KR100989535B1 - 접착재료 - Google Patents

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준지 시노자끼
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소니 케미카루 앤드 인포메이션 디바이스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 돌기상 전극을 갖는 반도체 소자 등의 전자부품의 해당 돌기상 전극과 마더보드 등의 배선기판의 단자전극을, 이들 사이의 거리의 편차를 캔슬해가면서, 양호한 접속신뢰성으로 접속할 수 있도록 한다.
본 발명에 의하면, 돌기상 전극을 갖는 전자부품의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을 접속하기 위한 접착재료로서, 적어도 1 종의 경화성 수지와 무기계 입자를 함유하는 접착재료는, 무기계 입자로서 그의 비표면적 (S: m2/g) 이 3 < S ≤17 의 식을 만족하고, 그의 평균입경 (D1: ㎛) 과 최대입경 (D2: ㎛) 이 D1 ≤5 와 D2 ≤0.5 (h1 + h2) 의 식을 각각 만족하고 있는 것을 사용하며, 식 중, h1 은 전자부품의 돌기상 전극 높이 (㎛) 이고, h2 는 배선기판의 단자전극 높이 (㎛) 이며, 또한 이 무기계 입자를 10 ∼ 60 체적 % 로 함유한다.
반도체 소자, 배선기판, 마더보드, 접착재료,

Description

접착재료{ADHESIVE MATERIAL}
본 발명은 돌기상 전극을 갖는 반도체 소자 등의 전자부품의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 전자전극을 접속하기 위한 접착재료에 관한 것이다.
종래, 휴대전화 등과 같은 휴대용 전자기기의 마더보드 (motherboard) 에는, 반도체 소자를 그것보다도 비교적 큰 표면적을 갖는 패키지용 기판에 마운트한 IC 패키지가 실장되어 있다. 그러나, 최근에는 전자기기의 경박단소화와 고기능화의 진전에 따라, 종래의 IC 패키지를 대신해 마더보드에 베어칩 (bare chip) 상태로 반도체 소자 자체를 플립칩 실장하거나, 반도체 소자와 거의 동일한 크기의 패키지용 기판에 마운트한 칩사이즈 패키지 (chip size packages; CSP) 를 사용하는 것이 행해지고 있다. 이들의 경우, 베어칩 또는 CSP 의 돌기상 전극 (범프; bump) 을 마더보드의 접속단자에 접속할 때에, 액상, 페이스트상 또는 필름상의 절연성 접착제, 또는 이들 절연성 접착제에 도전성 입자를 분산시켜 이루어지는 페이스트상 또는 필름상의 이방성 도전접착제를 사용하고 있다.
그런데, 이러한 접착제에 의해 접속된 접속부에 있어서는, 베어칩 (또는 CSP) 과 마더보드 사이에서 열선팽창률 (thermal expansion coefficient) 에 차가 있기 때문에 베어칩의 돌기상 전극에 스트레스가 집중하여, 종종 돌기상 전극에 들뜸이나 박리가 생겨 도통저항의 증대 및 접속불량 발생을 초래함으로써, 접속신뢰성이 대폭으로 저하되는 문제가 있다.
또, 베어칩의 돌기상 전극 높이의 편차 등으로 인해, 대향하는 베어칩의 돌기상 전극과 마더보드의 접속단자와의 사이의 거리에도 편차가 발생하여, 접속신뢰성이 향상되지 않는 문제도 있었다.
이 때문에, 베어칩과 마더보드의 접속신뢰성을 확보하기 위해, 절연성 접착제 또는 이방성 도전접착제에 평균입경 3 ㎛ 이하의 무기질 충전재를 접속수지 조성물 100 중량부에 대해 5 ∼ 200 중량부의 비율로 배합하여 점도를 증대시키고, 그 밀착력을 향상시키는 것이 제안되어 있다 (일본 특허공개공보 평 11-061088 호).
