用于超声波粘合的各向异性导电粘合剂、和使用其的电子部件连接方法

摘要

本发明涉及用于超声波粘合的各向异性导电粘合剂(ACA)，其电连接作为第一电子部件的连接部分的电极的第一电极和作为第二电子部件的连接部分的电极的第二电极。该用于超声波粘合的各向异性导电粘合剂包括：绝缘聚合物树脂；导电的粘合剂颗粒，其通过由施加至该各向异性导电粘合剂的超声波产生的热而熔化；和间隔物颗粒，其具有高于粘合剂颗粒的熔点。使粘合剂颗粒熔化并与选自第一电极和第二电极的至少一个电极进行表面接触，并且使所述第一电极和所述第二电极以通过所述间隔物颗粒在所述第一电极和所述第二电极之间所保持的恒定间隙电连接。

说明书

技术领域

本发明涉及用于电连接作为第一电子部件的连接部分的电极的第一电 极和作为第二电子部件的连接部分的电极的第二电极的各向异性导电粘合 剂(ACA)、以及使用其将电子部件互连的方法。

背景技术

各向异性导电粘合剂可为这样的粘合剂材料：其基于绝缘聚合物树脂和 分散在该聚合物树脂中的导电颗粒同时进行经由导电颗粒的电极电互连，和 经由聚合物树脂的热固化的机械连接。

通常，使用细颗粒例如金、铜、镍、碳、金属涂覆的聚合物、本征导电 聚合物等作为导电颗粒，并且使用环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅树脂、丙烯 酸类树脂、聚酯树脂或者聚砜树脂作为聚合物树脂。根据应用领域，导电颗 粒的类型可变化，并且为了降低热膨胀系数，它们可包括非导电颗粒。

在使用各向异性导电粘合剂将电子部件互连的方法中，在如下方面具有 优点：它是清洁、简单和环境友好的，因为用无铅方法代替了现有的焊接 (soldering)方法；它是更加热稳定的，因为无需将向产品施加瞬时温度(低温 方法)；该方法的成本可通过使用便宜基底例如玻璃基底或聚酯柔性基底而 降低，而且可经由使用细导电颗粒的电连接来实施超精细电极间距。

具有这些优点的各向异性导电粘合剂广泛地用于例如如下的应用中：智 能卡、液晶显示器(LCD)、等离子体显示面板(PDP)、有机发光二极管的显示 包装、计算机、便携式电话、通信系统等。

各向异性导电粘合剂一般在显示模块安装技术中用于在将柔性基底连 接至玻璃基底时的外部引线接合(outer lead bonding)(OLB)和用于将该柔性 基底与印刷电路板(PCB)接合。各向异性导电粘合剂的市场正迅速地增长。

此外，在COG(玻载芯片)(其中驱动电路IC芯片直接连接至玻璃基底) 和COF(膜载芯片)(其中倒装芯片直接连接至柔性基底)的接合方法中，因为 需要具有超精细间距的连接(归因于驱动电路IC日益提高的致密化和复杂 性)，所以各向异性导电粘合剂的重要性也正迅速地增加。

在使用各向异性导电粘合剂的电子部件的安装技术中，利用热压法和聚 合物树脂的热固化在电极片(electrode pad)之间经由导电颗粒的导电来实现 连接。

当使用各向异性导电粘合剂时，必须解决例如如下的若干问题：聚合物 树脂不均匀的热固化，由于在加热和冷却过程中产生的残余应力所引起的扭 曲，热变形，板平坦度等。此外，由于电子部件的电极和各向异性导电粘合 剂的导电颗粒之间的点接触，电子部件的电连接存在高接触电阻的问题。

详细而言，图1A说明将作为连接对象的两个电子部件100和300互连 的常规方法。如图1A中所示，作为一个连接对象的电子部件100包括在其 上表面部分中形成的电极110。电子部件100的上表面部分用各向异性导电 糊200涂覆或附着(attach)有各向异性导电膜200，该各向异性导电糊200或 各向异性导电膜200是包含绝缘热固性聚合物树脂220和导电金属颗粒210 的各向异性导电粘合剂；然后在其上排列作为另一连接对象的电子部件300 的电极310。之后，通过施加热和压力使聚合物树脂固化，并且这两个电极 110和310变为导电的。

