JPH02230610A - 電気的装置 - Google Patents

電気的装置

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JPH02230610A
JPH02230610A JP1329391A JP32939189A JPH02230610A JP H02230610 A JPH02230610 A JP H02230610A JP 1329391 A JP1329391 A JP 1329391A JP 32939189 A JP32939189 A JP 32939189A JP H02230610 A JPH02230610 A JP H02230610A
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polymer
solder
conductive
matrix
particles
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ベンジャミン エイチ.クランストン
Lloyd Shepherd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業」一の利用分腎コ 本発明は、厚さ方向または2方向に異方性電気伝導性を
与え、xV面には絶縁性を与えるポリマー相互接続構造
体に関rる。
[従来の技術] 現在の電子産業の潮流は、半導体チップの所定の面積内
に著しく高密度の回路を実装しようとする方向に向かっ
ている。このため、チップに対して極めて多数の著しく
接近した入力/出力接続を行わなければならない。半導
体チップが封入されている場合、平導体チップ」二の各
入力/出力接続はパッケージ上の端子または接点パッド
(以下、集合的に単に「端子」と呼ぶ)と結合される。
従って、入力/出力接続の数が増大するにつれて、端子
の数も増大する。端子の数が増大するにつれて実装サイ
ズが増大ずることを避けるために%端子のサイズおJ:
び端子間の間隔を減少させる。現在、直接半田付けまた
は端子付??(ワイヤボンディング)は゛16導体チッ
プパノケージ上の端rを配線板上の−組みのメタライズ
領域に接続するための効果的な技法である。このような
技法はまた、チップを配線板のような基板に直接結合さ
せる[1的にも使用される。しかし、端子ピッチが減少
するにつれて,半田付けまたは端子ボンデイングはもは
や実行不可能になり、その結果、他の相互接続技術が必
要になる。
最近、絶縁ポリマーマトリックス中に混合された電気的
に伝導性の粒子からなるポリマー相力]妾続構造体が半
[{1付けに代わる相互接続技術として非常に有望視さ
れている。この粒子は例えば,銀メッキされたニッケル
またはガラス球であり、ポリマーマトリックス中に分散
または配列され、その後、硬化し、横方向に区切られた
導電性通路を形成する。この通路は各々、マトリックス
中をZ方向に延びている。これらの2方向の導電性通路
は互いに電気的に絶縁されており、従って、ポリマー相
互接続構造体は異方性導電性を示すことができる。
現在、2タイプのポリマー相互接続構造体がある。′導
電性ポリマーインタフェース” (CPI)構造体とし
て知られている、第1のタイプのポリマー相互接続構造
体の特徴は、ポリマーマトリックスがシリコンなどのよ
うな弾性材料から構成されていることである。CPI型
相互接続構造体中の導電性球はZ力向に延びる側鎖また
は柱内に整列され、斯くして、構造体に異方性導電性を
付リする。
“直接チップ結合″ (DCA)構造体として知られて
いる、他のタイプの相互接続構造体の特徴は、例えば、
接着剤であるエポキシのような熱硬化性または熱可塑性
材料から構成されていることである。鎖状導電性球体を
含有するCPI相互接続構造体と異なり、DCA型構造
体中の球体は単層状に整列されており、このため、各球
体の−・部はポリマーマトリックスの主要而に近接する
部分を有する。その名称が示唆するように、I)CA相
互接続横造体はtに、チソブ1−の各導電性パッドを配
線板のメタライズ領域と電気的な接触状態にするため、
半導体チップを基板(すなわち、配線板)の実装面に直
接結合させる目的に使用される。
