JPWO2010090055A1 - 電極接合構造及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

電極間の接合強度を高めることができ、それによって、信頼性を向上させかつ接合部をより小型化することができる電極接合構造を得る。電極間の導通を得る電極接合構造であって、第１の電極３と、第１の電極３に電気的に接続される第２の電極４と、第１及び第２の電極３，４を電気的に接続している導電性接合材５とを備え、第１及び第２の電極３，４の少なくとも一方に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれたカーボンナノチューブ６をさらに備え、カーボンナノチューブ６の突き出された部分が、導電性接合材５にも埋め込まれている、電極接合構造。

Description

本発明は、電子部品の実装などにあたって、その電極間を導電性物質で接合させて導通を果たす、電極接合構造、並びにその製造方法に関する。
従来から、電極間の電気的な接合部、たとえば、電子部品を基板に実装する際の接合部において、実装面積を小さくするために、はんだやバンプなどの導電性物質が広く用いられている。
特許文献１には、図５に示すような電子部品の電極接合構造が開示されている。電子部品１１が基板１２に実装されている。電子部品１１の電極１３と実装用の基板１２の電極１４とが、バンプ１５を介して接合されている。このようにして電子部品１１を基板１２に実装し、電子回路を構成している。
特開平６−２６８０１８号公報
一般的に、電子部品では小型化及び高集積化が進んでいる。これに伴って電極間の接合部も小さくなってきている。よって、上記従来の電極接合構造では、電極間の接合面積が小さくなっているので、電極間の接合強度も小さくなってしまう、という問題があった。
一方で、電子機器の撓みや落下時の振動および衝撃に対する、接合強度の確保も必要である。
本発明の目的は、電極間の接合強度を高めることができ、それによって信頼性の向上及び接合部のより一層の小型化を達成することができる電極接合構造を提供することにある。
本願の第1の発明の電極接合構造は、電極間の導通を得る電極接合構造であって、第１の電極と、第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、第１及び第２の電極を電気的に接続している導電性接合材と、第１及び第２の電極の少なくとも一方に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれたカーボンナノチューブとを備える。該カーボンナノチューブの突き出された部分は上記導電性接合材にも埋め込まれている。
本願の第２の発明の電極接合構造は、電極間の導通を得る電極接合構造であって、第１の電極と、第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、第１及び第２の電極を電気的に接続している導電性接合材と、該導電性部材に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれたカーボンナノチューブとを備える。該カーボンナノチューブの突き出された部分は、上記第１及び第２の電極の少なくとも一方にも埋め込まれている。
本願の第３の発明の電極接合構造は、電極間の導通を得る電極接合構造であって、第１の電極と、第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、第１及び第２の電極を電気的に接続している導電性接合材と、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれた第１のカーボンナノチューブと、該第１のカーボンナノチューブの突き出されている部分が、上記導電性接合材にも埋め込まれており、かつ上記導電性接合材に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれた第２のカーボンナノチューブとを備える。第２のカーボンナノチューブの突き出されている部分は、第１及び第２の電極の少なくとも一方にも埋め込まれており、かつ第1のカーボンナノチューブの突き出された部分が、上記導電性接合材にも埋め込まれている。
本発明に係る電極接合構造のある特定の局面では、上記カーボンナノチューブが複数備えられており、複数のカーボンナノチューブの平均長さが、該カーボンナノチューブが部分的に埋め込まれている第１及び／または第２の電極の厚みよりも大きくされている。