然而，在该常规技术中，导电颗粒210与电极110及310仅仅是物理接 触，如图1B中所示。因此，由于该物理点接触，在两个电极之间的接触电 阻可为高的，并且电流的流动可受限制。

发明内容

本发明的一个实施方案涉及用于电连接的各向异性导电粘合剂，其中可 显著地降低在作为连接对象的两个电极之间的接触电阻，而且可流过大量电 流，因此实现高可靠性。

本发明的另一实施方案涉及使用超声波的电子部件互连方法，其中各向 异性导电粘合剂能够均匀地固化以改进可靠性，作为连接对象的电子部件可 受热而不变形，而且在电子部件的电极之间的接触电阻可为非常低的。

根据本发明的一个实施方案，在电连接作为第一电子部件的连接部分的 电极的第一电极与作为第二电子部件的连接部分的电极的第二电极的用于 超声波粘合的各向异性导电粘合剂(ACA)中，所述各向异性导电粘合剂包 括：绝缘聚合物树脂；导电的粘合剂颗粒，其由于由施加至所述各向异性导 电粘合剂的超声波产生的热而熔化；和间隔物颗粒，其具有比所述粘合剂颗 粒高的熔点；和使所述粘合剂颗粒熔化且与选自所述第一电极和所述第二电 极的至少一个电极进行表面接触；并且使所述第一电极和所述第二电极以通 过所述间隔物颗粒在所述第一电极和所述第二电极之间所保持的恒定间隙 电连接。

在本发明的各向异性导电粘合剂中，通过所施加的超声波可导致所述 聚合物树脂的塑性变形，和通过根据该塑性形的所述聚合物树脂的自加热可 使所述粘合剂颗粒熔化。

另外，在本发明的各向异性导电粘合剂中，当施加超声波时，所述间隔 物颗粒可保持固态，并且当连接所述第一电子部件和所述第二电子部件时， 可抵抗所施加的压力而保持所述第一电极和所述第二电极之间的间隙。此 外，在所述间隔物颗粒中，可抵抗当连接所述第一电子部件和所述第二电子 部件时所施加的压力而保持所述第一电极和所述第二电极之间的间隙，使得 熔化的粘合剂颗粒具有均匀的粘合外观(appearance)。

所述粘合剂颗粒和所述间隔物颗粒满足以下式1。

【式1】

Tm^c≤0.9Tm^s

(Tm^c是所述粘合剂颗粒的熔点(℃)和Tm^s是所述间隔物颗粒的熔点 (℃)。)

此外，满足式1关系的所述粘合剂颗粒和所述间隔物颗粒还可满足下式 2和3。

【式2】

120℃≤Tm^c≤300℃

(Tm^c是所述粘合剂颗粒的熔点(℃)。)

【式3】

200℃≤Tm^s≤5000℃

(Tm^s是所述间隔物颗粒的熔点(℃)。)

另外，在本发明的各向异性导电粘合剂中，所述粘合剂颗粒的平均颗粒 直径可大于所述间隔物颗粒的平均颗粒直径，并且所述粘合剂颗粒和所述间 隔物颗粒的平均颗粒直径可彼此独立地是3μm-100μm。

为了大规模生产、制造成本和选择性导电，所述间隔物颗粒可为非导电 颗粒。

为了接触电阻，当电子部件互连时，所述间隔物颗粒可为导电颗粒。

为了大规模生产、制造成本、选择性传导和接触电阻，间隔物颗粒可为 混合颗粒，其包括导电颗粒和非导电颗粒的混合物。

另外，在本发明的各向异性导电粘合剂中，所述绝缘聚合物树脂可为热 固性聚合物树脂或热塑性聚合物树脂。当所述绝缘聚合物树脂是热固性聚合 物树脂时，则通过所施加的超声波可使该热固性聚合物树脂固化，并且可使 所述导电的粘合剂颗粒熔化。此外，当所述绝缘聚合物树脂是热塑性聚合物 树脂时，则可使该热塑性聚合物树脂熔化，并且可使所述导电的粘合剂颗粒 熔化。

