説明

導電性微粒子およびそれを用いた接着剤

【課題】半導体素子と回路基板の電極間を接続する際に、接続信頼性を向上させるとともに、電極との接触抵抗値を低く保つことができる導電性微粒子およびそれを用いた接着剤を提供することを目的とする。
【解決手段】導電性微粒子4は、金属微粒子8と、この金属微粒子8の表面に形成され、融点が350℃以下である金属層9とを備えている。従って、金属微粒子8と、当該金属微粒子8の表面に形成された金属層9との密着性が向上するとともに、耐圧性、および耐熱性が向上する。その結果、金属微粒子8の表面に形成された金属層9が剥がれるのを効果的に防止することできるため、電極6、7間の接続信頼性が向上するとともに、導電性微粒子4と電極6、7との接触抵抗値を低く保つことが可能になる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ICチップ等の半導体素子と回路基板との接続に使用される導電性微粒子およびこれを用いた接着剤に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ICチップ等の半導体素子と回路基板との電極間の接続においては、当該半導体素子を、導電性微粒子を有する接着剤を介して、回路基板上に接続する方法が採用されている。
【0003】
このような導電性微粒子としては、例えば、プラスチック類等の樹脂からなる基材微粒子の表面に、第1の金属層を設けるとともに、当該第1の金属層の表面に第2の金属層を設けた導電性微粒子が提案されている。この従来技術では、電極間において、当該第1、第2の金属層を溶融させることにより、一体化した合金層を形成し、電極間を接続する方法が採用されている。このような構成により、電極間の接続信頼性が向上すると記載されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
また、各種プラスチック類の樹脂からなる基材微粒子の表面に、融点が900℃以上の内側金属層を形成するとともに、当該内側金属層の外側に融点が350℃以下の外側金属層を形成した導電性微粒子が提案されている。このような構成により、導電性微粒子と電極の接触部分に、外側金属層の溶融部分が固着して導電性微粒子が電極に強固に接着するため、導電性微粒子と電極との接続信頼性が向上すると記載されている(例えば、特許文献2参照)。
【特許文献1】特開昭63−231889号公報
【特許文献2】特開平5−36306号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、上記従来の導電性微粒子においては、基材微粒子が樹脂により形成されているため、基材微粒子と、当該基材微粒子の表面に形成された金属層の密着性が乏しくなる。その結果、導電性微粒子間の接触時や、導電性微粒子と電極の接触時に、基材微粒子の表面に形成された金属層が剥がれやすくなり、電極間の接続信頼性が低下するとともに、導電性微粒子と電極との接触抵抗値を低く保つことが困難になるという問題があった。特に、接着剤の加熱加圧時に、圧力や熱により基材微粒子が変形しやすくなるため、当該基材微粒子の変形に伴って、金属層も変形し、この場合も、金属層が剥がれやすくなり、電極間の接続信頼性が低下するとともに、導電性微粒子と電極との接触抵抗値を低く保つことが困難になるという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子と回路基板の電極間を接続する際に、接続信頼性を向上させるとともに、電極との接触抵抗値を低く保つことができる導電性微粒子およびそれを用いた接着剤を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、導電性微粒子において、金属微粒子の表面に、融点が350℃以下の金属層が形成されていることを特徴とする。
【0008】
請求項1に記載の構成によれば、金属微粒子の表面に、融点が350℃以下の金属層が形成されているため、金属微粒子と、金属微粒子の表面に形成された金属層との密着性が向上する。従って、導電性微粒子を用いて電極間の電気的接続を行う際に、導電性微粒子間の接触時や、導電性微粒子と電極との接触時に、金属微粒子の表面に形成された金属層が剥がれるのを効果的に防止することができる。その結果、電極間の接続信頼性が向上するとともに、導電性微粒子と電極との接触抵抗値を低く保つことが可能になる。
【0009】
また、基材となる微粒子に、金属微粒子を使用することにより、樹脂製の基材微粒子に比し、耐圧性、および耐熱性が向上する。従って、接着剤の加熱加圧時に、圧力や熱により基材微粒子が変形するのを防止することができるため、金属層の変形も防止することが可能になる。従って、接着剤の加熱加圧時に、金属微粒子の表面に形成された金属層が剥がれるのを効果的に防止することができるため、結果として、電極間の接続信頼性が向上するとともに、導電性微粒子と電極との接触抵抗値を低く保つことが可能になる。
【0010】
また、金属層の融点を350℃以下としているため、半導体素子を、導電性微粒子を有する接着剤を介して、回路基板上に接続する場合に、接着剤の加熱により、金属層が部分的に融解あるいは軟化するため、半導体素子を回路基板上に強固に接続することが可能になる。
