JP4760993B2 - 接続部材及びこれを用いた電極の接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品と回路板や、回路板同士を接着固定すると共に、両者の電極同士を電気的に接続する接続部材及びこれを用いた電極の接続構造に関する。

近年、電子部品の小型薄型化に伴い、これらに用いる回路は高密度、高精細化しており、このような電子部品と微細電極の接続は、従来のハンダやゴムコネクタ等では対応が困難であることから、最近では分解能に優れた異方導電性の接着剤や膜状物（以下接続部材）が多用されている。この接続部材は、導電粒子を所定量含有した接着剤からなるもので、この接続部材を電子部品と電極や回路との間に設け、加圧または加熱加圧手段を構じることによって、両者の電極同士が電気的に接続されると共に、電極に隣接して形成されている電極同士には絶縁性を付与して電子部品と回路とが接着固定されるものである。上記接続部材を高分解能化するための基本的な考えは、導電粒子の粒径を隣接電極間よりも小さくすることで隣接電極間における絶縁性を確保し、併せて導電粒子の含有量を粒子同士が接触しない程度とし、かつ電極上に確実に存在させることにより接続部分における導電性を得ることである。

特開平０３−１０７８８８号公報 特開平０４−３６６６３０号公報 特開昭６１−１９５１７９号公報

上記従来の方法は、導電粒子の粒径を小さくすると、粒子同士が２次凝集を起こして大きくなって隣接電極間の絶縁性が保持できなくなり、また導電粒子の含有量を減少すると接続すべき電極上の導電粒子の数も減少することから接触点数が不足し接続電極間での十分な導通が得られなくなるため、長期接続信頼性を保ちながら接続部材を高分解能化することは極めて困難であった。すなわち、近年の著しい高分解能化すなわち電極面積や隣接電極間隙（スペース）の微細化、あるいは電極の幅に対する高さの比の増加等により、電極上の導電粒子が接続時の加圧または加熱加圧により接着剤と共に隣接電極間隙に流出し、接続部材の高分解能化の妨げとなっていた。このとき、接着剤の流出を抑制するために、接着剤を高粘度とする電極と導電粒子の接触が不十分となり相対峙する電極の接続が不可能となる。一方、接着剤の粘度を低くすると、導電粒子の流出に加えてスペース部に気泡を含みやすく接続信頼性、特に耐湿性が低下してしまう欠点がある。

また、このような微細電極や回路の接続を可能とし、かつ接続信頼性に優れた接続部材として、面方向の必要部のみに導電粒子の密集領域を形成するような接続部材の提案もある。これによれば、半導体チップのようなドット状の微細電極の接続が可能となるものの、導電粒子の密集領域と電極との正確な位置合わせが必要で、作業性に劣る欠点がある。

本発明は上記欠点に鑑みされたもので、電極上からの導電粒子の流出が少なく、また接続部に気泡を含み難く長期接続信頼性に優れ、導電粒子と電極との正確な位置合わせが不要で作業性に優れた、高分解能の接続部材及びこれを用いた電極の接続構造を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、導電材料とバインダとよりなる加圧方向に導電性を有する導電性シートの両面に、上記導電性シートより少なくとも接続時の溶融粘度が１０ポイズ以上低い絶縁性の接着剤層を形成してなる接続部材であって、上記導電材料が上記バインダの厚みより小さい粒径の導電粒子であり、かつ、上記接着剤層の接続時の溶融粘度が１００ポイズ以下である接続部材に関する。
請求項２に記載の発明は、上記導電粒子の粒子径が１０μｍ以下であり、かつ、上記バインダの厚さが１５μｍ以下である、請求項１に記載の接続部材に関する。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の接続部材を用いた電極の接続構造であって、上記導電性シートが相対峙する突出電極列間に存在し、かつ対向する突出電極と上記導電材料とが接触し、接着剤層が上記突出電極の少なくとも突出する電極の周囲を覆ってなることを特徴とする電極の接続構造に関する。

本発明によれば、導電材料が絶縁層で被覆された絶縁被覆粒子である導電材料とバインダとよりなる導電領域である導電性を有するシートと、絶縁領域である接着剤層との機能を分離して形成可能なため、高分解能化かつ接続信頼性に優れた接続部材及びこれを用いた電極の接続構造が得られる。導電材料が絶縁層で被覆された絶縁被覆粒子である導電材料を用いているので、絶縁性が良好で、導電材料のバインダに対する濃度を高密度に形成でき、電極上に導通に寄与する導電材料を多数存在させることができ低抵抗で信頼性を高めることができる。

