JP7007221B2

JP7007221B2 - 導電性接合シートおよびこれを用いた接合方法

Info

Publication number: JP7007221B2
Application number: JP2018046836A
Authority: JP
Inventors: 英希薩摩; 昌利後藤; 敬之野坂; 和久辻本
Original assignee: Seiren Co Ltd
Current assignee: Seiren Co Ltd
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP2019155766A

Description

本発明は、金属などの導電性材料から成る回路と電気・電子部品とを電気的に接続し固定し得る導電性接合シートに関する。また、この導電性接合シートを用いた接合方法に関する。

電気・電子機器の小型化、高機能化に伴い、電気・電子部品の電気的接続も高集積化される傾向にある。これら電気・電子機器の製造に際しては、複雑な回路、信号線、微小な部品など多くの電気的接続を形成する必要がある。微細な配線回路における端子間接続方法として、特許文献１や２では、金属箔を端子と部品間に挟み込み、金属箔の融点以上に加熱する接続方法が提案されている。

国際公開第２０１１／０４０４４２号特開平８－１６８８７６号公報

しかしながら、前記文献等においてはフラックスから発生するアウトガスによるボイドなどの構造欠陥が発生し、接合信頼性が低下するという問題があった。このような従来技術の問題に鑑み、本発明は、アウトガスによるボイドなどの構造欠陥を引き起こす虞のない導電性接合シートを提供することを目的とする。また、この導電性接合シートを用いた接合方法を提供する。

本発明者らは、鋭意研究の結果、特定の表面積を有する多孔性金属箔を用いて導電性接合シートを形成することにより、アウトガスによるボイドなどの構造欠陥を抑制することができることを見出し、本発明を完成させた。

本発明の導電性接合シートは、１０ｍｍ角（１０ｍｍ×１０ｍｍ）サイズにおける表面積が２０７ｍｍ^２以上である多孔性金属箔の少なくとも一方の面に、フラックス層を積層してなる導電性接合シートである。

前記多孔性金属箔が多孔性錫箔または多孔性錫合金箔であることが好ましい。

前記多孔性金属箔において、平均孔径２０μｍ以下の孔が孔密度２００個／ｍｍ^２以上で設けられていることが好ましい。

前記フラックス層が、ロジン系樹脂、有機酸、フェノール類、アミン類、ハロゲン化合物、酸無水物よりなる群から選択される少なくとも１種を含有していることが好ましい。

本発明の接合方法は、接合する２の導電部材間に前記導電性接合シートを配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱した後冷却する、接合方法である。

本発明の接合方法は、接合する一方の導電部材上に導電性接合シートを配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱した後冷却する。次に他方の導電部材を、前記一方の導電部材上を被覆している前記導電性接合シート上に配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱した後冷却する、接合方法である。

本発明によれば、回路同士、回路と電気・電子部品などとの接合に際して使用できる、アウトガスによるボイド発生が抑制できる導電性接合シートと接合方法を提供することができる。

本発明の導電性接合シートの一例における透過光像写真である。

（多孔性金属箔）
本発明の導電性接合シートは、多孔性金属箔を構成要素として含む。本発明で用いられる多孔性金属箔は、１０ｍｍ角（１０ｍｍ×１０ｍｍ）サイズにおいて２０７ｍｍ^２以上の表面積を有している必要がある。厚さ２０μｍの無孔金属箔の場合、その１０ｍｍ角サイズにおける表面積は２００．８ｍｍ^２となるが、これに多数の微細な孔を設けることにより表面積が増加する。１０ｍｍ角サイズにおける表面積を２０７ｍｍ^２以上とするために、平均孔径２０μｍ以下の孔を孔密度２００個／ｍｍ^２以上となるように設けることが好ましい。また、多孔性金属箔の厚さは５～３０μｍであることが好ましい。

多孔性金属箔の金属成分は、錫または錫合金であることが好ましい。錫合金としては、錫と銀、ビスマス、銅、鉛などの金属との合金が挙げられる。錫合金における錫の含有率としては、１０～９０質量％であることが好ましい。多孔性金属箔の融点は１００～３３０℃であることが好ましい。

