JP6587107B2 - 回路部材の接続方法 - Google Patents

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Description

本発明は、はんだ材料を含む接続材料を用いて、それぞれ電極を有する第１回路部材と第２回路部材の電極間を接続する方法に関する。
第１電極を有する第１回路部材と、第２電極を有する第２回路部材との接続には、導電粒子を含む異方導電性接着剤が広く用いられている。異方導電性接着剤により、第１回路部材と第２回路部材とが接着されるとともに、導電粒子によって第１電極と第２電極とが電気的に接続される。
異方導電性接着剤の導電粒子には、例えば、金メッキされたニッケル粒子または金属メッキされた樹脂粒子が用いられる。ニッケル粒子や樹脂粒子は、電極間で圧縮された状態で電極と接触することにより、電極との電気的接続を達成している。電極と導電粒子との接触により電気的接続を達成するためには、高い圧力（例えば５０ＭＰａ〜１５０ＭＰａ）が必要である。
また、異方導電性接着剤による回路部材間の接続は、例えば２００℃程度の温度下で、熱圧着により行われる。したがって、第１回路部材と第２回路部材との間に介在する異方導電性接着剤に高い圧力が印加される際には、接着剤の粘度が大きく低下し、流動性が増している。そのため、導電粒子が接着剤とともに電極間からその周囲へ押し出されやすく、電極間に効率的に導電粒子を捕捉することが難しい。また、各回路部材に印加される圧力が大きく、回路部材にかかる熱的応力も大きいため、回路部材が薄く、その強度が低い場合には、回路部材の反り等の不具合が発生し易い。
そこで、導電粒子の代わりにはんだ粒子を用い、電極と溶融はんだとの濡れにより、電気的接続を達成することが検討されている。例えば、特許文献１では、熱圧着時に、はんだ粒子を含む熱硬化性接着剤を、２段階で加熱することが提案されている。具体的には、はんだ粒子が溶融しない温度で熱硬化性接着剤を仮加熱し、接着剤をある程度硬化させ、その後、はんだ粒子が溶融する温度で本加熱して、接着剤を完全に硬化させている。これにより、溶融はんだの過剰な流動が抑制される。
図３に、熱圧着工程における接着剤の温度プロファイルと、はんだ粒子に印加される圧力プロファイルの一例を示す。図３中、実線は圧力プロファイルを示し、一点鎖線は温度プロファイルを示す。熱圧着の初期（時間ｔ１１からｔ１２まで）には、はんだ粒子を含む接着剤は、はんだ材料の融点Ｔｍよりも低い温度Ｔ１１で加熱されるとともに、はんだ粒子にＰ１１の圧力が印加される。その後、加熱温度を上昇させ、時間ｔ１３以降は、融点Ｔｍを超える温度Ｔ１２で本加熱が行われる。本加熱では、はんだ粒子が溶融して電極に濡れ広がり、加熱が終了すると、はんだが固化して電気的接続が達成される。
特開平８−１８６１５６号公報
しかし、回路部材間の接続を効率的に行う観点から、熱圧着は、短時間で行うことが望まれる。その場合、熱圧着時に、図３に示すような２段階での加熱温度の制御を行うことは極めて困難である。また、仮加熱で熱硬化性接着剤の硬化をある程度進行させるには、仮加熱の時間（図３中のｔ１１からｔ１２までの時間）をある程度長くする必要がある。つまり、熱圧着に比較的長時間を要することになり、薄く、強度の弱い回路部材を用いる場合に不利である。更に、熱硬化性接着剤の硬化が進行する際には、接着剤の流動性が高くなるため、ニッケル粒子や樹脂粒子の場合と同様に、はんだ粒子が電極間からその周囲へ押し出されやすい。
図４は、第２回路部材５１を第１回路部材４１に対して押圧する際の、接続材料３１（接着剤３２とはんだ粒子３３との混合物）の流動状態を模式的に示している。接着剤３２の粘度が低くなったときに、第１電極４２とバンプ５２との間に圧力が印加されると、接着剤３２の流動に伴って、はんだ粒子３３が電極間から押し出される確率が高くなる。このようなはんだ粒子３３の動きが顕著になると、隣接する電極間でのショートの発生の可能性が高くなる。近年、液晶ディスプレイの小型化等により、電極サイズが小さくなり、かつ隣接する電極間のピッチも狭くなりつつある。そのため、第１電極と第２電極との間に必要量のはんだ粒子３３を確保するとともに、隣接する電極間のショートを抑制することが困難となりつつある。
