JP6044195B2 - 絶縁被覆用粒子、絶縁被覆導電粒子、異方導電材料及び接続構造体 - Google Patents
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[コアシェル構造]
図1に示されるように、絶縁被覆用粒子1は、コア粒子1aと、コア粒子1aの表面に形成されたシェル層1bとから構成されたコアシェル構造を備える。コア粒子1a及びシェル層1bの材料としては、コア粒子1aは有機高分子を含み、シェル層1bはシリコーン系化合物を含む。上記コア粒子1a及びシェル層1bを構成する材料の種類を適宜選択することで絶縁被覆用粒子1の熱的特性を調整することができるため、粒子が変形し易くなり、基板間の圧着を行う際に導通性が良好となる。また、上記コア粒子1a及びシェル層1bの材料は、必要に応じて、熱特性、光学特性、力学特性等に基づいて異なる組み合わせを適宜選択することができる。
コア粒子は有機高分子からなる絶縁性粒子である。有機高分子としては絶縁性を有するものであれば特に限定されず、例えば、後述する基材粒子に用いられる樹脂を用いることもできる。
シェル層はシリコーン系化合物からなり、SiO4/2単位、RSiO3/2単位及びR2SiO2/2単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の単位を有する。複数のRは各々同じであっても異なっていてもよい。
絶縁被覆用粒子は、例えば、シェル層がシリコーンの場合、コア粒子とシェル形成触媒を含む溶媒に対し、SiO4/2単位の原料、RSiO3/2単位の原料、及びR2SiO2/2単位の原料と、水との混合物をラインミキサー又はホモジナイザーで乳化した乳化液を一括あるいは連続的に追加することにより、シリコーンで被覆された絶縁被覆用粒子を得ることができる。時間的には長くなるがラテックス状粒子の安定性及び粒子径分布を重視する場合は、連続追加を採用することが好ましい。乳化液を追加する前に酸触媒を添加して、直ちに加水分解と縮合反応とが進む条件で連続追加を行うと、絶縁被覆用粒子は時間とともに大きく成長し、通常のシード重合のように、狭い粒子径分布を示すものを得ることができる。また、30分ないし1時間の比較的短い時間の連続追加を行うと、比較的良い生産性と狭い粒子径分布を両立することもできる。
本実施形態の被覆導電粒子において、シェル層は、基材粒子に対する結合性を有する官能基を介して上記基材粒子の表面を部分的に被覆していることが好ましい。この場合、上記絶縁被覆用粒子は、上記基材粒子に化学結合されることとなり、ファンデルワールス力又は静電気力のみによる結合に比べて結合力が強く、絶縁被覆用粒子で被覆した導電粒子(絶縁被覆導電粒子)が異方導電材料に用いられる場合、バインダー樹脂等に混練する際に絶縁被覆用粒子が剥がれ落ちたり、隣接する絶縁被覆導電粒子との接触により絶縁被覆用粒子が剥がれ落ちてリークが起こったりするのを防ぐことができる。また、この化学結合は基材粒子と絶縁被覆用粒子との間にのみ形成され、絶縁被覆用粒子同士が結合することはないので、基材粒子は単層の絶縁被覆用粒子で被覆されることとなる。このことから、基材粒子及び絶縁被覆用粒子として粒径の揃ったものを用いれば、容易に絶縁被覆導電粒子の粒径を均一なものとすることができる。
シェル形成触媒とは、シリコンアルコキシドのゾルゲル反応に用いる触媒のことであり、酸又はアルカリが用いられる。酸触媒は、例えば、脂肪族スルホン酸、脂肪族置換ベンゼンスルホン酸、脂肪族置換ナフタレンスルホン酸等のスルホン酸類、及び硫酸、塩酸、硝酸等の鉱酸類が挙げられる。これらの中では、オルガノシロキサンの乳化安定性に優れる観点から、脂肪族置換ベンゼンスルホン酸が好ましく、n−ドデシルベンゼンスルホン酸が特に好ましい。アルカリ触媒としては、具体的には、メチルアミン、エーテルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、N,N−ジイソプロピルエチルアミン、ピペリジン、ピペラジン、モルホリン、キヌクリジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)、ピリジン、4−ジメチルアミノピリジン、エチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン(TMEDA)、ヘキサメチレンジアミン、アニリン、カテコールアミン、フェネチルアミン、1,8−ビス(ジメチルアミノ)ナフタレン(プロトンスポンジ)、アミノ酸、アマンタジン、スペルミジン、スペルミン等が挙げられる。特に3級アミノ基を有する化合物を使用することが好ましく、特にトリエチルアミンを使用することが好ましい。
