(57)【要約】  導電性粉末、熱硬化性シリコーン樹脂、および溶媒を含む導電性接着剤を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粉末、熱硬化性シリコーン樹脂、および溶媒を含む導電性接着剤。
【請求項２】
前記熱硬化性シリコーン樹脂が、炭素原子１から１０個を有するアルキル基か、またはフェニル基を含有する、請求項１に記載の導電性接着剤。
【請求項３】
加えられる前記熱硬化性シリコーン樹脂の量が、前記導電性粉末の総重量を基準にして２重量％から５０重量％である、請求項１に記載の導電性接着剤。
【請求項４】
前記導電性粉末が、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ステンレス鋼、およびこれらの合金からなる群から選択される金属の１種類または複数種類、前記金属のいずれかでめっきされたガラス粉、前記金属のいずれかでめっきされたセラミック粉、前記金属のいずれかでめっきされた樹脂粉、黒鉛、およびそれらの混合物である、請求項１に記載の導電性接着剤。
【請求項５】
前記導電性粉末が、球形銀粉、フレーク銀粉、コロイド金属粉、または貴金属樹脂酸塩粉末からなる群から選択される、請求項１に記載の導電性接着剤。
【請求項６】
２０Ｗ／ｋｍ以上の熱伝導率を有する無機物質をさらに含む、請求項１に記載の導電性接着剤。
【請求項７】
１００度以上の沸点を有する有機溶媒を、前記導電性粉末の総重量を基準にして４重量％から３０重量％含有する、請求項１に記載の導電性接着剤。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成される電気回路と、
前記電気回路上へ塗布された請求項１に記載の導電性接着剤と、
前記導電性接着剤に接着された接着対象物と
を含む電気回路基板。
【請求項９】
基板と、
前記基板上に形成される電気回路と、
前記電気回路が形成されない部分の上へ塗布された請求項１に記載の導電性接着剤と、
前記導電性接着剤に接着された接着対象物と、
前記接着対象物を前記電気回路に接続させる導電性接続材料と
を含む電気回路基板。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上の電気回路パターン上へ塗布された請求項１に記載の導電性接着剤と、
前記導電性接着剤に接着された接着対象物と
を含む電気回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気回路基板における導電性接着剤に関する。基本的に熱硬化性シリコーン樹脂から作られるこの接着剤は、無機基板との優れた接着性および優れた熱伝導率を示す。この導電性接着剤は、電子部品として有用である。
【背景技術】
【０００２】
電気回路基板上に取り付ける場合、従来の方法では導電性と接着性の両方を備えたはんだを用いて電子部品を基板すなわち電気回路に接着させてきた。しかしながら最近、鉛を含有するはんだの使用を避ける傾向がある。さらに、耐熱性に欠ける電子部品に及ぼす融解したはんだが有する熱の有害な影響もまた問題になる可能性がある。したがって近年、主に樹脂と金属粉からなる導電性接着剤が使用されるようになった。これらの導電性接着剤の利点は、鉛を含まないこと、はんだよりも低い処理温度を有すること、および電子機器の重量を減らすのに寄与する低比重を有することからなる。主成分として樹脂を含有する導電性接着剤の接着性を改良する様々な試みがなされている。
【０００３】
米国特許出願公開第２００１−０１５４２４号明細書には、２つの電極を接着する導電性接着剤が開示されている。この文書によれば、その導電性接着剤の接着力は、電極の金属と配位結合を形成する官能基を有する樹脂で構成することによって改良される。これは、曲げ応力の影響を受けやすい大きな表面積を有する電子部品中でしばしば起こる電極と導電性接着剤の分離の問題を解決する。
【０００４】
米国特許出願公開第２００５−２８８４２７号明細書には、架橋性ゴム様樹脂を含有する絶縁用樹脂と導電性粒子とで構成される異方性導電性接着剤について記載されている。米国特許出願公開第２００５−２８８４２７号明細書によれば、このゴム様樹脂が、加熱および接着の間の重合または硬化反応の間に起こる異方性導電性接着剤の熱収縮をできるだけ少なくする場合に、導電性接着剤の分離は防止される。さらに接着剤の接着環境を改善するためにシランカップリング剤が加えられる。
【０００５】