그러나, 일본 공개특허공보 평 11-061088 호에 기재되어 있는 바와 같이 무기질 충전재의 입경과 배합량을 단순히 규정했다고 하여도, 베어칩과 마더보드 사이의 충분한 접속신뢰성을 확보하는 것이 불가능하다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이상과 같은 종래 기술의 문제를 해결하고자 하는 것으로, 돌기상 전극을 갖는 반도체 소자 등의 전자부품의 해당 돌기상 전극과 마더보드 등의 배선기판의 단자전극을, 이들 사이의 거리의 편차를 캔슬해가면서 양호한 접속신뢰성으로 접속할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 돌기상 전극을 갖는 반도체 소자 등의 전자부품의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을 적어도 1 종의 경화성 수지와 무기계 입자를 함유하는 접착재료로 접속할 때에, 사용하는 무기계 입자의 평균입경과 배합량을 규정할 뿐만 아니라, 무기계 입자의 비표면적을 소정 범위내로 설정하고, 또 그의 최대입경을 전자부품의 돌기상 전극 높이와 배선기판의 단자전극 높이의 합의 반 이하로 설정함으로써, 상술한 목적을 달성할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 돌기상 전극을 갖는 전자부품 (바람직하게는 베어칩 등의 반도체 소자) 의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을 접속하기 위한 접착재료로서, 적어도 1 종의 경화성 수지와 무기계 입자를 함유하는 접착재료에 있어서, 무기계 입자는 그의 비표면적 (S: m2/g) 이 3 < S ≤17 의 식을 만족하고, 그의 평균입경 (D1: ㎛) 과 최대입경 (D2: ㎛) 이 D1 ≤5 와 D2 ≤0.5 (h1 + h2) 의 식을 각각 만족하고 있으며, 식 중, h1 은 전자부품의 돌기상 전극 높이 (㎛) 이고, h2 는 배선기판의 단자전극 높이 (㎛) 이며, 또한 이 무기계 입자를 10 ∼ 60 체적 % 로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 접착재료를 제공한다.
또한, 본 발명은, 돌기상 전극을 갖는 전자부품 (바람직하게는 베어칩 등의 반도체 소자) 의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을, 적어도 1 종의 경화성 수지와 무기계 입자를 함유하는 접착재료로 접속하는 회로접속방법에 있어서, 접착재료로서 그의 비표면적 (S: m2/g) 이 3 < S ≤17 의 식을 만족하고, 그의 평균입경 (D1: ㎛) 과 최대입경 (D2: ㎛) 이 D1 ≤5 와 D2 ≤0.5 (h1 + h2) 의 식을 각각 만족하는 무기계 입자를 10 ∼ 60 체적 % 가 되도록 경화성 수지에 분산시킨 접착재료를 사용하며, 식 중, h1 은 전자부품의 돌기상 전극 높이 (㎛) 이고, h2 는 배선기판의 단자전극 높이 (㎛) 인 것을 특징으로 하는 회로접속방법을 제공한다.
본 발명의 접착재료에 의하면, 돌기상 전극을 갖는 반도체 소자 등의 전자부 품의 해당 돌기상 전극과 마더보드 등의 배선기판의 단자전극을, 이들 사이의 거리의 편차를 캔슬해가면서 양호한 접속 신뢰성으로 접속할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 접착재료는, 돌기상 전극을 갖는 전자부품의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을 접속하기 위한 것으로, 적어도 1 종의 경화성 수지와 무기계 입자를 함유한다. 여기서, 무기계 입자로는, BET 법에 의해 측정된 그의 비표면적 (S: m2/g) 이 3 < S ≤17 의 식을 만족하며, 콜터카운트법 (Coulter counter method) 으로 측정된 그의 평균입경 (10 만개의 입자를 3 회 측정한 결과의 평균, D1: ㎛) 과 최대입경 (D2: ㎛) 이 D1 ≤5 와 D2 ≤0.5 (h1 + h2)의 식을 각각 만족하는 것을 사용할 필요가 있으며, 식 중, h1 은 전자부품의 돌기상 전극 높이 (㎛) 이고, h2 는 배선기판의 단자전극 높이 (㎛) 이다.
이는, 무기계 입자의 비표면적 (S) 이 3 m2/g 이하인 경우에는, 입자경이 지나치게 커져서 전자부품의 접속면 측의 보호막을 손상시킬 우려가 있기 때문이고, 비표면적 (S) 이 17 m2/g 를 넘는 경우에는, 접착재료의 유동성이 저하되어 접속에 커다란 압력이 필요하게 되며 접착작업성도 저하되어, 결과적으로 돌기상 전극을 갖는 전자부품의 해당 돌기상 전극과 마더보드 등의 배선기판의 단자전극 사이의 거리의 편차를 캔슬하기 어려워지기 때문이다. 또, 무기계 입자의 평균입경 (D1: ㎛) 이 5 ㎛ 를 넘는 경우에는, 돌기상 전극과 배선기판의 사이에 끼워진 무기계 입자가 전기적 접속을 저해할 확률이 높아지고, 또한 무기계 입자의 최대입경 (D2: ㎛) 이 전자부품의 돌기상 전극 높이 (h1: ㎛) 와 배선기판의 단자전극 높이 (h2: ㎛) 와의 합의 반을 넘는 경우에는, 무기계 입자가 지나치게 커져 전자부품의 접속면 측의 보호막을 손상시킬 우려가 있기 때문이다.