本発明に係る電極接合構造の他の特定の局面では、上記カーボンナノチューブが複数備えられており、複数のカーボンナノチューブの平均長さが、上記導電性接合材の厚みよりも大きくされている。
本発明に係る電極接合構造のさらに別の特定の局面では、上記導電性接合材が、バンプあるいは導電性接着材である。
本発明に係る電極接合構造のさらに他の特定の局面では、電子部品と、電子部品が実装される基板とがさらに備えられており、第１及び第２の電極の一方が上記電子部品に設けられており、第１及び第２の電極の他方が上記基板に設けられている。
本発明に係る電極接合構造の製造方法は、電極間を導電性接合材で接合する電極接合構造の製造方法であって、カーボンナノチューブがその一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれた電極を形成する工程と、前記カーボンナノチューブが部分的に埋め込まれた電極を、該電極に電気的に接続される他の電極に対し、前記カーボンナノチューブの突き出されている部分が導電性接合材に埋め込まれるようにして該導電性接合材により接合する工程とを備える。
本発明に係る電極間接合の製造方法の他の広い局面によれば、電極間を導電性接合材で接合してなる電極接合構造の製造方法であって、カーボンナノチューブが、その一部分を表面から突き出されるようにして埋め込まれた導電性接合材を用意する工程と、接合されるべき一方の電極と、他方の電極との間に、上記カーボンナノチューブが部分的に埋め込まれた導電性接合材を介して、上記カーボンナノチューブの突き出されている部分が少なくとも一方の上記電極に埋め込まれるように接合する工程とを備える。
以上のように、本発明の電極接合構造によれば、カーボンナノチューブが接合部の境界における電極側と導電性接合材側の両方に埋め込まれるように配置されている。よって、電極と導電性接合材間の接合が、カーボンナノチューブの機械的強度により、補強されることになる。したがって、接合面積が小さくなったとしても、信頼性を高めることができる。また、単位面積当たりの接合強度が高められることにより、接合部の面積を小さくすることができる。よって、さらなる部品の小型化及び高集積化が可能となる。
図１は、本発明の第１の実施例の電極接合構造を示す正面断面図である。 図２は、本発明の第２の実施例の電極接合構造を示す正面断面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施例に係る電極接合構造の製造方法を説明するための各正面断面図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施例に係る電極接合構造の製造方法を説明するための各正面断面図である。 図５は、従来の電極接合構造を示す正面断面図である。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、第１の実施例の電極接合構造を示す。電子部品１は第１の電極としての電極３を備えており、この電極３と実装用の基板２に形成された第２の電極としての電極４とが接合される。これらの電極３，４は、導電性接合材５を介して接合される。導電性接合材はバンプまたははんだなどの金属からなる導電性接合材や、樹脂に金属粉末を混合してなる導電性接合材を用いて形成することができる。本実施形態では、導電性接合材５は金属バンプからなる。また、「電子部品」としては、特に限定されず、例えば、コンデンサ、コイル（インダクタ）、抵抗、振動子、発振子、フィルタ、ＭＥＭＳ素子、ＩＣ、半導体素子、モジュール部品などが挙げられる。
ここで、電極３または電極４あるいはその両方にカーボンナノチューブ６を部分的に埋め込むようにして、電極３，４が形成される。本実施例におけるカーボンナノチューブ６の長さは、カーボンナノチューブ６が部分的に埋め込まれる電極の厚みよりも大きい。このため、これらの電極の表面からカーボンナノチューブ６の一部分が確実に突き出されるようになる。
なお、本実施例では、電極３及び電極４の双方に、複数のカーボンナノチューブ６が部分的に埋め込まれているが、電極３及び電極４の一方にのみカーボンナノチューブ６が部分的に埋め込まれていてもよい。
電極表面からカーボンナノチューブ６の一部分が突き出されるのは、カーボンナノチューブ６の直径が数ナノメートルから数十ナノメートルであるのに対し、長さは数１００倍程度と異方性が大きいことによる。したがって、前記電極の厚みが数ミクロンの場合、長さが数十ミクロンとなるカーボンナノチューブでは、少なくとも一部分が確実に電極表面から突き出されることになる。