しかしながら従来の熱可塑性有機バインダー樹脂で構成される導電性接着剤は、多くの無機基板または電極との接着性が依然として不足している。さらに、導電性接着剤で基板上に取り付けられる電子部品または電気装置は耐熱性が低いために、接着剤を熱硬化する工程中のそれら部品または装置の劣化の問題がある。さらに、性能レベルの高度化および電子部品の小型化に伴い、ＩＣチップおよびＬＥＤチップの形で電子部品から発生する熱量の増加がある場合、この熱を放散させることは難しい。さらにその電気装置が光源である場合、有機接着剤は紫外線によって劣化する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、導電性接着剤で部品を取り付ける間の接着力および放熱性を改良する問題を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、接着力、放熱性、および紫外線抵抗性を向上させ、一方でまた低温で硬化することができる導電性接着剤を提供する。
【０００８】
本発明の導電性接着剤は、導電性粉末、熱硬化性シリコーン樹脂、および溶媒を含む。本発明では、炭素原子１から１０個を有するアルキル官能基か、またはフェニル基を含有し、かつ骨格用のポリシロキサンオリゴマーを有する熱硬化性シリコーン樹脂が好ましくは使用される。熱硬化性シリコーン樹脂は、有機樹脂よりも低温で硬化することができるので、高温に対する抵抗性が低い電気装置または電子部品用の接着剤として有効である。さらに、たとえ別の有機物質が無機電極との接着にとって本来好ましいとしても、硬化後の接着力は、官能基を有する熱硬化性シリコーン樹脂などの加熱および分解のせいで無機物質に変化する樹脂を含有するペーストを使用することによって向上する。さらに、無機物質は有機物質よりも高い熱伝導率を有するので、無機物質は電子部品から発生する熱の放散に寄与する。
【０００９】
放熱性に関しては、本発明による導電性接着剤の熱伝導率をさらに向上させるために２０Ｗ／ｋｍ以上の熱伝導率を有する無機物質を好ましくは含有させる。
【００１０】
さらに本発明は、上記導電性接着剤を用いて形成される電気回路基板を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】接着される対象物が上に配置されている電気回路基板５の俯瞰図である。
【図２】図１の電気回路基板の線ＩＩ−ＩＩに沿って取った断面図である。
【図３】接着される対象物が、電気回路間に配置され、かつ上に電気回路が断続的に形成されている基板中で電極および金線によって接続された電気回路基板５の俯瞰図である。
【図４】図３の電気回路基板の線ＩＶ−ＩＶに沿って取った断面図である。
【図５】電気回路が導電性接着剤によって接着されている電気回路基板５を示す図である。
【図６】図５の電気回路基板の線ＶＩ−ＶＩに沿って取った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記に、図面を用いた本発明の選択された実施形態の説明を提供する。図１において、電気回路基板は、基板１上の電気回路２上へ導電性接着剤３を塗布し、続いて接着される対象物（接着対象物）４をその上に配置してオーブンで加熱することによって作製される。さらに図３に示すように、本発明による接着剤によってその接着対象物を基板１に接着し、金線またははんだなどの導電性接続材料による電気回路で連続性を保つことができる。この場合、基板１上に断続的に形成された電気回路２上およびその間にある空間に導電性接着剤３を塗布し、その上にその接着対象物４を配置し、その接着対象物４と電気回路２を金線６で接続した後に、加熱によって電子回路基板５を作製する。
【００１３】
さらに図５に示すように本発明の導電性接着剤はまた、電気回路としても使用することができる。この場合、電気回路基板を作製する工程は、本発明の導電性接着剤３を基板１上に直接にスクリーン印刷し、次いで接着対象物の形態で電子部品をこの導電性接着剤上に配置し、続いて加熱することからなる。下記に、導電性接着剤の組成の説明を行う。
【００１４】
導電性粉末
本発明の導電性粉末は、導電性接着剤に導電性を付与する粉末である。本発明の導電性粉末は、好ましくは金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ステンレス鋼、およびこれらの合金からなる群から選択される金属の１種類または複数種類である。表面に上記金属でめっきされたガラス粉、表面に上記金属でめっきされたセラミック粉、および表面に上記金属でめっきされた樹脂粉、あるいは黒鉛もまた使用することができる。単一の導電性粉末を使用することもでき、また複数種類の導電性粉末を使用することもできる。好ましくは導電性粉末は、１種類または複数種類の球形金属、金属フレーク、金属コロイド、または貴金属樹脂酸塩を含有する。
