JP4366844B2

JP4366844B2 - Metal bonding composition

Info

Publication number: JP4366844B2
Application number: JP2000235264A
Authority: JP
Inventors: 敏広三宅; 芳太郎矢崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2020-07-31
Also published as: JP2002035987A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属接合用組成物、ならびにそれを用いた回路基板の接続方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
はんだを用いる金属の接合においては、従来、はんだのぬれ性を良好にするために、活性化合物であるフラックスが表面酸化物の除去に用いられている。使用されたフラックスは接続後に洗浄されてきたが、環境問題から洗浄が困難となり、フラックス残渣は、金属を溶かしてイオンにする性質を有するために、絶縁性の低下を引き起こすという問題を生じさせる。しかし、フラックスを用いないと、酸化膜の影響により接続信頼性が十分でないという問題がある。そこで、この問題を解決するために、炭化水素の沸騰による体積膨張エネルギーを利用して、フラックスを用いないではんだ表面の酸化膜を破壊して、はんだを介して基板電極を接合する方法が特開平８−３３０７２６号公報に開示されている。しかしながら、この方法では、接合時に溶融するはんだの金属表面の酸化膜は破壊できても、基板電極を構成する母材金属は溶融されないので、その母材金属表面の酸化膜は破壊できないため、用途が限定されるという難点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題を解決し、フラックスを用いないで母材表面の酸化膜を除去して接続し、高い接続信頼性を有する部品実装や基板間の接続を可能とする金属接続用組成物を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨は、金属粒子およびＣ−Ｈ結合解離エネルギーが９５０KJ／mol 以下の炭化水素化合物を含有してなり、該炭化水素化合物がシクロオクタン、テトラメチルペンタデカン、トリフェニルメタン、ジシクロペンタジエンおよびジヒドロアントラセンからなる群から選ばれる金属接合用組成物にある。このような金属接合用組成物を、接合すべき金属間に介在させて加熱すると、炭化水素化合物が熱分解され、炭化水素化合物は水素が分離されたラジカルな状態となる。このラジカルな状態となった炭化水素化合物が、接合すべき金属表面に形成された酸化膜を還元するので、金属粒子を介して接合すべき金属間が接合される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の金属接合用組成物において用いられる炭化水素化合物は、Ｃ−Ｈ結合解離エネルギーが９５０KJ／mol 以下のものである。
ここで、Ｃ−Ｈ結合解離エネルギーΔＨとは、炭化水素化合物がそれぞれ電子を保有しつつアルキル基と水素とに解離するために必要なエネルギーであり、それぞれの物質の分子軌道計算から算出されるものである。換言すれば、それぞれの物質のＣ−Ｈ結合解離エネルギーΔＨは、炭化水素化合物のアルキル基と水素とへの解離のしやすさを示しており、このエネルギーの小さい物質ほど、アルキル基と水素とに解離しやすい。
【０００６】
そして、それぞれ電子を保有しつつアルキル基と水素に解離すると、そのアルキル基がラジカルな状態となり、酸化銅等から酸素を奪って、すなわち酸化銅を還元して、自身はアルカン酸化物となって安定する。
このように、炭化水素化合物として、熱分解により還元作用を発揮するものを用いることにより、十分な接合強度が得られる。
【０００７】
このような炭化水素化合物としては、シクロオクタン、テトラメチルペンタデカン、トリフェニルメタン、ジシクロペンタジエンおよびジヒドロアントラセンが挙げられる。
一方、本発明組成物の第２の成分である金属粒子は、好適には銀、銅、錫、鉛、亜鉛、ニッケル、インジウム、金およびゲルマニウムからなる群から選択される。好ましくは、これらの金属粒子は複数種組合せて用いられ、たとえば、Ａｇ−Ｓｎ，Ａｇ−Ｐｂ，Ｓｎ−Ｐｂ，Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ，Ｓｂ−Ｓｎ等が挙げらるが、酸化しにくいことと拡散しやすさからＡｇとＳｎの混合物が好適である。
【０００８】
これらの金属粒子は、その粒径が好適には０．１〜１μｍ程度である。
さらに、本発明に係る組成物においては、上記の金属粒子および炭化水素化合物以外に、金属をイオン化する性質を実質的に有さないものであれば、目的に応じて他の種々の成分を配合しうる。
本発明組成物は、ペースト状、粉末状等のいずれであってもよいが、好ましくはペースト状である。炭化水素化合物が液状の場合には、炭化水素化合物と金属粒子を混合することによりペースト状となるが、その炭化水素化合物の使用量が少ない場合、または炭化水素化合物が固体状である場合には、上記のように金属をイオン化しないような液状物、たとえば各種の炭化水素（Ｃ−Ｈ結合解離エネルギーが９５０KJ／mol 超）等を用いて、ペースト状とすることができる。
【０００９】
本発明の組成物における炭化水素化合物と金属粒子の量比は、通常２０：８０〜０．５：１００、好適には１０：９０〜１：１００程度から選択される。
本発明に係る金属接合用組成物は、たとえば基板の接続端子間を接続するに際し、端子部分に塗布しておき、ついで加熱を行うと、炭化水素化合物が熱分解されて、水素とアルキル基に解離しアルキル基がラジカル状態となる。接続端子間の接合を阻害する接続端子表面の酸化膜、および金属粒子の酸化膜を還元する。そして、加熱により金属粒子が溶融し、酸化膜が除去された接続端子に強固に密着するので良好な接合が得られる。さらに、本発明に用いられる炭化水素は金属をイオン化する性質を有さないので、絶縁信頼性を低下させることがない。
【００１０】
本発明に係る金属接合用組成物は、たとえば部品実装または回路基板の配線接続等に好適に使用される。以下に、プリント配線基板の接続に適用する場合の一実施態様について、図面とともに説明する。
図１（ａ）は、プリント配線基板の平面図、図１（ｂ）は２枚の基板の端部同士を重ねて接続した接続構造を示す断面図である。
【００１１】
第１の基板１および第２の基板２の上に導体パターン（銅）３および導体パターン（銅）４がそれぞれ設けられている。そして導体パターン３および４は、接続端子部分を除いて、保護膜としてのソルダーレジスト５および６によって被覆されている。さらに、上記接続端子部分には、本発明に係る金属接合用ペースト状組成物７（Ａｇ／Ｓｎ／シクロオクタンを５０：５０：１（質量比）で混合。Ａｇ，Ｓｎの粒径は０．１〜１μｍ）が予め塗布されている。
【００１２】
導体パターン３，４の接続端子の接合に際しては、接合部間を加圧した状態で、接合界面の温度が約２９０〜３１０℃となるように１〜１０秒間程度加熱する。このときの加圧とは、例えば０．０５〜２MPである。
上記の加熱温度は、金属接合用組成物に含まれる金属粒子であるＡｇ−Ｓｎの溶融温度よりも高いため、Ａｇ−Ｓｎは溶融される。それによって、導体パターン３，４の接続端子同士が溶融したＡｇ−Ｓｎを介して接合される。
【００１３】
なお、プリント配線基板の基板材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、セラミック等のいずれであっても良い。さらに、プリント配線基板としてメタルベース基板を用いても良い。
金属端子として、融点が比較的高いものを用いる場合には、少なくとも一方の接続端子にはんだを供給しておくことにより、金属粒子の融点まで加熱することなく、両接続端子を接合することができる。
【００１４】
図２は、本発明に係わる金属接合用組成物を積層基板の層間接続を行うための導体ペーストとして適用した例を示す。
すなわち、積層される絶縁基板８上にそれぞれ、導体（Ｃｕ等）による回路パターン９が形成され、これら回路パターン９間が金属接合用ペースト状組成物１０を介して接続される。なお、上下の絶縁基板８間には、絶縁層１１が設けられている。
【００１５】
この積層基板の回路パターン９同士の接続に際しても、接続部を加圧・加熱することにより、金属接合用ペースト状組成物１０に含まれる炭化水素化合物がアルキル基と水素に分離し、回路パターン９に形成された酸化膜を還元するので、溶融される金属粒子が回路パターン９に強固に密着して、良好な層間接続を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様におけるプリント配線基板の平面図および断面図（側面）である。
【図２】本発明のもう一つの実施態様における積層基板の断面図である。
【符号の説明】
１…基板
２…基板
３…導体パターン
４…導体パターン
５…ソルダーレジスト
６…ソルダーレジスト
７…金属接合用ペースト状組成物
８…絶縁基板
９…導体パターン
１０…金属接合用ペースト状組成物
１１…絶縁層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal bonding composition and a circuit board connection method using the same.
[0002]
[Prior art]