このような多孔性金属箔を製造する方法としては、例えば、アルミニウム表面を有する支持体にアルカリ性水溶液を接触させ、その後電気めっきにより金属箔を形成する方法が挙げられる。大気中においてアルミニウムの表面は酸化されており不動態となっている。アルカリ性水溶液との接触により不動態の一部が溶解され、酸化していないアルミニウムを一部露出させるものと考えられる。電気めっきの際、露出したアルミニウム部分で金属の析出が起こり、不動態部分では金属の析出は見込めない。電気めっきが進むと析出した金属により箔が形成されるが、不動態部分は微細な孔となる。

金属箔に所望の平均孔径の微細孔を、所望の開口率で形成するためには、電気めっき液およびそのめっき条件が重要なポイントとなる。例えば錫単独のめっき液の場合には、その錫イオン濃度は１０～８０ｇ／Ｌであることが好ましく、めっき液の温度としては３０～５０℃が好ましい。また、電気めっきにおける電流密度としては、１～１０Ａ／ｄｍ^２が好ましい。

（フラックス層）
本発明の導電性接合シートは、前記多孔性金属箔の少なくとも一方の表面にフラックス層が積層される。フラックス層の存在によって、多孔性金属箔を目的の導電部により均一に接合させることができる。前記フラックス層は、ロジン系樹脂、有機酸、フェノール類、アミン類、ハロゲン化合物、酸無水物よりなる群から選択される少なくとも１種を含有していることが好ましい。前記フラックス層がこのような成分を含有していると、加熱され溶融した多孔性金属箔による導電部材の被覆性が向上する。前記フラックス層は、その他の成分として樹脂成分や各種添加剤を含有することができる。

前記ロジン系樹脂としては、天然ロジンおよびロジン誘導体が挙げられる。ロジン誘導体としては重合ロジン、水素添加ロジン、フェノール変性ロジン、アクリル化ロジンなどが挙げられる。

前記有機酸としては、モノカルボン酸、ジカルボン酸などの他に、その他の有機酸が挙げられる。モノカルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ラウリル酸、パルミチン酸、ステアリン酸、グリコール酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、アジピン酸、コハク酸、ジグリコール酸、セバシン酸、マレイン酸、マロン酸などが挙げられる。その他の有機酸としては、アクリル酸、クエン酸、安息香酸、乳酸などが挙げられる。

前記フェノール類としては、フェノール、カテコールなどのフェノール性水酸基を有するモノマー、フェノールノボラック樹脂などのフェノール性水酸基を有する樹脂が挙げられる。

前記アミン類としては、アミン（エチレンジアミンなどのポリアミンなど）、アミン塩類（ジエチルアミンなどのアミンやアミノアルコールなどの有機酸塩や無機酸塩）、アミノ酸類（グリシン、アラニンなど）などが挙げられる。

前記ハロゲン化合物としては、ハロゲン化アルキルなどが挙げられる。前記酸無水物としては、グルタル酸無水物などが挙げられる。

ロジン系樹脂、有機酸、フェノール類、アミン類、ハロゲン化合物、酸無水物よりなる群から選択される少なくとも１種の成分の配合量は、フラックス層全体の２０～８０質量％であることが好ましい。

その他の成分としての前記樹脂成分には、硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれのものも使用することができ、これらを併用することができる。その他、必要に応じて硬化剤や硬化促進剤、シランカップリング剤などを併用することができる。硬化性樹脂の例としては、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硬化後の機械特性や耐熱性、耐湿性、耐薬品性という観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。これらの硬化性樹脂は、単独で使用してもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。

熱可塑性樹脂としては、酢酸ビニル系、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、塩化ビニル樹脂、（メタ）アクリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、セルロース樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリウレタン樹脂、ブチルゴム、ポリ酢酸ビニルなどが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、単独で使用してもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。

前記樹脂成分の配合量は、フラックス層全体の２０～６０質量％であることが好ましい。

前記フラックス層に含有されるその他の成分である前記添加剤としては、酸化防止剤、界面活性剤、レベリング剤などが挙げられる。これらの添加剤の配合量は、フラックス層全体の０．１～１０質量％であることが好ましく、０．５～５質量％であることがより好ましい。

前記フラックス層は、０．５～２０ｇ／ｍ^２の塗布量となるように前記多孔性金属箔の表面に積層されていることが好ましい。フラックス層の塗布量が０．５ｇ／ｍ^２未満では多孔性金属箔による導電部材の被覆が不十分となる虞がある。２０ｇ／ｍ^２を超えるとボイドが生じやすくなり、接続信頼性が低下する虞がある。