同时，在其中向所述各向异性导电粘合剂施加超声波的单一方法中，在 使所述热固性聚合物树脂固化或者使所述热塑性聚合物树脂熔化的同时，可 使在根据本发明的各向异性导电粘合剂内的导电的粘合剂颗粒熔接(weld)。

另外，在本发明的各向异性导电粘合剂中，所述各向异性导电粘合剂可 含有5-30重量％的所述粘合剂颗粒，和1-50重量％的所述间隔物颗粒。

另外，在本发明的各向异性导电粘合剂中，所述粘合剂颗粒可为作为焊 料合金(solder alloy)的Pb基合金、Sn基合金、Sn-Bi基合金、Sn-Zn基合金、 Sn-Ag基合金、Sn-Ag-Au基合金、或这些合金的混合物。

优选地，所述粘合剂颗粒可为无铅焊料，其中该无铅焊料满足欧盟的 RoHS-6(危害性物质限制(Restriction of Hazardous Substances))指令。

更优选地，所述粘合剂颗粒可为作为焊料合金的Pb基合金、Sn基合金、 Sn-Bi基合金、Sn-Zn基合金、Sn-Ag基合金、Sn-Ag-Au基合金、或这些合 金的混合物。

另外，在本发明的各向异性导电粘合剂中，所述间隔物颗粒可为选自如 下的至少一种非导电颗粒：聚合物颗粒，包括环氧树脂、聚酰亚胺、硅树脂、 丙烯酸类树脂、聚酯、聚砜和聚苯乙烯；和陶瓷颗粒，包括氧化铝、氧化硅、 氮化硅、氧化钛和金刚石；或者所述间隔物颗粒可为选自如下的至少一种导 电颗粒：涂覆有金属的聚合物、银、金、铜、镍、碳、和本征导电聚合物。

所述各向异性导电粘合剂可为各向异性导电糊(ACP)或各向异性导电 膜，优选各向异性导电膜。

所述绝缘聚合物树脂可为热固性聚合物树脂或热塑性聚合物树脂，并且 通过施加超声波，可使所述热固性聚合物树脂固化，或者可使所述热塑性聚 合物树脂和所述粘合剂颗粒熔化。此外，通过所施加的压力和超声波，可使 该熔化的粘合剂颗粒与选自所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电 极进行表面接触。因此，本发明的各向异性导电粘合剂具有高的可靠性。

通过所述粘合剂颗粒的熔化，所述粘合剂颗粒可与所述第一电极或所述 第二电极的电极材料合金化，并且详细而言，所述粘合剂颗粒可在选自所述 第一电极或所述第二电极的一个或多个电极之间的界面处合金化。

另外，本发明的各向异性导电粘合剂可不包含用于使所述导电颗粒熔化 的还原剂。

根据本发明的另一实施方案，使用用于超声波粘合的各向异性导电粘合 剂将电子部件互连的方法包括：(a)在第一电子部件的连接部分的电极的上部 部分之上形成上述实施方案的各向异性导电粘合剂，其中，在所述第一电子 部件上形成有所述连接部分的电极以用于同种(homogenous)或异种 (heterogeneous)电子部件的电互连；和(b)使所述第一电子部件的连接部分的 电极和所述第二电子部件的连接部分的电极互连，包括：通过将所述第二电 子部件的连接部分的电极排列和堆叠在所述第一电子部件的连接部分的电 极的上侧而形成包含所述第一电子部件、所述各向异性导电粘合剂和所述第 二电子部件的叠层体(laminate)，其中所述各向异性导电粘合剂在所述电极之 间；通过向所述叠层体施加超声波振动和压力而引起包含在所述各向异性导 电粘合剂中的绝缘的热固性或热塑性聚合物树脂的塑性变形；通过根据所述 塑性变形的所述聚合物树脂的自加热使包含在所述各向异性导电粘合剂中 的所述聚合物树脂固化或熔化；和使包含在所述各向异性导电粘合剂中的所 述粘合剂颗粒熔化。

