JP3923687B2

JP3923687B2 - 電子部品実装用接合剤およびこれを用いた電子部品の実装方法

Info

Publication number: JP3923687B2
Application number: JP26002899A
Authority: JP
Inventors: 秀規宮川; 憲一郎末次; 尚士秋口; 正人平野; 幹也中田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: JP2001085824A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を回路基板に実装するための接合剤およびその接合剤を用いた電子部品の実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品実装用接合剤として、銀、ニッケルなどの金属粉を樹脂に充填した導電性接着剤、クリーム半田などが知られている。従来の導電性接着剤には、その印刷性を向上させるため、不飽和脂肪酸、二酸化珪素などのチクソ性付与剤を含有させるのが一般的である。
しかし、従来の導電性接着剤は、絶縁体であるチクソ性付与剤を含有するため、加熱硬化後の導電性が低いという問題がある。また、クリーム半田は、その成分中に鉛を含むため、安全衛生および地球環境保護の点で問題がある。
さらに、従来の導電性接着剤は、加熱硬化時にチクソ性が低下するため、接着剤がダレ広がり、実装後の電子部品端面に形成されるフィレット高が低くなり、接着強度が低下したり、硬化後に部品が基板から欠落したりするなどの問題を生じやすい。
部品が基板から欠落するのを防止するため、印刷工程で塗布される接着剤の膜厚を厚くする方法などが検討されている。しかし、この場合、印刷用マスクも厚くする必要があり、接着剤の版抜け性が悪くなったり、接着剤の塗布量が不安定になったりするなどの新たな問題が生じている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記諸問題に鑑み、電子部品と回路基板とを導通性よく接合でき、かつ、接着強度に優れた高品質の電子部品実装製品を製造できる電子部品実装用接合剤を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エポキシ樹脂１００重量部、潜在性硬化剤２〜３０重量部および導電性粒子３００〜９００重量部からなる電子部品実装用接合剤に関する。
前記導電性粒子のタップ密度は、４．５〜５．５ｇ／ｃｍ ³であり、かつ、平均粒子径が４〜５μｍである。
また、本発明は、前記電子部品実装用接合剤を回路基板の電極に印刷する工程、塗布された接合剤上に電子部品を装着する工程および前記接合剤を硬化させる工程を含むことを特徴とする電子部品の実装方法に関する。
前記印刷工程で塗布される電子部品実装用接合剤の膜厚は、４０〜９０μｍであることが好ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の電子部品実装用接合剤は、エポキシ樹脂、潜在性硬化剤および導電性粒子を含んでいる。
前記エポキシ樹脂は、常温で液状のものが用いられる。また、最終的に液状となる限り、固体のエポキシ樹脂を一部含んでいてもよい。エポキシ樹脂全体の粘度は、例えばＥ型粘度計を用い、３０℃、ロータ回転数０．５ｒｐｍの条件で測定したときの測定値が、０．２〜１０Ｐａ・ｓ、さらには０．４〜３．５Ｐａ・ｓであることが好ましい。
【０００６】
エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂、テトラメチルジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテルなどのビフェニル型エポキシ樹脂、ジヒドロキシナフタレンジグリシジルエーテルなどのナフタレン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、１，６−ヘキサンジオールジグリシジルエーテルなどの脂環式エポキシ樹脂、トリグリシジルアミノフェノール型エポキシ樹脂などのアミノフェノール型エポキシ樹脂などを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、安価で、低粘度で、安定性がよいなどの点から、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂などが、特に好ましく用いられる。また、エポキシ樹脂には、粘度調整などのために用いられる分子中にエポキシ基を１〜２個有する低分子量成分（希釈剤）が含まれていてもよい。