In joining metals using solder, conventionally, a flux, which is an active compound, is used to remove surface oxides in order to improve the wettability of the solder. The used flux has been cleaned after the connection, but cleaning becomes difficult due to environmental problems, and the flux residue has the property of dissolving the metal into ions, which causes a problem of causing a decrease in insulation. However, if the flux is not used, there is a problem that the connection reliability is not sufficient due to the influence of the oxide film. Therefore, in order to solve this problem, a method of using the volume expansion energy due to boiling of hydrocarbons to destroy the oxide film on the solder surface without using flux and joining the substrate electrodes via the solder is a special feature. This is disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 8-330726. However, in this method, even if the oxide film on the metal surface of the solder that melts at the time of joining can be destroyed, the base metal that constitutes the substrate electrode is not melted, so the oxide film on the surface of the base metal cannot be destroyed. There was a difficulty that was limited.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the above-mentioned problems, removes the oxide film on the surface of the base material without using a flux, and connects to connect the components having high connection reliability and the connection between the substrates. Offer things.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
That is, the gist of the present invention, Ri metal particles and C-H bond dissociation energy the name contains the following hydrocarbon compounds 950KJ / mol, the hydrocarbon compound is cyclooctane, tetramethyl pentadecane, triphenylmethane, di in cyclopentadiene and a metal bonding composition that Ru is selected from the group consisting of dihydro anthracene. When such a metal bonding composition is heated while being interposed between metals to be bonded, the hydrocarbon compound is thermally decomposed, and the hydrocarbon compound is in a radical state in which hydrogen is separated. The hydrocarbon compound in a radical state reduces the oxide film formed on the metal surfaces to be joined, so that the metals to be joined are joined via the metal particles.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The hydrocarbon compound used in the metal bonding composition of the present invention has a C—H bond dissociation energy of 950 KJ / mol or less.
Here, the C—H bond dissociation energy ΔH is energy necessary for the hydrocarbon compound to dissociate into an alkyl group and hydrogen while holding an electron, and is calculated from the molecular orbital calculation of each substance. Is. In other words, the C—H bond dissociation energy ΔH of each substance indicates the ease of dissociation of the hydrocarbon compound into an alkyl group and hydrogen. Easily dissociates.
[0006]
And when each dissociates into an alkyl group and hydrogen while holding electrons, the alkyl group becomes a radical state, deprives oxygen from copper oxide or the like, that is, reduces copper oxide, and becomes an alkane oxide. Stabilize.
Thus, sufficient bonding strength can be obtained by using a hydrocarbon compound that exhibits a reducing action by thermal decomposition.
[0007]
Such hydrocarbon compounds include cyclooctane, tetramethylpentadecane, triphenylmethane, dicyclopentadiene and dihydroanthracene.
On the other hand, the metal particles which are the second component of the composition of the present invention are preferably selected from the group consisting of silver, copper, tin, lead, zinc, nickel, indium, gold and germanium. Preferably, these metal particles are used in combination of a plurality of types, for example, Ag-Sn, Ag-Pb, Sn-Pb, Sn-Pb-Ag, Sb-Sn, etc. A mixture of Ag and Sn is preferable because of easy diffusion.
[0008]
These metal particles preferably have a particle size of about 0.1 to 1 μm.
Furthermore, in the composition according to the present invention, in addition to the above metal particles and hydrocarbon compounds, other various components may be blended depending on the purpose as long as they have substantially no metal ionization property. Yes.
The composition of the present invention may be pasty or powdery, but is preferably pasty. When the hydrocarbon compound is liquid, it becomes a paste by mixing the hydrocarbon compound and metal particles. When the amount of the hydrocarbon compound used is small, or when the hydrocarbon compound is solid, The liquid can be made into a paste using a liquid that does not ionize the metal as described above, for example, various hydrocarbons (CH bond dissociation energy exceeds 950 KJ / mol).
[0009]