【００１５】
導電性粉末中には複数種類の球形銀粉、フレーク銀粉、またはコロイド銀粉が含有される場合、その組合せおよび含有量は、好ましくは、ａ）８０重量％から９９重量％の球形銀粉および１重量％から２０重量％のコロイド銀粉、ｂ）９０重量％から９９重量％のフレーク銀粉および１重量％から１０重量％のコロイド銀粉、またはｃ）７０重量％から９０重量％の球形銀粉および１０重量％から３０重量％のフレーク銀粉である。これらの組合せの使用は、低抵抗と高接着力の両方を達成することを可能にする。
【００１６】
本発明のコロイド金属粉は、１ｎｍから１００ｎｍの平均粒径を有するナノサイズの金属粉である。その金属または合金は、好ましくは金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、またはステンレス鋼のうちの１種類または複数種類を含有する。
【００１７】
本発明の貴金属樹脂酸塩粉末中に含有される貴金属は、好ましくは金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、またはパラジウム（Ｐｄ）である。単一の貴金属を含有することもでき、また複数種類の貴金属を含有することもできる。
【００１８】
球形銀粉の平均粒径は、好ましくは０．１μｍから１０μｍ、より好ましくは０．３μｍから３．０μｍである。フレーク銀粉の平均粒径は、好ましくは０．３μｍから１０．０μｍ、より好ましくは０．３μｍから５．０μｍである。コロイド銀粉の平均粒径は、好ましくは１ｎｍから１００ｎｍである。導電性粉末の粒径は、粒度分布計（ＭＴ３３００□，Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ  Ｉｎｃ．）を用いて測定される。
【００１９】
加えられる導電性粉末の量は、熱硬化前の導電性接着剤の総重量を基準にして、好ましくは７０重量％から９０重量％、より好ましくは７５重量％から８５重量％である。
【００２０】
熱硬化性シリコーン樹脂
本発明の熱硬化性シリコーン樹脂は、ケイ素および酸素と、官能基とからなるポリシロキサンオリゴマーの重合生成物であり、（Ｒ2ＳｉＯ）nによって表される。この熱硬化性シリコーン樹脂中に含有されるＲは、好ましくは、炭素原子１から１０個を有するアルキル基、すなわちメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル、オクチル基、ノニル基、またはデシル基か、あるいはフェニル基からなる群から選択される１種類または２種類の官能基である。Ｒは、より好ましくは、メチル基、エチル基、およびプロピル基からなる群から選択される１種類または２種類の官能基である。このような官能基を含有する熱硬化性シリコーン樹脂は１５０度以上で加水分解−重合反応を経ると、３００度以下でその７０％以上が無機酸化物に変わる。したがってＬＥＤデバイス、集積回路、トランジスタ、またはこれらを含有するパッケージなどの高温処理が望ましくない電子部品を、３００度以下の低温で基板に接着させることができる。さらに、硬化後のシリコーン樹脂中の無機物質の量は、示差熱天秤（熱重量分析−示差熱分析：ＴＧ−ＤＴＡ）を用いて測定することができる。加えられるシリコーン樹脂の量は、導電性粉末の総重量を基準にして、好ましくは２重量％から５０重量％、より好ましくは５重量％から２０重量％である。
【００２１】
溶媒
本発明の溶媒は、熱硬化性シリコーン樹脂の粘度を調整するための有機溶媒である。溶媒は、好ましくは１００度以上の沸点を有する有機溶媒である。より好ましくは溶媒は、ホックアルピネオール（ｈｏｃａｒｐｉｎｅｏｌ）、テキサノール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセタート、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、トルエン、テルピネオール、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジアセトンアルコール、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、またはジメチルアセトアミドからなる群から選択される。これらの溶媒は単独で使用することもでき、または２種類以上を混合した後に使用することもできる。加えられる溶媒の量は、導電性粉末の総重量を基準にして、好ましくは４重量％から３０重量％である。
