JP4928378B2 - 回路部材接続用接着剤 - Google Patents

Description

本発明は、例えばフリップチップ実装方式により半導体チップを基板と接着剤で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ために使用される回路部材接続用接着剤に関する。

半導体実装分野では、低コスト化・高精化に対応した新しい実装形態として、ＩＣチップを直接プリント基板やフレキシブル配線板に搭載するフリップチップ実装が注目されている。フリップチップ実装方式としては、チップの端子にはんだバンプを設け、はんだ接続を行う方式や、導電性接着剤を介して電気的接続を行う方式が知られている。これらの方式では、接続するチップと基板の熱膨張係数差に基づくストレスが、各種環境下に曝した場合、接続界面で発生し接続信頼性が低下するという問題がある。このため、接続界面のストレスを緩和する目的で一般にエポキシ樹脂系のアンダフィル材をチップ／基板の間隙に注入する方式が検討されている。しかし、このアンダフィルの注入工程は、プロセスを煩雑化し、生産性、コストの面で不利になるという問題がある。このような問題を解決すべく最近では、異方導電性と封止機能を有する異方導電性接着剤を用いたフリップチップ実装が、プロセス簡易性という観点から注目されている。

しかしながら、チップを、異方導電接着剤を介して直接基板に搭載する場合、温度サイクル試験下ではチップと基板の熱膨張係数差に基づくストレスが接続部において生じ、熱衝撃試験、ＰＣＴ試験、はんだバス浸漬試験などの信頼性試験を行うと接続抵抗の増大や接着剤の剥離が生じるという問題がある。また、チップの接続端子に突起電極が形成されている場合では、信頼性試験においてチップと基板の熱膨張係数差に基づくストレスが突起電極とチップ界面に集中し、突起電極がチップ電極界面から剥離し、導通不良が生じるという問題がある。本発明は、接続部での接続抵抗の増大や接着剤の剥離がなく、接続信頼性が大幅に向上する回路板を提供するものである。

本発明の回路部材接続用接着剤は、相対向する回路電極間に介在され、相対向する回路電極を加圧し加圧方向の電極間を電気的に接続する回路部材接続用接着剤であって、接着樹脂組成物１００重量部に無機質充填材が１０〜２００重量部含有され、且つ、無機質充填材を除いた接着樹脂組成物のみの硬化後の４０℃での弾性率が、３０〜１５００ＭＰａであることを特徴とするものである。

また、本発明の回路部材接続用接着剤は、相対向する回路電極間に介在され、相対向する回路電極を加圧し加圧方向の電極間を電気的に接続する回路部材接続用接着剤であって、接着樹脂組成物、無機質充填材及び導電粒子を含有し、接着樹脂組成物１００重量部に無機質充填材が１０〜２００重量部含有され、且つ、無機質充填材及び導電粒子を除いた接着樹脂組成物のみの硬化後の４０℃での弾性率が、３０〜１５００ＭＰａであることを特徴としてもよい。

無機質充填材の平均粒径は３ミクロン以下が好ましく、回路部材接続用接着剤には無機充填材の平均粒径に比べて平均粒径の大きい導電粒子が０．２〜２０体積％含有されていても良い。接着樹脂組成物は少なくともエポキシ樹脂、アクリルゴム、潜在性硬化剤を含有し、フィルム状である回路部材接続用接着剤が好ましい。アクリルゴムは、その分子中にグリシジルエーテル基を含有しているものが使用される。

本発明の接着剤によれば、従来の接着剤のように熱膨張係数が大きくないため、チップとＡＣＦ界面でのストレスを緩和できる他、さらに接着樹脂組成物として４０℃での弾性率が３０〜１５００ＭＰａである場合には、さらに接着樹脂組成物によって熱衝撃、ＰＣＴやはんだバス浸漬試験などの信頼性試験において生じるストレスを吸収できるため、信頼性試験後においても接続部での接続抵抗の増大や接着剤の剥離がなく、接続信頼性が大幅に向上する。また、本発明の接着剤は、熱膨張係数が小さく、チップとＡＣＦ界面でのストレスを緩和できることから、チップと基板を接着剤を介して接続する際にチップの電極パッドに突起電極を設けた場合、温度サイクル試験下での突起電極の電極パッドからの剥離を大幅に低減できる。したがって、本発明の接着剤は、ＬＣＤパネルとＴＡＢ、ＴＡＢとフレキシブル回路基板、ＬＣＤパネルとＩＣチップ、ＩＣチップとプリント基板とを接続時の加圧方向にのみ電気的に接続するために好適に用いられる。

