各向異性導電膜的製造方法以及使用該膜的連接器的製作方法
2023-05-28 02:02:21
專利名稱：各向異性導電膜的製造方法以及使用該膜的連接器的製作方法
技術領域：
本發明涉及形成薄膜狀的、在其厚度方向上具有導電性區域、在其橫方向上則不具有導電性或導電性極低的各向異性導電膜，涉及該膜的製造方法以及使用該膜的連接器。
作為把半導體元件直接安裝到電路基板上的方法，有以往的引線鍵合方式、TAB方式及倒裝晶片方式等，都已經實用化。而且最近又提出了許多利用各向異性導電膜、各向異性的導電糊劑和導電性粘結劑來進行接合的例子。
以往，各向異性導電膜往往是把導電性粒子分散在熱可塑性或熱硬化性的薄膜內，而且在絕緣薄膜中以一定間隔形成金屬凸點(區域)。此外，作為各嚮導性的導電糊劑也往往把微細的導電性粒子分散到熱硬化性樹脂中。使用各向異性導電膜和各向異性的導電糊劑的接合方法都是通過介入導電性粒子使襯底電路與半導體元件的電極接觸而使之結合的。此外，形成金屬凸點是利用凸點金屬與電極金屬的合金化使之進行金屬結合的方式達到電接觸。
在上述使用各向異性導電膜的接合方法中，導電性是由以無序方式分散在薄膜中的金屬粒子引起的接觸來決定的，而為了產生各向異性，樹脂膜中所佔的粒子含量受到控制。由於這個原因就存在當金屬粒子相互間的接觸點數變少時使用各向異性導電膜的場合下的連接電阻要增大1～10歐姆的缺點。此外由於採用在連接部處加一個大的壓力的同時進行加熱和使用熱硬化-熱可塑性樹脂使之粘結硬化的方法達到導電連接，因此還必需使用加熱壓接機。
再有，一旦粘結後如果想要把它剝離開，需要再次進行加熱先將薄膜剝離下來，之後，還要用溶劑擦去粘結處的遺留物，這些都很費事，因此以上方法中存在修復性方面的問題。
此外，在絕緣性薄上以一定間隔形成金屬凸點的方法中，因為在金屬凸點間存在一定間隔的絕緣體，故在導電連接時不存在與相鄰的電路產生短路的擔心，又因為能取多個接點數，故降低連接電阻是可能的。但是在這個方法中為了要得到穩定的導電連接，用於使凸點的金屬與半導體元件和基板的電極產生合金化連接的高溫加熱和加壓是必要的，故用於這方面的裝置是必要的，在此同時，加壓時的半導體元件的損傷，還有基板本身在電路的連接時的破損等的問題是存在的。就這個方法而言連接一次後要修復是比較困難的。
本發明的目的是提供一種新的連接構件和它的製造方法，該新的連接構件在半導體元件的安裝或在使封裝了半導體元件的組件導電地連接到電路基板的印刷基板間的微細電極間的接合方面，能容易地進行連接而且連接電阻值很小，在發生連接不良的場合也能容易地進行連接構件的更換修復。
本發明提供一種各向異性導電膜，其特徵是具有在兩個表面間形成了許多個貫通孔的、厚度大致一定的電絕緣性薄膜以及充填在該電絕緣性薄膜的上述貫通孔內並以一定尺寸突出於上述電絕緣性薄膜兩個表面的多個導電性彈性體。
本發明還提供一種各向異性導電膜的製造方法，該方法的步驟包括在厚度大致一定的電絕緣性薄膜的兩面形成可以進行腐蝕的覆蓋箔層;在形成了上述覆蓋箔層的上述電絕緣性薄膜中形成多個貫通孔;用導電性彈性體充填該貫通孔;通過腐蝕除去上述覆蓋箔層從而形成各向異性導電膜。
本發明還提供一種使用薄膜狀各向異性導電膜的連接器，其特徵是具有在兩個表面間形成了許多個貫通孔的、厚度大致一定的電絕緣性薄膜以及充填在該電絕緣性薄膜的上述貫通孔內並以一定尺寸突出於上述電絕緣性薄膜兩面的多個導電性彈性體，在具有多個電極的半導體元件等與形成了連接焊接區的襯底之間插入上述連接器並壓緊從而達到兩者間的相互連接。