【００２２】
無機物質
本発明の導電性接着剤には、熱伝導性を向上させるために無機物質をさらに加えることができる。加えられる無機物質は、好ましくは、２０Ｗ／ｋｍ以上の熱伝導率を有する無機物質であり、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはダイヤモンド粉のうちの１種類または複数種類を含有する。加えられる無機物質の量は、導電性粉末の総重量を基準にして、好ましくは７重量％から５０重量％である。無機物質を加えた導電性接着剤は熱伝導性がさらに向上し、ＬＥＤデバイス、集積回路、またはトランジスタのような熱を発生する電子部品を接着するために使用した場合、電子部品からの熱の放散を促進させ、それによって熱のせいでこれらデバイスが受ける損傷を減らす。
【００２３】
接着対象物
本発明の接着対象物は、電気が供給される電子部品である。本発明の接着対象物には、ＬＥＤデバイス、ＬＥＤパッケージ、集積回路、集積回路パッケージ、抵抗器、コンデンサ、およびインダクタが含まれる。
【００２４】
基板
本発明の電気回路基板で使用される基板は無機または有機基板であることができ、その例には、紙にフェノール樹脂を含浸させた紙フェノール基板と、紙にエポキシ樹脂を含浸させた紙エポキシ基板と、ガラス繊維を層状に重ね、エポキシ樹脂を含浸させたガラス複合基板と、ガラス繊維で作られた布を層状に重ね、エポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板と、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）を絶縁材料用に使用したＴｅｆｌｏｎ（登録商標）基板と、窒化アルミニウム基板と、アルミニウム基板と、ガラスエポキシ基板の両面に紙エポキシ基板を形成した複合基板と、表面に絶縁層を設けたステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、または銅の金属基板とが挙げられる。
【実施例】
【００２５】
下記に、本発明の導電性接着剤の特定の例の説明を提供する。導電性粉末、熱硬化性シリコーン樹脂、および溶媒の異なる構成比を有する導電性接着剤を作製した。異なる構成比を有する導電性接着剤を、それぞれ実施例１から２０として示す（表１参照）。各組成の詳細を下記に述べる。
【００２６】
導電性粉末：
−  １μｍの平均粒径を有する銀粉（＃１１０００−１０、Ｆｅｒｒｏ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）
−  ０．３μｍの平均粒径を有する銀粉（＃１１０００−２５、Ｆｅｒｒｏ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）
−  ５μｍの平均粒径を有する銀粉（ＳＦ２６、Ｆｅｒｒｏ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）
−  １０ｎｍの平均粒径および８０％の銀含有量を有する銀コロイド（ＴＢ−Ａ０２、Ｄｏｗａ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）
溶媒（Ｔｅｘａｎｏｌ、Ｗａｋｏ  Ｐｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｌｔｄ．）
熱硬化性シリコーン樹脂
固体メチル型で低炭素含量を有する不揮発性Ｗａｃｋｅｒシリコーン（Ａｓａｈｉ  Ｋａｓｅｉ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）を使用した。このＷａｃｋｅｒシリコーンの特性は、軟化点：４５から６０度、かさ比重（２５℃）：０．５から０．６５、硬化条件：２００℃において６０分である。
【００２７】
これら実施例のそれぞれの導電性接着剤の導電性および接着性を評価した（表１参照）。導電性接着剤の生産方法および評価方法を下記に述べる。
【００２８】
導電性接着剤の生産方法
表１に示すそれぞれの構成比で銀の導電性粉末、熱硬化性シリコーン樹脂、および溶媒を計量した後、これら成分をミキサーで十分に撹拌し、３−ロールミルを用いて分散させた。各成分を十分に分散させた後、その導電性接着剤をガラス基板上にスクリーン印刷した。印刷パターンは、１０ｍｍ×２０ｍｍの長方形パターンおよび２ｍｍ×６０ｍｍの直線パターンからなる。導電性接着剤を印刷したガラス基板を、１５０℃の条件下のオーブン中で２０分間乾燥し、続いて２２０℃の条件下の焼成炉中で２０分間硬化した。
【００２９】