【０００７】
前記潜在性硬化剤は、低温から常温、例えば０〜４０℃ではほとんどエポキシ樹脂と硬化反応を起こさないが、一定の温度に加熱すると、硬化反応を速やかに進行させる硬化剤である。かかる性質を有する点から、潜在性硬化剤は常温で固体（粉体）であることが多いが、液状であってもよい。
ここで、一定の温度とは、潜在性硬化剤の種類によって異なるが、一般に８０〜２００℃であり、８０〜１５０℃程度であることが、硬化反応時の温度管理上好ましい。また、硬化反応が充分に進行するまでに要する加熱時間は、４０〜４００μｍの膜状に塗布した接合剤を硬化させる場合、一般に０．５〜３０分間であり、０．５〜１０分間程度であることが、製造工程上好ましい。
【０００８】
潜在性硬化剤としては、例えばイミダゾール、１または２以上のアルキル基を有するアルキルイミダゾールなどのイミダゾール系硬化剤、アミノ基含有化合物をエポキシ樹脂などと適度に反応させて潜在性を付与したアダクト系硬化剤、ポリアミノアミドなどのアミド系硬化剤、フタル酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、ピロメリット酸無水物、ナジック酸無水物などの酸無水物系硬化剤を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。例えばアダクト型硬化剤と酸無水物系硬化剤とを組み合わせることで低粘度で硬化反応性に優れた接合剤を得ることが可能となる。前記硬化剤のうちでは、潜在性が優れている点から、アダクト系硬化剤、イミダゾール系硬化剤が好ましい。
【０００９】
前記導電性粒子としては、金属の微粒子、例えば銀粉末、銅粉末、ニッケル粉末などが好ましく用いられる。
導電性粒子の平均粒子径は、最適なチクソ性などを接合剤に付与し得る点から、４〜５μｍであり、４．０〜４．６μｍであることが好ましい。平均粒径が４μｍ未満になると、チクソ性が高くなり過ぎて塗布工程中での供給量がばらつく、あるいは脱泡が困難になるなど、取り扱いが困難となり、５μｍを超えると、チクソ性が低（劣）化する傾向がある。
また、同様に最適なチクソ性などを接合剤に付与し得る点から、導電性粒子のタップ密度は、４．５ｇ／ｃｍ³以上、特に４．５〜５．５ｇ／ｃｍ³ であり、４．７〜５．３ｇ／ｃｍ³であることが好ましい。タップ密度が４．５ｇ／ｃｍ³未満になると、接合剤の粘度が高くなりすぎるため、エポキシ樹脂に対して３〜９倍もの導電性粒子を配合することができない。その結果、最適なチクソ性を付与するにはチクソ性付与剤の添加が必要となる。また、タップ密度が５．５ｇ／ｃｍ³以上になると、導電性粒子の製造が非常に困難となる傾向が生じる。
【００１０】
本発明の接合剤は、エポキシ樹脂１００重量部に対し、潜在性硬化剤２〜３０重量部、好ましくは１０〜３０重量部および導電性粒子３００〜９００重量部を配合したものである。潜在性硬化剤の配合量が２重量部未満になると、接合剤の硬化が遅くなったり、硬化が不充分となるなどの傾向が生じ、３０重量部を超えると、接合剤の保存安定性が悪くなったり、硬化後の接合剤の物性が低下するなどの傾向が生じる。また、導電性粒子の配合量が、３００重量部未満になると、充分な導電性が得られず、チクソ性も不充分となり、９００重量部を超えると、接合剤の粘度が高くなり、取り扱い作業性が悪くなる。すなわち、潜在性硬化剤が２〜３０重量部のとき、接合剤を充分に硬化させることができるとともに、保存安定性も良好となり、導電性粒子が３００〜９００重量部のとき、作業性および基板と部品との導通性が良好となる。