本発明において用いられる回路部材として半導体チップ、プリント基板、ポリイミドやポリエステルを基材としたフレキシル配線板があげられる。半導体チップや基板の電極パッド上には、めっきで形成されるバンプや金ワイヤの先端をトーチ等により溶融させ、金ボールを形成し、このボールを電極パッド上に圧着した後、ワイヤを切断して得られるワイヤバンプなどの突起電極を設け、接続端子として用いることができる。

本発明において用いられる接着剤樹脂組成物としては、エポキシ樹脂とイミダゾール系、ヒドラジド系、三フッ化ホウ素−アミン錯体、スルホニウム塩、アミンイミド、ポリアミンの塩、ジシアンジアミド等の潜在性硬化剤の混合物が用いられ、回路部材の熱膨張係数差に基づくストレスを緩和するためには、接着後の４０℃での弾性率が３０〜１５００ＭＰａの接着剤樹脂組成物が好ましい。例えば、接続時の良好な流動性や高接続信頼性が得られる接着剤樹脂組成物として、エポキシ樹脂とイミダゾール系、ヒドラジド系、三フッ化ホウ素−アミン錯体、スルホニウム塩、アミンイミド、ポリアミンの塩、ジシアンジアミド等の潜在性硬化剤の混合物に、接着後の４０℃での弾性率が３０〜１５００ＭＰａになるようにアクリルゴムを配合した接着剤があげられる。接着フィルム硬化物の弾性率は、例えば、レオロジ（株）製レオスペクトラＤＶＥ−４（引っぱりモード、周波数１０Ｈｚ、５℃／ｍｉｎで昇温）を使用して測定できる。

本発明で用いるアクリルゴムとしては、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルまたはアクリロニトリルのうち少なくともひとつをモノマー成分とした重合体または共重合体があげられ、中でもグリシジルエーテル基を含有するグリシジルアクリレートやグリシジルメタクリレートを含む共重合体系アクリルゴムが好適に用いられる。これらアクリルゴムの分子量は、接着剤の凝集力を高める点から２０万以上が好ましい。アクリルゴムの接着剤中の配合量は、１５ｗｔ％以下であると接着後の４０℃での弾性率が１５００ＭＰａを越えてしまい、また４０ｗｔ％以上になると低弾性率化は図れるが接続時の溶融粘度が高くなり、接続電極界間、または接続電極と導電粒子界面の溶融接着剤の排除性が低下するため、接続電極間または接続電極と導電粒子間の電気的導通を確保できなくなる。このため、アクリル配合量としては１５〜４０ｗｔ％が好ましい。接着剤に配合されたこれらのアクリルゴムは、ゴム成分に起因する誘電正接のピーク温度が４０〜６０℃付近にあるため、接着剤の低弾性率化を図ることができる。また、接着剤にはフィルム形成性を容易にするためにフェノキシ樹脂などの熱可塑性樹脂を配合することもできる。特に、フェノキシ樹脂は、エポキシ樹脂と構造が類似しているため、エポキシ樹脂との相溶性、接着性に優れるなどの特徴を有するので好ましい。フィルム形成は、これら少なくともエポキシ樹脂、アクリルゴム、フェノキシ樹脂、潜在性硬化剤からなる接着剤樹脂組成物と導電粒子を有機溶剤に溶解あるいは分散により液状化して、剥離性基材上に塗布し、硬化剤の活性温度以下で溶剤を除去することにより行われる。この時用いる溶剤は、芳香族炭化水素系と含酸素系の混合溶剤が材料の溶解性を向上させるため好ましい。

本発明に用いられる無機質充填材としては、特に限定するものではなく、例えば、溶融シリカ、結晶質シリカ、ケイ酸カルシウム、アルミナ、炭酸カルシウム等の粉体があげられる。無機充填材の配合量は、接着剤樹脂組成物１００重量部に対して１０〜２００重量部であり、熱膨張係数を低下させるには配合量が大きいほど効果的であるが、多量に配合すると接着性や接続部での接着剤の排除性低下に基づく導通不良が発生し、配合量が小さいと熱膨張係数を充分低下できないため、２０〜９０重量部が好ましい。また、その平均粒径は、接続部での導通不良を防止する目的で３ミクロン以下にするのが好ましい。また接続時の樹脂の流動性の低下及びチップのパッシベーション膜のダメージを防ぐ目的で球状フィラを用いることが望ましい。

