安裝結構、製作安裝結構的方法以及導電粘合劑的製作方法

2023-08-10 23:14:31 2

專利名稱：安裝結構、製作安裝結構的方法以及導電粘合劑的製作方法
技術領域：
本發明涉及到用來安裝諸如半導體器件之類的電子元件的安裝結構及其製作方法以及用來製作安裝結構的導電粘合劑。
迄今，在將半導體器件安裝到電路板的輸入/輸出端子電極上的過程中，常常採用藉助於焊接的金屬絲鍵合方法。然而，近年由於半導體器件封裝件尺寸的減小和連接端子數目的增大，各個連接端子之間的間距變得越來越小，使得越來越難於用常規的焊接技術來執行安裝。
因此，近年提出了一種方法，其中諸如集成電路晶片之類的半導體器件被直接安裝在電路板的輸入/輸出端子電極上，以便適應尺寸的減小並有效地利用安裝區域。
首先，半導體器件面朝下安裝在電路板上的倒裝晶片安裝方法，由於除了連接之後有高的機械強度之外，還能夠在半導體器件與電路板之間建立集中的電連接，而被認為是一種有用的方法。
作為上述倒裝晶片安裝方法的一種連接材料，提出或實際使用了一種採用導電粘合劑的系統。
由於下面二個原因，考慮到可靠性的改進和環境保護措施二者，此方法是一種有前景的方法。
首先，由於導電粘合劑包含諸如環氧樹脂之類的樹脂材料，故比之焊料亦即金屬材料，建立了一種能夠抵抗外力或熱應力的柔軟的連接，從而改善了可靠性。
其次，由於導電粘合劑主要包含作為導電成分的銀顆粒，故能夠進行不使用鉛的清潔的安裝。
另一方面，對於諸如晶片元件或封裝件元件之類的電子元件被安裝在印刷板上的常規結構，也提出了一種結構，其中考慮到可靠性的改善和環境保護措施而使用了導電粘合劑。
於是，考慮到可靠性的改善和將來環境保護的措施，採用導電粘合劑的安裝結構就將是一種有前景的方法。
然而，採用導電粘合劑的安裝結構有下列二方面的問題，從而妨礙了其實際應用。
第一個問題是離子遷移引起的絕緣可靠性下降。離子遷移是一種電解作用，並且是一種當水之類的電解質出現在施加有電壓的電極之間時，通過下列4個步驟在電極之間發生的絕緣擊穿現象。
步驟1)正電極金屬的淘析和離化，步驟2)離化的金屬由於電壓的施加而向負電極遷移，步驟3)遷移到負電極的金屬離子澱積，步驟4)重複步驟1)至3)。
通過這樣一種離子遷移現象，金屬枝狀生長在電極之間，且電極最終被金屬搭橋，從而引起絕緣擊穿。
用作導電粘合劑的導電填料材料的銀，具有被淘析的傾向，故易於引起離子遷移。而且，根據近年電子設備的尺寸和重量的進一步減小，排列在半導體器件、電子元件或電路板上的電極的間距變得越來越小，從而更增大了離子遷移的可能性。為此，為了用導電粘合劑實際進行安裝，解決離子遷移的問題是至關重要的。
通常，為了抑制離子遷移，提出了下列3種方法。
提議1)製作具有合金(銀-銅、銀-鈀之類)的導電填料，提議2)用環氧樹脂之類的絕緣樹脂密封導電粘合劑，提議3)藉助於將諸如離子交換樹脂或螯合劑之類的離子捕獲劑加入到導電粘合劑中，將淘析的金屬離子捕獲並將其形成為不溶解的物質。
然而，這些提議牽涉到下列缺點。在提議1)中，填料金屬非常昂貴，從而提高了導電粘合劑的生產成本。在提議2)中，密封步驟的加入必須增加步驟數目並大量安裝額外的設備，從而提高生產成本。在提議3)中，金屬離子從導電填料中的淘析降低了導電填料的接觸性質，從而增大了連接電阻。
這樣，雖然上述提議產生了抑制離子遷移的效果，但它們牽涉到其它的問題，致使除了特別的領域外，難以實際應用這些提議。第二個問題是由於硫化作用而增大了連接電阻。硫化作用是一種金屬由於與諸如硫化氫或二氧化硫之類的含硫的弱酸性氣體發生反應而改變成具有較低電導率的稱為金屬硫化物的物質的現象。硫化作用看來是通過下列步驟發生的，雖然其很多部分仍然未解決。
步驟1)金屬在弱酸性氣氛中的淘析和離化，步驟2)由於硫離子與金屬離子的反應而產生金屬硫化物。
如上所述，導電填料主要由作為主要成分的銀組成。但由於銀極易被硫化，故當銀被硫化時，導電粘合劑的體電阻率增大，從而連接電阻增大。目前尚未報導此問題的解決方法，因而不可能將採用導電粘合劑的安裝結構用來生產可能使用在諸如硫化氫或二氧化硫濃度相當高的溫泉或火山附近之類的環境中的電子元件。因此，採用導電粘合劑的安裝結構的應用領域極為有限。
於是，本發明的主要目的是，即使在諸如非常潮溼的條件或含有硫的氣體氣氛之類的比較嚴厲的條件下，也能夠保持採用導電粘合劑的安裝結構的可靠性。
為了達到上述目的，簡單地說，本發明提供了一種安裝結構，它包含電氣結構和排列在所述電氣結構上的導電粘合劑層，其中所述導電粘合劑層包含導電填料和排列在至少部分所述導電填料上的防淘析膜。由於這一構造，本發明的安裝結構即使在高溫和高溫度環境下，仍然呈現良好的絕緣可靠性。這是由於防淘析膜即使在高溫和高溼度條件下也防止了導電填料中的金屬的淘析，從而基本上防止了離子遷移反應。而且，本發明的安裝結構不引起導電填料的硫化作用，且即使處於含硫的氣體中仍然呈現良好的連接可靠性。這是由於防止了導電填料的淘析而能夠基本上防止硫化反應。本發明所用的防淘析膜可以例如由熱凝樹脂、熱塑樹脂、金屬醇鹽之類製成。熱凝樹脂的具體例子包括酚醛樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、呋喃樹脂、不飽和聚酯樹脂、苯二甲酸二烯丙酯、環氧樹脂、矽酮樹脂、聚醯亞胺樹脂等。熱塑樹脂的具體例子包括氯乙烯樹脂、偏二氯乙烯樹脂、聚苯乙烯、AS樹脂、ABS樹脂、異丁烯樹脂、聚乙烯、離子聚合物、甲基戊烯樹脂、異質同晶共聚物、氟樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、聚醯胺-醯亞胺、聚亞胺酯、聚碳酸酯、聚酯、聚縮醛、改性聚亞苯基氧化物、聚碸、聚亞苯基硫化物等。金屬醇鹽的具體例子包括四乙氧化矽、三丁氧化鋁、四丁氧化鈦等。