另外，在根据本发明的电子部件互连方法中，在步骤(b)中，在用于超声 波粘合的各向异性导电粘合剂内，通过所施加的超声波，可使所述热固性聚 合物树脂固化或者可使所述热塑性聚合物树脂熔化，并且可使所述粘合剂颗 粒熔化。

另外，在根据本发明的电子部件互连方法中，由所述热固性聚合物树脂 的自加热引起的所述各向异性导电粘合剂的温度可通过压力，超声波的频 率、振幅、功率和驱动时间，或它们的组合来控制。

在这种情况下，由于步骤(b)中所施加的超声波，所述各向异性导电粘合 剂的温度可在120-300℃的范围之内。

附图说明

图1A和1B是说明使用根据常规技术的各向异性导电粘合剂将两个电 子部件互连的方法的流程图；

图2是说明根据本发明的用于超声波粘合的各向异性导电粘合剂的图； 和

图3是说明使用根据本发明的用于超声波粘合的各向异性导电粘合剂 将电子部件互连的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述根据本发明的各向异性导电粘合剂和 使电子部件互连的方法的示例性实施方案。然而，本发明可以不同形式体现， 且不应解释为限于此处所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案以使得 本公开内容透彻和完整，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在整个本公开内容中，在本发明的各附图和实施方式中，相同的附图标 记始终是指相同的部件。

在这种情况下，在本文中所描述的技术和科学术语中，如果没有描述不 同的定义，则其意味着本发明所属领域的技术人员通常能够理解本发明。此 外，在说明书和附图中，将省略其解释将导致本发明要点变得不必要地模糊 的已知特征和结构。

根据本发明，各向异性导电粘合剂包括绝缘聚合物树脂430、粘合剂颗 粒410和熔点高于所述粘合剂颗粒的熔点的间隔物颗粒420。此外，在该用 于超声波粘合的各向异性导电粘合剂中，通过向所述各向异性导电粘合剂施 加超声波，可使聚合物树脂430固化或熔化。

所述绝缘聚合物树脂可为热固性聚合物树脂或热塑性聚合物树脂，并且 优选是热固性聚合物树脂。在下文中，将基于热固性聚合物树脂，参考图2 和图3来描述本发明。在以下讨论中，在其中所述聚合物树脂是热塑性聚合 物树脂而不是热固性聚合物树脂的情况下，显而易见的是，除了通过施加超 声波实现热塑性聚合物树脂的熔化而不是其固化之外，可保持本发明的主要 思想。

超声波的施加意味着将超声波振动施加至各向异性导电粘合剂400，并 且该超声波振动包括伴有预定压力的振动。

施加至各向异性导电粘合剂400的超声波引起各向异性导电粘合剂400 中所含的聚合物树脂430的塑性变形，并且通过所述塑性变形使聚合物树脂 430自加热。

通过聚合物树脂430基于超声波的自加热，使各向异性导电粘合剂400 的温度升高到高于聚合物树脂430的固化温度。

根据本发明的各向异性导电粘合剂400可为用于超声波粘合的各向异 性导电粘合剂400，其中，通过上述超声波振动进行粘合剂400的固化。此 外，各向异性导电粘合剂400包括间隔物颗粒，所述间隔物颗粒具有高于粘 合剂颗粒410的熔点。

如图2中所示，粘合剂颗粒410是在当施加超声波时所产生的热中熔化 的导电颗粒，和间隔物颗粒420是即使在施加超声波时也仍然保持固态的导 电或非导电颗粒。

当电子部件通过使用根据本发明的各向异性导电粘合剂400互连时，在 作为连接对象的电子部件的两个连接电极110和310之间的粘合剂颗粒410 通过由各向异性导电粘合剂400产生的热而熔化，并与连接电极110和310 以表面接触的方式熔接。