本発明の接着剤には、チップのバンプや回路電極の高さばらつきを吸収するために、異方導電性を積極的に付与する目的で導電粒子を分散することもできる。本発明において導電粒子は、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗやはんだなどの金属粒子またはこれらの金属粒子表面に金やパラジウムなどの薄膜をめっきや蒸着によって形成した金属粒子であり、ポリスチレン等の高分子の球状の核材にＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ、はんだ等の導電層を設けた導電粒子を用いることができる。粒径は基板の電極の最小の間隔よりも小さいことが必要で、電極の高さばらつきがある場合、高さばらつきよりも大きいことが好ましく、かつ無機質充填材の平均粒径より大きいことが好ましく、１μｍ〜１０μｍが好ましい。また、接着剤に分散される導電粒子量は、０．１〜３０体積％であり、好ましくは０．２〜１５体積％である。本発明の回路部材接続用接着剤がフィルム状接着剤の場合、膜厚は、特に限定するものではないが、第一及び第二の回路部材間のギャップに比べ、厚いほうが好ましく、一般にはギャップに対して５μｍ以上厚い膜厚が望ましい。

実施例１
フェノキシ樹脂５０ｇと、ブチルアクリレート（４０部）、エチルアクリレート（３０部）、アクリロニトリル（３０部）及びグリシジルメタクリレート（３部）を共重合したアクリルゴム（分子量：８５万）１２５ｇを酢酸エチル４００ｇに溶解し、３０％溶液を得た。ついで、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（エポキシ当量１８５）３２５ｇをこの溶液に加え、撹拌し、溶融シリカ（平均粒子径：０．５μｍ）を接着剤樹脂組成物１００重量部に対して４０重量部、さらにニッケル粒子（直径：３μｍ）を２ｖｏｌ％分散してフィルム塗工用溶液を得た。この溶液をセパレータ（シリコーン処理した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、１００℃、１０分乾燥し厚み４５μｍの接着フィルム１を作製した。なお、この接着フィルム１の溶融シリカ及びニッケル粒子を除いた接着剤樹脂組成物のみの動的粘弾性測定器で測定した４０℃の弾性率は、８００ＭＰａであった。次に作製した接着フィルム１を用いて金バンプ（面積：８０μｍ×８０μｍ、スペース３０μｍ、高さ：１５μｍ、バンプ数２８８）付きチップ（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）とＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板の接続を以下に示すように行った。接着フィルム（１２ｍｍ×１２ｍｍ）をＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板（電極高さ：２０μｍ、厚み：０．８ｍｍ）に８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で貼りつけた後、セパレータを剥離し、チップのバンプとＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板（厚み：０．８ｍｍ）の位置あわせを行った。ついで、１８０℃、３０ｇ／バンプ、２０秒の条件でチップ上方から加熱、加圧を行い、本接続を行った。本接続後の接続抵抗は、１バンプあたり最高で６ｍΩ、平均で２ｍΩ、絶縁抵抗は１０^８Ω以上であり、これらの値は−５５〜１２５℃の熱衝撃試験１０００サイクル処理、ＰＣＴ試験（１２１℃、２気圧）２００時間、２６０℃のはんだバス浸漬１０秒後においても変化がなく、良好な接続信頼性を示した。

実施例２
フェノキシ樹脂５０ｇと、ブチルアクリレート（４０部）、エチルアクリレート（３０部）、アクリロニトリル（３０部）及びグリシジルメタクリレート（３部）を共重合したアクリルゴム（分子量：８５万）１７５ｇを酢酸エチル５２５ｇに溶解し、３０％溶液を得た。ついで、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（エポキシ当量１８５）２７５ｇをこの溶液に加え、撹拌し、溶融シリカ（平均粒子径：０．５μｍ）を接着樹脂組成物１００重量部に対して６０重量部、さらにニッケル粒子（直径：３μｍ）を２ｖｏｌ％分散してフィルム塗工用溶液を得た。この溶液をセパレータ（シリコーン処理した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、１００℃、１０分乾燥し厚み４５μｍの接着フィルム２を作製した。この接着フィルム２の溶融シリカ及びニッケル粒子を除いた接着剤樹脂組成物のみの動的粘弾性測定器で測定した４０℃の弾性率は、４００ＭＰａであった。次に作製した接着フィルム２を用いて金バンプ（面積：８０μｍ×８０μｍ、スペース３０μｍ、高さ：１５μｍ、バンプ数２８８）付きチップ（１０ｍｍ×１０ｍｍ）とＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板（電極高さ：２０μｍ、厚み：０．８ｍｍ）の接続を以下に示すように行った。接着フィルム（１２ｍｍ×１２ｍｍ）をＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板に８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で貼りつけた後、セパレータを剥離し、チップのバンプとＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板の位置あわせを行った。ついで、１７０℃、３０ｇ／バンプ、２０秒の条件でチップ上方から加熱、加圧を行い、本接続を行った。本接続後の接続抵抗は、１バンプあたり最高で１８ｍΩ、平均で８ｍΩ、絶縁抵抗は１０^８Ω以上であり、これらの値は−５５〜１２５℃の熱衝撃試験１０００サイクル処理、ＰＣＴ試験（１２１℃、２気圧）２００時間、２６０℃のはんだバス浸漬１０秒後においても変化がなく、良好な接続信頼性を示した。