現在のCPIおよびI) C A型相−q接続構造体の
場合、導電性は導電性球体との機械的接触により得られ
る。ポリマーマトリックスは導電性球体よりも著しく高
い膨張係数を有Vるので、このようなタイプの導電性は
一般的に効果的である。従って、CPI型構造体では、
構造体が一対の導電性部材の間に挟香された場合、導電
V1球体はTγいに押接される。DCA型構造体の場合
、マl− IJックスの接着性が球体を、接続すべき導
電性部材と接触状態に保持する機能を果たす。
[発明が解決しようとする課題] しかし、球体の機械的接触により得られる電気的接続の
有効性は温度変化により減少されやすい。
更に,このような形の電気的接続は汚染や腐食を受け易
い。このような汚染および腐食は特に高感度な半導体チ
ップについては望まし《ない。
従って、温度変化に耐え得る高信頼性の電気的接続を形
成できる導電性ポリマー相互接続構造体の開発が求めら
れている。
[課題を解決するための千段] 前記課題を解決するために、本発明は概ね平面状の異方
性ポリマー相互接続(PI)構造体を提供する。本発明
の構造体は、一対の対向する導電性部祠の間に挟着され
、それらの間に少なくとも一本の導電性通路を形成する
。本発明のPI横造体は例えば、シリコンまたはエボキ
ンから形成された絶縁性で概ね平面状のポリマーマトリ
ックスからなる。部分的に硬化させた後、概ね平面状の
構造体を形成する。複数の電気的に伝導性の粒子(一般
的に、球体)を硬化前にポリマーマトリックス中に混合
する。硬化中に粒子はポリマーマトリックス中で整列さ
れ、対向するそれらの主要面間に延びる(すなわち、2
方向に延びる)複数の横方向に殖隔された導電性通路を
形成する。ポリマーマトリックスがシリコン(従って、
”CPIW型構造体を形成する)であるか、または、エ
ボギシ接着剤(従って、”DCAn型構造体を形成する
)であるかに応じて、粒子は鎖状または(114−・の
中層の何れかの形に整列される。本発明によれば、ポリ
マーマトリックス中の各通路内に少なくとも1個の粒了
が存在し、この粒rはその対向するマ1・リックスの主
要面のうちの−・つの直前に存在しており、また、ポリ
マーの硬化温度よりも低い温度で溶融する半田で被覆さ
れた部分が少なくとも一都分ある。このような構成によ
り、本発明の構造体を一対の対向する導電性部材の間に
挟着し、次いで、最後に硬化させると、各導電性部材と
接触する粒子上の半田は導電性部材と、従来の機械的接
着よりも−・層信頼性の高い冶金的接着を形成する。粒
子に塗布された半田は、例えば、インジウム、鉛、錫、
ビスマス、銀、金およびカドミウムのうちの一種類以上
を含有する合金から構成できる。
[実施例] 以下、図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明する
第1図は本発明による異方性導電性ポリマー相互接続(
CPI)構造体の好ましい実施例の断面斜視図である。
第1図に示されるように,CPI横造体10は第1の導
電性部材12(すなわち、リード)と第2の導電性部材
(すなわち、配線板16の実装面上のメタライズ郎分)
との間に挟着されており、これらの間で電気的接続を形
成している。第1の好ましい実施例では.CPI構造体
10は厚さが0.025■s(1ミル)程度のエポキシ
接着剤のシートまたはスラブからなるポリマーマトリッ
クス18を仔する。一・般的に、マトリックス18は“
B”段階(部分的に硬化された段階)のフェノキシ系樹
脂からなる。′7トリックス18の最終硬化は、マトリ
ノ.クスを200゜Cの温度で15秒間または100℃
で30秒間もL <はポリマーおよび/または該ポリマ
ー中に混合されている硬化剤に応じて中間の適当な温度
および時間の範囲内で加熱することにより行われる。
クス全体に分散させる。マトリックス18が部分的に硬
化するにつれて、粒子20はマトリックス中に単層状に
整列分散され、2方向(マトリックスの対向する主要而
間の方向)に延びる導電性通路を形成する。粒子20間
の間隔はランダムでもよいが、所望により、粒子20は
ZTいに等間隔に配列させることもできる。
各球体の少なくとも一部分を被覆する半1B24は、マ
トリソクス18が最終的に硬化され仝温度よりも低い温