本発明の一実施例を示す接続部材の断面模式図。 本発明に好適な導電性シートの断面模式図。 発明に好適な導電体の断面模式図。 本発明の一実施例を示す温度と溶融粘度の測定結果を示す線図。 本発明の一参考例を示す電極の接続構造を示す断面模式図。 本発明の他の参考例を示す電極の接続構造を示す断面模式図。 本発明の他の参考例を示す電極の接続構造を示す断面模式図。 本発明の他の参考例を示す電極の接続構造を示す断面模式図。 本発明の他の実施例を示す電極の接続構造を示す断面模式図。 本発明の一実施例を示す電極の接続構造を示す断面模式図。

本発明を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施例を説明する接続部材の断面模式図である。本発明の接続部材は、加圧方向のみに導電性を有する導電性シート１の片面または両面に、前記シートより少なくとも接続時の溶融粘度が低い接着剤層２、及び３を形成してなり、さらに汚染防止や取扱い性向上を目的に接着層に対して剥離可能なセパレータ４を片面もしくは両面の接着剤層に必要に応じて設けてある。

加圧方向に導電性を有するシート１は図２に示すように、絶縁層で被覆された絶縁被覆粒子である導電材料６を含有したバインダ５よりなる。ここに導電材料６としては、図２（ａ）（ｆ）（ｇ）のように初めからバインダ５の表面より突出していても、あるいは図２（ｂ）〜（ｅ）のように加圧または加熱加圧手段を構じることでバインダ５の厚み減少によって導電性を付与するようなバインダ５の厚みより小粒径の粒子状のものでも良い。バインダ５に対する導電材料６の割合は、０．１〜２０体積％程度である。また導電性を得やすくするために、バインダ５の厚さは膜形成の得られる範囲で薄い方が好ましく、３０μｍ以下より好ましくは１５μｍ以下である。

導電材料６としては、導電材料６を絶縁層８で被覆してなる図３（ｃ）のような絶縁被覆粒子や、導電粒子と絶縁粒子の併用等も適用可能である。導電材料６は、例えば図２の（ａ）〜（ｅ）の例示のように導電粒子で形成することが好ましい。また導電材料６は、図２（ｆ）のようなバインダ５に貫通口を設けめっき等で導電体を形成したり、図２（ｇ）のように導電繊維状でも良い。導電粒子としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｗ，Ｓｂ，Ｓｎ，はんだ等の金属粒子やカーボン等があり、またこれら導電粒子を核材とするか、あるいは非導電性のガラス、セラミックス、プラスチック等からなる核材に、前記したような材質からなる導電層を被覆等により形成した図３（ａ）のようなものでも良い。微小な電極上に１個以上、好ましくは多くの粒子数を確保するには小粒径粒子が好適であり、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。これら導電粒子の中では、はんだ等の熱溶融金属やプラスチック等の高分子核材に導電層を形成したものが、加熱加圧もしくは加圧により変形性を有し、積層時に回路との接触面積が増加し向上するので好ましい。特に高分子類を核とした場合、はんだのように融点を示さないので軟化の状態を接続温度で広く制御でき、電極の厚みや平坦性のばらつきに対応し易い接続部材が得られるので好ましい。また例えば、ＮｉやＷ等の硬質金属粒子や、図３（ｂ）のような表面に多数の突起を有する粒子の場合には、導電粒子が電極や配線パターンに食い込むので、酸化膜や汚染層の存在する場合にも低い接続抵抗が得られ信頼性が向上する。

バインダ５は、熱可塑性材料や、熱や光により硬化性を示す材料が広く適用でき、接着性を有することが好ましい。これらは接続後の耐熱性や耐湿性に優れることから、硬化性材料の適用が好ましい。中でもエポキシ樹脂系接着剤は、短時間硬化が可能で接続作業性が良く、分子構造上接着性に優れる等の特徴から好ましく適用できる。