此處，若安裝結構還包含排列在所述電氣結構上的另一個電氣結構，且所述導電粘合劑層將所述電氣結構電連接到所述其它的電氣結構，則由於導電填料的離子遷移反應或硫化作用對連接電阻的影響明顯而使本發明特別有效。
具體地說，若至少部分所述導電填料被暴露在所述導電粘合劑層的表面上，且所述防淘析膜被排列在至少所述導電填料的所述暴露的部分上，則足夠了。更具體地說，若所述導電粘合劑層具有大量的彼此連通並與所述導電粘合劑層的表面連通的孔；至少部分所述導電填料被暴露於所述孔的內表面；且所述防淘析膜至少排列在暴露於所述孔的所述內表面的所述導電填料上，則足夠了。這一構造使防淘析膜能夠被選擇性地僅僅形成在與導電粘合劑層的表面連通且易於淘析的部分導電填料上。這有下列優點。
若防淘析膜被排列在包含在電連接中的部分填料上，則防淘析膜在某些情況下引起導電障礙。因此，若防淘析膜出現在這一部分，則進行諸如從外部沿導電方向對其壓縮之類的處理，以便擊破這部分上的防淘析膜以確保導電。相反，若防淘析膜僅僅被選擇性地排列在淘析易於發生的部分，則僅僅有有限數量的必須建立導電的部分填料上的防淘析膜，從而更加改進導電。
而且，防淘析膜最好是不溶於水的，因為這樣即使在高溫和高溼度條件下，防淘析膜也不會淘析，且防淘析作用也更不易於降低，從而能夠長時間保持抑制離子遷移反應的作用和抑制導電填料硫化的作用。
能夠用於本發明的不溶於水的防淘析膜可以例如由熱凝樹脂、熱塑樹脂、金屬醇鹽之類製成。熱凝樹脂的具體例子包括酚醛樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、呋喃樹脂、不飽和聚酯樹脂、苯二甲酸二烯丙酯樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂、聚醯亞胺樹脂等。熱塑樹脂的具體例子包括氯乙烯樹脂、偏二氯乙烯樹脂、聚苯乙烯、AS樹脂、ABS樹脂、異丁烯樹脂、聚乙烯、離子聚合物、甲基戊烯樹脂、異質同晶共聚物、氟樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、聚醯胺-醯亞胺、聚碳酸酯、改性聚亞苯基氧化物、聚亞苯基硫化物等。金屬醇鹽的具體例子包括四乙氧化矽、三丁氧基金屬鋁、四丁氧化鈦等。
防淘析膜最好是不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液中，因為這樣防硫化反應的作用可以更大。這是由於即使硫化氫或氧化硫以水溶液的形式凝聚在防淘析膜的表面上，防淘析膜也不淘析，致使防淘析作用不太可能發生下降。
不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的防淘析膜，可以例如由熱凝樹脂、熱塑樹脂、金屬醇鹽之類製成。熱凝樹脂的具體例子包括酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂、呋喃樹脂、不飽和聚酯樹脂、苯二甲酸二烯丙酯樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂、聚醯亞胺樹脂等。熱塑樹脂的具體例子包括氯乙烯樹脂、偏二氯乙烯樹脂、聚苯乙烯、AS樹脂、ABS樹脂、異丁烯樹脂、聚乙烯、離子聚合物、甲基戊烯樹脂、異質同晶共聚物、氟樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、聚醯胺-醯亞胺、聚碳酸酯、改性聚亞苯基氧化物、聚亞苯基硫化物等。金屬醇鹽的具體例子包括四乙氧化矽、三丁氧基金屬鋁、四丁氧化鈦等。
此處，術語「在含有硫化氫或氧化硫的水溶液中或在水中的不溶解性」被用來表示滿足下列條件。亦即，若防淘析膜由樹脂製成，則上述不溶解性被定義為一種性質，使24小時後吸收的水或水溶液的量小於或等於0.5％重量比。若防淘析膜由絡合物製成，則上述不溶解性被定義為一種性質，使其溶解性(溶解於100克水中的絡合物的重量)小於1×10-5克。