The amount ratio of the hydrocarbon compound and the metal particles in the composition of the present invention is usually selected from about 20:80 to 0.5: 100, preferably about 10:90 to 1: 100.
The metal bonding composition according to the present invention is applied, for example, to terminal portions when connecting the connection terminals of the substrate, and then heated, the hydrocarbon compound is thermally decomposed into hydrogen and alkyl groups. Dissociates and the alkyl group becomes a radical state. The oxide film on the surface of the connection terminal and the oxide film of the metal particles that inhibit the connection between the connection terminals are reduced. Then, the metal particles are melted by heating and are firmly adhered to the connection terminal from which the oxide film has been removed, so that good bonding can be obtained. Furthermore, since the hydrocarbon used in the present invention does not have a property of ionizing a metal, the insulation reliability is not lowered.
[0010]
The metal bonding composition according to the present invention is suitably used, for example, for component mounting or circuit board wiring connection. Hereinafter, an embodiment when applied to connection of a printed wiring board will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a plan view of a printed wiring board, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a connection structure in which end portions of two boards are overlapped and connected.
[0011]
A conductor pattern (copper) 3 and a conductor pattern (copper) 4 are provided on the first substrate 1 and the second substrate 2, respectively. The conductor patterns 3 and 4 are covered with solder resists 5 and 6 as protective films except for the connection terminal portions. Further, the connecting terminal portion is mixed with paste composition 7 for metal bonding according to the present invention (Ag / Sn / cyclooctane in a ratio of 50: 50: 1 (mass ratio). 1-1 μm) is applied in advance.
[0012]
When the connection terminals of the conductor patterns 3 and 4 are joined, heating is performed for about 1 to 10 seconds so that the temperature of the joining interface is about 290 to 310 ° C. while the space between the joined portions is pressurized. The pressurization at this time is, for example, 0.05 to 2 MP.
Since said heating temperature is higher than the melting temperature of Ag-Sn which is a metal particle contained in the composition for metal joining, Ag-Sn is fuse | melted. Thereby, the connection terminals of the conductor patterns 3 and 4 are joined to each other through the melted Ag-Sn.
[0013]
The substrate material of the printed wiring board may be any of thermoplastic resin, thermosetting resin, ceramic and the like. Further, a metal base substrate may be used as the printed wiring board.
When using a metal terminal having a relatively high melting point, by supplying solder to at least one of the connection terminals, both the connection terminals can be joined without heating to the melting point of the metal particles. .
[0014]
FIG. 2 shows an example in which the metal bonding composition according to the present invention is applied as a conductor paste for performing interlayer connection of laminated substrates.
That is, circuit patterns 9 made of a conductor (Cu or the like) are formed on each of the laminated insulating substrates 8, and the circuit patterns 9 are connected to each other via the metal-bonding paste composition 10. An insulating layer 11 is provided between the upper and lower insulating substrates 8.
[0015]
When connecting the circuit patterns 9 of the laminated substrates, the connecting portion is pressurized and heated to separate the hydrocarbon compound contained in the metal-bonding paste composition 10 into an alkyl group and hydrogen. Since the oxide film formed on the metal layer is reduced, the molten metal particles are firmly adhered to the circuit pattern 9 and good interlayer connection can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view (side view) of a printed wiring board in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a multilayer substrate according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate 2 ... Board | substrate 3 ... Conductor pattern 4 ... Conductor pattern 5 ... Solder resist 6 ... Solder resist 7 ... Metal bonding paste-like composition 8 ... Insulating substrate 9 ... Conductor pattern 10 ... Metal bonding paste-like composition 11 ... Insulation layer