또한, 무기계 입자의 최대입경 (D2: ㎛) 은 일반적으로 15 ㎛ 를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 무기계 입자로는, 평균입경 (D2: ㎛) 이 0.1 (h1 + h2) ≥D1 의 식을 더 만족하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 무기계 입자의 접착재료 중의 배합량은 10 ∼ 60 체적 %, 바람직하게는 20 ∼ 50 체적 % 이다. 이것은, 10 체적 % 미만이면 전기적 접속신뢰성을 얻기 힘들어지고, 60 체적 % 를 넘으면 접속시의 접속재료의 유동성이 현저하게 악화되어 양호한 접속을 얻기 어려워지기 때문이다.
이상에서 설명한 무기계 입자의 재질로는, 알루미나, 실리카 등의 금속산화물, 질화알루미늄, 질화실리콘 등의 금속질화물 등을 사용할 수 있다. 이들에 대해 공지의 내수성 처리를 실시할 수도 있다.
접착재료를 구성하는 경화성 수지로는, 종래로부터 반도체 소자를 마더보드에 플립칩 실장할 때에 접착성분으로 사용되고 있는 열경화성 수지를 사용할 수 있 고, 예를 들면 에폭시 수지, 우레탄 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등을 들 수 있다. 또, 자외선 등의 특정 파장에 의해 반응하는 관능기를 갖는 경화성 수지, 예를 들면 아크릴레이트계 수지, 메타크릴레이트계 수지 등도 들 수 있다. 이들은 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 있어서는, 경화성 수지의 적어도 1 종으로, 100 ℃ 에서 500 cps 이하, 바람직하게는 200 cps 이하의 점도를 나타내는 액상 경화성 수지를 사용하는 것이 접착재료의 작업성 (도공성 등) 을 확보하는 점에서 바람직하다. 이러한 100 ℃ 에서 500 cps 이하의 경화성 수지의 경화성 수지 전체중의 배합량은 적어도 20 중량 % 로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 접착재료에는, 경화제를 배합할 수 있고, 이미다졸계 경화제, 산무수물계 경화제, 히드라지드계 경화제, 디시안디아미드계 경화제 등을 사용할 수 있다. 이중에서도 이들을 잠재화시킨 잠재성 경화제가 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 접착재료에는, 또한 평균입경 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 도전성 입자를 함유시킬 수 있다. 이것에 의해, 접착재료를 이방성 도전접착제로서 사용할 수 있다. 이러한 도접성 입자로는, 종래로부터 이방성 도전접착제에 이용되고 있는 도전성 입자를 사용할 수 있고, 예를 들면 땜납 (solder), 니켈 등의 금속입자, 수지입자표면에 금속 도금층을 형성한 복합입자, 이들 입자의 표면에 절연피막을 형성한 입자 등을 들 수 있다. 도전성 입자의 배합량은, 도전성 입자의 종류나 접착제의 용도에 따라 적절하게 결정할 수 있다.
이상과 같은 접착재료는, 85 ℃ 에서 85 % RH 의 분위기하, 그 흡습율을 1.5 중량 % 이하가 되도록 한다. 이로써, 본 발명의 접착재료의 적용 대상인 돌기상 전극을 갖는 전자부품과 배선기판의 접속단자 사이의 접합부로의 수분의 침입을 방지하여, 접속신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 접착재료의 흡습율은, 예를 들면 원통형 (직경 5 mm, 높이 15 mm) 으로 성형한 접착재료를 130 ℃ 에서 1 시간 건조시키고, 85 ℃ 에서 85 % RH 의 분위기하에서 168 시간 방치했을 때의 중량변화로부터 산출할 수 있다.
본 발명의 접착재료는, 경화성 수지, 무기계 입자 및 필요에 따라 배합되는 각종 첨가제를 균일하게 혼합함으로써 제조할 수 있다. 이 경우, 경화성 수지 전체 중, 액상 경화성 수지의 배합비율을 조절함으로써, 접착재료를 액상 ∼ 페이스트상 형태로 할 수 있다. 또, 필름상의 형태로 하는 경우에는, 경화성 수지, 무기계 입자 및 필요에 따라 배합되는 각종 첨가제를 용제에 균일하게 혼합하여 도공액을 조제하고, 그 도공액을 박리시트 상에 도공하여 건조하면 된다.