防淘析膜最好包含金屬絡合物。此金屬絡合物是一種由金屬與絡合劑反應而產生的配位化合物。這一反應在室溫下快速進行。因此，藉助於使導電填料能夠與絡合劑接觸而進行導電填料表面上的絡合物膜的製作。形成在填料表面上的金屬絡合物具有金屬與絡合劑之間的極強的配位鍵，致使金屬絡合物穩定並具有與金屬的極緊密的接觸。這進一步提高了防淘析作用，從而產生更好的改善抗離子遷移性質的作用和更好的改善抗硫化反應性質的作用。此處，用來製作金屬絡合物的絡合劑的配合基可以例如是氨基乙醯基、氨基羧基、鏈烷醇胺基、β-雙酮基、β-酮酯基、聚胺基、咪唑基等。其中，最好採用鍵合到苯環的氨基羧基或咪唑基，因為這樣金屬絡合物膜將不溶於水且不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液，從而進一步增大抑制離子遷移的效果和抑制硫化反應的效果。這種絡合劑的例子包括鄰氨基苯甲酸、2-氨基哌啶、棓醯鎵酸、黃原酸鉀、吡喃、喹啉酸、銅鐵靈、4-氯-3-甲基-5-硝基苯磺酸、水楊醛肟、二安替比林基代甲烷、二乙基氨荒酸、p-二甲基氨基若丹明亞甲基苯、二甲基乙二肟、草酸、辛可寧酸、N-肉桂醯基-N-苯胲、硫代乙醯胺、巰萘劑、硫脲、四苯基硼酸、三甲基苯基銨、1-亞硝基-2-萘酚、黃硝、新銅鐵靈、鉍硫酮II、p-烴基苯基砷酸、8-烴基-7-碘-5-喹啉磺酸、連苯三酚、1-吡咯二硫代羧酸、苯基砷酸、phenylthiodantoic酸、苯基螢光酮、α-糠偶醯二肟、香木鱉鹼、聯苯胺、N-苯甲醯基-N-苯胲、α-苯偶姻肟、苯[f]喹啉、2-硫醇苯噻唑、若丹明B等。
而且，防淘析膜不僅僅局限於金屬絡合物，可以進一步包含樹脂成分。簡言之，若防淘析膜具有能夠防止淘析的功能就足夠了。
此處，若導電填料包含銀，則由於銀是一種易於引起離子遷移和硫化反應的物質，故本發明的效果，亦即抑制離子遷移的效果和抑制硫化作用的效果，將是突出的。
能夠應用本發明的上述安裝結構的例子包括其上安裝有電子元件的電路板、其上倒裝晶片安裝有半導體器件的電路板、等等。
本發明的粘合劑含有導電填料，且至少部分導電填料具有防淘析膜。利用這種構造，本發明的用導電粘合劑安裝的安裝結構呈現良好的絕緣可靠性，即使在高溫和高溼度環境下也不引起離子遷移。而且，呈現良好的連接可靠性，即使在含有硫的氣體中也不引起導電填料的硫化。
此處，關於防淘析膜的組分，最好是不溶於水的，最好還不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液，最好包含金屬絡合物，且最好包含樹脂成分。而且，導電粘合劑最好包含銀。
本發明還提供了一種製作安裝結構的方法，所述方法包含在電氣結構上製作導電粘合劑層的步驟，所述導電粘合劑層包含導電填料；以及在所述導電粘合劑層硬化之後在所述導電填料上製作與所述導電粘合劑層的表面連通的防淘析膜的步驟。用此製作方法生產的安裝結構能夠呈現改善抗離子遷移性質的效果以及改善抗硫化反應性質的效果，同時又藉助於形成防淘析膜而很好地保持電氣結構的導電。而且，由於防淘析膜在導電粘合劑層硬化之後製作在導電填料上，故防淘析膜不進入導電粘合劑層的電連接位置以對其導電狀態產生不利的作用，致使能夠確保良好的導電。
以這種方式製作防淘析膜的一種方法是製作絡合物的工藝。製作絡合物的這一工藝能夠執行下列功能。例如用澆注絡合劑的方法進行絡合工藝。這種絡合工藝可以用現有的設備來進行，從而免去了新的設備投資並僅僅少量增加生產成本。此處，若絡合膜被製作在各個導電填料之間的接觸點上或導電填料與電極金屬之間的接觸點上，則由於絡合物通常是絕緣的而可能使導電粘合劑的電導率和安裝結構的電學特性有某種程度的退化。相反，若採用本發明的生產方法，則導電粘合劑層硬化之後，導電填料被形成在絡合物中以確保其導電，致使僅僅不涉及到導電的位置能夠形成在絡合物中，同時照原保持各個導電填料之間的上述接觸點以及導電填料與其它電氣結構之間的接觸點電連接於導電粘合劑層。因此，能夠有效地製作防淘析膜，同時確保安裝結構的電學特性，從而得到低的連接電阻。此處，在此工藝中，由於絡合劑選擇性地與金屬部分反應，故防淘析膜不形成在不需要絡合過程的位置處，亦即導電粘合劑層的樹脂成分(粘合劑樹脂之類)的位置處或電氣結構的表面(板的表面之類)。而且，根據本發明的方法，由於絡合工藝在使用任意導電粘合劑製造安裝結構之後進行，故本發明能夠用於使用任何類型導電粘合劑的安裝結構，致使其經濟效益高。
可以用本發明生產的安裝結構的具體例子包括用所述導電粘合劑層將另一個電氣結構電連接於所述電氣結構的安裝結構、電子元件被安裝在電路板上的安裝結構、以及半導體器件被倒裝晶片安裝在電路板上的安裝結構。確切地說，若本發明被用於由諸如晶片阻器之類的晶片元件製成的電子元件被安裝在電路板上的安裝結構，則可以執行下列功能。
若上述電子元件被安裝，則它們的連接位置被暴露，致使能夠在完成安裝結構之後，用諸如絡合工藝之類的工藝，同時在安裝結構的所有元件的連接位置上製作防淘析膜。因此，能夠縮短製作防淘析膜所需的時間。此處，若用絡合工藝製作防淘析膜，則由於絡合劑選擇性地與金屬部分反應，故絡合膜(防淘析膜)不形成在不需要製成絡合物的部分上，亦即板的表面上、元件的表面上等等。
從最佳實施例的下列詳細描述中，本發明的上述和進一步目的將變得明顯，在所附權利要求中精確地表明了本發明的上述和進一步目的，本技術領域的熟練人員在參照附圖將本發明付諸實際時將回憶起本說明書未曾觸及的大量其它的優點，在這些附圖中，

圖1是根據本發明第一最佳實施例的導電粘合劑的主要部分的放大圖；圖2是根據本發明第二最佳實施例的倒裝晶片安裝結構的剖面圖；圖3是根據本發明第三最佳實施例的晶片元件安裝結構的平面圖；圖4是用根據本發明第四最佳實施例的方法製造的電路板的平面圖；圖5(A)和5(B)是用根據第四實施例的方法製造的導電粘合劑層的剖面圖；以及圖6是抗硫化反應性質評估中所用的測試樣品的平面圖。
以下參照附圖來描述本發明的最佳實施例。