なお、本発明に用いられるカーボンナノチューブ６の長さは、該カーボンナノチューブ６が部分的に埋め込まれる電極の厚みより小さくてもよい。その場合であっても、電極表面からカーボンナノチューブ６の一部分が突き出されるように構成されればよい。
好ましくは、図１に示すように、複数のカーボンナノチューブ６が、電極３及び４に部分的に埋め込まれる。その場合、上記カーボンナノチューブ６の長さとしては、複数のカーボンナノチューブ６の平均長さが、上記のようにカーボンナノチューブ６が部分的に埋め込まれる電極の厚みよりも大きいことが好ましい。
このようにして形成された電極３，４間の接合を、バンプである導電性接合材５を介して行う場合、カーボンナノチューブが存在しない領域では、電極とバンプによる金属間の接合が形成される。一方、カーボンナノチューブが存在する領域では、金属より剛性の大きいカーボンナノチューブ６の上記突き出された部分が、バンプにも埋め込まれたような状態となる。カーボンナノチューブのヤング率は１０００ＧＰａ以上であり、金属のヤング率である１００ＧＰａ程度に比べてひと桁以上大きい。従って、金属より遥かに剛性の高いカーボンナノチューブ６により、接合部分が補強されることとなる。
すなわち、カーボンナノチューブ６により、電極３，４と導電性接合材５とが楔により繋がれたような構造となる。
この構造により、電極接合部における接合強度は、電極３，４とバンプとの金属間の接合に加え、カーボンナノチューブ６の機械的強度により、接合強度が補強されることになる。前述の通り、カーボンナノチューブ６の剛性は金属の剛性に比べかなり大きいため、破断し難い。従って、カーボンナノチューブ６の含有量がたとえ僅かなものであったとしても、接合強度の補強効果は著しく高い。よって、接合強度が高めることになる。また、単位面積当たりの接合強度が高められたことにより、接合部の面積を小さくすることができる。
カーボンナノチューブにはグラファイトのらせん構造により、導電性に優れた特性を有するものもある。よって、そのようなカーボンナノチューブを用いることにより、導電性を高めることができ好ましい。
図２は、第２の実施例における電極接合構造を示している。図１と同一の箇所には同一の番号を付与して説明を省略する。第２の実施例では、カーボンナノチューブ６は、予め導電性接合材５であるバンプに部分的に埋め込まれており、一部分が表面から突き出されている。
このバンプの厚みを十数ミクロン程度であれば、長さが数十ミクロンのカーボンナノチューブは、少なくとも一部分がバンプの表面から確実に突き出されることになる。
なお、本発明に用いるカーボンナノチューブは、その長さがバンプの厚みより小さくてもよく、バンプの表面から一部分が突き出されるように構成されればよい。
このバンプを用いて電極間の接合構造を形成すれば、第１の実施例と同様に、カーボンナノチューブ６はバンプと電極３，４の両方に埋め込まれるような構成となる。よって、接合強度は、電極３，４とバンプとの金属間の接合に加え、カーボンナノチューブ６の機械的強度により高められることになる。したがって、接合強度が高められる。また、単位面積当たりの接合強度が高められたことにより、接合部の面積を小さくすることができる。
また、導電性のカーボンナノチューブを用いることで、接合強度の向上だけでなく、導電性の向上も可能となる。
なお、ここでは、電極接合構造において、電極側、あるいは導電性接合材側にカーボンナノチューブが部分的に埋め込まれた構成を示したが、電極及び導電性接合材の双方に予めカーボンナノチューブが部分的に埋め込まれていてもよい。
次に、本発明の第１の実施例に係る電極接合構造の製造方法について、図３を参照しながら説明する。
まず、電極４を形成するために用いる導電ペーストに、カーボンナノチューブ６を混合する。カーボンナノチューブ６を混合する割合は場合によって異なるが、導電ペースト１００重量％に対し、おおよそ０．５重量％から４重量％程度でよい。導電ペーストとしては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの粒子を含む導電ペーストを用いる。カーボンナノチューブは、直径が５から２０ナノメートル、長さが５から３０ミクロン程度のものである。上記カーボンナノチューブ６が混合された導電ペーストを基板に塗布し、その後焼き付けて、電極を形成する。このようにして、図３（ａ）に示す電極４を基板２上に形成する。このとき、形成された電極４の厚みは５ミクロン程度の厚みとなる。このようにして電極４を形成することで、カーボンナノチューブの少なくとも一部分が電極表面から確実に突き出されることになる。