【0011】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の導電性微粒子であって、前記金属微粒子が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有しており、金属微粒子のアスペクト比が10以上であることを特徴とする。
【0012】
請求項2に記載の構成によれば、例えば、接着剤として、導電性接着剤を使用する場合に、導電性微粒子間の接触確率が高くなるため、導電性微粒子の配合量を増やすことなく、体積抵抗を下げることができる。また、導電性微粒子を、接着剤の厚み方向に配向させて、異方導電性の接着剤として使用する場合に、対向電極の導通抵抗を低くすることができ、良好な電気的接続を達成できる。
【0013】
また、金属微粒子が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有しており、優れたクッション性を有するため、半導体素子を、導電性微粒子を有する接着剤を介して、回路基板上に接続する場合に、半導体素子に損傷を与えることなく、接続することが可能になる。
【0014】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の導電性微粒子であって、金属微粒子の短径が1μm以下であることを特徴とする。
【0015】
請求項3に記載の構成によれば、例えば、接着剤として、導電性接着剤を使用する場合に、導電性微粒子間の接触確率が更に高くなるため、更に少ない導電性微粒子の配合量で、導通抵抗を低くすることができ、良好な電気的接続を達成できる。なお、ここでいう「短径」とは、金属微粒子の断面の長さのことをいう。
【0016】
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の導電性微粒子であって、金属微粒子が、強磁性を有する金属単体、強磁性を有する2種類以上の合金、強磁性を有する金属と他の金属との合金、および強磁性を有する金属を含む複合体のいずれかであることを特徴とする。
【0017】
請求項4に記載の構成によれば、金属自体が有する磁性により、磁場を用いて導電性微粒子を所望の方向に配向させることが可能になる。
【0018】
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の導電性微粒子であって、金属層が、インジウム、錫、鉛および錫と鉛の合金のいずれかであることを特徴とする。
【0019】
請求項5に記載の構成によれば、安価で入手が容易な材料を金属層として用いることが可能となる。
【0020】
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の導電性微粒子とエポキシ樹脂とを備え、導電性微粒子がエポキシ樹脂中に分散されていることを特徴とする。
【0021】
請求項6に記載の構成によれば、フィルム形成性、耐熱性、および接着力に優れた接着剤を作製することが可能になる。
【0022】
請求項7に記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の導電性微粒子を備える接着剤であって、導電性微粒子を接着剤の厚み方向に配向させたことを特徴とする異方導電性の接着剤である。
【0023】
請求項7に記載の構成によれば、異方導電性の接着剤の面方向における高い導電抵抗によって隣り合う電極間の絶縁を維持して短絡を防止しつつ、異方導電性の接着剤の厚み方向における低い導電抵抗によって多数の電極−電極間を一度に、かつ各々を独立して導電接続することが可能になる。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、導電性微粒子を用いて電極間の電気的接続を行う際の、接続信頼性を向上させることが可能になる。また、導電性微粒子と電極との接触抵抗値を低く保つこと可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下に、本発明の好適な実施形態について説明する。図1は、半導体素子と回路基板間を本発明の導電性微粒子で接続した状態を示す断面図である。また、図2は、本発明の導電性微粒子の概略構成を示す模式図である。
【0026】
図1に示すように、ICチップ等の半導体素子1と回路基板2の間には、絶縁性の樹脂3を主成分とし、当該樹脂3中に導電性微粒子4が分散された接着剤5が介在している。そして、当該接着剤5の加熱加圧を行うことにより、半導体素子1を回路基板2上に接続させるとともに、導電性微粒子4と、半導体素子1の電極6、および回路基板2の電極7を融着させ、当該電極6、7間を電気的に接続させる構成となっている。
【0027】