本發明提供一種在將半導體元件或封裝了半導體元件的組件連接到襯底上時把形成了既有彈性又有導電性的凸點的各向異性導電膜作為導電連接構件插入到電極焊接區中間、在不使用以往的焊錫等焊劑的情況下進行低溫下的接合、在接合不良時能容易地進行更換的裝配結構。
該各向異性導電膜做成在電絕緣性薄膜中以一定間隔或無序地開出貫通孔、把導電性彈性體充填到該貫通孔內、導電性彈性體突出於該電絕緣性薄膜的兩側表面的形狀。導電性彈性體是採用將金屬粉末分散在矽酮系樹脂內形成的材料。
半導體元件的封裝是在把夾有本發明的各向異性導電膜的基板與半導體元件的電極焊接區的位置進行重合後，採用外加壓力或粘結力通過導電性彈性體進行電連接。因為是採用彈性體使之進行加壓接合，首先進行接觸的部分發生變形，故在各焊接區上能維持一定荷重以上的接合壓力，這樣在所有的焊接區上都能得到穩定的接觸電阻。此外，因為是採取以接觸的方式進行電連接，因此如果解除外加壓力就能容易地從襯底上取下半導體元件。
以下將詳細地敘述關於在本發明中應用的各向異性導電膜的製造方法。
在薄膜方面，如果是具有電絕緣性的材料，那麼無論是有機或無機材料都是可以用的。但是比較理想的薄膜材料是兩側覆蓋了銅層的、有機的聚醯亞胺薄膜。從該薄膜的兩側或一方開始，採用腐蝕方法開出一定形狀(例如圓形)的孔。其後，採用鹼性腐蝕方法以銅箔作為掩模對聚醯亞胺薄膜進行腐蝕，這就作成銅-聚醯亞胺-銅的三層結構。孔的直徑根據連接的圖形不同而不同，可能的範圍是從數十微米至數微米。
此外，在已開了孔的孔側面採用電鍍工藝進行通孔電鍍，這樣可忽略該部分的導電性樹脂的電阻，作為最終的薄膜連接器的連接電阻很小，顯示出良好的導電性能。
把導電性矽酮橡膠充填到已開孔的薄膜中。導電性矽酮橡膠是在附加型的液體狀矽酮樹脂中添加金、銀、銅、鎳、鈀、或上述金屬的合金，把以上金屬電鍍到有機或無機物質上形成的複合物、或是將貴金屬電鍍到金屬粒子上再添加到液體狀矽酮樹脂中而形成的材料。上述添加物的粉末可以通過如電解、還原、粉碎、霧化等方法來製作，顆粒直徑相對於薄膜的孔徑來說足夠小的粉末是比較理想的。
而且，除了把導電性粒子分散到矽酮系樹脂中形成的材料之外，可使用所有具有彈性體性質並顯示出導電性的材料。
作為把導電性樹脂充填到薄膜的孔中去的方法，採用印刷法、刮刀法等的充填樹脂的方法是較理想的。除去附著在薄膜的孔以外的部分的樹脂，只對充填的樹脂進行加熱硬化，在薄膜的孔內形成導電性彈性體。
採用腐蝕方法溶解覆蓋在薄膜的兩面的銅層，形成突出於絕緣薄膜的表面的凸點狀的導電性彈性體。採用對該凸點進行貴金屬電鍍的方法有可能使接觸電阻進一步降低從而實現更穩定的接觸。關於貴金屬電鍍的方式，在對整個薄膜進行活性化處理和充分的水洗後先鍍鎳後鍍金的方式是較理想的。特別在導電性樹脂內使用銀粉末的場合，因為在銀的表面採用鎳和在其上的金進行覆蓋，故可防止銀的遷移現象。
在這樣的鍍金的場合，對突出於彈性體表面的銀粒子進行電鍍，在作為連接器使用的場合，形成鍍以數微米金的凸點，如將該凸點壓接到對面一側的電極上，那麼微細的凸點就會滲入到對面一側的金屬中，產生一種摩擦接觸(wiping)的效果，從而使接觸電阻更為穩定。本發明中因為在彈性體中採用了附加型的液體狀矽酮樹脂，因此凸點本身具有彈性，又由於在彈性體中混合均勻的粉體的均衡化，賦予了凸點低電阻的導電性機能。
如採用這樣的導電性的彈性體，即使在低的接合壓力下也可降低接觸電阻，由於矽酮樹脂在熱和腐蝕環境中的化學穩定性，可形成高可靠性的連接器。此外，對凸點內和凸點表面的銀粒子鍍了金以後，即使在腐蝕環境下使用連接器性能也不會劣化，顯示出穩定的電阻。