実施例３
フェノキシ樹脂５０ｇ、ブチルアクリレート（４０部）、エチルアクリレート（３０部）、アクリロニトリル（３０部）及びグリシジルメタクリレート（３部）を共重合したアクリルゴム（分子量：８５万）１００ｇを酢酸エチル３５０ｇに溶解し、３０％溶液を得た。ついで、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（エポキシ当量１８５）３５０ｇをこの溶液に加え、撹拌し、溶融シリカ（平均粒子径：０．５μｍ）を接着剤樹脂組成物１００重量部に対して６０重量部、さらにポリスチレン系核体（直径：５μｍ）の表面にＡｕ層を形成した導電粒子を５ｖｏｌ％分散してフィルム塗工用溶液を得た。この溶液をセパレータ（シリコーン処理した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、１００℃１０分乾燥し厚み４５μｍの接着フィルム３を作製した。この接着フィルム３の溶融シリカ及びニッケル粒子を除いた接着剤樹脂組成物のみの動的粘弾性測定器で測定した４０℃の弾性率は、１０００ＭＰａであった。次に作製した接着フィルム３を用いて金バンプ（面積：８０μｍ×８０μｍ、スペース３０μｍ、高さ：１５μｍ、バンプ数２８８）付きチップ（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）とＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板（電極高さ：２０μｍ、厚み：０．８ｍｍ）の接続を以下に示すように行った。接着フィルム３（１２ｍｍ×１２ｍｍ）をＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板に８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で貼りつけた後、セパレータを剥離し、チップのバンプとＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板の位置あわせを行った。ついで、１７０℃、３０ｇ／バンプ、２０秒の条件でチップ上方から加熱、加圧を行い、本接続を行った。接続抵抗は、１バンプあたり最高で５ｍΩ、平均で１．５ｍΩ、絶縁抵抗は１０^８Ω以上であり、これらの値は−５５〜１２５℃の熱衝撃試験１０００サイクル処理、ＰＣＴ試験（１２１℃、２気圧）２００時間、２６０℃のはんだバス浸漬１０秒後においても変化がなく、良好な接続信頼性を示した。

実施例４
フェノキシ樹脂５０ｇと、ブチルアクリレート（４０部）、エチルアクリレート（３０部）、アクリロニトリル（３０部）及びグリシジルメタクリレート（３部）を共重合したアクリルゴム（分子量：８５万）１００ｇを酢酸エチル３５０ｇに溶解し、３０％溶液を得た。ついで、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（エポキシ当量１８５）３５０ｇ部をこの溶液に加え、撹拌し、溶融シリカ（平均粒子径：０．５μｍ）を接着剤樹脂組成物１００重量部に対して４０重量部、さらにポリスチレン系核体（直径：５μｍ）の表面にＡｕ層を形成した導電粒子を５ｖｏｌ％分散してフィルム塗工用溶液を得た。この溶液をセパレータ（シリコーン処理した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、１００℃１０分乾燥し厚み４５μｍの接着フィルム４を作製した。この接着フィルム４の溶融シリカ及びニッケル粒子を除いた接着樹脂組成物のみの動的粘弾性測定器で測定した４０℃の弾性率は、１０００ＭＰａであった。また、接着フィルム４のＴＭＡ法で測定した１１０〜１３０℃の平均熱膨張係数は１１１ｐｐｍであった。次に作製した接着フィルム４を用いて金バンプ（面積：５０μｍ×５０μｍ、３６２バンプ、スペース：２０μｍ、高さ：１５μｍ）付きチップ（１．７ｍｍ×１７ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）とＩＴＯ回路付ガラス基板（厚み：１．１ｍｍ）の接続を以下に示すように行った。接着フィルム４（１２ｍｍ×１２ｍｍ）をＩＴＯ回路付ガラス基板に８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で貼りつけた後、セパレータを剥離し、チップのバンプとＩＴＯ回路付ガラス基板の位置あわせを行った。ついで、１８０℃、４０ｇ／バンプ、２０秒の条件でチップ上方から加熱、加圧を行い、本接続を行った。接続抵抗は、１バンプあたり最高で１５０ｍΩ、平均で８０ｍΩ、絶縁抵抗は１０^８Ω以上であり、これらの値は−４０〜１００℃の熱衝撃試験１０００サイクル処理、ＰＣＴ試験（１０５℃、１．２気圧）１００時間においても変化がなく、良好な接続信頼性を示した。