因此，连接电极110和310与熔化的粘合剂颗粒410’具有非常低的接触 电阻。另外，在连接电极110和310与熔化的粘合剂颗粒410’中，大电流能 够稳定地流过，并牢固地实现了物理连接。另外，粘合剂颗粒410在与所述 第一电极或第二电极的电极材料的界面处合金化，从而具有更低的接触电阻 和更高的界面粘合。

由于间隔物颗粒420具有即使在向其施加超声波时也保持固态的特性， 因此在施加超声波时，间隔物颗粒420耐受外部压力。

可通过间隔物颗粒420防止作为连接对象的电子部件的两个连接电极 110和310以物理方式面对彼此。因此，电流能够在选择的位置流过。此外， 可使粘合剂颗粒410’熔化并且与连接部分电极110和310进行表面接触，同 时保持恒定形状。

如上所述，在根据本发明的用于超声波粘合的各向异性导电粘合剂400 中，通过施加超声波，可使所述热固性聚合物树脂固化(430’)，并且可使所 述粘合剂颗粒熔化(410’)。

所述聚合物树脂可为在100-300℃的温度下固化的树脂，优选环氧树脂、 聚酰亚胺树脂、丙烯酸类树脂、聚酯树脂、聚砜树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯 树脂、或它们的混合物。

当各向异性导电粘合剂400自加热时，希望的是，使粘合剂颗粒410稳 定地熔化并且基于间隔物颗粒420的熔点(Tm^s，℃)，粘合剂颗粒410具有低 于0.9×Tm^s的熔点，使得间隔物颗粒420保持固态。在这种情况下，粘合 剂颗粒410的熔点(Tm^c，℃)是120-300℃，和间隔物颗粒420的熔点(Tm^s， ℃)是200-5000℃，使得通过各向异性导电粘合剂400的自加热，可使聚合 物树脂430固化和可使粘合剂颗粒410熔化。

粘合剂颗粒410和间隔物颗粒420的平均颗粒直径可彼此独立地是 3μm-100μm。在这种情况下，就连接电极110和310与粘合剂颗粒410的有 效熔接而言，粘合剂颗粒410的平均颗粒直径可大于间隔物颗粒420的平均 颗粒直径。

间隔物颗粒420可为导电或非导电颗粒，或者导电颗粒和非导电颗粒的 混合物。

当间隔物颗粒420是导电颗粒时，连接电极110和310可为更稳定导电 的，和当间隔物颗粒420是非导电颗粒时，能够改善连接电极110和310的 导电选择性。

优选地，各向异性导电粘合剂400可含有5-30重量％的粘合剂颗粒410 和1-20重量％的间隔物颗粒420。

另外，优选的是，粘合剂颗粒410是无铅焊料颗粒，并且详细而言，是 Pb基合金、Sn基合金、Sn-Bi基合金、Sn-Zn基合金、Sn-Ag基合金、Sn-Ag-Au 基合金、或这些合金的混合物。

当间隔物颗粒420是非导电颗粒时，优选的是选择环氧树脂、聚酰亚胺、 硅树脂、丙烯酸类树脂、聚酯、聚砜、氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化钛、 金刚石、或它们的混合物，和当间隔物颗粒420是导电颗粒时，优选的是选 择涂覆有金属的聚合物、银、金、铜、镍、碳、本征导电聚合物、或它们的 混合物。

在根据本发明的各向异性导电粘合剂400中，可通过超声波的施加非常 快速且均匀地进行聚合物树脂的固化和导电的粘合剂颗粒的熔化。另外，因 为可通过压力和超声波的施加而容易地使该熔化的粘合剂颗粒熔接，所以它 们可没有氧化，因此不包含还原剂。

如上所述的根据本发明的各向异性导电粘合剂400可为膜类型或糊类 型，和优选是各向异性导电膜。

图3是说明通过使用根据本发明的各向异性导电粘合剂400将电子部件 互连的方法的流程图。在基于图3对根据本发明的电子部件互连方法的说明 中，因为根据本发明的各向异性导电粘合剂400的主要思想与上述说明的相 同，所以省去其说明。