(第一實施例)在第一實施例中，本發明被用於導電粘合劑。圖1是根據此實施例的導電粘合劑1的主要部分的放大圖。導電粘合劑1的特徵是導電粘合劑1本身的結構。亦即，導電粘合劑1包括具有防淘析膜3的導電填料2以及有機粘合劑4，其中的導電填料2與有機粘合劑4被混合併分散。
防淘析膜3可以例如由諸如尿烷樹脂、氯乙烯樹脂、偏二氯乙烯樹脂、聚苯乙烯之類的熱塑樹脂製成，或由諸如酚醛樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂之類的熱凝樹脂製成。有機粘合劑3可以由例如環氧樹脂製成，或由諸如醋酸乙烯樹脂、丙烯樹脂、苯氧基樹脂之類的另一種樹脂製成。而且，有機粘合劑3可以由金屬絡合物製成。
導電填料可以由例如銀(Ag)、金(Au)、Ag塗敷的Cu、Cu-Ag合金、銅(Cu)、鎳(Ni)、Ag-Pd合金之類製成。但考慮到體電阻率和材料成本，銀(Ag)是最佳的。
(第二實施例)在本實施例中，本發明被用於半導體器件的倒裝晶片安裝結構。參照圖2，根據本實施例的安裝結構包括作為電氣結構例子的電路板5以及作為另一種電氣結構的例子的半導體器件6。半導體器件6包括IC板7和排列在IC板7的表面上的凸塊電極8。電路板5包括排列在電路板5的表面上的輸入/輸出端子電極9。而且，由第一實施例中所述的導電粘合劑1製成的導電粘合劑層1A，被排列在輸入/輸出端子9上，並在輸入/輸出端子9和凸塊電極8之間由導電粘合劑層1A建立電連接。而且，密封樹脂10被排列在半導體器件6與電路板5之間的間隙中，從而完成倒裝晶片安裝結構。
(第三實施例)在本實施例中，本發明被用於晶片元件的安裝結構。參照圖3，本安裝結構被構造成在組成電氣結構的一個例子的電路板11的電極12的表面上，安裝組成另一個電氣結構的例子的晶片電阻器13、晶片線圈14和晶片電容器15。而且，由第一實施例所述的導電粘合劑1製成的導電粘合劑層1A，被排列在電極12上，並在電極12與晶片元件13、14、15之間由導電粘合劑層1A建立電連接。
(第四實施例)上述第一到第三實施例所述的導電粘合劑1和安裝結構的特徵是，包含在導電粘合劑1中或導電粘合劑層1A中的導電填料2預先具有防淘析膜3。相反，本實施例的特徵是，在電氣結構上製作導電粘合劑層之後，在包含在導電粘合劑層中的導電填料上製作防淘析膜。在本實施例中，如圖4所示，作為其一個例子，本發明被用於具有梳狀電極形狀的導電粘合劑層17、18用絲網印刷方法製作在作為電氣結構的例子的電路板16上的電氣結構。但不用多說，本發明也能夠用於在電路板上安裝各種電子元件的過程中製作在電路板上的導電粘合劑層。以下描述本實施例的生產方法。
首先，在電路板16上，用相似於常規的不具有防淘析膜的導電粘合劑製作導電粘合劑層17、18。
接著，藉助於將絡合劑混合到溶劑中而製備絡合溶液。此處，絡合溶液中的混合比率以及溶劑的種類，可以根據導電填料2的表面態和後續工藝中製作的防淘析膜3的厚度改變，致使其混合比率和溶劑種類不受特別的限制。
然後，將電路板16浸入絡合溶液中並從中拉起，隨之以熱處理。通過這一工藝，由金屬絡合物製成的防淘析膜3，藉助於溶劑的蒸發而被製作在導電填料2的表面上。
以下參照圖5來詳細描述製得的防淘析膜3的形狀。構成導電粘合劑層17和18的導電粘合劑1，由導電填料2、有機粘合劑4以及各種各樣的添加劑組成。藉助於加熱和硬化這樣構成的導電粘合劑1而製作導電粘合劑層17和18。在這一工藝過程中，導電填料2之外的大多數組分(有機粘合劑等)被加熱蒸發。因此，在加熱和硬化工藝之後，由於這些組分的蒸發而在導電粘合劑層17和18中形成大量的孔19(見圖5(A))。
這些孔19中的大多數彼此連通，並與導電填料2的表面連通。因此，暴露於這些孔19的內表面的導電填料2就被暴露於外部環境。因此，導電填料2易於從這一位置淘析。
當具有這種結構特徵的導電粘合劑層17和18被浸入絡合溶液中時，絡合溶液到達彼此連通的孔19的底部處暴露的導電填料2的表面位置。因此，若用加熱絡合溶液的方法製作防淘析膜(金屬絡合物膜)3，則防淘析膜3被製作在孔19中，從而在孔19的底部暴露的導電填料2的表面位置被防淘析膜3覆蓋。於是，防淘析膜3可以選擇性地僅僅形成在易於淘析的導電填料2的表面位置上，致使防淘析膜3不形成在各個導電填料2之間的導電位置處或待要在導電填料2與另一個電氣結構之間建立電連接的位置處。
接著，解釋上述各個實施例的例子。
首先，描述第一實施例(導電粘合劑)的例子。
(例1)此例子的特徵是，第一實施例所示的導電粘合劑1的防淘析膜3由尿烷樹脂製成。
接著描述生產本例子的導電粘合劑1的方法。首先，0.5％重量比的尿烷樹脂被溶解並混合在95.5％重量比的異丙醇中，以製備此樹脂的醇溶液。此處，尿烷樹脂在24小時後具有大約0.8％的水吸收，並具有容易吸附水和含有硫化氫或氧化硫的水溶液的性質。待要製備的樹脂的醇溶液中的混合比以及溶劑的種類，可以根據導電填料2的表面態和待要製作的防淘析膜3的厚度變化，致使它們不特別局限於上述的條件。
然後，將由銀(Ag)製成的導電填料2加入到製得的醇樹脂溶液中，隨之以充分的攪拌。當導電填料2的表面被醇樹脂溶液溼潤時，從醇樹脂溶液中取出導電填料2，隨之以在100℃的爐子中乾燥大約30分鐘，以便充分地蒸發溶劑的異丙醇。通過這一工藝，由尿烷樹脂製成的防淘析膜3被製作在導電填料2的表面上。這一乾燥工藝的溫度和時間也可以根據溶液中的樹脂濃度和加工的導電填料2的數量而改變，致使它們不特別局限於上述的工藝條件。
