(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属微粒子が、銅を５０重量％以上含む金属層により被覆されてなる導電性微粒子であって、
前記非金属微粒子は、平均粒径１〜５００μｍ、アスペクト比１．３未満、ＣＶ値２５％以下、Ｋ値２００〜５万ＭＰａである
ことを特徴とする導電性微粒子。
【請求項２】
非金属微粒子は、破壊歪み４０％以上の高分子であることを特徴とする請求項１記載の導電性微粒子。
【請求項３】
非金属微粒子は、回復率４０％以上の高分子であることを特徴とする請求項１又は２記載の導電性微粒子。
【請求項４】
非金属微粒子は、銅を９０重量％以上含む金属層により被覆されてなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の導電性微粒子。
【請求項５】
銅を含む金属層は、酸化防止層で被覆されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の導電性微粒子。
【請求項６】
酸化防止層は、貴金属からなることを特徴とする請求項５記載の導電性微粒子。
【請求項７】
貴金属は、金であることを特徴とする請求項６記載の導電性微粒子。
【請求項８】
銅を含む金属層と酸化防止層との間にバリア層が設けられていることを特徴とする請求項５、６又は７記載の導電性微粒子。
【請求項９】
バリア層は、ニッケルからなることを特徴とする請求項８記載の導電性微粒子。
【請求項１０】
平均粒径は、３〜１００μｍであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９記載の導電性微粒子。
【請求項１１】
平均粒径は、５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の導電性微粒子。
【請求項１２】
アスペクト比は、１．１未満であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載の導電性微粒子。
【請求項１３】
アスペクト比は、１．０５未満であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載の導電性微粒子。
【請求項１４】
ＣＶ値は、１０％以下であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３記載の導電性微粒子。
【請求項１５】
ＣＶ値は、５％以下であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４記載の導電性微粒子。
【請求項１６】
Ｋ値は、３００〜８０００ＭＰａであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５記載の導電性微粒子。
【請求項１７】
Ｋ値は、４００〜３０００ＭＰａであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５又は１６記載の導電性微粒子。
【請求項１８】
請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６又は１７記載の導電性微粒子を用いてなることを特徴とする異方性導電接着剤。
【請求項１９】
請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６若しくは１７記載の導電性微粒子、又は、請求項１８記載の異方性導電接着剤により接続されてなることを特徴とする導電接続構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細電極間の接続に用いられる導電性微粒子、異方性導電接着剤及び導電接続構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異方性導電材料は、液晶ディスプレイ、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器等のエレクトロニクス製品において、半導体素子等の小型部品を基板に電気的に接続したり、基板同士を電気的に接続するために使用されている。
このような異方性導電接続材料としては、導電性微粒子をバインダー樹脂に混合したもの等が用いられている。
【０００３】
この導電性微粒子としては、有機基材粒子又は無機基材粒子の表面に金属メッキを施したものが用いられてきた。このような導電性微粒子としては、例えば、特公平６−９６７７１号公報、特開平４−３６９０２号公報、特開平４−２６９７２０号公報、特開平３−２５７７１０号公報等に開示されたものが挙げられる。
【０００４】