エポキシ系接着剤は、例えば高分子量のエポキシ、固形エポキシと液状エポキシ、ウレタンやポリエステル、アクリルゴム、ＮＢＲ、ナイロン等で変性したエポキシを主成分とし、硬化剤や触媒、カップリング剤、充填剤等を添加してなるものが一般的である。

本発明の接続部材は、加圧方向に導電性を有するシート１の片面または両面に、前記シートより少なくとも接続時の溶融粘度が低い接着剤層２と、必要に応じてさらに接着剤層３を形成する。接着剤層２、３の厚みは、接続後に電極の体積を除くスペース部を充填できるように形成することが好ましい。接着剤層２、３は、前記したバインダ５と同様な絶縁材料が適用可能であり、絶縁性に影響の無い範囲で少量の導電粒子を含んでも良い。

接続時の溶融粘度について図４で説明する。接続温度における粘度をバインダ５、接着剤層２のように変えることで、接着剤層２の流動時にバインダ５が相対的に粘度の高いことから、導電材料６は接着剤層２または３と混ざり難く、電極上からの流出が抑制される。接着剤層２、３の粘度は１００ポイズ以下として接続することが好ましい。接着剤層２、３とバインダ５の接続時の溶融粘度の差は、１０ポイズ以上好ましくは１００ポイズ以上である。またこの時のバインダ５が少なくとも若干の流動性を有すると加圧方向の導電性が得やすい。特に導電材料６がバインダ５に埋没している場合や、接着剤層が片面に存在する場合には、バインダ５が接続時に流動性を有することが必要となる。接着剤層２、３は、材料、厚み、粘度等が同一であっても良く、あるいは電極基板の材質に適合した組み合わせとする等、任意に代えることもできる。また接着剤層２と３は、それぞれ２層以上に形成してもよい。

本発明の接続部材の製法としては、例えば導電性シート１と接着剤層２をラミネートしたり、順次塗工して積層する等の方法が採用できる。

本発明の接続部材を用いた電極の接続構造について図５〜９により説明する。図５は、基板１１に形成された突出電極１２と、基板１１’の平面電極１３とが加圧方向に導電性シート１を介して接続した構造である。すなわち平面電極１３側に接着剤層３が存在しない場合であるが、導電性シート１は、対抗する上下の基板１１−１１’間並びに相対峙する電極列間に存在し、対抗する電極１２と１３とが導電性のシート１中の導電材料６と接触している。また接着剤層２は前記突出電極１２の少なくとも突出する電極の周囲を覆っている。ここに平面電極１３は、基板１１’面からの凹凸がないか、あっても数μｍ以下とわずかな場合をいう。これらを例示すると、アディティブ法や薄膜法により形成した電極が代表的である。

図６は、基板１１に形成された電極が突出電極同士１２と１２’の場合で、導電性シート１の両面に接着剤層２及び３を有する接続部材を介して接続した構造である。接着剤層２及び３はそれぞれ突出電極１２と１２’の突出する電極の周囲を覆っており、またそれぞれの基板面１１及び１１’と接している。

図７は図６と同様であるが、一方の電極１４が頂部を有する場合である。頂部があるにもかかわらず、導電性シート１が電極１２と頂部１４間に存在している。電極間１２−１４において導電材料６はその距離に応じて変形度を変えている。頂部を持つ電極１４としては、導電塗料の印刷やグリーンシート法による回路電極、あるいは半導体チップ（ＩＣ）のバンプ類等がある。

図８は突出電極１２と１２’同士の接続例であるが、電極１２側に基板を有しない場合である。基板を有しない電極としては、いわゆるＱＦＰ等のパッケージ形ＩＣのリードフレーム等がある。なお、図６〜８のような突出電極同士の場合、従来技術では接続時の熱圧により一方の電極がスペースにずれてしまい接続不能であったり、電極上からの粒子の流出が特に顕著であり問題となっていた。

図９のように接着層２をスペースに対し過充填として、接続部の周囲にはみださせて、封止材や防湿材の機能を付与することも可能である。この場合、導電性シート１の末端部を接着層２及び／または３により覆う構造を、一度の接続操作で得ることができる。

図５〜９において、基板１１としては、ポリイミドやポリエステル等のプラスチックフィルム、ガラスエポキシ等の複合体、シリコーン等の半導体、ガラスやセラミックス等の無機物等を例示できる。突出電極１２は上記した他に、各種回路類や端子類も含むことができる。なお、図５〜８で示した各種電極類は、それぞれ任意に組み合わせて適用できる。