絶縁被覆用粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)にて粒径を100個観察した平均値である。絶縁被覆用粒子の平均粒径は、基材粒子の粒径及び目的とする絶縁被覆導電粒子の用途によっても異なるが、1μm以下であることが好ましい。それにより、基材粒子の物性が、絶縁被覆用粒子の物性によって支配され難く、基材粒子を用いる効果が得られ易くなる。より好ましくは、絶縁被覆用粒子の粒子径の下限は10nm、上限は1μmである。
C.V.={(粒径の標準偏差)/(平均粒径)}×100(%) ・・・(1)
C.V.は10%以下であることが特性の向上に好ましく、より好ましくは7%以下、最も好ましくは5%以下である。C.V.が10%以下であると、得られる絶縁被覆導電粒子の大きさが均一となり、絶縁被覆導電粒子が異方導電材料に用いられる場合に、基板間で圧着する際に均一に圧力がかかり易くなり、導電接続を向上することができる。
絶縁被覆用粒子からアンモニウムイオンが溶出する場合、絶縁被覆導電粒子を用いて作製した異方導電材料中の硬化剤が失活し、硬化阻害が発生することがある。よって、絶縁被覆用粒子から溶出するアンモニウムイオンの濃度は150ppm以下であることが好ましく、100ppm以下であることがより好ましい。溶出アンモニウムイオン濃度は例えば、乾燥後の絶縁被覆用粒子0.5gをイオン交換水25gに分散させ、耐圧容器中100℃で12時間放置した後、イオンクロマトグラフィーにより測定することができる。
絶縁被覆用粒子の吸湿率は、5質量%以下であることが好ましい。吸湿率が5質量%以下であると、イオンマイグレーション等によるショート発生を抑制することが可能となる。吸湿率は、例えば、重量を測定した絶縁被覆用粒子を高温高湿度試験槽(温度60℃、湿度90%)に18時間放置した後、再度粒子重量を測定することにより算出することができる。
基材粒子は、その表面が導電性を有する金属からなり、導電粒子として機能するものである。この場合、図1に示されるように、基材粒子2は後述する無機化合物又は有機化合物からなる球状芯材粒子2aの表面に導電性を有する金属の層2bが形成されたものでもよく、導電性を有する金属のみからなる金属粒子であってもよい。中でも、有機化合物からなる球状芯材粒子の表面に導電性の金属層が形成されたものは、基板間を導電接続する際の圧着時に変形して接合面積を増やすことができることから、接続安定性の点で好ましい。
本実施形態の絶縁被覆導電粒子は、上記基材粒子の表面が上記絶縁被覆用粒子で被覆されてなるものである。ここで、絶縁被覆用粒子は、その表面積の20%以下が上記基材粒子の表面と接触していることが好ましい。接触する表面積が20%以下であると、上記絶縁被覆用粒子の変形が小さく、得られる被覆導電粒子の大きさがより均一となり、また、シェル層が破壊され難くコアシェル構造を維持し易くなる傾向がある。なお、下限については特に限定されず、絶縁被覆用粒子と基材粒子とが、例えば鎖長の長いポリマにより結ばれている場合には、実質的に0%であってもよい。
被覆率(%)={(基材粒子表面の絶縁被覆用粒子で覆われている部分の面積)/(基材粒子の全表面積)}×100 ・・・(2)
絶縁被覆用粒子がその表面にシラノール基を有する場合、シランカップリング剤又はシランカップリング剤をオリゴマ化したシリコーンオリゴマーにより処理することによって、後述する絶縁被覆導電粒子の絶縁信頼性を向上することができる。また、粒子表面への反応のし易さから、上記シランカップリング剤をシリコーンオリゴマー化して使用することが好ましい。シリコーンオリゴマーは、縮合反応により予め3次元架橋されていることが好ましい。また、シリコーンオリゴマーは、疎水性基と、シリカ等の無機材料と反応する官能基とを有していることが好ましい。
重合度=重量平均分子量/シロキサン単位の分子量 ・・・(3)
なお、シリコーンオリゴマー中に複数種のシロキサン単位が含まれる場合、それらの平均値によって重合度が計算される。
絶縁被覆導電粒子を絶縁性のバインダー樹脂中に分散させることによって、接着剤組成物を調製することができる。そして、この接着剤組成物は、異方導電材料(回路接続材料)として使用することができる。異方導電材料は、フィルム状に成形して異方導電フィルムとして使用してもよい。図2に示す異方導電フィルム50は、絶縁性のバインダー樹脂20に絶縁被覆導電粒子10を分散させた接着剤組成物を、フィルム状に成形したものである。
