JP3997991B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電子装置及びその製造方法に関し、特に複数の部材がナノ粒子によって接合された電子装置及びその製造方法に関する。
従来の超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶粒成長では、ＭＥＭＳデバイスの第１層と第２層の間に導電性結晶粒を成長させて、第１層と第２層を電気的に接続していた（例えば、特許文献１参照）。
また従来のプリント基板およびその製造方法では、樹脂フィルムに設けられたビアホール内に錫粒子及び銀粒子を充填して加熱焼結させることにより、導体パターン間を導通するようにしていた（例えば、特許文献２参照）。
特表２００３−５１９３７８号公報（図１） 特開２００２−３５９４７０号公報（図３）
従来の超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶成長では（例えば、特許文献１参照）、真空装置等の製造装置が必要となり、製造コストが高くなってしまうという問題点があった。またこの結晶成長では、第１層と第２層の電気的接続をすることはできるが、例えば、半導体素子と基板との接合には適用することができないという問題点があった。
また従来のプリント基板およびその製造方法では（例えば、特許文献２参照）、錫粒子及び銀粒子を加熱焼結する際に高温に加熱する必要があり、製品の信頼性が低下してしまうという問題点があった。
本発明は、信頼性の高い電子装置及び製造コストが低く、接合信頼性の高い電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る電子装置は、２つの部材のうち少なくとも一方の部材に、ナノ粒子塗布のための受理層が導電性粒子または導電性繊維を混練して形成されており、前記受理層の表面に塗布された金属ナノ粒子の一部又は全部が互いに融着し、かつ前記受理層と前記金属ナノ粒子とが密着して、前記２つの部材が接合されているものである。また、前記受理層は、ポリアミク酸、アクリル樹脂、アルミナ水和物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、合成微粒子シリカ、タルク、カオリン、硫酸カルシウム、硫酸バリウムのいずれかを含むものである。
本発明に係る電子装置は、２つの部材のうち少なくとも一方の部材に、ナノ粒子塗布のための受理層が導電性を有するカーボンナノチューブから形成されており、前記受理層の表面に塗布された金属ナノ粒子の一部又は全部が互いに融着し、かつ前記受理層と前記金属ナノ粒子とが密着して、前記２つの部材が接合されているものである。
また、前記部材のうち少なくとも１以上の部材に電極が設けられ、該電極の表面に前記受理層が設けられているものである。
また、前記電極の表面の濡れ性が化学的又は物理的に改質されているものである。
また、前記金属ナノ粒子が、金、銀又は銅からなるものである。
実施形態１．
図１及び図２は、本発明の実施形態１に係る電子装置の製造方法により、電子装置を製造するときの製造工程を示す縦断面模式図である。なお図１及び図２では、２個の部材を接合する場合を示しているが、例えば、１つの基板に複数の半導体素子を接合する場合など、３個以上の部材を接合する場合にも適応できる。また図１では、接合部分が２つある場合を示しているが、接合部分が１つであったり、３つ以上であってもよい。なお本発明で電子装置とは、回路基板に半導体素子（いわゆるＩＣ、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｄ、集積回路）を接合したもの、半導体素子同士を接合したもの、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、微小電子機械システム）等が含まれるものとする。