このような導電性微粒子をバインダー樹脂と混ぜ合わせてフィルム状又はペースト状にした異方性導電接着剤材料としては、例えば、特開昭６３−２３１８８９号公報、特開平４−２５９７６６号公報、特開平３−２９１８０７号公報、特開平５−７５２５０号公報等に開示されたものが挙げられる。
【０００５】
従来の異方性導電材料においては、導電性微粒子の基材として、高分子等の電気的絶縁材料が使用されており、その表面に、通常、導電層としてニッケルメッキ層が施されている。そのため、接続時の電流容量が小さく、更に金属の被覆層が基材となる高分子の変形に追従できず、割れが発生するという問題があった。
【０００６】
特に近年、電子機器や電子部品が小型化するに伴い、基板等の配線が微細になり接続部の電気抵抗が大きくなる傾向にある。更に、最近開発されている携帯機器用のＩＣやＬＳＩのパッケージは、フリップチップ接合を行う等によりチップサイズに近づいてきていることもあり、より配線が細かくなる傾向にあるため、接続部の低抵抗化が必要となってきている。接続部の低抵抗化のためには、異方性導電接着剤中の導電性微粒子の濃度を上げる方法もあるが、濃度を上げると電極間でのリークが発生しやすくなるという問題がある。
導電性微粒子に絶縁被覆層等を設けるという方法もあるが、プロセスが煩雑になる等の問題がある。
【０００７】
導電性微粒子として金属粉を用いる技術が特開平８−２７３４４０号公報等に開示されている。しかし、金属粉は電流容量は大きくとれるものの、微細になると真球状のものが得にくく、真球といわれるものでもアスペクト比が比較的大きいものが多い。また、粒径が揃っておらずＣＶ値が大きいため導通に関与しない粒子が大量に発生し電極間でのリーク現象が生じやすいという欠点があった。更に、弾性変形の領域が少なく塑性変形しやすいために接合部の熱変形に追従しない場合があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、接続抵抗が低く、接続時の電流容量が大きく、接続が安定していて、リーク現象を起こさない、特にチップの接合用として適当な導電性微粒子、異方性導電接着剤及び導電接続構造体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非金属微粒子が、銅を５０重量％以上含む金属層により被覆されてなる導電性微粒子であって、上記非金属微粒子は、平均粒径１〜５００μｍ、アスペクト比１．３未満、ＣＶ値２５％以下、Ｋ値２００〜５万ＭＰａである導電性微粒子である。
以下に本発明を詳述する。
【００１０】
本発明の導電性微粒子は、非金属微粒子が、銅を５０重量％以上含む金属層により被覆されてなるものである。
上記非金属微粒子としては特に限定されず、例えば、高分子基材、無機粒子、又は、これらの混合物及び化合物等が挙げられる。なかでも、ＣＶ値やアスペクト比が小さく、適当なＫ値、回復率及び破壊歪みが得やすい高分子基材が好ましい。
【００１１】
上記高分子基材としては、破壊歪みが４０％以上である高分子が好適に用いられる。上記破壊歪みが４０％未満である場合には、高分子を用いて製造される導電性微粒子が、変形等により接続不良を起こす場合がある。破壊歪みは５０〜９０％であるのがより好ましい。
【００１２】
また、上記高分子基材としては、回復率が４０％以上である高分子が好適に用いられる。上記回復率が４０％未満である場合には、高分子を用いて製造される導電性微粒子が、変形等により接続不良を起こす場合がある。回復率は５０〜９０％であるのがより好ましい。なお、本発明において、回復率は、２０℃、１０％圧縮変形後の値である。
【００１３】
上記金属層は、銅を５０重量％以上含むものである。銅を５０重量％以上含んだ金属層は、柔軟性があり基材が変形しても割れにくく安定した接続信頼性を得ることができる。また、本発明の導電性微粒子は、複数の電極間に挟まれた状態で抑えられる場合、一方の電極から他方の電極へこの導電性微粒子を介して電流が流れるが、銅を５０重量％以上含んだ金属層で被覆されているため、接続時の電流容量が大きい。
【００１４】
上記金属層の銅の含有量は５０〜１００重量％であるのが好ましい。銅の含有量が５０重量％未満では充分な電流容量が得られなかったり、金属層が割れやすくなったりする。より好ましくは９０〜１００重量％である。
【００１５】
銅を含む金属層はそのまま用いると、高温高湿状態に曝された場合、酸化が発生し著しく接続抵抗値が上がり、接続信頼性が低くなる場合がある。そこで、このような条件下では、接続信頼性を保つために、上記金属層は、酸化防止層で被覆されていることが好ましい。
上記酸化防止層としては、低分子量有機物、貴金属等からなるものが挙げられる。なかでも、貴金属からなることが好ましい。
上記貴金属としては、金が好適に使用できる。
上記金属層を貴金属により被覆する方法としては特に限定されず、例えば、無電解メッキ法、置換メッキ法、電気メッキ法等が挙げられる。
【００１６】