【００１１】
接合剤のチクソ性は、例えばＥ型粘度計を用い、３０℃でロータ回転数０．５ｒｐｍの条件で測定したときの粘度を、ロータ回転数を５．０ｒｐｍにする以外は同様に測定したときの粘度で割った値で示すことができる。本発明の接合剤の場合、前記のようにして求められるチクソ性は、チクソ性付与剤を添加しなくても４．０〜８．０、さらには４．５〜７．０となり得る。この範囲は、後述の電子部品実装方法に最適なチクソ性の範囲であり、接合剤の導電性を低下させることなく最適な電子部品の実装を行うことができる。
【００１２】
本発明の接合剤の粘度は、導電性粒子を粒径とタップ密度で分級した結果、例えばＥ型粘度計を用い、３０℃でロータ回転数０．５ｒｐｍの条件で測定したとき、１００〜５００Ｐａ・ｓ、さらには１５０〜４５０Ｐａ・ｓとすることができる。
【００１３】
本発明の接合剤は、後述する実施例でいう加熱ダレ率を０〜５．０％、さらには０〜１．０％とすることができる。
図１に、本発明の電子部品実装用接合剤を用いて、基板上に電子部品を接合する場合の加熱前および加熱硬化後の接合剤の状態を模式的に示す。また、図２に、従来の接合剤を用いて、基板上に電子部品を接合する場合の加熱前および加熱硬化後の接合剤の状態を模式的に示す。ここで、図１および２中、１は基板、２は電子部品、３は加熱前の本発明の接合剤、４は加熱硬化後の本発明の接合剤、５は加熱前の従来の接合剤および６は加熱硬化後の従来の接合剤を示す。
加熱ダレ率が小さいと、図１および２から明らかなように、加熱後も電子部品を接合剤でしっかりと固定できるため、接合強度が高くなる。
【００１４】
最適なチクソ性および粘度を有し、保存安定性および潜在性に優れ、接着強度にも優れた接合剤としては、例えば以下のようなものが挙げられる。
（態様１）
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１００重量部
アダクト系硬化剤１５〜３０重量部
銀粉３００〜８００重量部
（態様２）
脂環式エポキシ樹脂１００重量部
酸無水物系硬化剤５０〜１００重量部
アダクト系硬化剤５〜１５重量部
銀粉３００〜９００重量部
（態様３）
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部
イミダゾール系硬化剤３〜１０重量部
ニッケル粉５００〜９００重量部
【００１５】
次に、本発明の接合剤を用いた電子部品の実装方法について説明する。
まず、接合剤を回路基板の電極に印刷する。このとき電極部以外の部分をマスクで覆うが、マスクとしてメタルマスクを用いることが、塗布された接合剤の厚さが均一になるなどの点から好ましい。また、同様の理由から、スキージの材質としては、フッ素樹脂が好ましい。
電極上には膜状に接合剤が塗布される。その膜厚は、接合剤を基板に安定して供給し易いという点から、４０〜９０μｍ、さらには４０〜６０μｍであることが好ましい。
【００１６】
次に、接合剤上に電子部品を装着する。部品の装着の仕方は電子部品の種類によって異なる。一般には、後の加熱工程で接合剤の粘度が低下し、電子部品の接合面を接合剤で充分に覆うことができる（濡れ性がよい）ので、接合剤上に部品を置くだけでもよい。もちろん加圧して接合剤と電子部品とを充分に密着させてもよい。
部品を装着したら加熱して接合剤を硬化させる。硬化させる条件は接合剤の種類によって異なるが、一般に、潜在性硬化剤の作用する温度、すなわち８０〜２００℃、さらには８０〜１５０℃程度で硬化させる。
【００１７】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
《実施例１〜３》
エポキシ樹脂として表１に示す樹脂Ａ〜Ｃ、潜在性硬化剤としてアミン系化合物をエポキシ化合物で変性したアダクト系硬化剤（味の素（株）製のアミキュアＰＮ−２３（商品名）、以下ＰＮ−２３という。）および導電性粒子として表２に示す粒子ＸおよびＹを、表３に示す割合（重量部）で混合し、接合剤とした。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【表３】