図3に示す接続構造体100は、相互に対向する第1の回路部材30及び第2の回路部材40を備えており、第1の回路部材30と第2の回路部材40との間には、これらを接続する接続部50aが設けられている。
図4は、異方導電材料を用いて上記接続構造体を製造する工程を概略断面図により示す工程図である。本実施形態では、異方導電材料を熱硬化させて接続構造体を製造する。
(コア粒子1の作製)
500mlフラスコに下記の化合物を一括して仕込み、窒素にて1時間溶存酸素を置換した後、温度70℃のウォーターバスで、約6時間加熱撹拌をしてコア粒子1を得た。
ジビニルベンゼン 1.6g(12mmol)
2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン](VA−057) 1.4g(4mmol)
メタクリル酸ジメチルアミノエチルの1,3−プロパンスルトン付加物(DMAEMAPS) 0.6g(2mmol)
水 400g
表1に記載の材料を使用したこと以外は上記コア粒子1の作製手順と同様にして、コア粒子2〜4を作製した。表1中、「KBE−503」はγ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン(信越化学工業社製、商品名)を示す。
500mlフラスコに下記の化合物を一括して仕込み、温度35℃のウォーターバスで撹拌しながら、下記シェル原料分散液1を1時間かけて滴下し、滴下後6時間加熱撹拌を続け、絶縁被覆用粒子の分散液を得た。
エタノール 100g
トリエチルアミン 2g
テトラエトキシシラン 12.5g
エタノール 300g
絶縁被覆用粒子1の合成においてシェル原料分散液のテトラエトキシシランの量を2倍にしたこと以外は同様にして絶縁被覆用粒子の分散液を作製した。SEMにより観察したところ、平均粒径は325nm、粒径の変動係数(C.V.)は4.0%であった。吸湿率を算出したところ、2.0質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、31ppmであった。
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子2を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
絶縁被覆用粒子1の合成においてシェル原料分散液のテトラエトキシシランの量を3倍にしたこと以外は同様にして絶縁被覆用粒子の分散液を作製した。SEMにより観察したところ、平均粒径は363nm、粒径の変動係数(C.V.)は4.4%であった。吸湿率を算出したところ、3.0質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、19ppmであった。
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子3を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
500mlフラスコに下記の化合物を一括して仕込み、温度80℃のウォーターバスで撹拌しながら、下記シェル原料分散液2を1時間かけて滴下し、滴下後5時間加熱撹拌を続け、20時間静置後、絶縁被覆用粒子の分散液を得た。
ドデシルベンゼンスルホン酸Na 2g
ドデシルベンゼンスルホン酸 2g
メチルトリメトキシシラン 15.0g
水 20.0g
ドデシルベンゼンスルホン酸Na 0.1g
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子4を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
500mlフラスコに下記の化合物を一括して仕込み、温度80℃のウォーターバスで撹拌しながら、下記シェル原料分散液3を1時間かけて滴下し、滴下後5時間加熱撹拌を続け、20時間静置後、絶縁被覆用粒子の分散液を得た。
ドデシルベンゼンスルホン酸Na 2g
ドデシルベンゼンスルホン酸 2g
メチルトリメトキシシラン 7.3g
ジメチルジメトキシシラン 6.4g
テトラメトキシシラン 1.3g
ドデシルベンゼンスルホン酸Na 0.1g
水 20g
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子5を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
