JPH0751700B2 - 機械的及び電気的な接触を形成させるための方法及び組成物 - Google Patents

機械的及び電気的な接触を形成させるための方法及び組成物

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JPH0751700B2
JPH0751700B2 JP4282705A JP28270592A JPH0751700B2 JP H0751700 B2 JPH0751700 B2 JP H0751700B2 JP 4282705 A JP4282705 A JP 4282705A JP 28270592 A JP28270592 A JP 28270592A JP H0751700 B2 JPH0751700 B2 JP H0751700B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は導電性の接着剤、特に異方性の
導電性の接着剤に関する。さらに特定すると、本発明は
熱及び力を適用することにより一軸方向に導電性となる
熱可塑性で導電性の接着剤を提供するものである。
【０００２】
【従来技術】種々の面、例えば印刷回路板上又は他の電
子コンポーネント上に電子コンポーネントをとり付ける
場合、コンポーネントを適所に保持するために電子コン
ポーネントと印刷回路板との間に機械的接続を形成させ
ることができる組成物つまり物質を使用することが望ま
しい。さらに、該コンポーネントと印刷回路板を電気的
に接続させるために物質は導電性でなければならない。
【０００３】現在、はんだ及び導電性の接着剤は電子コ
ンポーネントと印刷回路板との間に機械的及び電気的な
接続を形成するのに利用される組成物のうちのいくつか
のものである。はんだは電子コンポーネントを印刷回路
板に取付けるのに長年使用されてきたが、はんだには毒
性の物質すなわち鉛が含まれているという欠点がある。
さらに、電子コンポーネントから伸びるリード線及び回
路板の中、又は上にリード線が位置しているホール及び
接点が細かくなるにつれそして接近するにつれて、正確
な量のはんだを極めて正確に施し、一つの電子コンポー
ネントのリード線又は二つもしくはそれ以上の電子コン
ポーネント間のリード線の間の短絡又は橋絡を回避する
必要性がでてくる。
【０００４】導電性の接着剤には橋絡という問題もあっ
たが一軸方向に導電性であるという性質を有する異方性
接着剤が開発されてから改善された。「異方性」という
用語は異なった方向の軸に沿って測定した場合異なる値
の性質を示すということを意味する。「一軸方向に導電
性」という用語は例えば垂直軸に対して全般的に法線方
向の２つの平行な面を横切る垂直軸に沿った一方向に導
電性であることを意味する。
【０００５】導電性の接着剤の技術は現在のところ分散
した金属粒子間の点接触を利用して導電路を形成してい
る。このような接触系では接続の機械的な合体性は単に
重合体マトリックスの固有の強度及び接着特性からくる
ものである。
【０００６】環境への関心が高まるにつれ非毒性の代替
品を求めることになった。これらの代替品の多くは、例
えば金又は銀は高価でありかつまだあまり信頼性のおけ
るものではない。現在、利用可能な異方性導電性接着剤
には重合体マトリックス中に分散し金もしくは銀の球体
又は銀もしくはニッケルでコートされた重合体の球体の
どちらか一方が含まれる。球体は負荷をかけて接触する
ように押しつけられ、これにより局部領域が電子浸出(e
lectronic percolation)が生ずる。このような系では例
えば重合体の膨張によりそれぞれの球体が互いに接触を
失うことにより起こる絶縁破壊というような問題があ
る。また、さらにこれらの系では界面で高抵抗経路を生
じる金属の酸化に関する問題も出てくる可能性がある。
【０００７】それ故、電子コンポーネント間に電気的及
び機械的な接続を形成させるための非毒性でかつ低価格
の方法及び装置が望まれている。
【０００８】
【発明の概要】本発明の目的は異方性で導電性の接着剤
を提供することである。