上記貴金属として金を用いる場合は、銅は高温状態では金に拡散するため、金属層と酸化防止層との間にバリア層が設けられていることが好ましい。上記バリア層は、ニッケルからなることが好ましい。
【００１７】
上記の各層の厚みは、金属層０．０３〜１０μｍ、バリア層０．０１〜２μｍ、酸化防止層０．０１〜２μｍが好ましい。各層の厚みがこの範囲未満では被覆の効果が充分得られない場合がある。逆にこの範囲を超えると基材の特性を失ってしまう場合がある。
より好ましくは、金属層０．０８〜１μｍ、バリア層０．０３〜０．２μｍ、酸化防止層０．０２〜０．１μｍである。
【００１８】
本発明の導電性微粒子の核となる非金属微粒子は、平均粒径１〜５００μｍ、アスペクト比１．３未満、ＣＶ値２５％以下、Ｋ値２００〜５万ＭＰａである。
【００１９】
上記非金属微粒子の平均粒径が１μｍ未満であると、この非金属微粒子を用いて製造される導電性微粒子は、接触すべき電極面に接触せず、電極間に隙間ができ、接触不良を起こす。非金属微粒子の平均粒径が５００μｍを超えると、この非金属微粒子を用いて製造される導電性微粒子が大きいため隣接電極がショートするという問題が発生する。非金属微粒子の平均粒径は、好ましくは３〜１００μｍで、より好ましく５〜３０μｍである。本発明において、平均粒径は、任意の微粒子３００個を電子顕微鏡で観察・測定することにより得られる値である。
【００２０】
上記非金属微粒子のアスペクト比が１．３以上であると、粒子径が不揃いとなるため、非金属微粒子を用いて製造される導電性微粒子を介して電極同士を接続させる際、接続に関与しない粒子が大量に発生し電極間でのリーク現象が発生しやすい。上記アスペクト比は、好ましくは１．１未満で、より好ましくは１．０５未満である。
【００２１】
上記アスペクト比とは、微粒子の平均長径を平均短径で割った値である。本発明において、アスペクト比は、任意の微粒子３００個を電子顕微鏡で観察・測定することにより得られる値である。
【００２２】
上記非金属微粒子のＣＶ値が２５％を超えると、粒子径が不揃いとなるため、非金属微粒子を用いて製造される導電性微粒子を介して電極同士を接続させる際、接続に関与しない導電性微粒子が発生して、隣接電極間でのリーク現象が生じる場合がある。ＣＶ値は、好ましくは１０％以下で、より好ましくは５％以下である。なお、ＣＶ値が０％以上であることは言うまでもない。
【００２３】
上記ＣＶ値とは、下記の式（１）；
ＣＶ値＝（σ／Ｄｎ）×１００・・・・（１）
（式中、σは、粒子径の標準偏差を表し、Ｄｎは数平均粒子径を表す）で表される値である。本発明において、標準偏差及び数平均粒子径は、任意の微粒子３００個を電子顕微鏡で観察・測定することにより得られる値である。
【００２４】
上記非金属微粒子のＫ値が２００ＭＰａ未満であると、衝撃等により接続不良を起こす場合があり、Ｋ値が５万ＭＰａを超えると、電極を傷つける場合がある。上記Ｋ値は、好ましくは３００〜８０００ＭＰａで、より好ましくは４００〜３０００ＭＰａである。
【００２５】
本発明においてＫ値とは、１０％変形時におけるＫ値を指し、下記の式（２）；
（３／√２）・Ｆ・Ｓ−３／２・Ｒ−１／２・・・・（２）
（式中、Ｆは２０℃、１０％圧縮変形における荷重値（ＭＰａ×ｍｍ２  ）を表し、Ｓは圧縮変位（ｍｍ）を表し、Ｒは半径（ｍｍ）を表す）で表される値である。
【００２６】
本発明の導電性微粒子は、上述のように、非金属微粒子に銅を５０重量％以上含んだ金属を被覆してなり、平均粒径１〜５００μｍ、アスペクト比１．３未満、ＣＶ値２５％以下、Ｋ値２００〜５万ＭＰａの非金属微粒子を核とするものであれば、特に限定されるものではないが、本発明の好ましい態様としては、下記（１）、（２）等が挙げられる。
（１）破壊歪み４０％以上の高分子微粒子が、銅を５０重量％以上含む金属層により被覆されてなる導電性微粒子であって、上記高分子微粒子は、平均粒径３〜１００μｍ、アスペクト比１．１未満、ＣＶ値１０％以下、Ｋ値３００〜８０００ＭＰａである導電性微粒子。
（２）回復率４０％以上の高分子微粒子が、銅を５０重量％以上含む金属層により被覆されてなる導電性微粒子であって、上記高分子微粒子は、平均粒径５〜３０μｍ、アスペクト比１．０５未満、ＣＶ値５％以下、Ｋ値４００〜３０００ＭＰａである導電性微粒子。
本発明の導電性微粒子は、更に、有機化合物、樹脂、無機物等で被覆されていてもかまわない。
【００２７】
本発明の導電性微粒子は、上述のように核となる部分が非金属であり、特定のＫ値をもつため、電極を傷めたり接続不良を起こしにくい。更に、ＣＶ値やアスペクト比が小さいため、電極間のリークが発生しにくい。また、銅を５０重量％以上含有する金属により被覆されているために接続時の電気容量が大きく、金属層に柔軟性があるため核が変形しても割れにくく、安定した接続を保つことができる。
【００２８】