ここで、本発明においては、図2に示すように、金属製の基材微粒子(以下、「金属微粒子」という。)8の表面に、融点が350℃以下の金属層9が形成されている導電性微粒子4を使用する点に特徴がある。このような構成により、金属微粒子8と、当該金属微粒子8の表面に形成された金属層9との密着性が向上する。従って、導電性微粒子4間の接触時や、導電性微粒子4と電極6、7との接触時に、金属微粒子8の表面に形成された金属層9が剥がれるのを効果的に防止することができるため、電極6、7間の接続信頼性が向上するとともに、導電性微粒子4と電極6、7との接触抵抗値を低く保つことが可能になる。また、金属微粒子8を使用することにより、樹脂製の基材微粒子に比し、耐圧性、および耐熱性が向上する。従って、接着剤5の加熱加圧時に、圧力や熱により基材微粒子が変形するのを防止することができるため、金属層9の変形も防止することが可能になる。従って、接着剤5の加熱加圧時に、金属微粒子8の表面に形成された金属層9が剥がれるのを効果的に防止することができるため、結果として、電極6、7間の接続信頼性が向上するとともに、導電性微粒子4と電極6、7との接触抵抗値を低く保つことが可能になる。
【0028】
なお、金属層9の融点が350℃より高い場合では、接着剤5の加熱加圧を行うことにより、半導体素子1を回路基板2上に接続させる際に、接着剤5の加熱により、金属層9が十分に融解せず、導電性微粒子4と回路基板2とが確実に融着しない。しかし、本発明においては、金属層9の融点を350℃以下としているため、接着剤5の加熱により、金属層9が、部分的に融解あるいは軟化するため、半導体素子1を回路基板2上に強固に接続することが可能になる。
【0029】
また、本発明に使用される接着剤5としては、従来、半導体素子1と回路基板2の接続に使用されてきた、エポキシ樹脂等の絶縁性の熱硬化性樹脂を主成分とし、当該樹脂中に導電性微粒子4が分散された接着剤5が使用できる。特に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を使用することにより、フィルム形成性、耐熱性、および接着力に優れた接着剤5を作製することが可能になる。
【0030】
また、使用するエポキシ樹脂は、特に制限はないが、例えば、ビスフェノールA型、F型、S型、またはAD型のエポキシ樹脂や、ナフタレン型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等を使用することができる。また、高分子量エポキシ樹脂であるフェノキシ樹脂を用いることもできる。
【0031】
エポキシ樹脂の分子量は、半導体素子接続用の接着剤5に要求される性能を考慮して、適宜選択することができる。高分子量のエポキシ樹脂を使用すると、フィルム形成性が高く、また、接続温度における樹脂の溶解粘度を高くでき、後述の導電性粒子の配向を乱すことなく接続できる効果がある。一方、低分子量のエポキシ樹脂を使用すると、架橋密度が高まって耐熱性が向上するとともに、樹脂の凝集力が高まるため、接着力が高くなるという効果が得られる。従って、分子量が15000以上の高分子量エポキシ樹脂と分子量が2000以下の低分子量エポキシ樹脂とを組み合わせて使用することにより、性能のバランスが取れるため、好ましい。なお、高分子量エポキシ樹脂と低分子量エポキシ樹脂の配合量は、適宜、選択することができる。
【0032】
また、潜在性硬化剤を含有する接着剤5も使用できる。本発明に使用される潜在性硬化剤は、低温での貯蔵安定性に優れ、室温では殆ど硬化反応を起こさないが、熱や光等により、速やかに硬化反応を行う硬化剤である。この潜在性硬化剤としては、イミダゾール系、ヒドラジド系、三フッ化ホウ素−アミン錯体、アミンイミド、ポリアミン系、第3級アミン、アルキル尿素系等のアミン系、ジシアンジアミド系、および、これらの変性物が例示され、これらは単独または2種以上の混合物として使用できる。
【0033】
また、本発明に使用される金属微粒子8は、その一部に強磁性体が含まれるものが良く、強磁性を有する金属単体、強磁性を有する2種類以上の合金、強磁性を有する金属と他の金属との合金、および強磁性を有する金属を含む複合体のいずれかであることが好ましい。これは、強磁性を有する金属を使用することにより、金属自体が有する磁性により、磁場を用いて導電性微粒子4を配向させることが可能になるからである。例えば、ニッケル、鉄、コバルトおよびこれらのうち2種類以上の合金等を挙げることができる。
【0034】
また、導電性微粒子4を含む異方導電性の接着剤も使用することができる。ここで、異方導電性の接着剤に使用される導電性微粒子4としては、例えば、球状の金属微粒子8の表面に、上述の金属層9が形成されたものや、金属微粒子8が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有する、所謂アスペクト比が大きい金属微粒子8の表面に金属層9が形成されたものを使用することもできる。なお、ここで言うアスペクト比とは、金属微粒子8の短径(金属微粒子8の断面の長さ)と長径(金属微粒子8の長さ)の比のことを言う。
【0035】
特に、上述の、金属微粒子8が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有する導電性微粒子4を使用する場合、導電性微粒子4を、異方導電性の接着剤を形成する時点で異方導電性の接着剤の厚み方向にかけた磁場の中を通過させることにより、厚み方向(磁場方向であって、図1の矢印Xの方向)に配向させて用いるのが好ましい。このような配向にすることにより、異方導電性の接着剤の面方向における高い導電抵抗によって隣り合う電極間の絶縁を維持して短絡を防止しつつ、異方導電性の接着剤の厚み方向における低い導電抵抗によって多数の電極−電極間を一度に、かつ各々を独立して導電接続することが可能になる。