度、好ましくは最終硬化温度よりも1一分に低い温度で
溶融するような特別仕様の組成をlrする。このような
構成により、粒子20が内部に整列されたマトリックス
18を導電性部材12および14の間に挟着し、そして
、その後、マトリックスを最終的に硬化させると、球体
2 2 −11の半田被覆24は溶融する。
一般的に、半田24は、56〜143℃の範囲内の融点
を佇するものとして知られている、錫、鉛およびビスマ
スならびにカドミニウム、タリウムおよび/またはイン
ジウムの何れかからなる合金である。低融点半田に関す
る更に詳細な説明は、エッチ拳エノチ マンコ(H.H
 .Manko )のr ’P [Tjおよび半田付け
」 (マグローヒル社.1979年発行)の110頁に
記載されている。ビスマスにより優れた濡れ性が付与さ
れるので、半田24中にビス7スを配合4″′ることが
望ましい。更に、半田24がビスマスを47%以上含有
する合金からなる場合、好都合なことに、半[{1は冷
却すると収縮tるよりもむしろ膨張する。別法として、
半HJ 24はインジウムだけ゜か、または、銀一金共
品体からなることもできる。しかし、これらは何れも錫
、鉛およびビスマスを含有する合金よりも著しく高価で
ある。
低融点半田24で球体22を被覆する利点は、マトリッ
クスl8が最終的に硬化された時に半田が溶融し,そし
て、導電性部材12と14との間で冶金的接着を形成す
ることである。このような冶金的接着は従来の機械的接
首に比べて、温度変動により分離することが殆どない。
温度が半田24の融点以上に上昇したとしても、半田は
、液状の時も、導電性部材12および14を依然として
濡らし、これら部材間の電気的接続をしっかりと確保す
る。
第2図は本発明の’CPI構造体の別の実施例の断面斜
視図である。第2図に示された構造体】,0は幾一つか
の点で第1図に示された構造体と異なる。
第1に、第2図のCPI横造体10のマトリックス18
はシリコンのようなポリマーからなり、これは実際に、
第1図のマトリックスよりも厚い。
第1図の粒子20と同様に、第2図の粒子20も低融点
半田24で少なくとも 一部分が被覆された球体22か
らなり、マトリックスの部分硬化前にマトリックス18
中に混合される。単層状に71−リックス中に整列され
る第1図の粒子20と異なり、第2図の粒子20は2方
向に延びる鎖状にマトリックス18中に整列される。粒
子20の各鎖はマトリックスの対向する主要面間に導電
性通路を形成する。このために、第2図の球体22はニ
ッケルのような強磁性体金属からなることが望ましい。
これにより、粒子20は硬化前に均一に間隔をおいて鎖
中に磁気的に整列される。
第2図の球体22上の半田24の組成は第1図の半田組
成と同様に、第2図のマトリックス18が最終的に硬化
される時の温度以下の温度で溶融するように特別に調整
されている。このような構成により、第2図の7トリッ
クスl8を導電性部材12およびl4の間に秋着し、そ
して、その後最終的に硬化させた時、球体22上の半田
24は溶融する。従って、この溶融により各鎖中の粒子
20は互いに冶金的に接着し、かつ、粒子が接触してい
る導電性部材12および14とも冶金的に接着する。第
2図の導電性部材12および14の間に形成された冶金
的接着は第1図の導電性部材12および14間の冶金的
接着と同様に、機械的接着と比べて温度変動による分離
を殆ど起こさない。
第1図および第2図の球体22は一般的に、半田24で
メッキされているので、全球体が被覆されている。しか
し、導電性部材12およびl4の各々の間で冶金的接着
を行わせるのに、′4’[B 2 4で球体22を完全
にメッキする必要はない。むしろ、導電性部材12およ
びl4の別々の部材に接触している各球体22の一部分
に半1ロ24を被覆するだけでよい。例えば、第1図お
よび第2図のCPI構造体は、最初にニッケルまたは銀
メッキニツうル球体22を未硬化マトリノクス18中に
混合し、その後、マトリノクスを部分的に蚊化させなが
ら球体を適当に整列させ、2方向に址びる導電性通路を
形成することもできる。
71・リックスl8を部分的に硬化させた後、マトリッ
クスの対向lる主要面を例えば、プラズマによりエツ.
