剤に用いる導電性微粒子としては、有機基材粒子又は無機基材粒子の表面に金属メッキを施したものや金属粒子が用いられてきた。このような導電性微粒子は、例えば、特公平6−96771号公報、特開平4−36902号公報、特開平4−269720号公報、特開平3−257710号公報等に開示されている。
【0004】
また、このような導電性微粒子をバインダー樹脂と混ぜ合わせてフィルム状又はペースト状にした異方性導電接着剤は、例えば、特開昭63−231889号公報、特開平4−259766号公報、特開平3−291807号公報、特開平5−75250号公報等に開示されている。
【0005】
従来の異方性導電材料には、導電性微粒子の基材として電気絶縁材料が多用されている。しかし、この基材粒子は繰り返し圧縮により疲労を起こすため、電極との接触抵抗が大きくなり長期信頼性に劣るという問題点があった。
近年、電子機器や電子部品が色々な用途で用いられるようになるにともない、耐久性や長期信頼性がより必要とされてきている。
【0006】
繰り返し圧縮による疲労を起こしにくい材質にはSiを含むものがあるが、これらは真球状のものが得にくく、真球といわれるものでもアスペクト比が比較的大きいものが多い。更に、粒子径が揃っておらずCV値が大きいため導通に関与しない粒子が大量に発生し電極間でのリーク現象が発生しやすいという欠点があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、微細電極等に対応でき、接続抵抗が低く、信頼性が高い導電性微粒子、上記導電性微粒子を含有する異方性導電接着剤、及び、上記導電性微粒子又は上記異方性導電接着剤が用いられた導電接続構造体を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平均粒子径0.5〜100μm、アスペクト比1.3未満、CV値15%以下、Si含有率4重量%以上の微球の表面に導電性物質が被覆されてなることを特徴とする導電性微粒子である。
以下に、本発明を詳述する。
【0009】
本発明に用いられる微球は、その平均粒子径が0.5〜100μmである。平均粒子径が0.5μm未満であると、後述する電極間を接合する工程において、接合すべき電極面に導電性微粒子が接触しにくくなり、電極間に隙間が生じて接触不良の原因となる場合があり、100μmを超えると、微細な導電接合に対応できなくなる場合があるので上記範囲に限定される。好ましくは1〜20μmであり、より好ましくは2〜8μmである。
【0010】
上記微球は、そのアスペクト比が1.3未満である。アスペクト比が1.3以上では、粒子径が不揃いとなるため、導電性微粒子を介して電極同士を接触させる際、接触しない導電性微粒子が大量に発生し、電極間でのリーク現象が発生する場合があるので、上記範囲に限定される。好ましくは1.2未満、より好ましくは1.1未満、更に好ましくは1.06未満である。
上記アスペクト比とは、粒子の平均長径を平均短径で割った値である。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平均粒子径0.5〜100μm、アスペクト1.3未満、CV値15%以下、Si含有率8〜11重量%の微球の表面に金が被覆されてなり、金メッキされた微球は明度5以上彩度4以上であることを特徴とする導電性微粒子である。以下に本発明を詳述する。
【0012】
上記微球は、そのSi含有率が8〜11重量%である。Si含有率が8重量%未満では、導電性微粒子として用いられた場合に、繰り返し圧縮により疲労を起こしやすく、更に、冷熱サイクルや高温高湿状態に、長時間曝された場合には、電極との間の接続抵抗値が上がり、信頼性が低くなる場合がある。また、上記Si含有率は、11重量%を超えると上記導電性微粒子が脆くなる傾向がある。
【0013】
上記微球の材質は、上記平均粒子径、上記アスペクト比、上記CV値、及び、上記Si含有率を有するものであれば特に限定されず、例えば、有機化合物、樹脂、無機化合物、その混合物や化合物等が挙げられる。これらのなかでは、CV値の小さい微球が得られることから、樹脂が好ましい。上記樹脂としては特に限定されず、例えば、シラン系単量体と他の単量体との共重合体等が挙げられる。
【0014】
上記微球は、そのK値が300〜6000kgf/mm2 であることが好ましい。K値が300kgf/mm2 未満では、衝撃や冷熱サイクル等により、接続不良を起こす場合があり、6000kgf/mm2 を超えると電極を傷つける場合がある。より好ましくは、400〜800kgf/mm2 である。
【0015】
上記K値とは、下記の式(2);
K値(kgf/mm2 )=(3/√2)×F×S-3/2×R-1/2 (2)
(式中、Fは、20℃、10%圧縮変形における荷重値(kgf)、Sは、20℃における10%圧縮変位(mm)、Rは半径(mm)を表す)で表される値である。
【0016】
上記微球は、その繰り返し圧縮による回復率(以下、回復率という)が50%以上であることが好ましい。
回復率が、50%未満では、衝撃や冷熱サイクル等により、接続不良を起こす場合がある。より好ましくは、70%以上であり、更に好ましくは、90%以上である。