絶縁被覆用粒子4の合成においてシェル原料分散液2の2倍量を2時間かけて添加したこと以外は同様にして絶縁被覆用粒子の分散液を作製した。SEMにより観察したところ、平均粒径は365nm、粒径の変動係数(C.V.)は4.8%であった。吸湿率を算出したところ、1.0質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、40ppmであった。
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子6を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
絶縁被覆用粒子4の合成においてコア粒子1の代わりにコア粒子2を用いたこと、及び、シェル原料分散液2の3倍量を3時間かけて添加したこと以外は同様にして絶縁被覆用粒子の分散液を作製した。SEMにより観察したところ、平均粒径は316nm、粒径の変動係数(C.V.)は3.5%であった。吸湿率を算出したところ、1.2質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、20ppmであった。
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子7を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
絶縁被覆用粒子1の合成においてコア粒子2を使用したこと以外は同様にして絶縁被覆用粒子の分散液を作製した。SEMにより観察したところ、平均粒径は152nm、粒径の変動係数(C.V.)は4.8%であった。吸湿率を算出したところ、1.0質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、18ppmであった。
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子8を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
絶縁被覆用粒子1の合成においてコア粒子1の代わりにコア粒子4を用いたこと以外は同様にして絶縁被覆用粒子の分散液を作製した。SEMにより観察したところ、平均粒径は405nm、粒径の変動係数(C.V.)は5.0%であった。吸湿率を算出したところ、1.2質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、22ppmであった。
また、シリコーンオリゴマー1を上記絶縁被覆用粒子の分散液に粒子重量と同量添加し2時間撹拌を行い、表面がシリコーンオリゴマー処理された絶縁被覆用粒子9を得た。その後、遠心分離を3回行い、粒子の洗浄後、メタノールに分散させた。
コア粒子1を絶縁被覆用粒子10とした。吸湿率を算出したところ、0.5質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、30ppmであった。
コア粒子3を作製後、下記化合物の混合物を上記で得られたコア粒子3の分散液に1時間かけて滴下し、更に4時間重合を行い、絶縁被覆用粒子11を作製した。
ジビニルベンゼン 1.6g
VA−057 1.4g
DMAEMAPS 0.6g
コロイダルシリカ分散液(濃度20質量%、扶桑化学工業社製、商品名クオートロンPL−13、平均粒径130nm)を絶縁被覆用粒子12とした。吸湿率を算出したところ、4.0質量%であった。溶出アンモニウムイオン濃度を測定したところ、12ppmであった。
上記絶縁被覆用粒子1〜12について、シェル形成前後の平均粒径よりシェル層の厚さを算出した。結果を表2に示す。
(導電粒子)
平均粒径3.0μmの架橋ポリスチレン粒子の表面に、厚み0.2μmのニッケル層を無電界めっきで形成し、更にそのニッケルの外側に厚み0.04μmのパラジウム層を形成させて、導電粒子を得た。
メルカプト酢酸8mmolをメタノール200mLに溶解させて反応液を調製した。この反応液に導電粒子を10g加え、室温で2時間スリーワンモータと直径45mmの攪拌羽を用いて攪拌して、導電粒子の表面をメルカプト酢酸で処理した。φ(孔径)3μmのメンブレンフィルタ(ミリポア社製)を用いた濾過により処理後の導電粒子を取り出し、取り出された導電粒子をメタノールで洗浄して、表面にカルボキシル基を有する導電粒子1gを得た。
得られた絶縁被覆導電粒子をトルエン/酢酸エチル(混合比:50質量部/50質量部)溶液に浸漬し、5分超音波照射(24kHz)後、SEMにて絶縁被覆導電粒子を確認し、絶縁被覆用粒子が剥離しているかどうかを確認した。絶縁被覆用粒子の吸着量に変化が無い場合をA、絶縁被覆用粒子が部分的に剥離した場合をCとした。結果を表3に示す。