上記に鑑み、本発明の一局面は、接着剤および前記接着剤に分散するはんだ材料を含む接続材料を準備する第１工程と、第１電極を有する第１回路部材と、第２電極を有する第２回路部材とを準備し、前記接続材料を介して前記第１電極と前記第２電極とが対向するように、前記第１回路部材と前記第２回路部材とを配置する第２工程と、前記接続材料に熱を加えながら、前記第１回路部材と前記第２回路部材とを圧着する第３工程と、を含み、前記接着剤が流動し始める温度は、前記はんだ材料の融点より高く、前記第３工程は、前記接続材料の温度が前記はんだ材料の前記融点に到達する前に行われる第１圧力付与工程と、前記第１圧力付与工程に続く第２圧力付与工程とを有し、前記第１圧力付与工程では、前記はんだ材料を第１圧力で押圧して変形させた後、前記はんだ材料を押圧する圧力を前記第１圧力よりも小さい第２圧力に変更し、前記第２圧力付与工程では、前記接続材料を前記はんだ材料の前記融点以上で加熱するとともに、前記はんだ材料を前記第２圧力で押圧する、回路部材の接続方法に関する。
本発明によれば、第１回路部材が有する第１電極と第２回路部材が有する第２電極との電気的接続の信頼性を高めることができる。
本発明に係る回路部材の接続方法が具備する熱圧着工程における接続材料の温度プロファイルおよびはんだ材料に印加される圧力プロファイルの一例を示す概略図である。 本発明に係る熱圧着工程の第１圧力付与工程における接続材料の状態の一例を示す要部概略図である。 従来の回路部材の接続方法が具備する熱圧着工程における接続材料の温度プロファイルおよびはんだ材料に印加される圧力プロファイルの一例を示す概略図である。 従来の熱圧着工程における接続材料の状態の一例を示す要部概略図である。
本発明は、接着剤および接着剤に分散するはんだ材料を含む接続材料を準備する第１工程と、第１電極を有する第１回路部材と、第２電極を有する第２回路部材とを準備し、接続材料を介して第１電極と第２電極とが対向するように、第１回路部材と第２回路部材とを配置する第２工程と、接続材料に熱を加えながら、第１回路部材と第２回路部材とを圧着する第３工程（熱圧着工程）と、を含む回路部材の接続方法に関する。
本発明は、第３工程において、はんだ材料を用いて、第１電極と、第２電極とを電気的に接続する方法を改良するものである。具体的には、接続材料の温度がはんだ材料の融点に到達する前に、はんだ材料を第１圧力で押圧して変形させた後、はんだ材料を押圧する圧力を第１圧力よりも小さい第２圧力に変更する（第１圧力付与工程）。その後、第１圧力付与工程に続いて、はんだ材料を第２圧力で押圧する（第２圧力付与工程）。第２圧力付与工程では、接続材料が、はんだ材料の融点以上に加熱されることで、はんだ材料が溶融する。
第１圧力付与工程では、溶融前のはんだ材料を、第１電極と第２電極とで押圧し、両電極間で挟み込むため、はんだ材料は、アンカー効果により第１電極と第２電極とで強固に捕捉される。はんだ材料は元来柔らかいため、樹脂粒子等を含む異方導電性接着剤を用いる従来の場合と比べて低い第１圧力でも、はんだ材料を電極間に容易に捕捉することができる。
また、第１圧力付与工程では、加熱により接着剤の粘度が大きく低下して接着剤が流動し始める前に、従来と比べて低い第１圧力を印加する。このため、接着剤の流動に伴い、はんだ材料が電極間からその周囲に押し出されることが回避される。また、第１圧力付与工程で、はんだ材料が電極間で強固に捕捉されるため、第２圧力付与工程では、加熱により接着剤が流動し始めても、接着剤の流動に伴い、はんだ材料が電極間からその周囲に押し出されることが抑制される。
更に、第１圧力付与工程では、はんだ材料が溶融する前に、はんだ材料に印加される圧力が第１圧力から第２圧力に低減される。よって、第２圧力付与工程で、溶融したはんだ材料が過度に押し潰されることがなく、隣接する電極間でのショート発生が抑制される。
第２圧力付与工程では、溶融したはんだ材料が電極間で濡れ広がることで、電極間の電気的接続を達成することができるため、樹脂粒子等を含む異方導電性接着剤を用いる場合のような高い圧力は不要である。よって、第２圧力は非常に低く設定可能であり、薄く、強度の低い回路部材を接続する場合でも、回路部材の反り等の不具合の発生を抑制することができる。