本発明によれば、加圧方向に導電性を有するシートの片面または両面に、接続時の溶融粘度が低い接着剤層を形成してなる。そのため、接続時の加熱加圧等により接着層が低粘度となっても、導電性シートは接着剤層に比べ高粘度なことから電極上から導電粒子の流出が少なく、電極上に高密度に存在したまま接続が可能である。接着剤層は任意に粘度調整が可能なため、接続部に気泡を含み難い構成がとれる。また加圧方向に導電性を有するシートは、接続部材の厚み方向のどの部分にも存在するので、導電粒子と電極との正確な位置合わせが不要である。接着剤層はその目的に応じ、例えば電極基板の材質に適合した組み合わせが可能なことから材料の選択肢が拡大し、やはり接続信頼性が向上する。また一方を溶剤に可溶性もしくは膨潤性としたり、あるいは耐熱性に差をもたせることで、一方の基板面から優先的に剥離可能とし再接続するいわゆるリペア性を付与することも可能となる。また接着層を接続部の外にはみ出させ封止材的作用により、補強や防湿効果を得ることもできる。

以下実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。

参考例１
（１）導電性シートの作製
マトリックスとしてアクリルゴム（ガラス転移点−１０℃、分子量５０万、官能基としてカルボキシル基１％含有）とマイクロカプセル型潜在性硬化剤を含有する液状エポキシ樹脂（エポキシ当量１８５）の比率を４０／６０とし、酢酸エチルの３０％溶液を得た。この溶液に、粒径５±０．２μｍのポリスチレン系粒子にＮｉ／Ａｕの厚さ０．２／０．０２μｍの金属被覆を形成した導電性粒子を５体積％添加し混合分散した。この分散液をセパレータ（シリコーン処理ポリエチレンテレフタレートフィルム、厚み４０μｍ）にロールコータで塗布し、１１０℃２０分乾燥しマトリックス厚み５μｍのシートを得た。このシートは、図２（ｂ）に相当する。
（２）接着剤層の形成
アクリルゴムとマイクロカプセル型潜在性硬化剤含有の液状エポキシ樹脂の比率を１０／９０とし、導電性粒子を含有しない厚み１５μｍのシートを前記（１）と同様に作製した。まず（１）の導電性シート面と（２）の接着層面とをゴムロールで圧延しながらラミネートし、続いて導電性シート面のセパレータを剥離しながらこの面にさらに接着剤層面とを同様にラミネートし接続部材を得た。これらのマトリックス及び接着層の溶融粘度は図４の特性であった。ここに溶融粘度は、硬化剤を除く配合を加熱溶融し徐冷しながら求めたものである。
（３）接続
ポリイミドフィルム上に高さ１８μｍの銅の回路を有する２層ＦＰＣ回路板（回路ピッチは１００μｍ、電極幅５０μｍの平行回路の電極）同士の接続を行った。まず一方の回路板の端部電極に、前記接続部材を１．５ｍｍ幅で載置し、セパレータを剥離した後貼り付けた。この後セパレータを剥離し、他の回路板と上下回路を位置合わせし、１５０℃、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２、１５秒で接続した。
（４）評価
この接続体の断面を研磨し顕微鏡観察したところ、図６相当の接続構造であった。スペースは気泡混入がなく粒子が球形であったが、電極上は粒子が圧縮変形され上下電極と接触保持されていた。相対峙する電極間を接続抵抗、隣接する電極間を絶縁抵抗として評価したところ、接続抵抗は１Ω以下、絶縁抵抗は１０^８Ω以上であり、これらは８５℃、８５％ＲＨ１０００時間処理後も変化が殆どなく良好な長期信頼性を示した。

参考例２
参考例１と同様であるが、接着層の形成を片面のみとし、回路板の一方をガラス１．１ｍｍ上に酸化インジウム厚み０．２μｍ（ＩＴＯ、表面抵抗２０Ω／□）の薄膜回路を有する平面電極とし、平面電極側に導電性シートがくるようにした。この構成は、図５に相当する。この場合も、参考例１と同様に良好な接続特性を示した。本参考例では、平面電極のガラス側の接着力がＦＰＣ側に比べて相対的に低いことから、ガラス側から強制的に剥離した時きれいに界面剥離しその後の清浄化が容易であった。このことは、現在同様な構成で多用されている液晶パネルの接続におけるリペア性の付与に好適である。