まず、２個の部材１の両方に電極２を形成し、その表面に受理層３を形成する（図１（ａ））。この部材１は、例えば、回路基板、半導体素子、半導体素子を搭載した回路基板等が考えられる。なお図１では、部材１が平板状のものとなっているが、異なる形状のものであってもよい。また２個の部材１はそれぞれ異種のものでもよく、例えば、回路基板と半導体素子であってもよい。なお、電極２は一般的なスパッタ等により形成することができ、部材１の製造の際にあらかじめ形成しておいてもよい。
受理層２としては、主に、ポリアミク酸、アクリル樹脂、アルミナ水和物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、合成微粒子シリカ、タルク、カオリン、硫酸カルシウム、硫酸バリウム等が使用され、機械による塗布や噴霧等により形成される。なお電極２に受理層３を形成する前に、電極２と受理層３の密着力が高まるように、電極２の表面を粗くしておいてもよい。
本実施形態１では、受理層３に導電性を持たせるために受理層３に導電性粒子が混練されている。この導電性粒子としては、後に示すような金属物質からなるナノ粒子を用いることもできるが、ナノ粒子よりも粒径の大きい導電性粒子を用いても良い。また、導電性粒子の代わりに、導電性繊維を用いてもよい。さらにまた、受理層の導電性をさらに上げるために、受理層自身を金属粉、導電性セラミクス粉等の導電性の粒子で形成しても良い。
また、受理層３を金属メッキによって形成するようにしてもよい。この際、金属メッキからなる受理層３の表面を適当に荒らしたり、ポーラスにしたり、親水性を持たせるようにしてナノ粒子（後に詳述）の保持力を向上させるようにしてもよい。
さらに、受理層３を導電性を有するカーボンナノチューブやカーボンナノホーンによって形成するようにして受理層３に導電性を持たせるようにしてもよい。また、上述した受理層は一層でなくてもよく、多層としてもよい。
このように受理層３に導電性を持たせることによって、部材１同士を導通させて電子装置として機能させることができる。
次に、電極２の表面に形成された受理層３の両方に、分散材５でコーティングされたナノ粒子４を塗布する（図１（ｂ））。このナノ粒子４としては、例えば、直径１０ｎｍ程度の金属物質が使用され、特に、金、銀又は銅が使用される場合が多い。このような金属物質からなるナノ粒子４を使用して電子装置を構成する複数の部材１を接合すれば、接合強度が高くなる。また、分散材５はナノ粒子４を保護するためのものであり、ナノ粒子４の加熱前においてナノ粒子４を安定した状態に維持する。分散材５としては、様々な種類の炭化水素等を用いることができる。
分散材５でコーティングされたナノ粒子４は、例えば、溶剤に混ぜられてペースト状又はインク状にされて受理層３に塗布される。このようにペースト状又はインク状になっているナノ粒子４は、例えば、インクジェット方式、印刷方式、転写方式、滴下方式等によって塗布することができる。ここでインクジェット方式とは、インクジェットヘッドを用いて溶剤に混ぜられたナノ粒子４を飛ばして塗布するものであり、印刷方式とは、スクリーン印刷等で溶剤に混ぜられたナノ粒子４を印刷して塗布するものである。また転写方式とは、平板状のものにナノ粒子４を載置して転写することにより塗布するものである。なお転写方式では、必ずしもナノ粒子４を溶剤等に混ぜてペースト状又はインク状にする必要はない。さらに滴下方式とは、ディスペンサ等によって溶剤に混ぜられたナノ粒子４を飛ばして塗布するものである。なおナノ粒子４は、受理層３の表面だけに選択的に塗布してもよいが、電極２のショート等の問題がなければ、部材１の表面全体に塗布するようにしてもよい。
そして、図１（ｂ）で受理層３にナノ粒子４の塗布された部材１を、互いに接触する形で対向させる（図１（ｃ））。なおこの状態では、ナノ粒子４は分散材５で保護されているため、安定した状態で受理層３に保持されている。
その後、図１（ｃ）で互いに接触させる形で対向させた２個の部材１を加熱する（図２（ｄ））。２個の部材１を加熱することにより、受理層３に塗布されているナノ粒子４の一部又は全部が互いに融着する。またナノ粒子４と受理層３も、ナノ粒子４が一部融解して密着することにより、２個の部材１が接合されることとなる。このときの加熱温度は、ナノ粒子４が体積に対して表面積が大きく、反応性が高いため、例えば、１５０〜２００℃程度の低温でよい。なお図２（ｄ）では、ナノ粒子４がそのままの形で残った状態を示しているが、実際にはナノ粒子４の一部又は全部が互いに融着して繋がった状態となる。