以上のことから、上記の第１圧力付与工程および第２圧力付与工程を採用することにより、第１電極と第２電極との電気的接続の信頼性を高めることができる。上記の接続方法は、薄く、強度の低い回路部材を接続する場合や、隣接する電極間のピッチが狭い回路部材を接続する場合に特に有利である。
以下、本発明の回路部材の接続方法について詳細に説明する。
（第１工程）
本工程では、接着剤および接着剤に分散するはんだ材料を含む接続材料を準備する。接続材料は、ペースト状でもよく、フィルム状でもよい。
（接着剤）
接着剤は、熱硬化性樹脂および／または熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物である。中でも、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物が好ましく、熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂を含むことが好ましい。樹脂組成物は、熱硬化性樹脂の硬化剤を含んでもよい。硬化剤としては、アミン、フェノール樹脂、酸無水物などが挙げられる。樹脂組成物は、更に、種々の添加剤を含んでもよい。添加剤としては、はんだ材料や電極表面の酸化被膜を除去する活性剤、フィラー、硬化促進剤などが挙げられる。
熱硬化性樹脂の硬化反応が進行する温度は、はんだ材料の融点より高いことが好ましい。これにより、熱硬化性樹脂の硬化反応の殆どが、はんだ材料が溶融し、はんだ材料により第１電極および第２電極が濡れた後で進行する。よって、第１電極と第２電極との電気的接続に対する信頼性を高めることができる。また、硬化反応が進行する温度が高い熱硬化性樹脂は、第１圧力付与工程では溶融しにくく、流動性を低く維持しやすい。硬化反応が進行する温度は、例えば、示差走査熱量計（ＤＳＣ）により測定される吸熱ピーク温度により求められる。
電極間ではんだ材料を効率的に捕捉するためには、接着剤は常温で固体状態であることが好ましい。また、第１圧力付与工程において、はんだ材料に最大圧力（第１圧力）が印加される時点では、接着剤はほとんど流動しないか、流動性が小さいことが好ましく、接着剤が固体状態を維持していることが最も好ましい。これにより、接着剤の流動によるはんだ材料の電極間からの押し出しが抑制される。
（はんだ材料）
はんだ材料は、特に限定されず、例えば、錫、銀、ビスマス、インジウム、ニッケル、亜鉛、銅などを含み、これらの元素を含む合金として、錫−銀−銅合金、錫−ビスマス合金、錫−インジウム合金、錫−亜鉛合金、ビスマス−インジウム合金、錫−ビスマス−インジウム合金などをはんだ材料に用いることができる。中でも、はんだ材料は、ビスマス−インジウム合金を含むことが好ましい。ビスマスおよびインジウムを含むはんだ材料は、比較的柔らかく、例えばビッカース硬さは２０Ｈｖ未満であるため、第１圧力付与工程ではんだ材料を押圧する際に電極とのアンカー効果が得られ易い。
また、はんだ材料に含まれるインジウムは、展性に優れるため、はんだ材料と第１電極および第２電極との濡れ面積を大きくすることができる。一方、ビスマスは、溶融状態から固化するときに体積が膨張する異常液体である。はんだ材料がビスマスを含むことで、はんだ材料の固化の際に、はんだ材料と第１電極および第２電極との界面における圧力が高められる。よって、はんだ材料の固化により形成されるはんだ部は、第１電極および第２電極に、強固に密着することができる。すなわち、はんだ材料に印加される第２圧力が非常に小さい場合でも、はんだ材料がビスマスおよびインジウムを含むことにより、第１電極と第２電極との電気的接続に対する高い信頼性が得られる。
ビスマスおよびインジウムを含む合金は低融点化が可能である。そのため、電極間の接続に必要な加熱温度も低温（例えば、はんだ材料の融点＋１０℃以下）でよい。よって、接続の際に、回路部材に印加される圧力と熱による応力を小さくすることができる。これにより、薄く、強度の低い回路部材を接続する場合でも、不具合が発生しにくく、高い信頼性を確保することができる。