【0036】
また、金属微粒子8が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有する導電性微粒子4を使用する場合、金属微粒子8のアスペクト比が10以上であることが好ましい。このような金属微粒子8を使用することにより、例えば、接着剤5として、導電性接着剤を使用する場合に、導電性微粒子4間の接触確率が高くなる。従って、導電性微粒子4の配合量を増やすことなく、体積抵抗を下げることができる。また、導電性微粒子4を、接着剤5の厚み方向に配向させて、異方導電性の接着剤として使用する場合に、対向電極の導通抵抗を低くすることができ、良好な電気的接続を達成できる。
【0037】
また、金属微粒子8が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有しており、優れたクッション性を有するため、半導体素子1を、導電性微粒子4を有する接着剤を介して、回路基板2上に接続する場合に、半導体素子1に損傷を与えることなく、接続することが可能になる。
【0038】
なお、金属微粒子8のアスペクト比は、CCD顕微鏡観察等の方法により直接測定するが、断面が円でない金属微粒子8の場合は、断面の最大長さを短径としてアスペクト比を求める。また、金属微粒子8は、必ずしもまっすぐな形状を有している必要はなく、多少の曲がりや枝分かれがあっても、問題なく使用できる。この場合、金属微粒子8の最大長さを長径としてアスペクト比を求める。
【0039】
また、金属微粒子8の短径が1μm以下であることが望ましい。このような金属微粒子8を使用することにより、例えば、接着剤5として、導電性接着剤を使用する場合に、導電性微粒子4間の接触確率が更に高くなるため、更に少ない導電性微粒子4の配合量で、導通抵抗を低くすることができ、良好な電気的接続を達成できる。
【0040】
また、金属微粒子8の表面に形成される、融点が350℃以下の金属層9の材料としては、例えば、インジウム(融点:157℃)、錫(融点:232℃)、鉛(融点:327℃)、錫と鉛の合金のいずれかであることが好ましい。このような構成により、安価で入手が容易な材料を金属層9として用いることが可能となる。
【0041】
なお、金属層9の形成方法としては、特に限定されることなく、例えば、無電解メッキ、や真空蒸着、スパッタリング等の物理的蒸着方法が挙げられ、これらの方法を単独で、または組み合わせることにより、金属層9を形成することができる。
【実施例】
【0042】
以下に、本発明を実施例、比較例に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、これらの実施例を本発明の趣旨に基づいて変形、変更することが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
【0043】
(実施例1)
(接着剤の作製)
基材となる金属微粒子として、短径が0.3μmであって、3μmから11μmまでの鎖長分布を有する、直鎖状に繋がったニッケル微粒子を用意し、当該ニッケル微粒子の表面に、金属層として厚さ50nmのインジウム層を形成し、導電性微粒子を得た。また、当該導電性微粒子が分散される絶縁性の樹脂としては、ビスフェノールA型の固形エポキシ樹脂〔ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名エピコート1010〕、ビスフェノールA型の液状エポキシ樹脂〔大日本インキ化学工業(株)製、商品名エピクロン850〕を使用し、潜在性硬化剤としては、マイクロカプセル型イミダゾール系硬化剤〔旭化成エポキシ(株)製、商品名ノバキュアHX3941〕を使用し、これらを重量比で50/50/40の割合で用いた。
【0044】
これらの樹脂および潜在性硬化剤を酢酸ブチルに溶解後、三本ロールによる混練を行い、樹脂濃度が35重量%である溶液を作製した。この溶液に、固形分の総量(導電性微粒子+樹脂+硬化剤)に占める割合で表される金属充填率が、1体積%となるように上記導電性微粒子を添加した後、遠心攪拌ミキサーを用いて攪拌することにより導電性微粒子を均一に分散し、接着剤用の複合材料を作製した。次いで、この複合材料を離型処理したPETフィルム上にドクターナイフを用いて塗布した後、磁束密度100mTの磁場中、60℃で30分間、乾燥、固化させることにより、膜中の直鎖状に繋がったニッケル微粒子を磁場方向に配向させ、導電性微粒子を接着剤の厚み方向に配向させた厚さ22μmの異方導電性接着剤を作製した。
【0045】
(抵抗評価)
幅15μm、長さ100μm、高さ16μmのAuメッキバンプが15μm間隔で726個配列されたICチップと、アルミニウムとチタンの合金であって、幅20μm、長さ100μm、高さ0.3μmの電極が、10μm間隔で726個形成された回路基板とを用意した。次いで、このICチップと回路基板の間に作製した接着剤を挟み、200℃に加熱しながら、1バンプあたり20gfの圧力で20秒間加圧して接着させ、ICチップと回路基板の接合体を得た。次いで、この接合体の726個の電極のうち、電極、接着剤、およびAuバンプを介して接続された連続する480個の電極の抵抗値を四端子法により求め、求めた値を480で除することにより、1電極あたりの接触抵抗を求めた。そして、この評価を10回繰り返し、接触抵抗の平均値を求めた。
