JP5438454B2 - 導電性微粒子、異方性導電材料、及び、接続構造体 - Google Patents
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Description
これを解決するためにハンダを球状にした、いわゆる「ハンダボール」でICやLSIを基板に接続するBGA(ボールグリッドアレイ)が開発された。この技術によれば、チップ又は基板上に実装されたハンダボールを高温で溶融し基板とチップとを接続することで高生産性、高接続信頼性を両立した電子回路を製造することができる。
しかしながら、電極に塗布されたフラックスは、電極が接続された後は不要となるばかりか、余分のフラックスは種々の弊害をもたらすことがあるので、洗浄を行ってフラックスの除去を行う必要があった。そのため、フラックスを洗浄するための工程が別途必要となる上に、洗浄工程に有機溶剤を使用しなければならないという問題点があった。
また、経時変化等によって、導電性微粒子の表面が酸化している場合には、導電性微粒子を用いて実装を行う際に、酸化皮膜とフラックスとの反応が起こることによって、水素が発生し、これが溶融した低融点金属内に取り込まれることによってボイドとなり、接合強度低下の原因となっていた。
以下に本発明を詳述する。
図2は、本発明の導電性微粒子を電極に接続した場合の状態を示す断面図である。図2に示すように、低融点金属層2が熱で溶融すると、フラックス3´が電極4上に溶出する。この場合、フラックス3´の量は必要最低限となり、電極4付近上にのみ存在する構成となる。
また、低融点金属層を溶融させて導電接続を行う場合、内包されていたフラックスが外部に溶出する。その結果、従来行われていたフラックスの塗布工程が不要となり、更に、必要最低限のフラックスしか溶出しないため、余剰フラックスの洗浄工程も不要となる。その結果、電極の接続工程を大幅に簡略化することができる。また、余分のフラックスが生じることによって、作業環境の悪化等を招くこともない。
上記ポリオレフィン樹脂は特に限定されず、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ポリブタジエン樹脂等が挙げられる。上記アクリル樹脂は特に限定されず、例えば、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリメチルアクリレート樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
上記重合法は特に限定されず、乳化重合、懸濁重合、シード重合、分散重合、分散シード重合等の重合法が挙げられる。
上記金属微粒子は特に限定されず、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、金、銀等の金属からなる微粒子が挙げられる。なかでも、銅微粒子が好ましい。上記銅微粒子は、実質的に銅金属のみで形成された銅微粒子であってもよく、銅金属を含有する銅微粒子であってもよい。なお、上記基材微粒子が銅微粒子である場合は、後述する導電層を形成しなくてもよい。
K値(N/mm2)=(3/√2)・F・S−3/2・R−1/2
F:樹脂微粒子の10%圧縮変形における荷重値(N)
S:樹脂微粒子の10%圧縮変形における圧縮変位(mm)
R:樹脂微粒子の半径(mm)
なお、上記基材微粒子の平均粒子径は、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて無作為に選んだ50個の基材微粒子の粒子径を測定し、測定した粒子径を算術平均することにより求めることができる。
上記活性化剤は特に限定されず、例えば、トリエタノールアミン塩酸塩、トリエチレンテトラミン塩酸塩、シクロヘキシルアミン塩酸塩、塩酸アニリンなどのアミン化合物の有機酸又は無機酸の塩等が挙げられる。
上記カルボン酸は特に限定されず、例えば、ステアリン酸、アジピン酸、アントラニル酸、ラウリン酸、グリコール酸、アゼライン酸、コハク酸、セバシン酸等が挙げられる。
また、上記表面にフラックスからなる層を有する低融点金属微粒子の平均粒子径は、上記基材微粒子の平均粒子径の1/10以下であることが好ましい。上記表面にフラックスからなる層を有する低融点金属微粒子の平均粒子径が、上記基材微粒子の平均粒子径の1/10を超えると、せん断圧縮時に上記表面にフラックスからなる層を有する低融点金属微粒子を上記基材微粒子に付着、皮膜化させることができないことがある。
上記低融点金属層に含有される金属の合計に占める上記金属の含有量は特に限定されないが、好ましい下限は0.0001重量%、好ましい上限は2重量%である。上記金属の含有量が0.0001重量%未満であると、上記低融点金属層と電極との接合強度が充分に得られないことがある。上記金属の含有量が2重量%を超えると導電性微粒子の融点が変わることがある。
なお、上記低融点金属層の厚さは、無作為に選んだ10個の導電性微粒子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察して測定し、測定値を算術平均した厚さである。
上記導電層を形成する金属は特に限定されず、例えば、金、銀、銅、亜鉛、鉄、鉛、錫、アルミニウム、コバルト、インジウム、ニッケル、クロム、アンチモン、ビスマス、ゲルマニウム、カドミウム等が挙げられる。なかでも、導電性に優れることから、上記導電層を形成する金属は、金、銅又はニッケルであることが好ましい。
なお、上記導電層の厚さは、無作為に選んだ10個の導電性微粒子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察して測定し、これらを算術平均した厚さである。
このような製造方法で得られた低融点金属層は、低融点金属微粒子が堆積することで、フラックスが低融点金属層の表面を被覆する構造となり、長期の保管等による低融点金属層の酸化を防止することができる。これにより、導電性微粒子の表面に酸化皮膜が形成されことを効果的に抑制することができる。
また、同時に低融点金属層中にフラックスを内包するものとなるため、低融点金属層を溶融させて導電接続を行う場合、内包されていたフラックスが外部に溶出し、従来行われていたフラックスの塗布工程が不要となる。また、必要最低限のフラックスしか溶出しないため、余剰フラックスの洗浄工程も不要となり、電極の接続工程を大幅に簡略化することができる。更に、余分のフラックスが生じることによる作業環境の悪化等を招くことを防止することができる。