導電性接着剤の評価方法
ガラス基板上の２ｍｍ×６０ｍｍの直線パターンの形態の硬化フィルム厚さの抵抗値をマルチメーターで測定した。さらにガラス基板上の１０ｍｍ×２０ｍｍの長方形パターンをナイフで横に切った。単一のガラス基板上に１ｍｍ×１ｍｍの寸法の９個の正方形パターン、２ｍｍ×１ｍｍの寸法の１８個の長方形パターン、および２ｍｍ×２ｍｍの寸法の９個の正方形パターンを設けた。横切りした部分に市販のテープを貼り、そのテープを手で剥がした後、基板上に残った各サイズのパターンの数を数えた。表１の評価欄に示す接着力の結果は、基板上に残ったパターンの数を横切りしたパターンの数で割ることによって得られる商を示す。例えば７／９という結果は、９個の横切りしたパターンのうちの７個がテープ剥離試験後に基板上に残り、一方パターンのうちの２個が剥がれたことを意味する。実施例１から２０の比較により、熱硬化性シリコーン樹脂の含有量が導電性粉末の総重量を基準にして５重量％である実施例１の導電性接着剤の接着性は、熱硬化性シリコーン樹脂の含有量が５重量％を超える実施例２から２０の導電性接着剤の接着性よりも劣ることが明らかになった。しかしながら、実施例１の導電性接着剤が低抵抗であり、かつ２ｍｍ×２ｍｍのパターンの半数超が基板上に残るので、実施例１の導電性接着剤でさえ、比較的広い面積にわたって塗布された場合には十分な接着性および導電性を得ることが可能である。熱硬化性シリコーン樹脂の含有量が５重量％を超える実施例２から２０の導電性接着剤は、実施例１６を除いては一般に優れた接着性を有する。接着表面積が比較的広い場合には実施例１から２０のすべての導電性接着剤が好ましい接着性を有するが、接着表面積が比較的狭い場合は、実施例２から９、１１から１５、および１７から２０の導電性接着剤を使用することが、その剥離したパターンの数が１ｍｍ×１ｍｍのパターンの場合でさえゼロであるので好ましい。
【００３０】
抵抗に関しては、熱硬化性シリコーン樹脂の含有量が多いほど抵抗は高くなりがちであるという傾向が観察された。熱硬化性シリコーン樹脂の含有量が導電性粉末の総重量を基準にして２７重量％を超える実施例１０および１１では、抵抗値は比較的高い。他方、実施例３から１２の比較により、熱硬化性シリコーン樹脂の量が一定であるならば、加えられる銀コロイドの量が多いほど抵抗値は低い傾向があることが明らかになった。しかしながら、導電性粉末が全く銀コロイドからなる導電性接着剤（実施例１６）の場合、２ｍｍ×２ｍｍのパターンについてのみ剥離が観察されなかったので、接着表面積が比較的広い場合に使用するにはこの導電性接着剤が好ましい。
【００３１】
【表１】
2011510139.tif 000003
【００３２】
さらに、実施例２０と同じ組成を有する導電性接着剤を、熱伝導率の測定によって放熱性について評価した（表２参照）。典型的な組成を有する市販の導電性接着剤を比較用に使用した。より具体的には比較用に使用された導電性接着剤は、１０重量％のエポキシ樹脂、８５重量％の銀粉、および５重量％の溶媒からなる。
【００３３】
熱伝導率は下記の方法を用いて測定した。本発明による導電性接着剤を、７５ｍｍ×５２ｍｍの寸法を有し、厚さが１ｍｍのガラス基板上にスクリーン印刷した。印刷されたパターンは、１８ｍｍ×１８ｍｍの寸法を有し、厚さが５００μｍであった。導電性接着剤を印刷したガラス基板を１５０℃の条件下のオーブン中で２０分間乾燥し、続いて２２０℃の条件下の焼成炉中で２０分間硬化した。上に導電性接着剤が印刷され硬化されたガラス基板を、１１０℃の表面温度を有する熱板上に置き、続いて硬化したフィルム表面の温度を５秒ごとに測定した。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
熱硬化性シリコーン樹脂を含有する導電性接着剤（実施例２０）は、熱硬化性シリコーン樹脂を含有しない導電性接着剤（比較例）よりも急速な表面温度の上昇を示した。より詳細には１５秒後にすでに３度の温度差が観察され、２０秒後には６度の差が観察された。さらに７０秒目から後は、本発明による導電性接着剤が７５度であるのと比べて、比較例は６５度であった。これは、本発明による導電性接着剤が、基板の熱を伝達することによって熱を放出するためである。したがって本発明によるシリコーン樹脂を含有する導電性接着剤は、優れた熱伝導率を有すると判定された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2011510139.tif 000011
2011510139.tif 000012
2011510139.tif 000013