上記回復率とは、20℃、10%圧縮変形を1000回繰り返したときの初期粒子径に対する値である。
【0017】
上記導電性微粒子は、上記微球に、導電性物質として金が被覆されたものである。
上記微球に金のみが被覆されたものであっても良いし、金が被覆された微球に、更に、有機化合物、樹脂、無機化合等の被覆がされていても良い。
【0018】
上記導電性微粒子を複数の電極で挟んだ状態の電気部品を作製すると、一方の電極から他方の電極へ、この導電性微粒子を介して電流が流れる。近年、電子部品は色々な用途に用いられ、耐久性や長期信頼性が、より求められてきており、上記耐久性及び信頼性は、上記微球を被覆する上記導電性物質によって大きく影響される。
【0019】
上記微球を被覆する上記導電性物質としては、導電性微粒子と電極との接続抵抗を小さくすることができ、上記耐久性及び信頼性を得ることができる点から、金属によるメッキに限定され、更に、電極との接触面等で酸化が発生しにくいことから、金メッキである。
【0020】
上記メッキの方法としては、上記微球にメッキを形成することができる方法であれば特に限定されず、例えば、無電解メッキ等が挙げられる。上記金メッキの方法としては特に限定されないが、均一にメッキできることから、金メッキの下地として、上記微球に金属メッキ層を形成し、その後、置換メッキ法等を用いて金メッキする方法が好ましい。下地となる金属メッキとしては、導電性やメッキのし易さから、無電界メッキによるニッケルメッキが好ましい。また、上記ニッケルメッキは、剥がれが起きにくいように、下地である微球のエッチングや活性化を充分に行うことが好ましい。
【0021】
上記金メッキされた微球は、その明度が5以上、彩度が4以上であるものに限定される。明度が5未満、彩度が4未満では、充分な初期特性及び長期安定性を得ることができない。特に好ましくは明度が6以上、彩度が7以上である。
【0022】
金メッキにより被覆層を形成する場合、メッキが不充分なために、表面の金に下地の金属が混入したり、メッキをし過ぎたために、メッキ液に溶出した下地金属が再び表面上に戻ってきて、金メッキ粒子の表面色がくすんだ状態になる場合がある。このとき、金メッキ粒子は、酸化劣化等の影響を大きく受けるために、初期の導電特性及び長期信頼性が著しく劣ることがある。このため、上記明度及び彩度は、上記範囲に限定される。
【0023】
上記明度及び彩度は、上記金メッキされた微球の表面状態を表す指標であり、JIS Z 8721に準拠した方法、即ち、上記金メッキされた微球を無色透明のアンプル瓶に入れて、標準色表と照らし合わせることにより得られる。
上記金メッキの厚みは、優れた初期の導電特性、及び、長期信頼性を得るために、50nm以上が好ましい。
上記メッキの厚みは、メッキされた微球20個の切断面を電子顕微鏡で観察することにより得ることができる。
【0024】
上記導電性微粒子は、主として、相対向する2つの電極を電気的に接続する際に用いられる。上記導電性微粒子を用いて相対向する2つの電極を電気的に接続する方法としては、例えば、上記導電性微粒子を絶縁性樹脂中に分散させて異方性導電接着剤を調製し、該異方性導電接着剤を使用して2つの電極を接着、接続する方法、バインダー樹脂と上記導電性微粒子とを別々に使用して接続する方法等が挙げられる。
【0025】
上記異方性導電接着剤も本発明の1つである。本明細書において、異方性導電接着剤とは、異方性導電膜、異方性導電ペースト、異方性導電インキ等を含むものとする。
【0026】
上記異方性導電接着剤を構成するバインダー樹脂としては特に限定されず、例えば、アクリレート樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、スチレン−ブタジエンブロック共重合体等の熱可塑性樹脂;グリシジル基を有するモノマーやオリゴマーとイソシアネート等の硬化剤との反応により得られる硬化性樹脂組成物等の熱や光によって硬化する組成物等が挙げられる。
【0027】
上記異方性導電接着剤として異方性導電膜を使用した場合、上記導電性微粒子は、ランダムに分散されていてもよく、特定の位置に配置されていてもよい。導電性微粒子がランダムに分散された導電膜は、通常、汎用的な用途に使用される。また、導電性微粒子が所定の位置に配置された導電膜は、効率的な電気接合を行うことができる。
上記異方性導電接着剤の塗工膜厚は、10〜数百μmが好ましい。
【0028】
上記異方性導電接着剤により接続される対象物としては、例えば、表面に電極部が形成された基板、半導体等の電気部品等が挙げられる。
上記基板は、フレキシブル基板とリジッド基板とに大別される。上記フレキシブル基板としては、例えば、50〜500μmの厚みの樹脂シートが挙げられる。上記樹脂シートの材質としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン等が挙げられる。
【0029】
上記リジッド基板は、樹脂製のものとセラミック製のものとに大別される。上記樹脂製のものとしては、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂、フェノール樹脂、セルロース繊維強化フェノール樹脂等が挙げられる。上記セラミック製のものとしては、例えば、二酸化ケイ素、アルミナ、ガラス等が挙げられる。