他方、図３（ｂ）に示すように、実装されるべき電子部品１を用意する。電子部品１の下面にも、上記と同様にカーボンナノチューブ６を含む導電ペーストを焼き付けることにより電極３を形成する。電極３においても、カーボンナノチューブ６が部分的に埋め込まれており、該カーボンナノチューブ６の一部分が電極３の表面から突出している。
そして、電子部品１側にはんだバンプからなる導電性接合材５を形成する。次に、電子部品１を図３（ｃ）に示すように基板２上に載置する。そして、基板２にマウントし、電極４とはんだバンプからなる導電性接合材５とをリフローにより接合する。カーボンナノチューブ６は一部分が導電性接合材５側にも埋め込まれる形になる。その結果、図３（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ６により電極４と導電性接合材５とが楔により繋がれたような構造となる。電極３にもカーボンナノチューブ６が含まれているため、電極３と導電性接合材５も楔により繋がれたような構造となる。
ここでは、導電ペーストを用いて電極を形成する製造方法を示したが、めっきにより電極を形成してもよい。この場合、カーボンナノチューブがめっき液中に分散されためっき浴により電極を形成すればよい。また、ＣＶＤなどによりカーボンナノチューブを含む電極を形成してもよい。
この製造方法により得られた構造により、電極接合部における接合強度をたかめることができる。また、単位面積当たりの接合強度が高められたことにより、接合部の面積を小さくすることができる。
次に、本発明の第２の実施例に係る電極接合構造の製造方法について、図４を参照しながら説明する。
第１の実施例に係る製造方法では、カーボンナノチューブ６を電極側に混合する製造方法を示したが、この第２の実施例に係る製造方法は、接合する導電性接合材、すなわち導電性接合材５側に予めカーボンナノチューブ６が混合されている。この場合、たとえば溶融したＡｕ１００重量％中に、おおよそ０．５重量％から４重量％程度のカーボンナノチューブ６を混合する。そして、冷却、引き抜き加工を行い、カーボンナノチューブを複合された直径２０ミクロンのＡｕワイヤを製造する。図４（ｂ）に示すように、ワイヤバンピング法により電子部品１の電極３上にカーボンナノチューブ６が複合されたＡｕバンプからなる導電性接合材５を形成する。ワイヤバンピング法では、Ａｕワイヤの先端にＡｕボールを形成し、電子部品１上の電極３にＡｕボールを押圧してＡｕボールと電極３とを接合する。次に、ＡｕボールとＡｕワイヤの境界でＡｕワイヤを引きちぎり、Ａｕバンプを電極３上に形成する。形成されたバンプの厚みは１５ミクロン程度の厚みとなる。このようにしてバンプを形成することで、カーボンナノチューブの少なくとも一部分がＡｕバンプからなる導電性接合材５の表面から確実に突き出されることになる。また、一部のカーボンナノチューブ６は、上記接合時に部分的に電子部品１側の電極３に埋め込まれ、電極３とＡｕバンプからなる導電性接合材５との接合を強化する。この後、Ａｕバンプからなる導電性接合材５と、図４（ａ）に示されている電極４とを接合する。このようにして、図４（ｃ）及び図４（ｃ）の要部を拡大して示す（ｄ）に示されているように、カーボンナノチューブ６により、電極３および４とＡｕバンプからなる導電性接合材５とが楔により繋がれたような構造を得ることができる。
また、カーボンナノチューブを複合したＡｕバンプに代えて、カーボンナノチューブを複合したはんだバンプを用いてもよい。
また、導電性接合材としてはんだペーストを用いてもよい。この場合、はんだペーストにカーボンナノチューブを混合し、実装用の基板の電極にこのはんだペーストを配置してリフローすることで、カーボンナノチューブにより、電極３、４とはんだとが楔により繋がれたような構造を得ることができる。
いずれの製造方法の場合にも、接合強度の増した電極接合構造を得ることができる。また、単位面積当たりの接合強度が増したことにより、接合部の面積を小さくすることができる。
１ 電子部品
２ 基板
３ 電極
４ 電極
５ 導電性接合材
６ カーボンナノチューブ

Claims (9)

  1. 電極間の導通を得る電極接合構造であって、
    第１の電極と、
    第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、