前記フラックス層を形成する方法としては、コーティングによる方法、ディスペンサーなどで塗布する方法、スプレー法などが挙げられる。

（接合方法）
本発明の導電性接合シートを用いた接合方法について説明する。本発明の導電性接合シートは、接合される２つの導電部材の間に配置される。ここで導電部材は、金属などの導電性材料により回路が形成された回路基板であってもよいし、ＦＰＣ基板などの通電材料の端部に設けられた電極部であってもよいし、各種電気・電子部品などであってもよい。この状態で前記導電性接合シートの融点以上に加熱をする。加熱方法は特に限定されず、加熱された金属板を押し当てる方法や、オーブン中に静置して加熱する方法、誘導加熱法（ＩＨ）、ハロゲンヒーターで加熱する方法などが採用される。必要に応じて圧力を加えながら加熱してもよい。その後冷却されて本発明の接合方法が完了する。

また、本発明の導電性接合シートを用いた接合方法の別の態様として、接合される一方の導電部材上に導電性接合シートを配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱をした後一旦冷却する。これにより一方の導電部材が前記導電性接合シートによって被覆される。その後、接合される他方の導電部材を、一方の導電部材上を被覆している前記導電性接合シート上に配置する。前記と同様に加熱し、その後冷却して接合が完了する。

以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何らの制限を受けるものではない。各種物性の測定方法は以下の通りである。

（１）膜厚の測定方法
多孔性金属箔の厚さはデジマイクロ（ＴＣ－１０１、株式会社ニコン製）にて測定した。

（２）平均孔径の測定方法
多孔性金属箔の裏側から光を照射し、その透過光像をマイクロスコープ（ＤＩＧＩＴＡＬＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥＶＨＸ－５０００、株式会社キーエンス製）で撮影した。得られた画像の一辺１．２６ｍｍの正方形領域内に存在する透過光像の全ドットの直径を計測し、その平均値を平均孔径とした。

（３）孔密度の測定方法
多孔性金属箔の裏側から光を照射し、その透過光像をマイクロスコープ（ＤＩＧＩＴＡＬＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥＶＨＸ－５０００、株式会社キーエンス製）で撮影した。得られた画像の一片１．２６ｍｍの正方形領域内に存在する透過光像のドット数を数え、孔の密度を算出した。

（４）１０ｍｍ角サイズにおける表面積の算出方法
多孔性金属箔の平均孔径、孔密度、膜厚から１０ｍｍ角サイズにおける表面積を算出した。

［実施例１］
アルミニウム支持体として、アルミニウム箔（１Ｎ３０、厚み１５μｍ、株式会社ＵＡＣＪ製）に微粘着層付きポリエステル樹脂フィルム（厚み７５μｍ、リンテック株式会社製）を貼り合わせたものを用いた。アルカリ性水溶液として４質量％の水酸化ナトリウム水溶液を使用し、室温（２２℃）にて１２０秒間、アルミニウム支持体を浸漬法にて接触させた。

次いで、電気錫めっき液（ＰＦ－０９５Ｓ、石原ケミカル株式会社製）を用いてめっき工程を実施した。陰極電流密度は１．０Ａ／ｄｍ^２とし、処理時間を１２００秒とした。めっき液の温度は４０℃であった。

その後、５０１ＳＮ（石原ケミカル株式会社製）５０ｍＬ／Ｌの水溶液に４０℃で３０秒浸漬して変色防止処理を実施後、水洗と乾燥を行い、アルミニウム支持体付き多孔性金属箔を得た後、多孔金属箔をアルミニウム支持体から剥離し、多孔性金属箔単体を得た。得られた多孔性金属箔の厚みは９．５μｍ、孔密度は１３９８個／ｍｍ^２、平均孔径は７．５μｍ、１０ｍｍ角の表面積２１３．５ｍｍ^２であった。

次いで、得られた多孔性金属箔単体の一方の表面に、フラックス（ＦＳ－２００、白光株式会社製、ロジン系樹脂含有）を刷毛塗りにより全面に塗布後、定温乾燥機（ＤＲＡ６３０ＤＡ、アドバンテック東洋株式会社製）を用いて８０℃で５分間乾燥させ、導電性接合シートを得た。

［実施例２］
めっき工程における電流密度と処理時間を２．０Ａ／ｄｍ^２、５００秒とした以外は実施例１と同様にして、導電性接合シートを得た。得られた多孔金属箔の膜厚、孔密度、平均孔径、１０ｍｍ角サイズにおける表面積を表１に示す。