Claims

Metal particles and C-H bond dissociation energy Ri name contains the following hydrocarbon compounds 950KJ / mol, the group hydrocarbon compound consists of cyclooctane, tetramethyl pentadecane, triphenylmethane, dicyclopentadiene and dihydroanthracene metal bonding composition that Ru is selected from.

The metal bonding composition according to claim 1, wherein the composition is a paste.

2. The metal bonding composition according to claim 1, wherein the metal particles are selected from the group consisting of silver, copper, tin, lead, zinc, nickel, indium, gold and germanium.

By interposing the metal bonding composition according to claim 1 between the metal terminal of the first circuit board and the metal terminal of the second circuit board, and heating the connection part of both circuit boards, A substrate connecting method comprising connecting a metal terminal of a first circuit board and a metal terminal of a second circuit board via a metal bonding composition.

The first circuit board and the second circuit board are printed wiring boards that are independent from each other, and metal terminals are formed at the ends of the respective boards, and the ends of the two boards are overlapped with each other. 5. The substrate connection method according to claim 4 , wherein the metal terminal of the circuit board is connected to the metal terminal of the second circuit board.

The first circuit board and the second circuit board are laminated together to form a laminated board, and the first circuit board and the second circuit board are laminated by the metal composition. The substrate connection method according to claim 4 , wherein interlayer connection is performed.