藉助於分散和混合92％重量比的其上這樣製作防淘析膜3的導電填料2、7％重量比的由具有熱凝性質的環氧樹脂製成的有機粘合劑4、以及1％重量比的添加劑(分散劑、緊密接觸性質改進劑等)，來製備本例子的導電粘合劑。
(例2)此例子的特徵是，例1所述的導電粘合劑1的防淘析膜3由尿素樹脂製成，而不是由尿烷樹脂製成。尿素樹脂的水吸收小於0.5％重量比/24小時，並是一種在本發明中定義為不溶於水和不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的樹脂。其它條件，亦即導電粘合劑材料的構造條件、生產方法等，與例1相同。
(例3)此例子的特徵是，例1所述的導電粘合劑1的防淘析膜3由氟樹脂製成，而不是由尿烷樹脂製成。氟樹脂的水吸收小於0.01％重量比/24小時，並是一種在本發明中定義為不溶於水和不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的樹脂。其它條件，亦即導電粘合劑材料的構造條件、生產方法等，與例1相同。
(例4)此例子的特徵是，例1所述的導電粘合劑1的防淘析膜3由含有二乙醇胺的金屬絡合物製成。
下面描述此實施例的導電粘合劑1的生產方法。首先，10％重量比的構成絡合劑的二乙醇胺被溶解並混合在90％重量比的雙異丙醇中，以製備絡合劑的醇溶液。二乙醇胺與金屬反應產生的金屬絡合物是一種離子性物質，極容易溶於水並具有容易吸附水和含有硫化氫或氧化硫的水溶液的性質。
此處，待要製備的絡合劑溶液中的混合比以及溶劑的種類，可以根據導電填料2的表面態和待要製作的防淘析膜3的厚度變化，致使它們不特別局限於上述的條件。
然後，將導電填料2加入到製得的絡合劑溶液中，隨之以充分的攪拌。當導電填料2的表面被絡合劑溶液溼潤時，從絡合劑溶液中取出導電填料2，隨之以在100℃的爐子中乾燥大約30分鐘，以便充分地蒸發溶劑的異丙醇。通過這一工藝，二乙醇胺與導電填料2在導電填料2的表面上發生反應，由這一金屬絡合物製成的防淘析膜3就被製作在導電填料2的表面上。
這一乾燥工藝的溫度和時間也可以根據絡合劑溶液中的絡合劑濃度和加工的導電填料2的數量而改變，致使它們不特別局限於上述的工藝條件。
藉助於分散和混合92％重量比的其上這樣製作防淘析膜3的導電填料2、7％重量比的由環氧樹脂製成的有機粘合劑4、以及1％重量比的添加劑(分散劑、緊密接觸性質改進劑等)，來製備本例子的導電粘合劑。
(例5)此例子的特徵是，例4的導電粘合劑1的防淘析膜3由o-氨基苯甲酸製成，而不是由二乙醇胺的金屬絡合物製成。
二乙醇胺的金屬絡合物是一種離子性物質，並可溶於水和含有硫化氫或氧化硫的水溶液。相反，o-氨基苯甲酸組成的金屬絡合物是非離子性的，並且是一種在本發明中定義為不溶於水和不溶於含有二氧化硫或硫化氫的水溶液的金屬絡合物。
(比較例1)根據上述例1-5，製備了比較例1的導電粘合劑。
藉助於分散並混合92％重量比的由銀(Ag)製成的導電填料2、7％重量比的由環氧樹脂製成的有機粘合劑4、以及1％重量比的添加劑(分散劑、緊密接觸性質改進劑等)，來構成這一導電粘合劑。
利用這樣製備的例1-5以及比較例1的導電粘合劑1，製作了導電粘合劑層，並根據下列方法進行評估和測量。
(1)抗離子遷移性質的評估(水液滴測試)水液滴測試是一種在短時間內以簡單的方式評估材料的遷移性質的測試方法。此測試方法的細節如下。相似於第四實施例所述的電路板的結構的構造，被用作測試樣品。亦即，再次參照圖4，用絲網印刷方法在電路板16上製作具有梳狀電極形狀的導電粘合劑層17和18。此處，陶瓷襯底被用作電路板16。導電粘合劑層17和18排列成彼此相對，電極之間分隔預定的距離(400微米)，使電極的頂端交替排列。平時，在導電粘合劑層17與18之間不能流動電流。
將去離子水滴在這樣製備的導電粘合劑層17和18上，在二個導電粘合劑層17和18之間施加DC電壓(1V)。測量由二個導電粘合劑層17和18之間的短路造成的電流流動之前的時間，以便根據短路之前的時間長度來評估抗離子遷移性質。
(2)抗硫化反應性質的評估參照圖6，在由玻璃環氧樹脂製成的電路板19上製作鍍金的電極20，並用絲網印刷方法在鍍金的電極20上製作由導電粘合劑1製成的導電粘合劑層21。再用安裝裝置將具有3216尺寸的0Ω電阻器(端子鍍層為SnPb焊料)22安裝在導電粘合劑層21上。然後，在150℃的爐子中對電路板19進行30分鐘加熱，以便硬化導電粘合劑層21。對於這樣製備的樣品，測量其初始連接電阻，然後將電路板19置於充滿硫化氫的密封槽中，從而藉助於測量連接電阻的改變而評估抗硫化反應性質。在溫度為40℃、溼度為90％、硫化氫濃度為3ppm的條件下進行測試，測試的時間為96小時。
表1示出了進行上述評估和測量的結果。
表1
對於例1-5的導電粘合劑1，比之比較例1，發現下列情況。亦即，在抗離子遷移性質的評估中，電流開始流動之前的時間比比較例1更長，從而證實了抗離子遷移性質得到了改善。同樣，在抗硫化反應性質的評估中，測試之前和之後的連接電阻的改變比比較例1小，從而證實了抗硫化反應性質得到了改善。