フェノキシ樹脂(ユニオンカーバイド社製、商品名:PKHC)100gと、アクリルゴム(ブチルアクリレート40質量部、エチルアクリレート30質量部、アクリロニトリル30質量部、グリシジルメタクリレート3質量部の共重合体、重量平均分子量:85万)75gをトルエン/酢酸エチル(混合比:50質量部/50質量部)400gに溶解し、30質量%溶液を得た。この溶液に、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(エボキシ当量185、旭化成エポキシ株式会社製、商品名:ノバキュアHX−3941)300gを加え、撹拌して接着剤溶液を準備した。
ii)セパレータを剥離し、チップのバンプとITO回路付きガラス基板との位置合わせを行った。
iii)190℃、40MPa(低圧実装条件)、10秒の条件でチップ上方から加熱及び加圧を行い、本接続を行った。
作製した接続構造体サンプルについて絶縁抵抗試験及び導通抵抗試験を行った。異方導電フィルムはチップ電極間の絶縁抵抗が高く、チップ電極/ガラス電極間の導通抵抗が低いことが重要である。10サンプルのチップ電極間の絶縁抵抗を測定した。絶縁抵抗は初期値と、気温60℃、湿度90%、20V印加の条件で1000時間放置する信頼性試験(マイグレーション試験)後の値とを測定した。また、信頼性試験後の絶縁抵抗が109Ω以上であったものを良品とした場合の歩留まりを算出した。
Claims (14)
- 表面が導電性を有する金属からなる基材粒子を被覆して絶縁被覆導電粒子を形成するための絶縁被覆用粒子であって、
コア粒子及びシェル層を有するコアシェル構造を備え、
前記コア粒子が、有機高分子を含み、
前記シェル層が、SiO4/2単位、RSiO3/2単位及びR2SiO2/2単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の単位を有するシリコーン系化合物を含む、絶縁被覆用粒子。(ここで、前記Rは、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数6〜24の芳香族基、ビニル基、及び、γ−(メタ)アクリロキシプロピル基からなる群より選ばれる少なくとも1種を示す。) - 前記シェル層が、前記基材粒子に対する結合性を有する官能基を有する、請求項1に記載の絶縁被覆用粒子。
- 前記基材粒子に対する結合性を有する官能基が、エポキシ基又はグリシジル基である、請求項2に記載の絶縁被覆用粒子。
- 前記シェル層は、エポキシ基又はグリシジル基を有するシリコーンオリゴマーによって処理されたものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 前記シェル層の厚みが1〜150nmである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 前記シェル層がSiO4/2単位のみを有するシリコーン系化合物で構成され、前記シェル層の厚みが1〜50nmである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 平均粒径が1μm以下であり、かつ、粒径の変動係数が10%以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 吸湿率が5質量%以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 溶出アンモニウムイオン濃度が100ppm以下である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 前記コア粒子の表面がアミノ基又はカルボキシル基を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 前記コア粒子が双イオン性の官能基を有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の絶縁被覆用粒子と、前記絶縁被覆用粒子によって表面の少なくとも一部が被覆された基材粒子と、を備える、絶縁被覆導電粒子。
- 絶縁性のバインダー樹脂と、前記絶縁性のバインダー樹脂中に分散した請求項12に記載の絶縁被覆導電粒子と、を備える、異方導電材料。
- 対向配置された一対の回路部材と、
請求項13に記載の異方導電材料の硬化物からなり、前記一対の回路部材の間に介在しそれぞれの回路部材が有する回路電極同士が電気的に接続されるように当該回路部材同士を接着する接続部と、を備える接続構造体。
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