這樣在絕緣薄膜內設置貫通孔並將導電性彈性體微細地分散開，作為連結器不僅可用於與半導體元件的導電連接和半導體組件的導電連接，而且可用於高密度(fine pitch)電路基板的連接。此外，在液晶顯示裝置用的電路的連接方面使用著以往的各向異性導電膜，但是，如使用本發明的各向異性導電膜，則可解決降低連接電阻、在連接處的短路及修復性方面的問題。
圖1至圖5是在本發明的各向異性導電膜的一系列製造工序中的各向異性導電膜的截面圖。
圖6是顯示在彈性體凸點處鍍了金的例子的截面圖。
圖7至圖9是顯示在已開孔的聚醯亞胺薄膜的孔內壁進行了通孔電鍍的和在凸點側面進行了鍍金的例子的截面圖。
圖10是使用了本發明的各向異性導電膜時的電極接合部的截面圖。
圖11是使用了以往的各向異性導電膜時的電極接合部的截面圖。
圖12至圖13是顯示將半導體元件用本發明的各向異性導電膜進行了接合的例子的截面圖。
符號說明如下1抗蝕劑2箔(銅箔)3電絕緣性薄膜4凸點5貫通孔6導電性彈性體(導電性矽酮樹脂)8各向異性導電膜以下根據本發明的實施例並參照附圖進行說明。圖1至圖9示出各向異性導電膜的製造方法。在厚度為25μm的聚醯亞胺薄膜3的兩面在不用粘結劑的情況下形成了17μm厚的銅箔2，為了在這樣產生的薄膜上形成直徑為50μm的孔(貫通孔)，如圖1那樣先形成抗蝕劑1。其次如圖2那樣用氯化鐵溶液腐蝕銅箔2，下一步如圖3那樣用強鹼腐蝕聚醯亞胺薄膜3，從而形成貫通孔5。
如圖4那樣將把雜質極少的銀粒子均勻混合在附加型液體狀的矽酮樹脂中形成的導電性矽酮樹脂6用刮刀法充填到上述薄膜的貫通孔中。除去殘留於表面的導電性矽酮樹脂，將該膜在85℃的加熱爐中保持30分鐘，這樣在貫通孔5中就形成了彈性體的導電物。
用砂紙等輕緩地研磨該薄膜的兩面，其次在氯化鐵溶液中進行浸漬，如圖5那樣用腐蝕方法溶解薄膜兩面的銅層2，這樣就在整個薄膜上形成了彈性體的導電性凸點4。
將該薄膜以邊長為20mm的正方形的形狀切斷開，如圖13那樣插入到邊長為20mm的正方形的半導體元件10與安裝它的基板13之間，在元件10的上面以2Kg/cm3的載荷作用一個壓緊力，這樣來做成電連接的安裝結構。半導體元件10的電極9的直徑是200μm，在正方形的各邊上每邊以3列鋸齒形方式排列114個元素，合計形成456個電極，對於其導電接合性能進行了評價。如讓該直徑為200μm的電極9與凸點直徑為50μm、凸點間距為100μm的各向異性導電膜8進行連接，則如圖10的那樣，在1個焊接區上最低接合7個凸點4。
對於上述基板電路的456個焊接區的連接電阻用毫歐計以4端方法進行測定的電阻值最大是35mΩ，最小是12mΩ，平均是16mΩ。此外，接觸不良的焊接區連一個也沒有。而且，鄰接電極間因短路產生的缺陷一個也沒有發現，這說明絕緣性能是很好的。
將在實施例1中形成了的、帶有彈性體凸點的聚醯亞胺薄膜以邊長為20mm的正方形的形狀進行切斷分離，在(株)高純度化學社製造的表面活性化處理劑中浸漬1分鐘，形成如圖6所示的那樣的0.3μm的鍍金層7。安裝與實施例1同樣的半導體元件10，用同樣的方法測定了電極間的連接電阻。
該測定結果是電阻值最大15mΩ，最小8mΩ，平均10.5mΩ。而且，連接不良的焊接區連一個也沒有。而且，所有的鄰接電極間的絕緣性能都是良好的。
在實施例1的各向異性導電膜的製造工序中在對兩面覆蓋銅層的薄膜開了孔後，在孔的內側如圖7那樣進行通孔電鍍，如圖8至圖9所示的那樣在導電性矽酮樹脂6的側面形成了具有鍍金層7的凸點14。將該薄膜與實施例1完全同樣地與半導體元件10一起進行安裝並測定了電極間的連接電阻。
該測定結果是電阻值最大13mΩ，最小4mΩ，平均8.5mΩ。而且，連接不良的焊接區連一個也沒有。而且，所有的鄰接電極間的絕緣性能都是良好的。