実施例５
フェノキシ樹脂５０ｇと、ブチルアクリレート（４０部）、エチルアクリレート（３０部）、アクリロニトリル（３０部）及びグリシジルメタクリレート（３部）を共重合したアクリルゴム（分子量：８５万）１２５ｇを酢酸エチル４００ｇに溶解し、３０％溶液を得た。ついで、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（エポキシ当量１８５）３２５ｇをこの溶液に加え、撹拌し、溶融シリカ（平均粒子径：０．５μｍ）を接着剤樹脂組成物１００重量部に対して６０重量部、さらにニッケル粒子（直径：３μｍ）を２ｖｏｌ％分散してフィルム塗工用溶液を得た。この溶液をセパレータ（シリコーン処理した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、１００℃１０分乾燥し厚み４５μｍの接着フィルム５を作製した。この接着フィルム５の溶融シリカ及びニッケル粒子を除いた接着剤樹脂組成物のみの動的粘弾性測定器で測定した４０℃の弾性率は、８００ＭＰａであった。次に、作製した接着フィルム５を用いてバンプレスチップ（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ、パッド電極：Ａｌ、パッド径：１２０μｍ）と回路上にＮｉ／ＡｕめっきＣｕバンプ（直径：１００μｍ、スペース５０μｍ、高さ：１５μｍ、バンプ数２００）を形成したＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板の接続を以下に示すように行った。接着フィルム５（１２ｍｍ×１２ｍｍ）をＮｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板（電極高さ：２０μｍ、厚み：０．８ｍｍ）に８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で貼りつけた後、セパレータを剥離し、チップのＡｌパッドとＮｉ／ＡｕめっきＣｕバンプ付Ｎｉ／ＡｕめっきＣｕ回路プリント基板（厚み：０．８ｍｍ）の位置あわせを行った。ついで、１８０℃、３０ｇ／バンプ、２０秒の条件でチップ上方から加熱、加圧を行い、本接続を行った。本接続後の接続抵抗は、１バンプあたり最高で８ｍΩ、平均で４ｍΩ、絶縁抵抗は１０^８Ω以上であり、これらの値は−５５〜１２５℃の熱衝撃試験１０００サイクル処理、ＰＣＴ試験（１２１℃、２気圧）２００時間、２６０℃のはんだバス浸漬１０秒後においても変化がなく、良好な接続信頼性を示した。

Claims (5)

1. 相対向する回路電極間に介在され、相対向する回路電極を加圧し加圧方向の電極間を電気的に接続する回路部材接続用接着剤であって、
   接着樹脂組成物、無機質充填材及び導電粒子を含有し、
   接着樹脂組成物１００重量部に無機質充填材が４０〜９０重量部含有され、
   接着樹脂組成物は、アクリルゴムを１５〜４０重量％含有しており、
   無機質充填材及び導電粒子を除いた接着樹脂組成物のみの硬化後の４０℃での弾性率が、３０〜１５００ＭＰａであり、且つ、
   無機質充填材の平均粒径に比べて平均粒径の大きい導電粒子が、０．１〜３０体積％含有されている、ことを特徴とする回路部材接続用接着剤。
2. 無機質充填材の平均粒径が３ミクロン以下である請求項１記載の回路部材接続用接着剤。
3. 接着樹脂組成物は、少なくともエポキシ樹脂、アクリルゴム、潜在性硬化剤を含有する請求項１又は２記載の回路部材接続用接着剤。
4. アクリルゴムが、その分子中にグリシジルエーテル基を含有している請求項３記載の回路部材接続用接着剤。
5. 形状がフィルム状である請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路部材接続用接着剤。