はんだ材料に含まれるビスマス−インジウム合金は、例えば粒子状である。ビスマス−インジウム合金の粒子（以下、合金粒子）の大きさは、第１電極と第２電極との導通を確保し、隣接する電極間の絶縁を確保する観点から選択される。一例を挙げると、合金粒子の大きさ（最大径）は、電極幅の１／５以下であることが望ましく、１／１０以下であることがより望ましい。なお、はんだ材料は、ビスマス−インジウム合金以外の成分を含んでもよいが、９５質量％以上がビスマス−インジウム合金であることが好ましく、９８質量％以上がビスマス−インジウム合金であることが更に好ましい。
はんだ材料に含まれるビスマス−インジウム合金は、融点（ｍｐ）７２℃〜１０９℃であることが好ましく、融点８５℃〜１０９℃であることが更に好ましく、融点８８℃〜９０℃であることが特に好ましい。これにより、電極間の接続を、例えば１１０℃以下、望ましくは１００℃以下の低温で行うことができる。よって、回路部材に残留する熱による応力を顕著に低減することができる。
融点７２℃〜１０９℃のビスマス−インジウム合金としては、例えば３５Ｂｉ−６５Ｉｎ（ｍｐ：７２℃）、５１Ｂｉ−４９Ｉｎ（ｍｐ：８５℃）、５５Ｂｉ−４５Ｉｎ（ｍｐ：８９℃）、２７Ｂｉ−７３Ｉｎ（ｍｐ：１００℃）、６８Ｂｉ−３２Ｉｎ（ｍｐ：１０９℃）等が挙げられる。ただし、ＸＢｉ−ＹＩｎは、Ｘ質量％のビスマスとＹ質量％のインジウムとを含む合金を意味する。
はんだ材料に含まれるビスマス−インジウム合金において、ビスマス−インジウム合金に含まれるビスマスの量は、２７質量％〜６８質量％であることが好ましく、５１質量％〜５５質量％であることがより好ましい。ビスマス−インジウム合金の残部は、ほとんど（残部の９９質量％以上）がインジウムであることが好ましい。このようなビスマス−インジウム合金は、電極との濡れ性および接続信頼性が高く、かつ低融点である。ビスマス−インジウム合金は、例えば、ＢｉＩｎ２、Ｂｉ３Ｉｎ５およびＢｉＩｎよりなる群から選択される少なくとも１種を含む。
また、電気的接続の信頼性を高める観点から、はんだ材料に含まれるビスマス−インジウム合金において、ビスマス−インジウム合金に含まれるインジウムの量は、３２質量％〜７３質量％が好ましく、３２質量％〜４９質量％が更に好ましく、４３質量％〜４７質量％が特に好ましい。
接着剤とはんだ材料とを含む接続材料において、はんだ材料の量は、例えば５質量％〜８０質量％であればよい。はんだ材料の量を上記範囲に設定することで、第１電極と第２電極との高い接続信頼性と、隣接する電極間の絶縁の確実な確保とを両立することが容易となる。
（第２工程）
本工程は、第１電極を有する第１回路部材と、第２電極を有する第２回路部材とを準備する第２ａ工程と、接続材料を介して第１電極と第２電極とが対向するように、第１回路部材と第２回路部材とを配置する第２ｂ工程とを含む。
（第２ａ工程）
例えば、所定のピッチで配列している複数の第１電極を備えた第１主面を有する第１回路部材と、所定のピッチで配列している複数の第２電極を備えた第２主面を有する第２回路部材とを準備する。
（第１回路部材）
第１回路部材は、特に限定されないが、例えば、テレビ、タブレット、スマートフォン、ウェアラブルデバイス等が具備する表示パネルに用いられる透明基板であり得る。透明基板は、半透明であってもよい。透明基板としては、ガラス基板およびフィルム状基板が挙げられる。フィルム状基板は、透明性を有する樹脂フィルムで形成されている。透明性を有する樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のフィルムであり得る。
第１回路部材が透明基板である場合には、第１電極に透明電極が用いられる。透明電極は、インジウムとスズとを含む酸化物であればよく、インジウムおよびスズ以外の微量の第三の金属元素を含んでもよい。透明電極の代表例は、いわゆる酸化インジウムスズもしくはスズドープ酸化インジウム（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ（ＩＴＯ））電極である。
（第２回路部材）
第２回路部材は、特に限定されないが、例えば半導体チップ、電子部品パッケージ、フィルム基板、コネクタ等であり得る。