【０００９】本発明の別の目的は熱及び力を適用するこ
とにより一軸方向に導電性となる熱可塑性の導電性の接
着剤を提供することである。
【００１０】本発明のさらに別の目的は、２つの面を機
械的及び電気的に接触させるための環境上望ましい組成
物を提供することである。
【００１１】本発明の組成物によると電気的及び機械的
に接触させるための可融性で導電性の接着剤が提供され
る。可融性で導電性の接着剤にはガラス転移温度及び熱
膨張率を有する重合体が含まれる。重合体の熱膨張率
は、ｚ軸に沿って約５ppm〜約１０ppm／℃の範囲内であ
る。「ｚ軸」という用語は電気的接触が望まれる、全般
的に法線方向にある２つの平行な面を横切る垂直な軸を
意味する。重合体には重合体のガラス転移温度と部分的
に重なる焼結温度範囲を有する導電性物質が添加されて
いる。さらに、重合体における導電性物質の添加量は重
合体及び導電性物質の総重量に基づいて、約１５重量％
〜約２０重量％の範囲内である。
【００１２】また本発明は２つの面を機械的及び電気的
に接触させるための方法を提供する。第１に本発明の可
融性で導電性の接着剤組成物を接触が望まれる面の少な
くとも一方の面上に置く。接着剤組成物には焼結温度範
囲を有する導電性物質の粒子及びｚ軸に沿って約５ppm
〜約１０ppm／℃の範囲の熱膨張率及び焼結温度範囲内
のガラス転移温度を有する重合体が含まれる。接着剤は
異方性である接着剤には約１５重量％〜約２０重量％の
範囲で粒子が含まれる。
【００１３】次に接触が望まれる面を互いにかぶさるよ
うに設置し、そして可融性で導電性の接着剤を２つの面
間で圧縮して粒子と２つの面を接触させるように２つの
面を横切るｚ軸に沿って力を加える。その後で、可融性
で導電性の接着剤がセットしｚ軸に沿って一軸方向に導
電性となるまでこれを加熱してこれにより２つの面間に
電気的な接続を形成させる。可融性で導電性の接着剤組
成物がセットしそして一軸方向に導電性となった後で力
を除く。
【００１４】上記ならびに本発明のさらなる目的、特徴
及び長所を以下に詳述して明らかにする。
【００１５】
【発明の詳細な記述】ここで図面、特に図１を参照す
る。
【００１６】図１を見ると、金属充填剤６０体積％を有
する従来技術の導電性接着剤の概略の構造が示されてい
る。電子コンポーネント面１００と、印刷回路板１１０
との間に接続を形成させる従来技術の方法では金、銀又
は鉛−すずはんだのような導電性物質１３０の小球又は
粒子を含む重合体１２０からなる導電性接着剤を利用し
て、電子コンポーネント面１００と印刷回路板面１１０
との間に機械的及び電気的接続を形成させる。従来技術
の導電性接着剤では、電気的接続は、導電性物質１３０
の粒子が接触するか又は極く接近することにより形成さ
れる。このタイプの導電性接着剤の欠点は、重合体１２
０が重合体膨張して、接続における抵抗を増加させそし
てついには接続の絶縁破壊を引き起こすということであ
る。
【００１７】図２は本発明の導電性の接着剤の概略構造
である。電子コンポーネント面１００と印刷回路板面１
１０とは異方性重合体１２０及び導電性物質１４０の連
続的なセグメントにより機械的及び電気的に接続されて
いる。
【００１８】本発明では、現在使用されている点接触系
に対して、電気的接続が望まれる面すなわち電子コンポ
ーネント面１００と印刷回路板面１１０との間を溶融し
た又は冶金学的に結合した界面を通じて電気的に伝達さ
せる異方性の導電性接着剤を提供する。
【００１９】本発明の好ましい実施態様では、接着剤に
は２つの主な成分すなわち有機（重合体及び溶媒）成分
及び金属導電性成分が含まれる。これらの２つの成分は
導電性成分と共に導電性重合体マトリックスを形成し焼
結により連続的なセグメントの導電性物質１４０を形成
させる。第１に、印刷回路板に取り付けられた電子コン
ポーネントの再生が望まれる場合は、接着剤の重合体成
分は熱可塑性でなければならない。
【００２０】さらに一軸方向に導電性である（電気的接
触が望まれる２つの面を横切る軸すなわちｚ軸に沿った
方向に導電性である）導電性接着剤を製造するには、利
