(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接着性を有する液状の高分子材料の内部に、周囲をアルキル鎖殻で被覆した、大きさが５ｎｍ程度のクラクタ状の銀超微粒子を有機溶剤に溶解させて混入分散させ、塗布または充填後、焼成するようにしたことを特徴とする導電接着剤。
【請求項２】
前記銀超微粒子は、銀を含む有機錯体を熱分解して製造したものであることを特徴とする請求項１記載の導電接着剤。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子部品や半導体装置等を構成するチップを基板等に搭載する際に、前記チップの表面に設けられた電気接合用バンプ（接点）と基板上の電極（接点）とを電気的に接合するのに使用される導電接着剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電子部品や半導体装置等を構成するチップの表面に配列した電気接合用バンプと、基板上のこれらの各バンプに対応する位置に設けた電極との電気的接合には、鉛を含むはんだを用いたソルダリング（はんだ接合法）が広く用いられている。これは、この種のソルダリングによれば、一般的に〜３９．２ＭＰａ程度の接合強度を確保するとともに、バルクの電気抵抗率が〜１７μΩcm程度、溶融温度が〜１８０℃程度となって、各特性のバランスがとれているからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉛は毒性が強く、人間の生活環境に与える影響が極めて深刻な状況になるとの認識が強まっており、使用を制限することが強く望まれている。なお、鉛を含むソルダを回収して再利用することも考えられるが、費用がかなり高く、経済原則から現状ではその実現が困難である。一方、鉛以外の元素から構成するはんだ材料もあるが、融点が高くなり、リペアが厄介で接続強度も劣る等の欠点があるので、実用上、鉛はんだに対抗できる材料は見あたらないのが現状である。
【０００４】
このため、鉛を使用しない電気的接合を行う接合法の一つとして、導電接着剤を使用したものが開発されている。導電接着剤は、導電性を有する充填材（導電フィラー）としての銀や炭素等の粒子を、接着性を有する有機高分子中に混入分散することによって、接着性と導電性を同時に実現したものである。この導電接着剤の主成分である高分子材料としては、接着性や耐久性が優れているエポキシ樹脂が一般に使用されている。
【０００５】
しかしながら、導電接着剤を使用した接合法とソルダを用いた接合法（ソルダリング）とを比較すると、導電接着剤を使用した接合法では、接続部の電気抵抗率がソルダリングに比べて遙かに高くなるという難点がある。
【０００６】
表１は、導電フィラーとして銀を使用した導電接着剤とニッケルを使用した導電接着剤の電気抵抗率と接着強度を示すものである。
【表１】
0004073126.tif 000002
【０００７】
この表１から、銀を導電フィラーとした導電接着剤であっても、ソルダに比較して、電気抵抗率が１桁大きなレベルになっていることが判る。一方、接着強度は、３ＭＰａの値を示しており、これは現状の鉛入りのソルダのそれ（１０−１５ＭＰａ）の２０〜３０％の値を示しているので、接続部分の継手形状や寸法に留意すれば、十分実用に値するレベルに達している。
【０００８】
それ以外の電気・熱特性等（誘電損失、静電容量、破損率）では、導電接着剤の方がソルダを上回る実績を示している。即ち、図４は、はんだペースト、銀フィラー接着剤、ニッケルフィラー接着剤の各周波数における静電容量の比較を、図５は、同じく誘電損失の比較を示すそれぞれグラフである。これらのグラフから、導電接着剤の性能は、はんだペーストと同等かそれを上回るものとなっていることが判る。また、図６は、はんだペースト、レゾールフェノール樹脂、ノボラックフェノール樹脂の熱サイクル試験による破損率の比較を示すグラフである。このグラフから、導電接着剤にははんだペーストを上回るレベルに達したものもあることが判る。
【０００９】
以上から、電気抵抗率の面で満足できれば、導電接着剤を鉛入りソルダを使用したソルダリングに代替えできることが判る。