この図２（ｄ）の工程で部材１が加熱されると、一般的に、ナノ粒子４をコーティングしている分散材５の大半が蒸発して無くなる場合が多い。
なお部材１の接合強度を高めるために、図２（ｄ）の加熱と同時に加圧をするようにしてもよい。また図１では、２個の部材１の両方に設けられた受理層３の両方にナノ粒子４を塗布するようにしているが、片側の受理層３のみにナノ粒子４を塗布するようにしてもよい。ナノ粒子が融解する前（溶媒に混合され、液状でナノ粒子としての機能を有する間）に、もう一方の受理層に吸収されれば、両側の受理層に塗布したのと同様の効果が得られる。
最後に、図２（ｄ）の工程で接合された２つの部材１の間の空間を樹脂封止することにより電子装置７が完成する（図２（ｅ））。この樹脂封止をすることにより、図２（ｅ）に示すように樹脂６で電子装置７が保護され、電子装置の信頼性が向上する。なお、この図２（ｅ）の樹脂封止の工程は、必ずしも行う必要はない。
本実施形態１では、受理層３に導電性粒子を混練し、受理層３に導電性を持たせるようにしているが、受理層３を一般的な電子装置の接合に使用するようにし、受理層３が導電性を持たないようにしてもよい。これは例えば、ＭＥＭＳ等のガラス基板とシリコン基板を接合するような場合であり、この場合は図１の電極２は設ける必要がない。
また図１では、部材１が２個であって２個の部材１の両方に受理層３を設けた場合を示したが、複数の部材（例えば、３個以上）を接合する際に、少なくとも１以上の部材に受理層を設けるようにしてもよい。
さらに、接合される部材１のうち少なくとも１以上の部材に、ナノ粒子４が混練されている受理層３が設けられるようにしてもよい。このナノ粒子４が混練された受理層３は、例えば、粉末のポリアミク酸とナノ粒子を混練し、塗布や噴霧により形成すればよい。この場合は、例えば受理層３同士を接触させて加熱することにより部材１を接合すればよく、受理層３の表面に改めてナノ粒子４を塗布する必要はない。またこの場合、ナノ粒子４として金属物質等の導電性のものを使用すれば、複数の部材同士を導通させることができ、電極２は必ずしも設ける必要がない。
本実施形態１では、複数の部材１を溶融温度の低いナノ粒子４で接合するため、比較的低温で部材１の接合が可能となり、接合する部材１へのダメージが少なくなる。また、接合された部材１のうち少なくとも１以上の部材１にナノ粒子４が保持される受理層３が設けられているため、接合強度が高くなる。
また、２個の部材１の両方に受理層３を設けるようにして、両方の受理層３にナノ粒子４を塗布して接合するようにすれば、更に部材１同士の接合信頼性が向上する。
さらに、受理層３に導電性粒子や導電性繊維を混練したり、受理層３を金属メッキや導電性を有するカーボンナノチューブで形成するようにすれば、電子装置を構成する部材１同士を導通させることができる。
実施形態２．
図３は、本発明の実施形態２に電子装置の製造方法により、電子装置を製造するときの製造工程を示す縦断面模式図である。なお本実施形態２では、実施形態１の受理層３の代わりに、電極２の表面にナノ粒子４が保持される受理構造８が形成される。本実施形態２では、実施形態１の図１（ａ）及び図１（ｂ）の製造工程が、図３（ａ）及び図３（ｂ）に置き換わり、その後の製造工程は図１（ｃ）、図２（ｄ）及び図２（ｅ）と同様である。またその他の点は、実施形態１と同様であり、同一の部分は実施形態１と同一の符号を付して説明する。
まず、２個の部材１の両方に電極２を形成し、その表面に受理構造８を形成する（図３（ａ））。なお電極２は、実施形態１と同様に形成することができる。また実施形態１と同様に、接合される複数の部材１のうち、少なくとも１以上の部材１に電極２及び受理構造８を形成するようにしてもよい。