［比較例１～２］
めっき工程における電流密度と処理時間を３．０Ａ／ｄｍ^２、７２０秒（比較例１）、５．０Ａ／ｄｍ^２、２４０秒（比較例２）とした以外は実施例１と同様にして、導電性接合シートを得た。得られた金属箔は無孔の金属箔であった。その膜厚と１０ｍｍ角サイズにおける表面積を表１に示す。

実施例および比較例で得られた導電性接合シートについて、均一被覆性と接続信頼性を後述する方法により評価した。結果を表１に示す。

（１）均一被覆性
導電性接合シートを被覆する導電部材として、ポリイミドフィルム基材（厚み２５μｍ）上に金属層（銅、厚み１．５μｍ）からなる導電端子が形成された導電部材を使用した。導電端子上に導電性接合シートを配置した後、卓上リフロー炉（ＳＴＲ－３０００ＲＣ、株式会社シンアペックス製）で加熱処理した。加熱処理条件は、８０℃にて５秒間保持した後に、１６０℃まで６０秒で昇温し、１６０℃にて１秒間保持した。その後、更に２５０℃まで１４０秒で昇温した後に、２５０℃にて１８０秒間保持し、導電端子上に導電性接合シートを被覆させた積層体を得た。

この積層体の外観品位を目視およびマイクロスコープ（ＤＩＧＩＴＡＬＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥＶＨＸ－５０００、株式会社キーエンス製）で観察した。均一被覆性評価として、ピンホールなどの被覆不良がないものを「Ａ」、全面積のうち被覆不良が２０％以下のものを「Ｂ」、２０％超の被覆不良があるものを「Ｃ」と判定した。
（２）接続信頼性
まず、得られた導電性接合シートを用いて端子間接合を行った。接合する導電部材として、ポリイミドフィルム基材（厚み２５μｍ）上に金属層（銅、厚み１．５μｍ）からなる導電端子が形成された２つの導電部材を使用した。このような導電端子を有する導電部材間に導電性接合シートを配置して、２５０℃、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で１０秒間熱プレスをした。熱プレスの方法は、２５０℃に加熱したホットプレート（ネオホットプレートＨＩ－１０００、アズワン株式会社製）を用いて加圧して、端子間が接合された積層体をえた。

次いで、得られた積層体の接合界面を剥離し、その剥離面を目視で観察した。接合界面に構造欠陥がない場合は、「銅／ポリイミド層間剥離」が剥離全面で均一に起こるが、逆に接合界面でボイドやクラックなどの構造欠陥があると接合界面の強度が下がり、様々な異常剥離面が混在した不均一な剥離面になる。例えば、錫層にボイドが発生した部位には「錫／錫間剥離」が発生する。被覆性の不良により錫と銅が接合しなかった部位や錫／銅接合界面でボイドが発生した部位には「錫／銅間剥離」が発生する。

接続信頼性評価として、これらの接合界面の構造欠陥に由来する前記異常剥離が全剥離面積のうちの５％未満に抑制されたものを「Ａ」、５～２０％のものを「Ｂ」、２０％を超えるものを「Ｃ」と判定した。

Claims

１０ｍｍ角（１０ｍｍ×１０ｍｍ）サイズにおける表面積が２０７ｍｍ^２以上である多孔性金属箔の少なくとも一方の面に、フラックス層を積層してなる導電性接合シート。
前記多孔性金属箔が多孔性錫箔または多孔性錫合金箔であることを特徴とする請求項１に記載の導電性接合シート。
前記多孔性金属箔において、平均孔径２０μｍ以下の孔が孔密度２００個／ｍｍ^２以上で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の導電性接合シート。
前記フラックス層が、ロジン系樹脂、有機酸、フェノール類、アミン類、ハロゲン化合物、酸無水物よりなる群から選択される少なくとも１種を含有していることを特徴とする請求項１に記載の導電性接合シート。
接合する２の導電部材の間に請求項１～４のいずれか一項に記載の導電性接合シートを配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱した後冷却する、接合方法。
接合する一方の導電部材上に請求項１～４のいずれか一項に記載の導電性接合シートを配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱した後冷却し、
次に他方の導電部材を、前記一方の導電部材上を被覆している前記導電性接合シート上に配置し、前記導電性接合シートの融点以上に加熱した後冷却する、接合方法。