用される重合体マトリックス成分は異方性でなければな
らない。この系はすべての方向に等しい導電性を有する
等方性の接着剤系と対比される。さらにこの重合体系は
接着剤の金属又は合金系成分の焼結温度範囲にガラス転
移温度を有するべきである。換言すれば、ガラス転移温
度は、本発明における接着剤中に使用される導電性粒子
の融点よりも常に低くなければならない。
【００２１】次に、接着剤の導電性成分は導電性物質の
粒子からなる。これらの導電性粒子は金属又は合金であ
ってもよい。重要なのは導電性粒子が、接着剤の重合体
成分のガラス転移温度と部分的に重なるか又はこの温度
を包含する焼結温度を有しなければならないことであ
る。金属又は合金粒子が冶金学的にそれらを一緒に結合
させるのに十分な温度に加熱される場合に金属又は合金
の粒子間に焼結が起こる。事実上粒子は溶融するが融解
はしない。接着剤中の金属又は合金粒子を焼結させる
と、粒子が接触するか又はお互いに接近するようになる
よりはむしろ例えば電子コンポーネントのリード線と印
刷回路板上の接点のような面間で連続的な接続が生じ
る。
【００２２】導電性粒子を焼結させて２つの面間に電気
的な接続を形成させることにより得られる連続的な接続
は従来技術の導電性接着剤よりも有利な点を有する。こ
のような接続では重合体が膨張し、電流導電性接着剤中
で導電性粒子が接触を失うことによる電気的接続の破損
を受けにくい。さらに、本発明の好ましい実施態様によ
ると、溶融した導電性粒子が酸化して抵抗性が増加する
という問題も生じにくくなる。
【００２３】さらに、導電性粒子すなわち金属又は合金
を焼結させることは、重合体成分により得られる機械的
合体性が付与されることにより接続の機械的強度を強め
るという付加的な利益を有する。この接続は現在導電性
接着剤で利用されている接触系よりもさらに有利であ
る。
【００２４】焼結においては、金属又は合金系を融解さ
せないことが重要である。この理由は連続的な接続を形
成させるのではなくむしろ金属又は合金の粒子が重合体
成分の一部分に密集又は凝集し、その結果電気的な接続
がないか又は不十分なことがあり得るからである。
【００２５】本発明の好ましい実施態様によると接着剤
には熱可塑性である重合体成分が含まれる。接着剤を用
いて取付けられている部材又はコンポーネントを再生す
るにはこのような重合体成分が必要である。接着剤の重
合体成分は、ｚ軸に沿って約５ppm〜約１０ppm／℃の範
囲の熱膨張率を有しなければならない。
【００２６】導電性粒子の焼結温度及び重合体系のガラ
ス転移温度は、ガラス転移温度が焼結温度範囲内である
という必要条件にかなうほとんどの任意温度でよい。焼
結温度範囲及びガラス転移温度に関しての制限は一緒に
接合されるか又は面に取り付けられる電子コンポーネン
トによっても設定される。これらの温度は電子コンポー
ネントが破壊されたり、損傷されたり又は使用できない
ようになる温度より高くはあり得ない。
【００２７】従って、本発明では電子コンポーネントが
耐えることのできる温度が接着剤の焼結温度範囲の上限
とガラス転移温度を規定する。換言すれば導電性成分の
焼結温度範囲は、そのうちのある温度範囲が取り付けら
れている電子コンポーネントを破壊することなく導電性
粒子を焼結させるのに十分低い限りにおいて高くてもよ
い。重合体成分のガラス転移温度もまた電子コンポーネ
ントの損傷を起こさせないように十分低くなければなら
ない。
【００２８】熱可塑性重合体を使用する場合、ガラス転
移温度の温度範囲の下限は、印刷回路板及び電子コンポ
ーネントが組み立てられた後に試験される温度又は実際
に使用中の温度よりも高くなければならない。ガラス転
移温度が低すぎると接着剤が流れて機械的及び電気的接
続が失われる可能性が生じてくる。焼結温度は、導電性
粒子の融点がこれらの温度より上である限りは低くする
こともできる。
【００２９】本発明の好ましい実施態様によると導電性
接着剤の別のパラメーターは金属又は合金系の金属又は
合金粒子を添加することである。この添加は異方性接着