この受理構造８は、ペースト状又はインク状のナノ粒子３が混練されている溶剤等の濡れ性が向上するものであれば何でもよく、例えば、電極２の表面を化学的又は物理的に改質して形成することができる。電極２の表面を化学的に改質する方法としては、例えば、酸化プロセスや水酸化プロセスにより、電極２の表面に親水基を導入する方法が考えられる。また、カップリング剤等を塗布するようにしてもよい。また、電極２の表面を物理的に改質する方法としては、機械的研磨、化学的研磨等により電極２の表面荒れを増したり、電子ビームや光を照射することにより電極２の表面エネルギーを増加させる方法が考えられる。
また、部材１の表面に有機物や、無機物を蒸着、スパッタなどの方法で付着させることで受理構造５としてもよく、無電解法や電解法によるメッキによって受理構造５を形成しても良い。これらの、受理構造５に用いる物質は、前述した溶剤等の濡れ性が向上するものであれば何でもよい。
そして、実施形態１と同様に電極２に形成された受理構造８の両方に、分散材５でコーティングされたナノ粒子４を塗布する（図２（ｂ））。その後の接合工程は、実施形態１の図１（ｃ）、図２（ｄ）及び図２（ｅ）と同様である。
本実施形態２では、接合された部材１のうち少なくとも１以上の部材に電極２を設け、少なくとも１つの電極２の表面にナノ粒子４が保持される受理構造８が形成されているため、実施形態１の受理層３が設けられた電子装置と同様に、接合強度が高くなる。
実施形態３．
図４は、本発明の実施形態３に係る電子機器の例を示した図である。なお本実施形態３に示す電子機器は、実施形態１及び実施形態２の電子装置の製造方法で製造された電子装置を搭載したものである。図４（ａ）は、電子機器の例として、ノート型パーソナルコンピュータ１００が示されており、図４（ｂ）では、その他の電子機器の例として、携帯電話２００が示されている。なお、実施形態１及び実施形態２で示した電子装置は、その他の家電製品等にも使用することができる。
実施形態１に係る電子装置の製造工程を示す縦断面模式図。 図１の電子装置の製造工程の続きの工程を示す縦断面模式図。 実施形態２に係る電子装置の製造工程を示す縦断面模式図。 実施形態３に係る電子機器の例を示した図。
符号の説明
１ 部材、２ 電極、３ 受理層、４ ナノ粒子、５ 分散材、６ 樹脂、７ 電子装置、８ 受理構造、１００ ノート型パーソナルコンピュータ、２００ 携帯電話。

Claims (6)

  1. ２つの部材のうち少なくとも一方の部材に、ナノ粒子塗布のための受理層が導電性粒子または導電性繊維を混練して形成されており、前記受理層の表面に塗布された金属ナノ粒子の一部又は全部が互いに融着し、かつ前記受理層と前記金属ナノ粒子とが密着して、前記２つの部材が接合されていることを特徴とする電子装置。
  2. 前記受理層は、ポリアミク酸、アクリル樹脂、アルミナ水和物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、合成微粒子シリカ、タルク、カオリン、硫酸カルシウム、硫酸バリウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の電子装置。
  3. ２つの部材のうち少なくとも一方の部材に、ナノ粒子塗布のための受理層が導電性を有するカーボンナノチューブから形成されており、前記受理層の表面に塗布された金属ナノ粒子の一部又は全部が互いに融着し、かつ前記受理層と前記金属ナノ粒子とが密着して、前記２つの部材が接合されていることを特徴とする電子装置。
  4. 前記部材のうち少なくとも１以上の部材に電極が設けられ、該電極の表面に前記受理層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子装置。
  5. 前記電極の表面の濡れ性が化学的又は物理的に改質されていることを特徴とする請求項４記載の電子装置。
  6. 前記金属ナノ粒子が、金、銀又は銅であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子装置。
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