또, 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판으로는, 특별히 제한은 없으며, 종래의 리지드 기판, 플렉시블 기판 등을 사용할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 접착재료는, 돌기상 전극을 갖는 전자부품의 해당 돌기상 전극과, 이 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을 접속하는 회로접속 방법에 바람직하게 적용할 수 있다.
(실시예)
다음에서, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
실시예 1 ∼ 8 및 비교예 1 ∼ 7
에폭시계 수지 (4032D (점도 200 cps/100 ℃): 대일본 잉크공업사 제조) 20 중량부, 에폭시계 수지 (EP828 (점도 150 cps/100 ℃): 유화셀 에폭시사 제조) 20 중량부, 페녹시계 수지 (YP50 : 동도화성사 제조) 20 중량부 및 이미다졸계 경화제 (HX3941: 아사히화성사 제조) 40 중량부의 혼합물에, 표 1 에 나타낸 실리카를 표 2 및 표 3 에 나타낸 배합량 및 체적함유율 (%) 로 톨루엔과 함께 혼합하여 접착재료의 도공액을 조제하고, 박리시트 상에 건조두께가 40 ㎛ 가 되도록 도공하여 열풍순환식 오븐 안에서 건조하고, 필름상의 접착재료 (이하, 접착필름) 을 제작했다.
사용 실리카 평균입경
D1(㎛)		 최대입경
D2(㎛)		 BET 비표면적
S(m2/g)
실리카 1 0.5 15 3
실리카 2 0.5 8 17
실리카 3 3 8 95
실리카 4 1.5 8 11
실리카 5 0.5 35 4
실리카 6 0.5 10 20
(중량부)
실시예
1 2 3 4 5 6 7 8
실리카 1 70 100 150 - - - - -
실리카 2 - - - 100 - - - -
실리카 3 - - - - 30 100 150 200
체적함유율 (%) 28 35 45 35 14 35 45 52
(중량부)
비교예
1 2 3 4 5 6 7
실리카 2 15 - - - - - -
실리카 3 - 30 100 - - - -
실리카 5 - - - 30 100 - -
실리카 6 - - - - - 30 100
체적함유율 (%) 7.6 14 35 14 35 14 35
(평가)
각 실시예 및 각 비교예의 잡착재료의 흡습율, 접속신뢰성 및 작업성 (indentation; 압입) 을 각각 평가한다.
(흡습율 (%))
각 실시예 및 각 비교예의 접착재료를 원통형 (직경 5 mm, 높이 15 mm) 으로 성형하고, 130 ℃ 에서 1 시간 건조시켜 중량을 계량한 다음, 성형물을 85 ℃, 85 % RH 분위기 하에서 168 시간 방치하여, 다시 그 중량을 계량하고 이들 계량결과의 차 (중량변화) 로부터 흡습율을 산출했다. 얻어진 결과를 표 4 에 나타낸다.
(접속신뢰성)
뒷면에 160 개의 높이 20 ㎛ 의 금도금 범프 (높이 h1 = 20 ㎛/150 ㎛ 피치) 가 설치된 실리콘 IC 칩 (6.3 mm 평방/0.4 mm 두께) 과, 니켈-금도금이 실시된 구리배선 (두께 (전극높이) h2 = 12 ㎛) 이 형성된 유리에폭시 기판 (40 mm 평방/0.6 mm 두께) 과의 사이에 각 실시예 및 각 비교예의 접착필름을 배치하여 위치맞춤을 하고, 플립칩 본더를 사용하여 양자를 접속하여 접속체를 얻었다 (접속조건 : 180 ℃, 20 초, 100 g/ 범프).
접속종료 후, 접속체를 30 ℃, 70 % RH 의 분위기하에서 186 시간 방치하고, 이어서 240 ℃ (max) 의 리플로우 노 (爐) 에 2 회 통과시킨다. 그리고, 4 단자법에 의해 접속부의 저항을 측정했다. 측정 후, 접속체에 프렛셔쿠커 처리 (pressure cooker treatment; 121 ℃, 2.1 기압, 100 % RH) 를 200 시간 실시한 후의 접속부의 저항을 다시 측정하여, 프렛셔쿠커 처리 전후의 저항상승변화 (△Ω) 를 구했다. 그리고 접속부의 저항상승이 0.5 Ω미만인 경우 (바람직한 경우) 를 「○」로 평가하고, 0.5 Ω이상인 경우 또는 오픈 불량이 발생한 경우를 「×」로 평가했다. 얻어진 결과를 표 4 에 나타낸다.