而且，藉助於對各個例子進行比較，證實了下列情況。亦即，藉助於將防淘析膜3由樹脂製成的例1-3與防淘析膜3由金屬絡合物製成的例4和5進行比較，證實了例4和5具有更好的抗離子遷移性質。這看來是由於防淘析膜3對導電填料2的粘合強度由於絡合物與導電膜2的直接化學反應以形成由金屬絡合物製成的防淘析膜3而得到了提高。
而且，藉助於對各個例子進行比較，無論在具有由樹脂製成的防淘析膜3的例子1-3中，還是在具有由金屬絡合物製成的防淘析膜3的例子4和5中，都有下列情況。亦即，具有由本發明中定義為不溶於水和不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的材料製作的防淘析膜3的例子2、3、5，比之具有由其它材料製成的防淘析膜3的例子1和4，表現出了抗離子遷移性質評估中的改善以及抗硫化反應性質評估中的改善。而且，在具有由被上述定義定義為不可溶解的材料製作的防淘析膜3的例子2與3之間，發現溶解度較低的那一個具有更高的評估結果。
下面描述第二實施例的例子(半導體器件的倒裝晶片安裝結構)。
(例6)此例子的特徵是，用防淘析膜3由尿烷樹脂製成的例1的導電粘合劑1，將半導體器件6倒裝晶片安裝在電路板5上(唯一的不同是有機粘合劑由具有熱塑性的環氧樹脂製成)。
亦即，用熟知的方法將例1所述的導電粘合劑1轉換到半導體器件6的凸塊電極8上。然後，在被轉換的導電粘合劑1與電路板5的輸入/輸出端子電極9對準的情況下，將半導體器件6倒裝晶片安裝在電路板5上。然後，在導電粘合劑1被硬化之後，進行電學測試。若得到好的結果，則在電路板5與半導體器件6之間的間隙中提供由環氧樹脂製成的密封樹脂10並進行硬化，以便將連接位置密封起來，從而完成倒裝晶片安裝結構。
(例7)此例子的特徵是，用防淘析膜3由尿素樹脂製成的例2的導電粘合劑1構成倒裝晶片安裝結構。除了導電粘合劑1之外，此倒裝晶片安裝結構的構造和製造方法與例6相同。
(例8)此例子的特徵是，用防淘析膜3由氟樹脂製成的例3的導電粘合劑1構成倒裝晶片安裝結構。除了導電粘合劑1之外，此倒裝晶片安裝結構的構造和製造方法與例6相同。
(例9)此例子的特徵是，用防淘析膜3由含有二乙醇胺的金屬絡合物製成的例4的導電粘合劑1構成倒裝晶片安裝結構。除了導電粘合劑1之外，此倒裝晶片安裝結構的構造和製造方法與例6相同。
(例10)此例子的特徵是，用防淘析膜3由含有o-氨基苯甲酸的金屬絡合物製成的例5的導電粘合劑1構成倒裝晶片安裝結構。除了導電粘合劑1之外，此倒裝晶片安裝結構的構造和製造方法與例6相同。
(比較例2)根據上述例6-10，製造了比較例2的倒裝晶片安裝結構。
此倒裝晶片安裝結構被製作成具有相似於使用比較例1的導電粘合劑的例6-10的安裝結構。
用下列方法，在如上所述製造的例6-10和比較例2的倒裝晶片安裝結構上進行可靠性測試。
亦即，對於這些倒裝晶片安裝結構，藉助於測量連接電阻在高溫和高溼度環境(85℃，85％)下通過實際使用時的電流(10mA)時的變化而進行抗離子遷移性質的評估。同樣，藉助於測量連接電阻在硫化氫氣氛(40℃，90％，硫化氫濃度為3ppm)下通過實際使用時的電流(10mA)時的變化而進行抗硫化反應性質的評估。結果示於表2。
表2
對於例6-10的倒裝晶片安裝結構，比之比較例2，發現下列情況。亦即，在抗離子遷移性質的評估中，電流開始流動之前的時間比比較例2更長，從而證實了抗離子遷移性質得到了改善。同樣，在抗硫化反應性質的評估中，測試之前和之後的連接電阻的改變小於比較例2的，從而證實了抗硫化反應性質得到了改善。
而且，藉助於對各個例子進行比較，證實了下列情況。亦即，藉助於將防淘析膜3由樹脂製成的例6-8與防淘析膜3由金屬絡合物製成的例9和10進行比較，證實了例9和10具有更好的抗離子遷移性質。
而且，藉助於對各個例子進行比較，無論在具有由樹脂製成的防淘析膜3的例子6-8中，還是在具有由金屬絡合物製成的防淘析膜3的例子9和10中，都有下列情況。亦即，具有由本發明中定義為不溶於水和不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的材料製作的防淘析膜3的例子7、8、10，比之具有由其它材料製成的防淘析膜3的例子6和9，表現出了抗離子遷移性質評估中的改善以及抗硫化反應性質評估中的改善。而且，在具有由被上述定義定義為不可溶解的材料製作的防淘析膜3的例子7和8之間，發現溶解度較低的那一個具有更高的評估結果。
這樣，例子6-10(倒裝晶片安裝結構)就產生了相似於例1-5(導電粘合劑)的效果。
此處，在例子6-10中，用具有由熱塑性環氧樹脂製成的有機粘合劑4的導電粘合劑1，在半導體器件6與電路板5之間建立了電連接。但按與第一實施例相同的方式，利用熱凝性環氧樹脂，不用說也產生相似的效果。
而且，在例6-10中，恐怕防淘析膜3有可能妨礙各個連接位置處的電連接(導電填料2與凸塊電極8之間、各個電學填料2之間、導電填料2與輸入/輸出端子電極9之間)。但由於在執行倒裝晶片安裝過程中，電路板5與半導體器件6被加壓鍵合，故在加壓位置(連接位置)處的防淘析膜3被加壓鍵合工藝擊破，從而在連接位置處建立直接的電連接，致使防淘析膜3不妨礙連接。
下面描述第三實施例(晶片元件安裝結構)的例子。