参考例３
参考例２と同様であるがＦＰＣに変えて、ＩＣチップ（２×１０ｍｍ、高さ０．５ｍｍ、４辺周囲にバンプと呼ばれる５０μｍ角、高さ２０μｍの金電極が２００個形成）を用いた。ガラス側のＩＴＯ電極を、前記ＩＣチップのバンプ電極のサイズに対応するように変更した。また、導電性シートの導電材料を平均粒径３μｍの導電粒子とし、添加量１体積％、マトリックスの厚み１０μｍのシートとし、図２（ｄ）の構成とした。接続体は図７に相当する構成であるが、良好な接続特性を示した。本参考例では、バンプがマッシュルーム形で頂部を有していたが粒子は圧縮変形され上下電極と接触保持されていた。隣接バンプ間に気泡混入がなく、良好な長期信頼性を示した。導電粒子は相対峙する電極間距離に応じて粒子の変形度が異なり部分的にバンプに食い込むものも見られた。

参考例４
参考例３の接続部材と同様であるが、接着層の厚みを片側２５μｍ、他の面を５０μｍに形成した。電極は、ＱＦＰ形ＩＣのリード（厚み１００μｍ、ピッチ３００μｍ）でありガラスエポキシ基板上の銅の厚み３５μｍの端子と接続した。本構成は図８相当の片側に基板のない構成である。本参考例は、高さの大きな電極同士の接続であるが、電極ずれがなく良好な接続特性を示した。導電性シートの中の導電材料は図示していないが、粒子は圧縮変形され上下電極と接触保持されていた。隣接電極間に気泡混入がなく、良好な長期信頼性を示した。本参考例では、基板のない部分もリード高さに沿って接着層が形成され、リードを固定できた。

実施例５
参考例３の接続部材と同様であるが、導電粒子の表面を図３（ｃ）のような絶縁被覆処理を行った。すなわち平均粒径３μｍの導電粒子の表面を、ガラス転移点１２７℃、のナイロン樹脂で厚み約０．２μｍ被覆し、添加量を１０体積％に増加した。本実施例の接続構造を図１０に示す。参考例３と同様に評価したが良好な接続特性を示した。本実施例では、電極１２上の粒子数が著しく増加した。電極接続部１２−１２’は、接続時の熱圧による絶縁層８及びバインダ５の軟化により導通可能であるが、隣接電極列のスペース部は熱圧が少なく導電材料６の表面が絶縁層８で被覆されたままなので、絶縁性も良好であった。本構成は、導電材料６のバインダ５に対する濃度を高密度に構成できる。
導電材料が絶縁層で被覆された絶縁被覆粒子を用いた場合、参考例１〜４で示した電極の接続構造に適用でき、参考例１と同様スペース部の絶縁性が良好となり、導電材料６のバインダ５に対する濃度を高密度に構成でき電極上の粒子数を増加することができ接続抵抗を低くすることができる。

１ 導電性シート
２ 接着剤層−１
３ 接着剤層−２
４ セパレータ
５ バインダ
６ 導電材料
７ 核材
８ 絶縁層
１１ 基板
１２ 突出電極
１３ 平面電極
１４ 頂部を持つ電極
１５ ＩＣ。

Claims (3)

1. 導電材料とバインダとよりなる加圧方向に導電性を有する導電性シートの両面に、前記シートより少なくとも接続時の溶融粘度が１０ポイズ以上低い絶縁性の接着剤層を形成してなる接続部材であって、
   前記導電材料が前記バインダの厚みより小さい粒径の導電粒子であり、かつ、
   前記接着剤層の接続時の溶融粘度が１００ポイズ以下である接続部材。
2. 前記導電粒子の粒子径が１０μｍ以下であり、かつ、
   前記バインダの厚さが１５μｍ以下である、請求項１に記載の接続部材。
3. 請求項１又は２に記載の接続部材を用いた電極の接続構造であって、
   前記導電性シートが相対峙する突出電極列間に存在し、かつ対向する突出電極と前記導電材料とが接触し、接着剤層が前記突出電極の少なくとも突出する電極の周囲を覆ってなることを特徴とする電極の接続構造。

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