上記ビニル樹脂は特に限定されないが、例えば、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂等が挙げられる。
上記熱可塑性樹脂は特に限定されないが、例えば、ポリオレフィン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリアミド樹脂等が挙げられる。
上記硬化性樹脂は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。なお、上記硬化性樹脂は、常温硬化型樹脂、熱硬化型樹脂、光硬化型樹脂、湿気硬化型樹脂であってもよい。上記硬化性樹脂は硬化剤と併用してもよい。
上記熱可塑性ブロック共重合体は特に限定されないが、例えば、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体、スチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体の水素添加物、スチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体の水素添加物等が挙げられる。
上記エラストマーは特に限定されないが、例えば、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−スチレンブロック共重合ゴム等が挙げられる。
これらの樹脂は、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
また、上記バインダー樹脂と、本発明の導電性微粒子とを混合することなく、別々に用いて異方性導電材料としてもよい。
テトラメチロールメタンテトラアクリレートとジビニルベンゼンとの共重合体からなる樹脂微粒子(平均粒子径260μm)の表面に、電気めっきにより厚さ10μmの銅層を形成することにより、基材微粒子を得た。
一方、錫96.5銀3.5合金組成の低融点金属微粒子(粒子径分布5〜15μm)を、オクタデカン二酸の0.5重量%エタノール溶液中に2時間浸漬し、ろ過、乾燥させることでフラックス積層低融点金属微粒子を得た。
得られた基材微粒子50g及びフラックス積層低融点金属微粒子75gをシータコンポーザ(徳寿工作所社製)に投入して、混合した。これにより、フラックス積層低融点金属微粒子を基材微粒子に付着、皮膜化させて、基材微粒子の表面に厚さ25μmの錫96.5銀3.5合金層を形成し、導電性微粒子を得た。
なお、シータコンポーザを用いて混合する際には、回転容器(ベッセル)を3000rpm、回転翼(ローター)を30rpmで逆回転させ、フラックス積層低融点金属微粒子にせん断圧縮力が作用するようにした。混合時間は120分間とした。
低融点金属微粒子(粒子径分布5〜15μm)を、オクタデカン二酸の0.5重量%エタノール溶液中に2時間浸漬させる工程を行わなかった以外は実施例1と同様にして導電性微粒子を作製した。
比較例1で得られた導電性微粒子をオクタデカン二酸の0.5重量%エタノール溶液中に2時間浸漬し、ろ過、乾燥させることで導電性微粒子を作製した。
市販のフラックス(ガンマラックス360、千住金属工業)を分散させた水分散液中でアクリル酸エチル、アクリロニトリル及びメタクリルロニトリルを共重合して、フラックスを内包するマイクロカプセル(平均粒子径5μm)を作製した。次いで、基材微粒子50gとフラックス内包マイクロカプセル0.6g、低融点金属微粒子75gをシータコンポーザに投入して混合し、基材微粒子に付着、皮膜化させて、基材微粒子の表面に、フラックス内包カプセルを導電性微粒子全体に対し5vol%含む、厚さ25μmの錫96.5銀3.5合金層を形成した以外は実施例1と同様にして導電性微粒子を作製した。
比較例1で得られた導電性微粒子50gと、ホットメルト接着剤を表面に塗布したフラックス内包カプセル1gとを加熱しながら混合し、導電性微粒子表面にフラックス内包カプセルを固着させた以外は実施例1と同様にして、導電性微粒子を作製した。
実施例及び比較例で得られた導電性微粒子について以下の評価を行った。結果を表1に示した。
得られた導電性微粒子を、気温25℃、湿度50%の大気雰囲気中に100時間放置し、酸化皮膜形成を促進させた。次いで、銅電極を有するシリコンチップ上に112個搭載し、270℃に設定したリフロー炉に投入し溶融させた。その後、シリコンチップ上に実装された各導電性微粒子に対して、シェア試験機(デイジ社製「シリーズ4000」)を用いて、250gfの横応力を印加し、銅電極表面において、破壊が生じたものの総数を計測した。
なお、比較例1で得られた導電性微粒子を用いた場合は、電極上が濡れずバンプを形成不可であった。また比較例3で得られた導電性微粒子に関しては、ボールマウンタで吸引できず実装不可であった。
Claims (8)
- 基材微粒子の表面に、低融点金属層が形成されている導電性微粒子であって、
前記低融点金属層は、表面にフラックスからなる層を有する低融点金属微粒子を基材微粒子に接触させ、せん断圧縮によって溶融軟化させることにより形成されたものである
ことを特徴とする導電性微粒子。 - 低融点金属層は、錫又は錫と他の金属との合金からなることを特徴とする請求項1記載の導電性微粒子。
- 基材微粒子は、樹脂微粒子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。
- 基材微粒子は、銅微粒子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。
- 基材微粒子は、更に、基材微粒子と低融点金属層との間に導電層を有す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。
- 請求項1、2、3、4又は5記載の導電性微粒子がバインダー樹脂に分散されてなることを特徴とする異方性導電材料。
- 請求項1、2、3、4或いは5記載の導電性微粒子、又は、請求項6記載の異方性導電材料を用いてなることを特徴とする接続構造体。
- 請求項1、2、3、4又は5記載の導電性微粒子を製造する方法であって、
基材微粒子に、表面にフラックスからなる層を有する低融点金属微粒子を接触させ、せん断圧縮によって前記低融点金属微粒子を溶融させることにより、前記基材微粒子に低融点金属層を形成する工程を有する
ことを特徴とする導電性微粒子の製造方法。
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