チングし、マトリックスの主要面の離れた一方の面の直
前の球体22の−2分を露出させる。その後、低融点十
田24をリフローし、そして、マトリックス18の各主
要面上に被着させる。被着半田24はエッチング後に露
出された各球体の部分にしか付着せず、マトリックス1
8自体には付着しない。マトリックス18を導電性部材
12と14の間に挟着し、各球体22上の半田24を部
材のうちの一方と接触させると、マトリックスが最終的
に硬化された時に半田によりこれらの間で冶金的接着を
形成させることができる。
マトリックス18をエッチングし、その後、球体22の
露出部分に字田24を被覆する方法は、第2図における
ような鎖伏配列の場合よりも、第1図におけるような単
層状に7トリックス中に球体が配列されている場合の方
が一層有用である。
第2図に示されているように、球体20が鎖状に配列さ
れている場合、マトリックス18の1ミ要面の直前に存
在する球体だけよりもむしろ、全ての球体22を半田で
被覆することが望ましい。この理由は、第2図に示され
るように、全ての球体22を半田で被覆すると、好都合
なことに、球体間で、機械的接着よりもむしろ、冶金的
接着が形成されるからである。
以上、少なくとも一都分の粒子20(球体22)が、マ
トリックスの硬化温度以下で溶融する半田24で部分的
に被覆されている前記粒子が内郎に配列されている絶縁
性ポリマーマトリックス18からなる導電性ポリマー相
互接続構造体10について説明した。
言うまでもなく、前記の構成は全て本発明を91.に例
証するだけのものである。当業者ならば前記以外の構成
を工夫することは可能であり、これらも当然本発明の範
囲内に含まれる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、少なくとも一部
分の粒子が、マトリックスの硬化温度以Fで溶融するi
月11で部分的に被覆されている前記粒子が内部に配列
されている絶縁性ポリマーマl−リックスからなる導電
性ポリマー相互接続構造体を一対の対向する導電性部材
の間に挟着し、次いで、最後に硬化させると、各導電性
部材と接触する粒子上の半田は導電性部材と、従来の機
械的接着よりも一層信頼性の高い冶金的接着を形成する
これにより、温度変化によっても殆ど剥がれることのな
い接着を形成させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による導電性ポリマー相互接続構造体の
好ましい実施例の断面斜視図である。 第2図は本発明による導電性ポリマー相互接続構造体の
別の好ましい実施例の断面斜視図である。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)対向するように間隔をあけて配置された一対の導
    電性部材と、概ね平面状のポリマー相互接続(PI)構
    造体との各々の組み合わせからなる電気的装置であり、
    前記PI構造体はその対向する主要面間でz方向に異方
    性導電性を示し、前記PI構造体は、該構造体の対向す
    る主要面の各々が導電性部材の一方と接触するように導
    電性部材間に挟着されており、前記PI構造体は、 硬化された時に最終的に平面状の構造体を形成する絶縁
    性ポリマーマトリックス;および、硬化ポリマー構造体
    の対向する主要面間に延びる横方向に離隔された複数の
    導電性通路を形成し、少なくとも1本に通路内の少なく
    とも1個の粒子が導電性部材の離れた一方に接触するよ
    うにポリマーマトリックス中に配列された複数の電気的
    に伝導性の粒子;とからなり、 硬化ポリマー構造体の対向する主要面の離れた一方の面
    の直前の前記粒子のうちの少なくとも一部分が、その粒
    子外表面の少なくとも一部分が半田で被覆されており、
    前記半田は、硬化中に、導電性部材の一方と接触する各
    半田被覆粒子がそれらの部材と冶金的接着を形成するた
    めに、ポリマーマトリックスの硬化温度以下の温度で溶
    融するような組成を有することを特徴とする電気的装置
  2. (2)半田は錫、鉛およびビスマスの合金からなること
    を特徴とする請求項1記載の電気的装置。
  3. (3)半田は少なくともビスマスを47%含有する合金
    からなることを特徴とする請求項2記載の電気的装置。
  4. (4)半田はインジウムからなることを特徴とする請求
    項1記載の電気的装置。
  5. (5)半田は金−銀共晶体からなることを特徴とする請
    求項1記載の電気的装置。