在實施例1中製成的邊長為20mm的正方形的、帶有導電性彈性體凸點的各向異性導電膜8的中心開一個邊長為10mm的正方形的孔，如圖12所示的那樣在安裝半導體元件時於連接面的中心10mm的四方粘結熱壓粘結片12並在180℃下對它邊進行加熱邊進行熱壓粘結。在這種連接法的場合，不需要如實施例1～3那樣的對半導體元件進行加壓的裝置，安裝面積與半導體元件本身的面積是相等的。此外，在連接不良的場合，可以邊加熱邊將元件取下，因為在電極9處的導電連接部沒有附著粘結劑，故修復性是很好的。
如測定熱壓粘結後的連接電阻，電阻值最大30mΩ，最小17mΩ，平均22mΩ。而且，連接不良的焊接區連一個也沒有。而且所有的鄰接電極間的絕緣性能都是良好的。
比較例將市場上出售的熱壓粘結型各向異性導電膜以邊長為20mm的正方形的形狀切斷分離開，在實施例1中已敘述過的基板上安裝半導體元件，在溫度為140℃，壓緊力為20Kg/cm3的條件下將半導體元件接合到基板上。其後如與實施例1同樣地對基板和元件電極間的連接電阻進行測定，則電阻值最大980mΩ，最小820mΩ，平均915mΩ。而且，連接不良的焊接區連一個也沒有。再有，所有的鄰接電極間的絕緣性能都是良好的。
此外，如將連接了半導體元件的該電極焊接區切開並觀察其截面，則如圖11所示的那樣在電極間只不過很少的粒子11進行著導電連接。
用本發明得到的各向異性導電膜中以凸點形狀形成以一定尺寸突出於電絕緣性薄膜的表面的、具有彈性的導電性彈性體。因此，即使在低的接合壓力下連接電阻也很小，由於導電性彈性體能以糊劑狀的方式來使用，故可把凸點加工成微細的形狀。此外，通過對凸點表面和薄膜的孔側面進行無電解電鍍，可做成接觸電阻更低的、即連接電阻更低的連接器。
把這種薄膜狀的連接器插入到電極間，如果作用一個壓緊力則可得到穩定的連接電阻。此外，沒有在使用焊錫時那種對加熱和焊劑的不良影響的擔心，因為是通過加壓連接來達到電接觸，因此可以自由地進行安裝和拆卸。因而，在集成電路等的微細的半導體組件與基板、FPC和TAB與基板等的導電連接方面，使高密度(fine pitch)的多點連接和具有修復性功能的連接成為可能這樣就能實現高密度安裝電路基板。
權利要求
1.一種各向異性導電膜，其特徵是具有在兩表面間形成了多個貫通孔的、厚度大致一定的電絕緣性薄膜；以及多個充填在該電絕緣性薄膜的上述貫通孔內的、同時以一定尺寸突出於上述電絕緣性薄膜的兩表面的導電性彈性體。
2.一種各向異性導電膜的製造方法，包括以下步驟在厚度大致一定的電絕緣性薄膜的兩面覆蓋可以進行腐蝕的箔;在覆蓋了上述箔的上述電絕緣性薄膜的兩表面間形成許多個貫通孔;用導電性彈性體充填該貫通孔;通過腐蝕除去上述覆蓋箔從而形成各向異性導電膜。
3.一種使用薄膜狀各向異性導電膜的連接器，其特徵是具有在兩表面間形成了許多個貫通孔的、厚度大致一定的電絕緣性薄膜;以及許多個充填在該電絕緣性薄膜的上述貫通孔內的、同時以一定尺寸突出於上述電絕緣性薄膜兩面的導電性彈性體;在具有許多個電極的半導體元件等與形成了連接焊接區的襯底之間插入上述連結器並壓緊從而達到兩者間的相互連接。
全文摘要
一種新的將半導體元件等以很小的連接電阻而且容易修復的方式與電路基板進行導電連接的各向異性導電膜、其製造方法和使用該膜的連接器。在電絕緣性薄膜3的兩面形成覆蓋銅箔2。通過腐蝕在銅薄層2中形成孔，其後以銅箔2作為掩模腐蝕上述絕緣性薄膜3從而形成貫通孔5。接著，在貫通孔5內充填導電性彈性體6並進行硬化。之後腐蝕銅箔2形成導電性彈性體6的凸點4。
文檔編號H01L23/498GK1106580SQ94118149
公開日1995年8月9日 申請日期1994年11月10日 優先權日1993年11月10日
發明者前田龍, 立石彰, 田崎俊介 申請人:惠特克公司