本発明の導電性微粒子は、主として、相対向する２つの電極を電気的に接続する際に用いられる。上記導電性微粒子を用いて相対向する２つの電極を電気的に接続する方法としては特に限定されず、例えば、導電性微粒子をバインダー樹脂中に分散させて異方性導電接着剤を調製し、この異方性導電接着剤を使用して２つの電極を接着、接続する方法、バインダー樹脂と導電性微粒子とを別々に使用して接続する方法等が挙げられる。
【００２９】
本発明において、異方性導電接着剤とは、導電性微粒子を絶縁性のバインダー樹脂中に分散させたものであれば特に限定されず、異方性導電膜、異方性導電ペースト、異方性導電インキ等を含むものである。
本発明の導電性微粒子を用いて製造される上記異方性導電接着剤も本発明の１つである。
【００３０】
本発明の異方性導電接着剤を構成するバインダー樹脂としては特に限定されず、例えば、アクリレート樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、スチレン−ブタジエンブロック共重合体等の熱可塑性樹脂；グリシジル基を有するモノマーやオリゴマー及びイソシアネート等の硬化剤との反応により得られる硬化性樹脂組成物等の熱や光によって硬化する組成物等が挙げられる。
上記異方性導電接着剤の塗工膜厚は特に限定されないが、１０〜数百μｍが好ましい。
【００３１】
本発明の導電性微粒子、及び、異方性導電接着剤により接続される対象物としては、例えば、表面に電極部が形成された基板、半導体等の表面に電極部が形成された部品等が挙げられる。上記基板は、フレキシブル基板とリジッド基板とに大別される。上記フレキシブル基板としては、例えば、５０〜５００μｍの厚さの樹脂シートが挙げられる。上記樹脂シートの材質としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン等が挙げられる。
【００３２】
上記リジッド基板は、樹脂製のものとセラミック製のものとに大別される。上記樹脂製のものとしては、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂、フェノール樹脂、セルロース繊維強化フェノール樹脂等が挙げられる。上記セラミック製のものとしては、例えば、二酸化ケイ素、アルミナ等が挙げられる。
【００３３】
上記基板構造としては、単層構造であってもよく、また、単位面積当たりの電極数を増やすために、例えば、スルーホール形成等の手段により、複数の層を形成し、相互に電気的接続を行わせる多層構造の基板を使用してもよい。
【００３４】
上記部品としては特に限定されず、例えば、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体等の能動部品；抵抗、コンデンサ、水晶振動子等の受動部品等が挙げられる。
【００３５】
上記基板又は部品の表面に形成される電極の形状としては特に限定されず、例えば、縞状、ドット状、任意形状のもの等が挙げられる。
上記電極の材質としては特に限定されず、例えば、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、カーボン、アルミニウム、ＩＴＯ等が挙げられる。また、接触抵抗を低減させるために、銅、ニッケル等の上に更に金を被覆したものも用いることができる。
上記電極の厚みは、０．１〜１００μｍが好ましい。電極の幅は、１〜５００μｍが好ましい。
【００３６】
このように本発明の導電性微粒子を用いた異方性導電接着剤等を使用することができる基板や電子部品としては、種々のものが挙げられるが、これらのなかでも、特にチップの接合に好適に使用することができる。
【００３７】
本発明の導電性微粒子と基板、部品等との接合方法としては、例えば、表面に電極が形成された基板又は部品の上に、導電性微粒子を含有する異方性導電膜を配置し、その上に、他の電極面を有する基板又は部品を置き、加熱、加圧する方法が挙げられる。上記異方性導電膜の代わりに、スクリーン印刷やディスペンサー等の印刷手段により、導電性微粒子を用いた導電性ペーストを所定量用いることもできる。
上記加熱、加圧には、ヒーターが付いた圧着機やボンディングマシーン等が用いられる。
【００３８】
本発明の導電性微粒子と基板、部品等との接合方法としては、異方性導電膜及び異方性導電ペーストを用いない方法も可能であり、例えば、導電性微粒子を介して貼り合わせた２つの電極部の隙間に液状のバインダーを注入した後、硬化させる方法等を用いることができる。
【００３９】
上記基板又は部品等の電極部同士が、本発明の導電性微粒子又は異方性導電接着剤を用いて接続された導電接続構造体もまた、本発明の１つである。
上述のようにして得られた導電接続構造体は、本発明の導電性微粒子を使用しているため、導電性も良好で、高い接続信頼性を有する。
【００４０】