第２電極は、特に限定されないが、例えば、金、白金、銅、ニッケル、パラジウム、各種はんだ等を含む金属電極であり得る。金属電極を形成するはんだは、例えば、スズ、銀、ビスマス、インジウム、ニッケル、銅等を含むはんだであり得る。
（バンプ）
第１電極および第２電極の少なくとも一方は、バンプを含んでもよい。このとき、バンプのビッカース硬さは、はんだ材料のビッカース硬さよりも大きいことが好ましい。これにより、第１圧力付与工程において、バンプと電極との間またはバンプ間において、溶融前のはんだ材料の粒子を容易に捕捉することができ、アンカー効果も得られやすい。ビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠した測定方法により求められる。
バンプのビッカース硬さは２０Ｈｖ以上であり、はんだ材料のビッカース硬さは２０Ｈｖ未満であることが好ましい。より好ましくは、バンプのビッカース硬さが２２Ｈｖ以上であり、はんだ材料のビッカース硬さが１８Ｈｖ未満である。
バンプは少なくとも表面に金を含むことが好ましい。これにより、ビッカース硬さが２０Ｈｖ以上であるバンプを容易に得ることができる。また、表面にはんだを含む被覆層を有する銅を含むバンプも好ましい。被覆層に含まれるはんだとしては、錫−銀−銅合金が好ましい。
（第２ｂ工程）
本工程では、接続材料を介して、第１電極と第２電極とが対向するように、第１回路部材と第２回路部材とを配置する。
例えば、所定のピッチで配列している複数の第１電極を備えた第１主面を有する第１回路部材と、所定のピッチで配列している複数の第２電極を備えた第２主面を有する第２回路部材とを用いる場合には、第１回路部材の第１主面の第１電極の少なくとも一部を覆う領域（以下、第１接続領域）に、接続材料を配置する。接続材料が未硬化または半硬化状態の熱硬化性樹脂や未硬化の光硬化性樹脂を含むペースト状であれば、印刷装置、ディスペンサ、インクジェットノズル等を用い、第１接続領域に接続材料を塗布すればよい。接続材料がフィルム状もしくはテープ状であれば、基材から所定形状に切り出された当該フィルムを剥がし、第１接続領域に圧着すればよい。このような操作は、例えば公知のテープ貼り付け装置により行われる。なお、第２回路部材の第２主面の第２電極の少なくとも一部を覆う領域（第２接続領域）に、接続材料を配置してもよく、第１および第２接続領域の両方に配置してもよい。これにより、第１回路部材と第２回路部材とが対向配置された積層構造が得られる。
（第３工程）
本工程では、接続材料に熱を加えながら、第１回路部材と第２回路部材とを圧着する。第３工程では、例えば、押圧のためのツールを用いて、第２回路部材を第１回路部材に対して押圧してもよく、第１回路部材を第２回路部材に対して押圧してもよい。接続材料の加熱は、例えば、加熱のためのツールを用いて、第１回路部材および／または第２回路部材を加熱することで行われる。押圧のためのツールは加熱のためのツールを兼ねていてもよい。
第３工程は、はんだ材料を第１圧力で押圧する工程（第１圧力付与工程）と、第１圧力付与工程に続き、はんだ材料を第２圧力で押圧する工程（第２圧力付与工程）とを有する。
（第１圧力付与工程）
第１圧力付与工程では、接続材料の温度がはんだ材料の融点に到達する前に、はんだ材料を第１圧力で押圧して変形させた後、はんだ材料を押圧する圧力を第１圧力よりも小さい第２圧力に変更する。
第２圧力に変更する前において、溶融前のはんだ材料を押圧する圧力は、所定圧力に到達した後は一定でもよく、所定範囲内で変動させてもよい。ただし、溶融前のはんだ材料を押圧する圧力を変動させる場合、第１圧力は、第１圧力付与工程における最大圧力を指す。第１圧力は、溶融前のはんだ材料が、電極間で、過度に押し潰されることなく、ある程度変形した状態で捕捉され得る圧力であればよい。
第１圧力から第２圧力に変更するとは、溶融前のはんだ材料を押圧する圧力を、第１圧力（最大圧力）から、溶融したはんだ材料が、電極間で、過度に押し潰されることなく、適度に濡れ広がることができる圧力にまで降下させることを指す。
第１圧力付与工程は、加熱により接着剤の粘度が低下して接着剤が第１電極と第２電極との間からその周囲に流動し始める前に行われる。このため、接着剤の流動に伴い、はんだ材料が、第１電極と第２電極との間からその周囲に押し出されることが抑制される。よって、第１電極と第２電極との接続面積が小さい場合でも、第１電極と第２電極との間で効率よく十分な量のはんだ材料を捕捉することができる。