(例11)此例子的目的是利用例1的導電粘合劑製造的晶片元件安裝結構。此處，在例1中，採用由尿烷樹脂製成的防淘析膜3。此晶片元件安裝結構包括安裝在藉助於在由玻璃環氧樹脂襯底製成的電路板11(30mm×60mm，厚度為1.6mm)上鍍金(Au)而製作的電極12上的5個晶片電阻器13(3216尺寸，鍍SnPb)、2個晶片線圈14(直徑為8mm，高度為4mm)、以及4個晶片電容器15(3216尺寸，鍍SnPb)。
用下列方法來製造這一晶片元件安裝結構。首先，將導電粘合劑1絲網印刷在電路板11的電極12上。然後，利用現有的元件安裝設備，將晶片元件13、14、15安裝在電極12上，隨之以在爐子中於150℃下加熱30分鐘以硬化導電粘合劑1。
(例12)此例子的特徵是，用例2的導電粘合劑1構成晶片元件安裝結構。此處，在例2中，防淘析膜3由尿素樹脂製成。除了導電粘合劑1之外，此晶片元件安裝結構的構造和製造方法與例11相同。
(例13)此例子的特徵是，用例3的導電粘合劑1構成晶片元件安裝結構。此處，在例3中，防淘析膜3由氟樹脂製成。除了導電粘合劑1之外，此晶片元件安裝結構的構造和製造方法與例11相同。
(例14)此例子的特徵是，用例4的導電粘合劑1構成晶片元件安裝結構。此處，在例4中，防淘析膜3由含有二乙醇胺的金屬絡合物製成。除了導電粘合劑1之外，此晶片元件安裝結構的構造和製造方法與例11相同。
(例15)此例子的特徵是，用例5的導電粘合劑1構成晶片元件安裝結構。此處，在例5中，防淘析膜3由含有o-氨基苯甲酸的金屬絡合物製成。除了導電粘合劑1之外，此晶片元件安裝結構的構造和製造方法與例11相同。
(比較例3)根據上述例11-15，製造了比較例3的晶片元件安裝結構。
此晶片元件安裝結構使用比較例1的導電粘合劑，被製作成具有相似於例11-15的安裝結構。
用相似於例6-10和比較例2中所用的方法，在例11-15的晶片元件安裝結構上和在如上所述製造的比較例3的晶片元件安裝結構上，進行可靠性測試。結果示於表3。
表3
對於例10-15的晶片元件安裝結構，比之比較例3，發現下列情況。亦即，在抗離子遷移性質的評估中，電流開始流動之前的時間比比較例3更長，從而證實了抗離子遷移性質得到了改善。同樣，在抗硫化反應性質的評估中，測試之前和之後的連接電阻的改變小於比較例3的，從而證實了抗硫化反應性質得到了改善。
而且，藉助於對各個例子進行比較，證實了下列情況。亦即，藉助於將防淘析膜3由樹脂製成的例11-13與防淘析膜3由金屬絡合物製成的例14和15進行比較，證實了例14和15具有更好的抗離子遷移性質。
而且，藉助於對各個例子進行比較，無論在具有由樹脂製成的防淘析膜3的例子11-13中，還是在具有由金屬絡合物製成的防淘析膜3的例子14和15中，都有下列情況。亦即，具有由本發明中定義為不溶於水和不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的材料製作的防淘析膜3的例子12、13、15，比之具有由其它材料製成的防淘析膜3的例子11和14，表現出了抗離子遷移性質評估中的改善以及抗硫化反應性質評估中的改善。而且，在具有由被上述定義定義為不可溶解的材料製作的防淘析膜3的例子12和13之間，發現溶解度較低的那一個具有更高的評估結果。
這樣，例子11-15(晶片元件安裝結構)就產生了相似於例1-5(導電粘合劑)和例6-10(倒裝晶片安裝結構)的效果。
下面描述本發明第四實施例的例子。
(例16)製備了電路板6(見圖4)，其結構相似於為例1-5的評估和測量而製備的電路板。然後，利用比較例1(常規例子)的導電粘合劑，在此電路板6上製作導電粘合劑層17和18。導電粘合劑層17和18的製造方法相似於例1-5和比較例1的樣品。
而且，藉助於將10％重量比的o-氨基苯甲酸與90％重量比的異丙醇混合，製備了絡合劑溶液。此處，絡合劑溶液中的混合比率以及溶劑的種類可以根據導電填料2的表面態和後續工藝中製作的防淘析膜3的厚度而改變，致使其混合比率和溶劑的種類不特別局限於此。
將上述電路板16浸入絡合劑溶液30秒鐘並從中拉出，隨之以在100℃下乾燥30分鐘，以便在包含在導電粘合劑層17和18中的導電填料2上形成由金屬絡合物製成的防淘析膜3並使異丙醇蒸發。這就完成了圖4所示的測試樣品。
這樣製備的測試樣品的結構相似於作為第一實施例的例子的例1-5中製備的測試樣品。於是，為了在此例子與例1-5之間進行比較，根據相似於例1-5的方法，進行了評估測試。其結果一起示於上述的表1中。
結果證實，在抗離子遷移性質的評估中，根據此例的生產方法製備的安裝結構具有相似於預先在導電填料2上製作防淘析膜3的例1-5的安裝結構的性質。同樣，在抗硫化反應性質的評估中，證實連接電阻完全沒有增大，還證實連接電阻的絕對值小於例1-5的最大值。
(例17)製備了構造相似於比較例2的倒裝晶片安裝結構。但在此階段，半導體器件6與電路板5之間的間隙未被密封樹脂10密封。在此情況下，用注射器將相似於例1所用的絡合劑注入到半導體器件6與電路板5之間的間隙中，隨之以在100℃下乾燥30分鐘，以便在導電填料2的表面上形成由金屬絡合物製成的防淘析膜3並使溶劑蒸發。
然後，將密封樹脂10注入到半導體器件6與電路板5之間的間隙中，從而完成倒裝晶片安裝結構的測試樣品。