剤の一軸方向に導電性である性質に影響を与える。金属
又は合金粒子の添加範囲は重合体及び導電性物質の総重
量に基づいて、導電性粒子約１０重量％〜３０重量％の
範囲内になければならない。本発明中の導電性物質の
「添加」という用語はすべて重合体及び導電性物質の総
重量に基づく重合体中の導電性粒子の添加量を意味す
る。最適な添加範囲は約１５％〜２０％である。これら
の添加範囲は導電性接着剤中に使用されている導電性物
質の粒子の径及び形状により約２〜３％変化しうる。
【００３０】本発明の添加量に対して、現行の導電性接
着剤の添加量は金属粒子６０％〜８０％の範囲である。
本発明において添加量が少ないことは、本発明の導電性
接着剤を一軸方向に導電性にするにあたっての一つの要
因である。添加量が多過ぎる場合、接着剤は一軸方向に
導電性とはならず、実際には全方向に導電性となり短絡
という問題を生じる。一方、重合体中の導電性粒子の添
加量が少な過ぎる場合は、導電性粒子の焼結後でさえ電
気的な接続は、ほとんどできないか又は全くできない。
【００３１】本発明の好ましい実施態様によると接着剤
の重合体系成分は再生を可能にするためには、約１５０
℃〜２５０℃の範囲のガラス転移温度を有する熱可塑性
重合体である。接着剤の導電性成分は約１００℃〜約２
５０℃の範囲内のどこかに焼結温度範囲を有する。さら
に、添加量は金属又は合金粒子約１５重量％〜２０重量
％でなければならない。この温度範囲は、多くの電子コ
ンポーネントが損傷を受けたり使用不能になったりする
ことなしに耐えることができる温度範囲内であればよ
い。
【００３２】さらに本発明の好ましい実施態様では、接
着剤はその導電性成分として金属合金を含む。この金属
合金は、導電性接着剤の重合体の再流(reflow)又は硬化
中に粒子の焼結を可能にする温度である２２５℃よりも
低い融点を有するのが好ましい。
【００３３】特に適当な合金の一つは金１０％を有する
すず−金共融混合物である。本発明の好ましい実施態様
ではこの合金を例えばＰＭＤＡ−ＯＤＡ−６ＦＤＡセグ
メントを有する重合体のような熱可塑性共重合体と混合
して導電性接着剤系を形成することができる。ＰＭＤＡ
は式：
【化１】 のピロメリット酸二無水物である。ＯＤＡは式：
【化２】 のオキシジアニリンである。６ＦＤＡは式：
【化３】 のヘキサフルオロ二無水物である。
【００３４】この熱可塑性共重合体はアセトアミド溶媒
中でＯＤＡ １モルをＰＭＤＡ １モルと室温で少なくと
も１時間反応させることにより合成される。次にこの溶
液を９０℃に加熱して、６ＦＤＡ １モルを加える。この
溶液を３〜５時間反応させる。最終溶液には固体が３０
〜３５％含まれる。
【００３５】本実施態様では、重合体合成で調製した溶
液にすず９０％及び金１０％の金属合金を添加して接着
剤ペーストを製造する。重合体と合金の割合は重合体８
０〜８５重量％に対して金属１５〜２０重量％である。
次に、金属合金と重合体の混合物を極めて均一な混合物
が得られるまで非常にゆっくりと２〜３時間撹拌しなけ
ればならない。この特定の実施態様では金属充填剤は直
径１５〜２０ミクロンの球形でなければならない。この
ような導電性接着剤では合金は１００℃〜２１７℃付近
で焼結しはじめ、重合体成分は２００℃〜３００℃で再
流する。
【００３６】本発明の好ましい実施態様においては導電
性の接着剤を利用することは、金又は銀を使用する系と
比べて価格が低いという利点がある。本発明の好ましい
実施態様において使用することのできる他の合金の例に
は、金１８％のビスマス−金合金及び銀４％のすず−銀
合金が含まれる。これらの特定例の混合物は±２％変化
することができる。これらの例以外の他の合金は、当業
者に明らかである。さらに本発明の導電性の接着剤は現
在の鉛ベースのはんだの使用と比べて非毒性であり環境
的にも望ましいものである。
【００３７】本発明の導電性の接着剤の別の利点は電気
的接続において現在利用可能な導電性の接着剤に関して
と同じ重合体の膨張という問題がないことである。さら
に溶融接続によって接続の機械的結着性も強化される。