上記基板としては、高精度の電極が形成し易いという点から、リジッド基板が好ましい。より好ましくは、セラミック製の基板である。
【0030】
上記基板の構成は特に限定されず、単層のものであってもよく、単位面積当たりの電極数を増加させるために、例えば、複数の層が形成され、スルーホール形成等の手段により、これらの層が相互に電気的に接続されている多層基板であってもよい。
【0031】
上記電気部品としては特に限定されず、例えば、トランジスタ、ダイオード、IC、LSI等の半導体等の能動部品;抵抗、コンデンサ、水晶振動子等の受動部品等が挙げられる。
上記基板又は電気部品の表面に形成される電極の形状としては特に限定されず、例えば、縞状、ドット状、任意形状のもの等が挙げられる。
【0032】
上記電極の材質としては、例えば、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、カーボン、アルミニウム、ITO等が挙げられる。接触抵抗を低減させるために、銅、ニッケル等の上に更に金が被覆された電極を用いることができる。
【0033】
上記電極の形成方法としては、高精度のものが得られることから、メッキ法が好ましい。
上記電極の厚みは、0.1〜100μmであることが好ましく、上記電極の幅は、1〜500μmであることが好ましい。
【0034】
上記導電性微粒子と上記基板又は部品等との接合としては、例えば、表面に電極が形成された基板又は電気部品の上に、上記導電性微粒子を用いた異方性導電膜を配置し、その上に、他の基板又は電気部品の電極を置き、加熱、加圧する方法が挙げられる。上記異方性導電膜の代わりに、スクリーン印刷やディスペンサー等の印刷手段により、上記導電性微粒子を用いた異方性導電ペーストを所定量用いることもできる。上記加熱、加圧には、ヒーターが付いた圧着機やボンディングマシーン等が用いられる。
【0035】
上記異方性導電膜及び上記異方性導電ペーストを用いない方法も可能であり、例えば、導電性微粒子を介して貼り合わせた2つの電極部の隙間に液状のバインダーを注入した後、硬化させる方法等を用いることができる。
【0036】
上記基板又は電気部品の電極部同士が、上記導電性微粒子又は上記異方性導電接着剤を用いて接続された導電接続構造体もまた、本発明の1つである。
【0037】
【実施例】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【0038】
実施例1
平均粒子径6μm、アスペクト比1.04、CV値4%、K値450kgf/mm2 、Si含有率9重量%、回復率95%のスチレン/γ−メタクリロキシプロピルメトキシシラン系共重合体をアルカリ処理した微球を分級したものに、無電解メッキにより0.15μmのニッケル被覆層を形成した。次に、強制攪拌とともに表面の状態をみながら置換メッキを行い、粒子表面色の明度及び彩度が低下する前にメッキ処理を終了し、導電性微粒子を得た。得られた導電性微粒子の表面は、JIS Z 8721に準拠した方法を用い、標準色表と比較した結果、明度は5で、彩度は6であった。また、金の厚みは50nmであった。
【0039】
この導電性微粒子をエポキシ樹脂及びアクリル樹脂の混合物をトルエンに溶解させたバインダー溶液に混合、分散させた。ついで、この導電性微粒子の分散溶液を離型フィルム上に一定厚みに塗布し、トルエンを蒸発させ、異方性導電膜を作製した。膜厚は30μmであり、導電性微粒子の濃度は15%であった。
次に、ガラス−エポキシ銅張り基板(厚み1.6mm、配線幅60μm、電極ピッチ100μm)に得られた異方性導電膜を貼り付けた。
この上に厚み100μmのポリイミドフィルム基板(厚み30μm、配線幅60μm、電極ピッチ100μm)を位置あわせした後重ね合わせ、150℃で2分間、加熱、加圧して導電接続構造体を作製し、接続抵抗値を測定した。
【0040】
その結果、この導電接続構造体の接続抵抗値は0.007Ωと充分に低く、隣接する電極間の接続抵抗は1×109 Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていた。また、−20〜90℃の冷熱サイクルテストを2万回行ったが、接続抵抗値は、変化していなかった。
【0046】
比較例1
平均粒子径6μm、アスペクト比1.04、CV値4%、K値280kgf/mm2 、Si含有率1重量%、回復率40%のスチレン/γ−メタクリロキシプロピルメトキシシラン系共重合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、明度5、彩度6、金の厚さ50nmの導電性微粒子を得た。
得られた導電性微粒子を用いて、実施例1と同様に導電接続構造体を作製し、接続抵抗値を測定した。
得られた導電接続構造体の接続抵抗値は0.015Ωと充分に低く、隣接する電極間の接続抵抗は1×109 Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていた。
しかし、−20〜90℃の冷熱サイクルテストを2万回行ったところ、一部接続不良が発生した。
【0047】