(작업성)
도 1 에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 2 및 3 그리고 비교예 3 및 7 의 접착재료 (1) 를, 범프가 없는 실리콘더미칩 (2: 6.3 mm 평방/0.4 mm 두께) 과, 회로가 없는 유리기판 (3: 15 mm ×80 mm/1.2 mm 두께) 사이에 배치하고, 표 5 에 나타낸 압입력 조건으로 180 ℃ 에서 20 초간 열압착하여, 각각의 압입력 (kgf) 에서의 칩의 압입량 (㎛) 을 접속체의 X-X 단면의 관찰에 의해 측정했다. 얻어진 결과를 표 5 에 나타낸다. 통상, 1 kgf 의 압입력으로 10 ㎛ 이상, 2 kgf 의 압입력으로 15 ㎛ 이상의 압입량을 나타내는 것이 요구된다.
접착필름 흡습율 (%) 접속신뢰성 (△Ω)/평가
실시예 1 2.0 0.21/○
2 1.7 0.23/○
3 1.0 0.28/○
4 1.3 0.17/○
5 1.7 0.39/○
6 1.3 0.18/○
7 1.1 0.09/○
8 0.8 0.07/○
비교예 1 2.2 1.31/×
2 1.7 2.95/×
3 1.6 */×
4 1.9 1.64/×
5 1.6 0.84/×
6 2.0 2.16/×
7 1.5 */×
* 초기접속시부터 도통이 얻어지지 않음
접착필름 압입력 (kgf) 압입량 (㎛)
실시예 1 2 20
실시예 2 1
2
4		 10
18
29
실시예 3 2 12
비교예 3 1
2
4		 7
15
24
비교예 7 1
2
4		 1
3
7
표 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 식 (1) ∼ (3) 의 관계를 만족하는 실시예 1 ∼ 실시예 8 의 접착필름은 양호한 접속신뢰성을 나타낸다. 또, 표 5 에서 알 수 있는 바와 같이, 적어도 실시예 1 ∼ 실시예 3 의 접착필름의 작업성도 양호했다.
한편, 실리카의 체적함유율이 하한 (10 %) 를 하회하고 있는 비교예 1 의 접착필름은, 흡습율도 비교적 높고 또한 접속신뢰성도 불충분했다. 또, BET 비표면적이 상한 (17 m2/g) 을 크게 상회하고 있는 실리카를 사용한 비교예 2 및 비교예 3 의 접착필름은 접속신뢰성이 불충분했다. 또, 최대입경이 식 (3) 을 만족하고 있지 않은 실리카를 사용한 비교예 4 및 비교예 5 의 접착필름도 접속신뢰성이 불충분했다. 그리고, BET 비표면적이 상한 (17 m2/g) 을 아주 조금 상회하고 있는 실리카를 사용한 비교예 6 및 비교예 7 의 접착필름도 접속신뢰성이 불충분했다.
또, 비교예 3 및 비교예 7 의 접착필름에 관하여, 표 5 의 결과에서 접속시의 작업성은 비표면적 17 m2/g 이하의 무기계 입자를 사용함으로써 확보된다는 것을 알 수 있다.
도 1 은 접착재료의 작업성 평가용 접속체의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 접착재료 2 : 더미칩
3 : 유리기판

Claims (1)

  1. 돌기상 전극을 갖는 전자부품의 해당 돌기상 전극과, 상기 전자부품을 탑재하기 위한 배선기판의 단자전극을 접속하기 위한 접착재료로서, 적어도 1 종의 경화성 수지와 무기계 입자를 함유하는 접착재료에 있어서,
    무기계 입자는 그의 비표면적 (S: m2/g) 이 3 < S ≤17 의 식을 만족하고, 그의 평균입경 (D1: ㎛) 과 최대입경 (D2: ㎛) 이 D1 ≤5 및 D2 ≤0.5 (h1 + h2) 의 식을 각각 만족하고 있으며 (식 중 h1 은 전자부품의 돌기상 전극 높이 (㎛) 이고, h2 는 배선기판의 단자전극 높이 (㎛) 임), 또한 상기 무기계 입자를 10 ∼ 60 체적 % 로 함유하며, 85 ℃, 85 % RH 의 분위기하의 흡습율이 1.5 중량 % 이하인 것을 특징으로 하는 접착재료.
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