在第一电极110的表面上形成各向异性导电粘合剂400，所述第一电极 是作为连接对象的第一电子部件100的连接电极。

当各向异性导电粘合剂400是膜类型时，可将该各向异性导电膜附着于 第一电极100的表面。另外，当各向异性导电粘合剂400是糊类型时，可使 用丝网印刷、旋涂或者刮涂来涂覆第一电极100的表面。

随后，排列和层叠作为另一连接对象的第二电子部件300，使得第一电 极100可与第二电极310相对，该第二电极310是第二电子部件300的连接 电极；然后将超声波施加于包括第一电子部件100、各向异性导电粘合剂400 和第二电子部件300的叠层体。

在这种情况下，可将该叠层体设置在用于物理支持的载体1000的上部 部分之上。另外，为了最小化来自各向异性导电粘合剂400的热损失，通过 具有低热导率的绝热振动传递介质2000向该叠层体施加伴有压力的超声波 振动。

通过所施加的超声波使各向异性导电粘合剂400中所含的聚合物树脂 430塑性变形，并且产生热量。根据该自加热，可使聚合物树脂430固化， 可使粘合剂颗粒410熔化，并且可使第一电极110和第二电极310彼此电连 接。

根据本发明，可使用伴有预定压力的超声波而不是通过外部热源的热传 递使聚合物树脂430自加热。因此，由于无论作为连接对象的电子部件的面 积、和各向异性导电粘合剂的厚度如何，均可维持均匀的温度，所以可防止 由不均匀热传导所引起的聚合物树脂的分解。另外，因为该加热仅出现在聚 合物树脂中，所以可使由热膨胀上的差异引起的热应力最小化。

另外，所述聚合物树脂的固化可显著地快于外部源的热传递，并且各向 异性导电粘合剂400的温度可得以快速和精确地控制。

在这种情况下，聚合物树脂430的自加热程度可通过压力，超声波的频 率、振幅、功率和驱动时间，或其组合来控制，并且因此，各向异性导电粘 合剂400的温度可得以快速和精确地控制。

为了使聚合物树脂430固化和使粘合剂颗粒410熔化，由于超声波的施 加所引起的各向异性导电粘合剂的温度可为120-300℃。

将通常包含8μm尺寸的导电Ni颗粒的各向异性导电膜附着在两个电极 之间，并且向其施加热和压力(150度，2MPa)。作为其电连接特性的测试的 结果，可获得大约9.2毫欧姆的接触电阻。同时，根据本发明，分别使用20μm 的共晶Sn/Bi焊料和8μm的Ni作为粘合剂颗粒和间隔物颗粒，并且施加超 声波振动。作为在225℃温度下在两个电极之间的连接特性的测试结果，证 实可获得约6.2毫欧姆的非常低的接触电阻。另外，证实了连接部分具有超 过常用的各向异性导电膜两倍的高的可靠性，即便在121℃和2atm和100％ 的相对湿度下的严酷测试时也是如此。

根据本发明，在各向异性导电粘合剂和使用该各向异性导电粘合剂将电 子部件互连的方法中，在各向异性导电粘合剂内的金属颗粒可通过由所施加 的超声波产生的内部热量而部分地熔化，并且作为连接对象的两个电极可通 过表面接触而不是点接触来连接。因此，在两个电极之间的接触电阻可显著 地降低。另外，无论各向异性导电粘合剂的厚度和面积如何，均可非常精确 且快速地控制内部热量范围(即各向异性导电粘合剂的温度)，从而保持均匀 的温度。此外，在各向异性导电粘合剂之内的金属材料可没有氧化，并且可 使用各向异性导电粘合剂的内部热量。因此，可防止作为连接对象的电子部 件的热变形，从而获得高可靠性。

虽然已针对具体实施方案对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人 员显而易见的是，在不脱离如在所附权利要求书中所定义的本发明的精神和 范围的情况下，可进行各种变化和改进。

因此，所附权利要求意图涵盖落入该权利要求的界限或该界限的等同物 内的所有变化和改进。