【００２１】
得られた接合剤について、各種特性を評価した。評価方法（測定方法）は以下の通りである。
（１）体積抵抗値：ＪＩＳ−Ｋ６９１１に準じて測定した。
（２）粘度：Ｅ型粘度計（３°コーン）を用いて、３０℃で回転数０．５ｒｐｍで、２回転目の数値を読みとった。
（３）硬化性：基板上に接合剤を厚さ５０±１０μｍの膜状に塗布し、１２０℃で５分間加熱した後、触針法で硬化を確認した。充分に硬化しているものを「○」、硬化が不充分のものを「×」とした。
（４）保存安定性：接合剤の製造直後の粘度（η₀）を測定し、その後、その接合剤を３０±１℃の温度下で保存し、定期的に粘度（η₁）を測定した。η₁≧２×η₀となるまでに要した日数を調べた。
結果を表４に示す。
【００２２】
【表４】

【００２３】
《比較例１〜５》
実施例で用いた原料と同じ原料を表５に示す割合（重量部）で混合し、接合剤とした。得られた接合剤について、各種特性を、実施例と同様にして評価した。
結果を表４に実施例１〜３と合わせて示す。
【００２４】
【表５】

【００２５】
表４から、本発明の電子部品実装用接合剤は、体積抵抗値が小さく、適度な粘度を有し、硬化性および保存安定性が実用に適した範囲内であることがわかる。
【００２６】
《実施例４および比較例６》
実施例１で用いた接合剤と、樹脂Ａ１００重量部、ＰＮ−２３１５重量部、平均粒径７．０μｍでタップ密度３．１ｇ／ｃｍ³の銀粒子４００重量部およびチクソ性付与剤としてステアリン酸アマイドワックスを３重量部添加した接合剤とを用いて、以下のようにして、実装の実用性を評価した。ここで、前者を用いる場合を実施例４、後者を用いる場合を比較例６とする。
【００２７】
（１）部品接着強度：底面寸法０．６ｍｍ×０．３ｍｍを有する電子部品用に設計された基板の電極上に、接合剤を厚さ５０±１０μｍの膜状に印刷した。
このとき、電極以外の部分をメタルマスクで覆い、スキージにはフッ素樹脂の材質のものを用いた。
塗布された接合剤上に一般的な電子部品装着装置を用いて前記寸法の部品を装着し、それをリフロー用の炉に設置して接合剤を硬化させた。リフロー炉の温度は９０〜１５０℃であり、この炉の中で接合剤は１〜３０分間加熱される。
次に、部品と基板との間の引っ張りせん断接着強度を測定した。
（２）加熱ダレ率：基板上に接合剤を厚さ５０±１０μｍの真円膜状に印刷し、その直径（φ₀）を測定した。次に、その接合剤を加熱硬化させた後、硬化した真円膜状の接合剤の直径（φ₁）を測定した。このとき式：｛（φ₁−φ₀）／φ₀｝×１００から導かれる値を加熱ダレ率（％）とした。
結果を表６に示す。
【００２８】
【表６】

【００２９】
表６から、本発明の接合剤を用いた場合、従来のごとくチクソ性付与剤を添加して適当な作業性を付与した接合剤に比べ、加熱ダレ率が小さく、電子部品と基板との間の接合強度も良好となることがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の接合剤を用いて電子部品を基板に接合すると、粘度とチクソ性が電子部品の実装に用いるのに最適であり、加熱ダレ率も小さいため、電子部品と基板との間の接着強度が優れたものとなる。また、本発明の接合剤には、チクソ性付与剤を含有させる必要がないため、その添加による体積抵抗値の増大を避けることができ、電子部品と基板との導通性も優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子部品実装用接合剤を用いて基板上に電子部品を接合する場合の加熱前および加熱硬化後の接合剤の状態を示す模式図である。
【図２】従来の接合剤を用いて基板上に電子部品を接合する場合の加熱前および加熱硬化後の接合剤の状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１基板
２電子部品
３加熱前の本発明の接合剤
４加熱硬化後の本発明の接合剤
５加熱前の従来の接合剤
６加熱硬化後の従来の接合剤

Claims

エポキシ樹脂１００重量部、潜在性硬化剤２〜３０重量部および導電性粒子３００〜９００重量部を含み、導電性粒子のタップ密度が４．５〜５．５ｇ／ｃｍ ³ であり、かつ平均粒子径が４〜５μｍである電子部品実装用接合剤。
導電性粒子のタップ密度が４．７〜５．３ｇ／ｃｍ ³ である請求項１記載の電子部品実装用接合剤。
導電性粒子の平均粒子径が、４．０〜４．６μｍである請求項１記載の電子部品実装用接合剤。
潜在性硬化剤が１０〜３０重量部である請求項１記載の電子部品実装用接合剤。
請求項１〜４のいずれかに記載の電子部品実装用接合剤を回路基板の電極に印刷する工程、塗布された接合剤上に電子部品を装着する工程および前記接合剤を硬化させる工程を含むことを特徴とする電子部品の実装方法。
前記印刷工程で塗布される電子部品実装用接合剤の膜厚が、４０〜９０μｍである請求項５記載の実装方法。