    第１及び第２の電極を電気的に接続している導電性接合材と、
    前記第１及び第２の電極の少なくとも一方に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれたカーボンナノチューブとを備え、
    前記カーボンナノチューブの突き出された部分が、前記導電性接合材にも埋め込まれている、電極接合構造。
  2. 電極間の導通を得る電極接合構造であって、
    第１の電極と、
    第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、
    第１及び第２の電極を電気的に接続している導電性接合材と、
    前記導電性接合材に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれたカーボンナノチューブとを備え、
    前記カーボンナノチューブの突き出された部分が、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方にも埋め込まれている、電極接合構造。
  3. 電極間の導通を得る電極接合構造であって、
    第１の電極と、
    第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、
    第１及び第２の電極を電気的に接続している導電性接合材と、
    前記第１及び第２の電極の少なくとも一方に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれた第１のカーボンナノチューブと、
    前記第１のカーボンナノチューブの突き出されている部分が、前記導電性接合材にも埋め込まれており、かつ前記導電性接合材に、一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれた第２のカーボンナノチューブとを備え、
    第２のカーボンナノチューブの突き出されている部分が、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方にも埋め込まれており、かつ前記第1のカーボンナノチューブの突き出された部分が、前記導電性接合材にも埋め込まれている、電極接合構造。
  4. 前記カーボンナノチューブが複数設けられており、
    前記カーボンナノチューブの平均長さは、該カーボンナノチューブが部分的に埋め込まれている前記電極の厚みよりも大きい、請求項１または３に記載の電極接合構造。
  5. 前記カーボンナノチューブが複数設けられており、
    前記カーボンナノチューブの平均長さは、前記導電性接合材の厚みよりも大きい、請求項２または３に記載の電極接合構造。
  6. 前記導電性接合材は、バンプ、あるいは導電性接着材である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電極接合構造。
  7. 電子部品と、該電子部品が実装される基板とをさらに備え、前記第１及び第２の電極の一方が前記電子部品の電極であり、前記第１及び第２の電極の他方が前記基板に設けられている電極である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電極接合構造。
  8. 電極間を導電性接合材で接合する電極接合構造の製造方法であって、
    カーボンナノチューブが、その一部分を表面から突き出されるようにして部分的に埋め込まれた電極を形成する工程と、
    前記カーボンナノチューブが部分的に埋め込まれた電極を、該電極が接続される他の電極に対し、前記カーボンナノチューブの突き出されている部分が導電性接合材に埋め込まれるようにして導電性接合材を介して接合する工程とを備える、電極接合構造の製造方法。
  9. 電極間を導電性接合材で接合してなる電極接合構造の製造方法であって、
    カーボンナノチューブが、その一部分を表面から突き出されるようにして埋め込まれた導電性接合材を用意する工程と、
    接合されるべき一方の電極と、他方の電極との間に、上記カーボンナノチューブが部分的に埋め込まれた導電性接合材を介して、前記カーボンナノチューブの突き出されている部分が少なくとも一方の前記電極に埋め込まれるように接合する工程とを備える、電極接合構造の製造方法。
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