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、電気抵抗率を小さくして従来のソルダリングに代替え可能な導電接着剤を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、接着性を有する液状の高分子材料の内部に、周囲をアルキル鎖殻で被覆した、大きさが５ｎｍ程度のクラクタ状の銀超微粒子を有機溶剤に溶解させて混入分散させ、塗布または充填後、焼成するようにしたことを特徴とする導電接着剤である。
【００１１】
これにより、液状の高分子材料の内部に銀超微粒子を凝集を起こすことなく均一に混入分散させ、焼成の際の高分子材料の収縮・硬化に伴って銀超微粒子同士を強固に接触させることによって、ソルダとほぼ同等な電気抵抗率を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記銀超微粒子は、銀を含む有機錯体を熱分解して製造したものであることを特徴とする請求項１記載の導電接着剤である。この銀超微粒子は、例えばステアリン酸銀を２５０℃程度の窒素雰囲気で４時間加熱し、精製することによって製造される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態の導電接着剤を示し、図１（ａ）は、例えばプリント配線板１０の表面に導電接着剤２０を塗布した直後の状態を、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す導電接着剤２０を焼成した後の状態をそれぞれ概念的に示すものである。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、導電接着剤２０は、その導電要素として、導電性の良い、例えば単体の銀で構成された銀超微粒子２２を利用し、その周囲をアルキル鎖殻２４で被覆したものを、接着剤と有機溶媒の混合液である液状の高分子材料２６内に混入分散させたものである。この銀超微粒子（金属超微粒子）２２は、その寸法が約５ｎｍ程度と極小クラスタ状をなしている。
【００１６】
ここで、周囲をアルキル鎖殻２４で被覆した、約５ｎｍ程度の極小クラクタ状の銀超微粒子２２は、例えばミリスチン酸、ステアリン酸またはオレイン酸を水酸化ナトリウムによって鹸化し、しかる後、硝酸銀と反応させることによって作製した直鎖型脂肪酸銀塩（アルキル鎖の炭素数＝１４，１８，１８ω）を、２５０℃程度の窒素雰囲気で４時間加熱し、精製することによって製造される。そして、このような、５ｎｍとクラスターレベルの極小な粒径をなした銀超微粒子２２を、例えばシクロヘキサン等の有機溶媒に溶解した状態で、液状の高分子材料２６内に供給し分散させると、極めて分散性が良好で、互いに凝集することなく、銀超微粒子２２が安定した状態で媒質中に均一に混じり合う。すなわち、高分子材料２６が液状の場合は、図１（ａ）に示すように、銀超微粒子２２同士は、互いに非接触状態で、高分子材料２６中に均一に分散する。
【００１７】
前記高分子材料２６の接着剤の主成分としては、例えば、エポキシ系、フェノール系またはポリイミド系のような熱硬化性樹脂を用いている。この種の熱硬化性樹脂は、例えば、１７０℃以上の昇温・保持の操作で乾燥・硬化し、その際に一定の体積収縮を起こす。一方、銀超微粒子２２を被覆しているアルキル鎖殻２４は、２００℃程度の加熱で消滅することが知られている。
【００１８】
つまり、導電接着剤２０を約２００℃で焼成すると、図１（ｂ）に示すように、銀超微粒子２２の周囲を覆っていたアルキル鎖殻２４は消失し、更に、高分子材料２６の収縮・硬化に伴って銀超微粒子２２同士が直接接触を起こし、導電性を帯びると同時に高分子材料２６は硬化して接着が完了する。
この過程は、接着剤以外の導電性樹脂、導電性ゴム（エラストマ）、導電性塗布料等に導電性を付与する場合のそれと基本的に同じである。
【００１９】
次に、導電接着剤２０内に銀超微粒子２２の占める割合について説明する。
今、単純化のために、図２に示すように、面心立方格子状に同一サイズの銀超微粒子２２を配置したと仮定する。単位胞たる立方体内部に球（銀超微粒子２２）の体積が占める割合Ｒは、球の半径をａとすれば、単位格子について、幾何学的に下記の式（１）で表すことができる。