【0046】
また、環境試験として、上記のICチップと回路基板の接合体を、高温側を125℃、30分、低温度を−65℃、30分、湿度を90%に設定した冷熱衝撃試験器(エスペック(株)製、TSE−11−A)内にセットして、200サイクルまで試験した。その後、接合体を冷熱衝撃試験器から取り出して、再び抵抗値を測定し、1電極あたりの接触抵抗を求めた。その結果を表1に示す。
【0047】
(実施例2)
上述のニッケル微粒子の表面に、金属層として厚さ100nmのはんだ層(鉛が37wt%、錫が63w%のもの)を形成し、導電性微粒子を得たこと以外は、上述の実施例1と同様にして、ICチップと回路基板の接合体を得た。その後、上述の実施例1と同一条件により、抵抗評価を行った。以上の結果を表1に示す。
【0048】
(比較例1)
導電性微粒子の基材微粒子として、アクリル樹脂製の基材微粒子を使用したこと以外は、上述の実施例1と同様にして、ICチップと回路基板の接合体を得た。その後、上述の実施例1と同一条件により、抵抗評価を行った。以上の結果を表1に示す。
【0049】
【表1】

【0050】
表1に示すように、実施例1、2においては、比較例1に比し、初期接触抵抗が小さいことが判る。特に、冷熱衝撃試験器による200サイクル経過後は、実施例1、2においては、比較例1に比し、接触抵抗の上昇が小さく、電極と導電性微粒子との接続信頼性が向上していることが判る。これは、実施例1、2においては、導電性微粒子の基材となる微粒子に金属微粒子を使用するとともに、当該金属微粒子であるニッケル微粒子の表面に、融点が350℃以下の金属層を形成したため、樹脂製の基材微粒子を使用した比較例1に比し、金属微粒子と、当該金属微粒子の表面に形成された金属層との密着性が向上するとともに、耐圧性、および耐熱性が向上し、金属微粒子の表面に形成された金属層が剥がれるのを効果的に防止することができたためであるものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明の活用例としては、ICチップ等の半導体素子と回路基板との接続に使用される導電性微粒子およびこれを用いた接着剤が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】半導体素子と回路基板間を本発明の導電性微粒子で接続した状態を示す断面図である。
【図2】は、本発明の導電性微粒子の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【0053】
1…半導体素子、2…回路基板、3…樹脂、4…導電性微粒子、5…接着剤、6…電極、7…電極、8…金属微粒子、9…金属層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属微粒子の表面に、融点が350℃以下の金属層が形成されていることを特徴とする導電性微粒子。
【請求項2】
前記金属微粒子が、微細な一次粒子が、多数、直鎖状に繋がった形状あるいは針形状を有しており、前記金属微粒子のアスペクト比が10以上であることを特徴とする請求項1に記載の導電性微粒子。
【請求項3】
前記金属微粒子の短径が1μm以下であることを特徴とする請求項2に記載の導電性微粒子。
【請求項4】
前記金属微粒子が、強磁性を有する金属単体、強磁性を有する2種類以上の合金、強磁性を有する金属と他の金属との合金、および強磁性を有する金属を含む複合体のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の導電性微粒子。
【請求項5】
前記金属層が、インジウム、錫、鉛および錫と鉛の合金のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の導電性微粒子。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の導電性微粒子とエポキシ樹脂とを備え、前記導電性微粒子が前記エポキシ樹脂中に分散されていることを特徴とする接着剤。
【請求項7】
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の導電性微粒子を備え、前記導電性微粒子を接着剤の厚み方向に配向させたことを特徴とする異方導電性の接着剤。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2007−26776(P2007−26776A)
【公開日】平成19年2月1日(2007.2.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−204674(P2005−204674)
【出願日】平成17年7月13日(2005.7.13)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】