比較例2
平均粒子径6μm、アスペクト比1.4、CV値25%、K値450kgf/mm2 、Si含有率9重量%、回復率95%のスチレン/γ−メタクリロキシプロピルメトキシシラン系共重合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、明度5、彩度6、金の厚さ50nmの導電性微粒子を得た。
得られた導電性微粒子を用いて、実施例1と同様に導電接続構造体を作製し、接続抵抗値を測定した。
得られた導電接続構造体の接続抵抗値は0.04Ωと高かった。一方、隣接する電極間の接続抵抗は1×109 Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていた。
また、−20〜90℃の冷熱サイクルテストを2万回行ったところ、接続抵抗はほとんど変化していなかった。
【0048】
比較例3
平均粒子径300μm、アスペクト比1.04、CV値4%、K値420kgf/mm2 、Si含有率9重量%、回復率95%のスチレン/γ−メタクリロキシプロピルメトキシシラン系共重合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、明度5、彩度6、金の厚さ50nmの導電性微粒子を得た。
得られた導電性微粒子を用いて、実施例1と同様に導電接続構造体を作製し、接続抵抗値を測定しようとしたが、微細電極に対応できずショートが発生した。
【0049】
比較例4
平均粒子径0.1μm、アスペクト比1.2未満、CV値20%未満、Si含有率9重量%のスチレン/γ−メタクリロキシプロピルメトキシシラン系共重合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、明度4、彩度4の導電性微粒子を得た。
得られた導電性微粒子を用いて、実施例1と同様に導電接続構造体を作製し、接続抵抗値を測定しようとしたが、この導電接続構造体は一部で接続不良が発生した。
【0050】
比較例5
強制攪拌とともに表面の状態をみながら完全に置換メッキが終了するまでメッキ処理を行った以外は、比較例2と同様にして、明度3、彩度2、金の厚さ30nmの導電性微粒子を得た。
得られた導電性微粒子を用いて、実施例1と同様に導電接続構造体を作製し、接続抵抗値を測定した。
得られた導電接続構造体の接続抵抗値は0.07Ωと高かった。一方、隣接する電極間の接続抵抗は1×109 Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていた。
また、−20〜90℃の冷熱サイクルテストを2万回行ったところ、接続抵抗値は5倍に上昇していた。
【0051】
【発明の効果】
本発明の導電性微粒子は、上述の構成よりなるので、電極が形成された基板又は電気部品等を良好に導電接合することができる。
また、本発明の異方性導電接着剤は、上述の構成よりなるので、電極が形成された基板又は電気部品等を良好に導電接合することができる。
更に、本発明の導電接続構造体は、上述の構成よりなるので、微細電極においても接続抵抗が低く、信頼性の高い導電接続構造体を提供することができる。
Claims (9)
- 平均粒子径0.5〜100μm、アスペクト1.3未満、CV値15%以下、Si含有率8〜11重量%の微球の表面に金が被覆されてなり、金メッキされた微球は明度5以上彩度4以上であることを特徴とする導電性微粒子。
- 微球は、平均粒子径が1〜20μm、アスペクト比が1.2未満、CV値が10%以下、K値が300〜6000kgf/mm2 、繰り返し圧縮による回復率50%以上であることを特徴とする請求項1記載の導電性微粒子。
- 微球は、平均粒子径が2〜8μm、アスペクト比が1.1未満であることを特徴とする請求項1又は2記載の導電性微粒子。
- 微球は、CV値が5%以下、K値が400〜800kgf/mm2 、繰り返し圧縮による回復率が70%以上であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の導電性微粒子。
- 微球は、アスペクト比1.06未満、繰り返し圧縮による回復率90%以上であることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の導電性微粒子。
- 微球は、金メッキされた微球であり、前記金メッキの下地はニッケルであることを特徴とする請求項1、2、3、4又は5記載の導電性微粒子。
- 微球は、金メッキされた微球であり、前記金メッキの厚みは50nm以上であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6記載の導電性微粒子。
- 請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の導電性微粒子を含有することを特徴とする異方性導電接着剤。
- 基板又は電気部品を構成する電極部同士が、請求項1、2、3、4、5、6若しくは7記載の導電性微粒子、又は、請求項8記載の異方性導電接着剤により接続されていることを特徴とする導電接続構造体。
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