第１圧力付与工程では、接着剤は流動し始める前の粘度の高い状態である。このため、電極間で溶融する前のはんだ材料を捕捉するために、第２圧力よりも高い第１圧力で粘度の高い接着剤が押圧される。このとき、はんだ材料は溶融していないため、第２圧力よりも高い第１圧力で押圧しても、はんだ材料が過度に押し潰されることなく、ある程度変形した状態で、はんだ材料を捕捉することができる。
第１圧力は、樹脂粒子等を含む異方導電性接着剤を用いる場合よりも、低くてよい。電極とはんだ材料との電気的接続は、接触によるものではなく、溶融したはんだ材料が電極に濡れ広がることにより達成されるため、高い圧力は不要である。第１圧力が低いため、薄く、強度の低い回路部材を接続する場合でも、回路部材の反り等の不具合が発生しにくく、回路部材の接続に対する高い信頼性を確保することができる。
第１圧力は、１５ＭＰａ〜３０ＭＰａであることが好ましく、１５ＭＰａ〜２０ＭＰａであることがより好ましい。第１圧力が１５ＭＰａ以上であれば、はんだ材料（特に、ビスマス−インジウム合金）の捕捉率をより確実に高めることができる。第１圧力が３０Ｍｐａ以下であれば、はんだ材料（特に、ビスマス−インジウム合金）を過度に押し潰すことなく、ある程度変形させた状態で容易に捕捉することができる。また、回路部材が薄く、その強度が低い場合でも、回路部材の反り等の不具合の発生をより確実に抑制することができる。
ビスマス−インジウム合金を含むはんだ材料は、比較的柔らかいため、第１圧力が２０ＭＰａ以下の低い圧力でも、溶融前のはんだ材料を適度に変形させた状態で容易かつ確実に捕捉することができる。第１圧力が２０ＭＰａ以下であれば、回路部材の反り等の不具合の発生が顕著に抑制される。
第１圧力付与工程は、加熱により接着剤の粘度が低下して接着剤が流動し始める前に行われるため、第２圧力付与工程と比べて、非常に短時間で行われる。よって、第１圧力付与工程は、接続材料が、殆ど加熱されない状態で、または、加熱された直後に完了する。このため、第１圧力付与工程では、回路部材に加熱による熱的ストレスは殆どかからない。
第１圧力が印加される時間は、非常に短いため、回路部材が薄く、その強度が低い場合でも、回路部材の反り等の不具合の発生を抑制することができる。
第１圧力を印加する時間は、５秒間以下であることが好ましい。第１圧力を印加する時間が５秒間以下であれば、回路部材が薄く、その強度が低い場合でも、回路部材の反り等の不具合の発生をより確実に抑制することができる。第１圧力を印加する時間は、より好ましくは１秒間以下である。
（第２圧力付与工程）
第２圧力付与工程では、はんだ材料を第２圧力で押圧しながら、接着材料をはんだ材料の融点以上に加熱して、はんだ材料を溶融させる。これにより、溶融したはんだ材料を電極間に濡れ拡がらせることができる。第１圧力付与工程では、電極間に十分な量のはんだ材料を確保しているため、電極間の接続面積が小さい場合でも、はんだ材料を電極間に十分に濡れ拡がらせることができる。
第２圧力は、溶融したはんだ材料が、電極間で、過度に押し潰されることなく、適度に濡れ広がることができる圧力であれば、所定圧力に到達した後は一定でもよく、所定範囲内で変動させてもよい。
回路部材に印加される第２圧力は非常に低いため、回路部材が薄く、その強度が低い場合でも、回路部材の反り等の不具合の発生を抑制することができる。また、溶融したはんだ材料を第１圧力よりも小さい圧力で押圧する場合、隣接する電極間のショート等の不具合も抑制される。
第２圧力付与工程では、加熱により、接着剤が流動可能な程度にまで、接着剤の粘度が低下していることが好ましい。これにより、第２圧力を更に低く設定することができるようになる。
第２圧力は、第１圧力の４０％以下であることが好ましい。第２圧力が第１圧力の４０％以下であれば、溶融したはんだ材料が過度に押し潰されることによる不具合の発生をより確実に抑制することができる。また、回路部材の反り等の不具合の発生も、より確実に抑制することができる。第２圧力は、より好ましくは第１圧力の２５％以下である。