【００３８】本発明の好ましい実施態様によると導電性
の接着剤を用いて、機械的及び電気的接続が望まれる印
刷回路板又は／及び電子コンポーネントの領域上に接着
剤を置くことにより、電気的成分と印刷回路板との間に
接続を形成することができる。次に電子コンポーネント
を回路板の上に置く。さの次に、圧力を加えて電子コン
ポーネントと印刷回路板接触面間で接着剤を圧縮する。
接着剤をガラス転移温度に加熱しそして焼結させること
によりセットする間この圧力をかける。
【００３９】加熱中に加える圧力は接続する２つの面を
横切るｚ軸に沿って適用される。またこの圧力を適用す
ることにより導電性粒子を接触させ、一方加熱すること
により導電性粒子が焼結し連続的な電気的接続が形成さ
れる。その結果、接着剤はｚ軸に沿って一軸方向に導電
性となる。
【００４０】本発明を特定の実施態様に関して述べてき
たが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明
の別の実施態様並びに記載された実施態様の種々の変更
は本発明の記載を参考にすれば当業者には明らかであ
る。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲内にある
このようないずれの変更又は実施態様を包含することを
意図するものである。
【００４１】以上、本発明を詳細に説明したが、本発明
はさらに次の実施態様によってこれを要約して示すこと
ができる。 １） ガラス転移温度及び熱膨張率を有する重合体であ
って、該重合体の熱膨張率がｚ軸に沿って約５ppm〜約
１０ppm／℃の範囲内にある重合体を含有し；該重合体
には重合体のガラス転移温度と部分的に重なるような焼
結温度範囲を有する導電性物質が添加されており；そし
て可融性で導電性の接着剤の重合体中への導電性物質の
添加量は重合体及び導電性物質の総重量に基づいて導電
性物質約１５重量％〜約２０重量％の範囲内である電気
的及び機械的接触を形成させるための可融性で導電性の
接着剤。 ２） ガラス転移温度が約１５０℃より上である前項１
に記載の可融性で導電性の接着剤。 ３） ガラス転移温度が約１５０℃〜約３００℃である
前項１に記載の可融性で導電性の接着剤。 ４） 焼結温度範囲が約１００℃〜２５０℃の温度範囲
内にある前項１に記載の可融性で導電性の接着剤。 ５） 重合体が熱可塑性重合体である前項１に記載の可
融性で導電性の接着剤。 ６） 導電性物質がすず−金合金であってすず対金の割
合が１０対１である前項１に記載の可融性で導電性の接
着剤。 ７） 重合体がピロメリット酸二無水物、オキシジアニ
リン及びヘキサフルオロ二無水物を反応させて合成され
る熱可塑性重合体である前項１に記載の可融性で導電性
の接着剤。
【００４２】８） 焼結温度範囲が約１００℃〜約２５
０℃の範囲内にある導電性物質；熱膨張率が約５ppm〜
約１０ppm／℃であり、ガラス転移温度が約１５０℃〜
約２５０℃であり、そして異方性である熱可塑性重合
体；及び導電性物質約１５重量％〜約２０重量％の範囲
内での導電性物質及び熱可塑性重合体の添加量からな
る、２つの面を電気的及び機械的に接触させるための可
融性で導電性の接着剤組成物。 ９） 焼結温度を有する導電性物質の粒子及びｚ軸に沿
って約５ppm〜約１０ppm／℃の熱膨張率と焼結温度範囲
内のガラス転移温度を有する重合体からなり、約１５重
量％〜約２０重量％の範囲の粒子の添加量を含みかつ異
方性である可融性で導電性の接着剤組成物を少なくとも
一方の面に置き；第２の接触面の上に第１の面を設置
し；２つの面を横切るｚ軸に沿って２つの面の少なくと
も一方に力を加え、２つの面間で可融性で導電性の接着
剤を圧縮し、粒子と２つの面を接触させ；可融性で導電
性の接着剤組成物がセットし、そしてｚ軸に沿って一軸
方向に導電性になり２つの間に電気的な接続を形成する
まで可融性で導電性の接着剤組成物を加熱し；そして可
融性で導電性の接着剤組成物がセットし一軸方向に導電
性となった後に力を除くことからなる、第１の面及び第
２の面の２つの面間を機械的及び電気的に接触させる方