這樣製備的測試樣品的結構相似於作為第二實施例的例子的例6-10中製備的測試樣品。於是，為了在此例子與例6-10之間進行比較，根據相似於例6-10的方法，進行了評估測試。其結果一起示於上述的表2中。
結果證實，在抗離子遷移性質的評估中，根據此例的生產方法製備的倒裝晶片安裝結構具有相似於預先在導電填料2上製作防淘析膜3的例6-10的安裝結構的性質。同樣，在抗硫化反應性質的評估中，證實連接電阻完全沒有增大，還證實連接電阻的絕對值小於例6-10的最大值。
(例18)製備了構造相似於比較例3的晶片元件安裝結構。然後，將此晶片元件安裝結構浸入相似於例16所用的絡合劑溶液中30秒鐘並從中拉出，隨之以在100℃下乾燥30分鐘，以便在包含在導電粘合劑層21中的導電填料2上形成由金屬絡合物製成的防淘析膜3並使異丙醇蒸發。這就完成了圖6所示的測試樣品。
這樣製備的測試樣品的結構相似於作為第三實施例的例子的例11-15中製備的測試樣品。於是，為了在此例子與例11-15之間進行比較，根據相似於例11-15的方法，進行了評估測試。其結果一起示於上述的表3中。
結果證實，在抗離子遷移性質的評估中，根據此例的生產方法製備的晶片元件安裝結構具有相似於預先在導電填料2上製作防淘析膜3的例11-15的安裝結構的性質。同樣，在抗硫化反應性質的評估中，證實連接電阻完全沒有增大，還證實連接電阻的絕對值小於例11-15的最大值。
如上所述，本發明產生了一種抗離子遷移性質或抗硫化反應性質優越於常規安裝結構的安裝結構。而且，若本發明被用於諸如倒裝晶片安裝結構或晶片元件安裝結構之類的安裝結構，則絕緣可靠性得到改善，從而使得有可能減小各個電極等等之間的間距並節省安裝結構的空間。而且，由於本發明改善了抗硫化反應的可靠性，故本發明可以被用於可能用在諸如溫泉或火山附近的含有大量硫的氣體氣氛中的產品中，從而完全能夠預計其應用範圍將進一步擴大。
雖然參照最佳實施例已經描述了本發明，但可以對最佳實施例的各個元件的組合和安排作出各種各樣的改變和修正而不超越所附權利要求所規定的本發明的構思與範圍。
權利要求
1.一種安裝結構，它包含電氣結構和排列在所述電氣結構上的導電粘合劑層，其中所述導電粘合劑層包含導電填料、以及排列在至少部分所述導電填料上的防淘析膜。
2.根據權利要求1的安裝結構，還包含排列在所述電氣結構上的另一個電氣結構，所述導電粘合劑層在所述電氣結構與所述其它電氣結構之間建立電連接。
3.根據權利要求1的安裝結構，其中至少部分所述導電填料被暴露在所述導電粘合劑層的表面上，且所述防淘析膜至少被排列在所述導電填料的所述暴露部分上。
4.根據權利要求3的安裝結構，其中所述導電粘合劑層具有大量彼此連通並與所述導電粘合劑層的表面連通的孔；至少部分所述導電填料被暴露於所述孔的內表面；且所述防淘析膜至少被排列在暴露於所述孔的所述內表面的所述導電填料上。
5.根據權利要求1的安裝結構，其中所述防淘析膜包含不溶於水的物質。
6.根據權利要求1的安裝結構，其中所述防淘析膜包含不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的物質。
7.根據權利要求1的安裝結構，其中所述防淘析膜包含金屬絡合物。
8.根據權利要求1的安裝結構，其中所述防淘析膜包含樹脂組分。
9.根據權利要求1的安裝結構，其中所述導電填料包含銀。
10.根據權利要求2的安裝結構，其中所述電氣結構是一種電路板，而所述其它電氣結構是一種安裝在所述電路板上的電子元件。
11.根據權利要求10的安裝結構，其中所述其它電氣結構是一種倒裝晶片安裝在由所述電路板製成的所述電氣結構上的半導體器件。
12.一種含有導電填料的導電粘合劑，其中至少部分所述導電填料具有防淘析膜。
13.根據權利要求12的導電粘合劑，其中所述防淘析膜包含不溶於水的物質。
14.根據權利要求12的導電粘合劑，其中所述防淘析膜包含不溶於含有硫化氫或氧化硫的水溶液的物質。
15.根據權利要求12的導電粘合劑，其中所述防淘析膜包含金屬絡合物。
16.根據權利要求12的導電粘合劑，其中所述防淘析膜包含樹脂組分。
17.根據權利要求12的導電粘合劑，其中所述導電填料包含銀。
18.一種生產安裝結構的方法，所述方法包含下列步驟在電氣結構上製作導電粘合劑層，所述導電粘合劑層含有導電填料；以及在所述導電粘合劑層被硬化之後，在與所述導電粘合劑層的表面連通的所述導電填料上，製作防淘析膜。
19.根據權利要求18的生產安裝結構的方法，其中在所述導電粘合劑層被硬化之後，藉助於在所述導電粘合劑層中形成絡合物而製作所述防淘析膜。
20.根據權利要求18的生產安裝結構的方法，其中所述導電粘合劑層在所述電氣結構與另一個電氣結構之間建立電連接。
21.根據權利要求20的生產安裝結構的方法，其中所述電氣結構是電路板，而所述其它電氣結構是安裝在所述電路板上的電子元件。
22.根據權利要求20的生產安裝結構的方法，其中所述其它電氣結構是倒裝晶片安裝在所述電路板上的半導體器件。
全文摘要
藉助於利用在至少部分導電填料上具有防淘析膜的導電粘合劑而構造安裝結構的導電粘合劑層,提高了絕緣可靠性和抗硫化可靠性。
文檔編號H05K3/32GK1274950SQ00106569
公開日2000年11月29日 申請日期2000年4月13日 優先權日1999年4月13日
發明者天見和由, 竹沢弘輝, 白石司, 別所芳宏 申請人:松下電器產業株式會社