第２圧力は、第１圧力の３％以上であることがより好ましい。第２圧力が第１圧力の３％以上であれば、第１電極と第２電極との間で溶融したはんだ材料の濡れ拡がりが促進される。第２圧力は、より好ましくは第１圧力の６％以上、更には１０％以上である。
第２圧力は、０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａが好ましく、０．５ＭＰａ〜４ＭＰａがより好ましく、１ＭＰａ〜３ＭＰａ程度が特に好ましい。これにより、樹脂粒子等を含む異方導電性接着剤を用いる場合に比べ、回路部材に印加される圧力を飛躍的に低減することができる。また、はんだ材料（特に、ビスマス−インジウム合金）が溶融しているため、あまり高い圧力を回路部材に印加しなくても、電極とはんだ材料との濡れにより、電気的接続を容易に確保できる。中でも、ビスマス含有量が２７質量％〜６８質量％であるビスマス−インジウム合金を含むはんだ材料は、電極との濡れ性に優れるため、第２圧力を４ＭＰａ以下の低い圧力に設定する場合に適している。
第２圧力を印加する時間は、特に限定されないが、０．５秒間〜１０秒間程度、更には１秒間〜５秒間程度であることが、製造コストの面で望ましい。第２圧力の印加を短時間で完了することで、回路部材にかかる熱的ストレスや回路部材の不具合を、より確実に抑制することができる。
第２圧力付与工程において、加熱温度は、接続材料に含まれるはんだ材料の融点以上であればよく、融点以上かつ融点＋１０℃以下の温度であることが好ましい。例えば、はんだ材料に含まれるビスマス−インジウム合金の融点が８８℃〜９０℃である場合には、加熱温度は９０℃〜１００℃であればよい。具体的には、ビスマス含有量が５１質量％〜５５質量％であるビスマス−インジウム合金を含むはんだ材料は、融点が８５℃〜８９℃であり、第２圧力付与工程における加熱温度を９０℃〜１００℃とすることができる。
接着剤が熱硬化性樹脂を含む場合、第２圧力付与工程における加熱温度は、熱硬化性樹脂の硬化反応が進行する温度よりも高いことが好ましい。これにより、第２圧力付与工程において、熱硬化性樹脂の硬化の少なくとも一部を進行させることができる。よって、アフターキュアを省略したり、短縮したりすることができる。
なお、接着剤が熱可塑性樹脂を含む場合、第２圧力付与工程における加熱温度は、熱可塑性樹脂が溶融する温度よりも高ければよい。
ここで、図１に、第３工程（熱圧着時）における、接続材料の温度プロファイルと、はんだ材料に印加される圧力プロファイルの一例を示す。図１中、実線は圧力プロファイルを示し、一点鎖線は温度プロファイルを示す。以下では、押圧と加熱を同時に行い得るツールを用いて、第２回路部材を第１回路部材に向かって押圧して熱圧着する場合について説明する。
第１圧力付与工程は、加熱されたツールを第２回路部材に押し当てたときに開始され、その瞬間から、加熱により接続材料の温度が徐々に上昇する。ただし、時点ｔ１において圧力が最大（第１圧力Ｐ１）に達するまでの時間が短く、時点ｔ１では、接続材料の温度がはんだ材料の融点Ｔ１よりも十分に低くなっている。このとき接着剤はほとんど流動しないため、第１電極と第２電極との間に、溶融する前の固体のはんだ材料が多く補足され、固体のはんだ材料に最大の第１圧力Ｐ１が印加される。その後、時点ｔ１からｔ２までの間に、圧力はＰ１からＰ２（第２圧力）に降下する（第１圧力付与工程）。そして、はんだ材料に印加される圧力がＰ２になった後の時点ｔ３で、接続材料の温度がはんだ材料の融点Ｔ１に達する。その後、接続材料は、はんだ材料の融点Ｔ１よりも高い温度Ｔ２まで加熱される（第２圧力付与工程）。時点ｔ３以降、溶融はんだが電極に濡れ広がり、加熱が終了すると、はんだが固化して、接続信頼性の高いはんだ部が形成される。
図２に、第１圧力付与工程における接続材料の状態の一例を示す。
最大の第１圧力が印加されているときの接着剤（樹脂組成物）２は、ほとんど流動していない。よって、第１回路部材１１の第１電極１２と第２回路部材２１のバンプ２２（第２電極）との間に存在していたはんだ粒子３は、そのまま第１電極１２とバンプ２２との間に留まることができる。よって、第１電極１２とバンプ２２との接続面積が小さい場合でも、第１電極１２とバンプ２２との間に効率的にはんだ粒子３が捕捉される。