【数１】
0004073126.tif 000003
【００２０】
従って、大きさの等しい球体ならば、最大７４％の体積率まで球体を充填することができる。これにより、銀超微粒子２２の占める割合を７４％、残りを高分子材料２６とすることで、銀超微粒子２２を最も多く含んだ、電気抵抗率を改善する上で最適の導電接着剤２０を構成することができる。
【００２１】
次に、電気抵抗率が改善する原理について説明する。
金属は、その融点を単位Ｋで表し、ＴＭと置いたとき、０．３ＴＭ以上の昇温によって、一般に表面拡散現象を開始することが判っている。更に、同種の金属同士が互いに接触しているとき、表面拡散による接着（凝着と同じ意味）は、銀の場合、ＴＭの４０％の温度に保持することによって開始するという現象がある。これによると、銀の融点が１２３３Ｋ（９６０℃）なので、接着（凝着）開始温度は、４８０Ｋ（２０７℃）となる。
【００２２】
したがって、導電接着剤２０を部材表面に塗布、または部材間に充填した後、２０７℃以上に昇温保持することによって、銀超微粒子２２同士の相互接着（凝着）が起こり、その結果、導電断面積が実質的に増加する。
【００２３】
今、簡単のために、半径ａの２つの球体（銀超微粒子２２）が図３（ａ）に示す接触状態から、焼成によって図３（ｂ）に示す焼結状態に移行したと仮定する。図３（ａ）に示す接触の状態の場合は、その接触面が円となっている。この接触円の半径ａ１は、弾性論によって計算することができ、式（２）となる。
【数２】
0004073126.tif 000004
ここで、Ｐは押付け力、Ｅは縦弾性係数である。
【００２４】
今、押付け力を半径ａの球の投影面積×大気圧の１００倍相当、ａ＝２．５ｎｍ＝２．５×１０−６ｍｍとして、銀の縦弾性係数Ｅ＝７９．０ＧＰａを式（２）に代入すると、ａ１＝０．２ｎｍを得る。そして、図３（ｂ）に示す焼成後は、２つの球体が焼結したことによって互いの接着（凝着）断面（円状）の半径が０．６ｎｍ（≡ａ２）に増加しているとすると、導電路断面積は（ａ２／ａ１）２＝９と９倍に拡大する。以上のように、従来と異なって、塗布後の焼結過程を経る結果、この導電接着剤の電気抵抗率は、表１に示す導電フィラーとして銀を使用した従来の導電接着剤の１／９程度に低減でき、現状の６０％Ｓｎ−４０％Ｐｂソルダとほとんど同じレベルの値に改善できることが判る。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液状の高分子材料の内部に金属超微粒子を凝集を起こすことなく均一に混入分散させ、焼成の際の高分子材料の収縮・硬化に伴って金属超微粒子同士を強固に接触させると共に、焼成時の焼結反応による粒子相互間の凝着を起こす結果、ソルダとほぼ同等な電気抵抗率を得ることができ、これによって、従来のソルダリングに代替え可能な導電接着剤を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態の導電接着剤を塗布した直後の状態を、（ｂ）は導電接着剤の焼成後の状態を概念的に示す図である。
【図２】立方体内部に球体（金属超微粒子）の体積が占める割合の説明に付する図である。
【図３】（ａ）は２つの球体（金属超微粒子）が接触した状態を、（ｂ）は同じく焼結後の状態を示す図である。
【図４】はんだペーストと導電接着剤の静電容量の比較を示すグラフである。
【図５】はんだペーストと導電接着剤の誘電損失の比較を示すグラフである。
【図６】はんだペーストと導電接着剤の熱サイクル試験による破損率比較を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  プリント配線板
２０  導電接着剤
２２  銀超微粒子
２４  アルキル鎖殻
２６  高分子材料
【図１】
0004073126.tif 000005
【図２】
0004073126.tif 000006
【図３】
0004073126.tif 000007
【図４】
0004073126.tif 000008
【図５】
0004073126.tif 000009
【図６】
0004073126.tif 000010