【実施例】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００４１】
実施例１
平均粒径１５μｍ、アスペクト比１．０４、ＣＶ値４％、Ｋ値２０００ＭＰａ、破壊歪み５０％、回復率５０％の長鎖アルキルジアクリレート系共重合体に、無電解メッキにより厚み０．２μｍの銅を被覆した。更に無電解メッキにより厚み０．１μｍのニッケルを被覆した後、置換メッキにより金を厚み０．０４μｍで被覆し、導電性微粒子を得た。
【００４２】
得られた導電性微粒子を、エポキシ樹脂及びアクリル樹脂の混合物をトルエンに溶解させたバインダー樹脂溶液に混合、分散させた。次いで、この導電性微粒子分散溶液を離型フィルム上に一定の厚みに塗布し、トルエンを蒸発させ、異方性導電膜を作製した。膜厚は４０μｍであり、導電性微粒子の濃度は１５％であった。
得られた異方性導電膜を透明なガラス基板に貼付け加熱加圧したが、金属被覆層の割れは観察されなかった。
【００４３】
得られた異方性導電膜を、１００μｍ×１００μｍの電極を１５０μｍピッチで２列に２０個配置したセラミック基板上に貼付けた。この上に、同じセラミック基板を重ね合わせ、１５０℃、２分間加熱、加圧し導電接続構造体を作製した。得られた導電接続構造体に２Ａの電流を流したが、良好な導電性を示し、抵抗も充分低かった。また、隣接する電極間の接続抵抗は１×１０９  Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていた。
７０℃、８５％の耐熱耐湿試験を２００時間行った後、この導電接続構造体に２Ａの電流を流したところ、導電接続構造体の特性には、ほとんど変化がなかった。
【００４４】
実施例２
実施例１において、無電解メッキにより厚み０．２μｍの銅のみを被覆したこと以外は同様に操作を行い、導電性微粒子を得た。この導電性微粒子を用いて、実施例１と同様に異方性導電膜及び導電接続構造体を作製した。
得られた異方性導電膜を透明なガラス基板に貼付け加熱加圧したが、金属被覆層の割れは観察されなかった。
【００４５】
得られた導電接続構造体に２Ａの電流を流したが、良好な導電性を示し、抵抗も充分低かった。また、隣接する電極間の接続抵抗は１×１０９  Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていた。
７０℃、８５％の耐熱耐湿試験を２００時間行った後、この導電接続構造体に２Ａの電流を流したところ、酸化による抵抗の上昇と一部に導通破壊がみられたが、高温高湿条件でなければ特に問題がないものと思われた。
【００４６】
比較例１
実施例１において、無電解メッキにより厚み０．２μｍの銅を被覆する代わりにニッケルを被覆したこと以外は同様に操作を行い、導電性微粒子を得た。この導電性微粒子を用いて、実施例１と同様に異方性導電膜及び導電接続構造体を作製した。
【００４７】
得られた異方性導電膜を透明なガラス基板に貼付け加熱加圧したところ、金属被覆層の割れが観察された。
得られた導電接続構造体は、隣接する電極間の接続抵抗が１×１０９  Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていたが、２Ａの電流を流したところ、導通破壊がみられた。
【００４８】
比較例２
破壊歪み５０％、回復率２０％のアクリレート系共重合体に実施例１と同様にメッキ処理を施し、平均粒径１５μｍ、アスペクト比１．３、ＣＶ値３０％、Ｋ値１００ＭＰａの導電性微粒子を得た。この導電性微粒子を用いて、実施例１と同様に異方性導電膜及び導電接続構造体を作製した。
【００４９】
得られた異方性導電膜を透明なガラス基板に貼付け加熱加圧したが、金属被覆層の割れは観察されなかった。
得られた導電接続構造体に２Ａの電流を流したところ、導通破壊がみられ、隣接する電極間では一部ショートが発生していた。
【００５０】
比較例３
ガラスに実施例１と同様にメッキ処理を施し、平均粒径１５μｍ、アスペクト比１．１、ＣＶ値１０％、Ｋ値７万ＭＰａの導電性微粒子を得た。この導電性微粒子を用いて、実施例１と同様に異方性導電膜及び導電接続構造体を作製した。
【００５１】
得られた異方性導電膜を透明なガラス基板に貼付け加熱加圧したところ、ガラス基板上の電極が傷つき、一部導通不良が発生した。
得られた導電接続構造体は、隣接する電極間の接続抵抗が１×１０９  Ω以上で線間絶縁性は充分保たれていたものの、２Ａの電流を流したところ、一部導通破壊がみられた。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の導電性微粒子は、上述の構成からなるので、接続抵抗が低く、接続時の電流容量が大きく、接続が安定していて、リーク現象を起こさない。また、本発明の導電性微粒子を使用した導電接続構造体は、導電性も良好で、高い接続信頼性を有する。