接着剤が熱硬化性樹脂を含む場合、第２圧力付与工程において接着剤の硬化反応の進行が不十分である場合には、アフタ―キュアを行ってもよい。
接着剤の硬化により、第１回路部材と第２回路部材とを接着する樹脂部が形成される。例えば、所定のピッチで配列している複数の第１電極を備えた第１主面を有する第１回路部材と、所定のピッチで配列している複数の第２電極を備えた第２主面を有する第２回路部材とを用いる場合には、樹脂部は、第１主面と第２主面とを接着するとともに、はんだ部の少なくとも一部を覆うように形成されればよい。これにより、はんだ部が補強され、接続構造の強度が向上する。また、電極間のピッチが狭い場合でも、隣接する電極間の絶縁を確保し易くなる。
本発明に係る回路部材の接続方法は、樹脂粒子等を含む異方導電性接着剤を用いる技術の代替技術として有用であり、電極サイズの小さい回路部材を含む接続構造を形成する場合、例えばタブレット、スマートフォン等が具備する小型の液晶を製造する場合に、特に有用である。
１、３１ 接続材料
２、３２ 接着剤（樹脂組成物）
３、３３ はんだ粒子
１１、４１ 第１回路部材
１２、４２ 第１電極
２１、５１ 第２回路部材
２２、５２ バンプ

Claims (10)

  1. 接着剤および前記接着剤に分散するはんだ材料を含む接続材料を準備する第１工程と、
    第１電極を有する第１回路部材と、第２電極を有する第２回路部材とを準備し、前記接続材料を介して前記第１電極と前記第２電極とが対向するように、前記第１回路部材と前記第２回路部材とを配置する第２工程と、
    前記接続材料に熱を加えながら、前記第１回路部材と前記第２回路部材とを圧着する第３工程と、を含み、
    前記接着剤が流動し始める温度は、前記はんだ材料の融点より高く、
    前記第３工程は、前記接続材料の温度が前記はんだ材料の前記融点に到達する前に行われる第１圧力付与工程と、前記第１圧力付与工程に続く第２圧力付与工程とを有し、
    前記第１圧力付与工程では、前記はんだ材料を第１圧力で押圧して変形させた後、前記はんだ材料を押圧する圧力を前記第１圧力よりも小さい第２圧力に変更し、
    前記第２圧力付与工程では、前記接続材料を前記はんだ材料の前記融点以上で加熱するとともに、前記はんだ材料を前記第２圧力で押圧する、回路部材の接続方法。
  2. 前記第１圧力が、１５ＭＰａ〜３０ＭＰａである、請求項１に記載の回路部材の接続方法。
  3. 前記第２圧力が、前記第１圧力の４０％以下である、請求項１または２に記載の回路部材の接続方法。
  4. 前記接着剤は、熱硬化性樹脂を含み、
    前記熱硬化性樹脂の硬化反応が開始される温度が、前記はんだ材料の融点より高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路部材の接続方法。
  5. 前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、バンプを含み、
    前記バンプのビッカース硬さは、前記はんだ材料のビッカース硬さよりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路部材の接続方法。
  6. 前記バンプのビッカース硬さは、２０Ｈｖ以上であり、
    前記はんだ材料のビッカース硬さは、２０Ｈｖ未満である、請求項５に記載の回路部材の接続方法。
  7. 前記バンプは少なくとも表面に金を含む、請求項５または６に記載の回路部材の接続方法。
  8. 前記はんだ材料は、ビスマス−インジウム合金を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路部材の接続方法。
  9. 前記ビスマス−インジウム合金中に含まれるビスマス量は２７質量％〜６８質量％である、請求項８に記載の回路部材の接続方法。
  10. 前記ビスマス−インジウム合金中に含まれるビスマス量は５１質量％〜５５質量％である、請求項８に記載の回路部材の接続方法。
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