  6. (6)ポリマーマトリックスはシリコンからなることを
    特徴とする請求項1記載の電気的装置。
  7. (7)ポリマーマトリックスはエポキシからなることを
    特徴とする請求項1記載の電気的装置。
  8. (8)その対向する主要面間でz方向に異方性導電性を
    示す概ね平面状の導電性ポリマー相互接続(PI)構造
    体であり、該構造体は、 硬化された時に最終的に平面状の構造体を形成する絶縁
    性ポリマーマトリックス;および、硬化ポリマー構造体
    の対向する主要面間に延びる横方向に離隔された複数の
    導電性通路を形成し、各通路内の少なくとも1個の粒子
    がポリマーの対向する面の離れた一方の面の直前に存在
    するように、ポリマーマトリックス中に配列された複数
    の電気的に伝導性の粒子;とからなり、 硬化ポリマー構造体の対向する主要面の離れた一方の面
    の直前に存在する前記粒子のうちの少なくとも一部分が
    、その粒子外表面の少なくとも一部分が半田で被覆され
    ており、前記半田は、ポリマーマトリックスの硬化温度
    以下の温度で溶融するような組成を有することを特徴と
    する導電性ポリマー相互接続構造体。
  9. (9)半田は錫、鉛およびビスマスの合金からなること
    を特徴とする請求項8記載の導電性ポリマー相互接続構
    造体。
  10. (10)半田は少なくともビスマスを47%含有する合
    金からなることを特徴とする請求項9記載の導電性ポリ
    マー相互接続構造体。
  11. (11)半田はインジウムからなることを特徴とする請
    求項8記載の導電性ポリマー相互接続構造体。
  12. (12)半田は金−銀共晶体からなることを特徴とする
    請求項8記載の導電性ポリマー相互接続構造体。
  13. (13)ポリマーマトリックスはシリコンからなること
    を特徴とする請求項8記載の導電性ポリマー相互接続構
    造体。
  14. (14)ポリマーマトリックスはエポキシからなること
    を特徴とする請求項8記載の導電性ポリマー相互接続構
    造体。
  15. (15)未硬化絶縁性ポリマー中に複数の導電性粒子を
    混合し; ポリマーを少なくとも部分的に硬化して概ね平面状のマ
    トリックスを形成し; 前記部分硬化中にポリマー中の粒子を整列させてマトリ
    ックス中をz方向に延びて異方性導電性を与える、横方
    向に離隔された複数の導電性通路を形成する; 工程からなる、z方向に異方性導電性を与えるポリマー
    相互接続構造体の製造方法において、マトリックスの対
    向する面の離れた一方の面の各々の直前の粒子のうちの
    少なくとも一部分が、ポリマーの硬化温度以下の硬化温
    度で溶融するように特別に調整された組成を有する半田
    で少なくとも部分的に被覆されていることを特徴とする
    ポリマー相互接続構造体の製造方法。
  16. (16)各粒子はポリマー中に混合される前に半田で大
    体被覆されていることを特徴とする請求項15記載の製
    造方法。
  17. (17)マトリックスの各主要面の直前の粒子は、部分
    的に硬化した後、マトリックスの各主要面をエッチング
    して該面の直前の粒子の少なくとも一部分を露出させ;
    そして、 前記面の直前の該粒子の露出面に半田を塗布する; ことにより半田で被覆されていることを特徴とする請求
    項15記載の製造方法。
  18. (18)複数の導電性粒子が内部に混合され、その後、
    z方向に延びる横方向に離隔された複数の導電性通路を
    形成するように整列された絶縁性ポリマーからなるポリ
    マー相互接続構造体を、少なくとも1本の通路内の少な
    くとも1個の粒子が各導電性部材と接触するように、導
    電性部材間に挟着する工程からなる対向する一対の導電
    性部材の各々の間で電気的接続を行わせる方法において
    、 導電性部材の別々のほうと接触する各粒子が、ポリマー
    の硬化温度以下の温度で溶融するように特別に調整され
    た組成を有する半田で少なくとも部分的に被覆されてお
    り;そして、 ポリマーを半田の融点以上の温度で硬化させ、粒子上の
    半田を溶融させ、そして、導電性部材と冶金的接着を形
    成させることを特徴とする電気的接続の形成方法。
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