法。 １０） 第１の面が電子コンポーネント上のリード線で
あり第２の面が印刷回路板上の接点である前項９に記載
の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属充填剤６０体積％を有する従来技術の導電
性の接着剤の概略構造を示すものである。
【図２】本発明の導電性の接着剤の概略構造である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジユーリアン・ピーター・パートリツジ アメリカ合衆国テキサス州78729−3612. オーステイン．ブリツジウツドトレイル 8908 (56)参考文献 特開 昭63−289822（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定範囲のガラス転移温度及び所定範囲
    の熱膨張率を有する重合体であって、該重合体は、相互
    に平行して対向する被接着面それぞれに直交する方向に
    約５ｐｐｍ／℃〜約１０ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張率を
    有しているとともに約１５０℃〜約３００℃のガラス転
    移温度を有しており；前記重合体には重合体のガラス転
    移温度と部分的に重なる約１００℃〜約２５０℃の燒結
    温度範囲を有する導電性物質が添加されており；そして
    可融性で導電性の接着剤の重合体中への導電性物質の添
    加量は重合体及び導電性物質の総重量に対して約１５重
    量％〜約２０重量％の範囲内である電気的及び機械的接
    触を形成するための可融性で導電性の接着剤。
  2. 【請求項２】 約１００℃〜約２５０℃の範囲を燒結温
    度を有する導電性物質と、約５ｐｐｍ／℃〜約１０ｐｐ
    ｍ／℃の相互に平行して対向する被接着面に直交する接
    着方向の熱膨張率を有するとともに約１５０℃〜約３０
    ０℃のガラス転移温度を有する熱可塑性重合体基材で構
    成され、異方導電性を有する可融性で導電性の接着剤組
    成物であって、前記導電性物質の添加量を導電性物質及
    び重合体基材の総重量に対して約１５重量％〜約２０重
    量％としたことを特徴とする二つの面を電気的及び機械
    的に接触させるための可融性で導電性の接着剤組成物。
  3. 【請求項３】 約１００℃〜約２５０℃の範囲を燒結温
    度を有する導電性物質粒子と、約５ｐｐｍ／℃〜約１０
    ｐｐｍ／℃の相互に平行して対向する被接着面に直交す
    る接着方向の熱膨張率を有するとともに約１５０℃〜約
    ３００℃のガラス転移温度を有する熱可塑性重合体基材
    で構成され、前記導電性物質粒子の添加量を導電性物質
    及び重合体基材の総重量に対して約１５重量％〜約２０
    重量％とした異方導電性を有する可融性で導電性の接着
    剤組成物を、前記被接着面の少なくとも一方に配置し、 該接着剤組成物を配置した被接着面に対向して他方の被
    接着面を配置し、対向する二つの被接着面の少なくとも
    一方に他方の被接着面に向かう前記接着方向の力を作用
    させて、 前記二つの被接着面間で可融性で導電性の接着剤組成物
    を圧縮して、前記導電性物質粒子を前記二つの被接着面
    に接触させ、 前記接着方向に作用する力を保持した状態で、可融性で
    導電性の接着剤組成物がセットして、該接着剤組成物の
    導電特性が前記接着方向の一軸方向の導電性となり、前
    記二つの被接着面間が電気的に接続されるまで前記可融
    性で導電性の接着剤組成物を加熱し、そして 前記可融性で導電性の接着剤組成物がセットし該接着剤
    組成物の一軸方向の導電特性を得た後に前記接着方向に
    作用する力を解除するようにしたことを特徴とする対向
    する二つの面間を機械的及び電気的に接続する方法。
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