CN100405506C - 各向异性导电材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于电子封装的各向异性导电材料，包括绝缘性的粘附剂和分散于该粘附剂的导电粒子，该导电粒子为掺杂有金属粒子和聚苯胺的碳纳米管。其中，该聚苯胺可为含有金属离子的聚苯胺，其分子链中的氢原子被金属离子置换。本发明的各向异性导电材料由于采用具有纳米尺寸的掺杂有金属粒子的碳纳米管导电颗粒，使之与半导体元件和基板连接时具有较大的接触表面积，且聚苯胺具有较佳的导电性和粘附性，使碳纳米管更好的电粘接于半导体元件和基板。

Description

各向异性导电材料
【技术领域】
本发明涉及一种电子封装材料，尤其涉及一种应用于各向异性导电粘接材料。
【背景技术】
从20世纪80年代中后期开始，电子产品正朝着便捷式、小型化、网络化和多媒体化方向发展。为了满足市场需要，电子封装技术必须向高密度化、高速度化方向发展。电子封装主要包括片式元件封装和IC封装。
片式元件封装是应用最早、产量最大的表面组装元件，其封装主要采用表面粘接技术(Surface Mounted Technology，SMT)。
IC封装从1958年发展至今，期间发展出多种封装技术：第一代封装是插孔元件封装型式(Pin Through Hole，PTH)；第二代封装，即表面粘接技术，其是通过以缩小封装体积和增加I/O脚数，但基本上两者都以导线架为载体，利用金线连接芯片电极和导线架上的引脚，属于***的封装方式，在封装体积的缩减和I/O脚数的增加上仍有其限制；第三代封装，为面矩阵式(AreaArray)，由于使用面矩阵封装以及有机基板载体的引进，大幅增加了I/O脚数、高速率、高功率以及超薄型化的要求；***封装，为裸晶封装(Bare Die)，是采用将裸晶直接放入封装基质中，避免了损害芯片效率的焊接过程以及影响硅核性能的溶化步骤。其主要包括两种封装方式：一种是板载芯片技术(Chip on Board，COB)，另一种是覆晶技术(Flip Chip)。
随着IC封装技术的演进，在芯片粘接方面也从采用打线接合(WireBonding)到卷带式自动接合(Tape Automated Bonding，TAB)，一直演进到现在的覆晶接合(Flip Chip Bonding)。
打线接合是最早也是目前应用最广的技术，该技术首先将芯片固定在导线架上，再以细金属线将芯片上的电路和导线架上的引脚相连接。卷带式自动接合是将芯片与高分子卷带上的金属电路相连接。覆晶接合主要是于芯片的金属垫上生成I/O凸块，而于基板上生成与I/O凸块相对应的焊点，接着将芯片翻转对准基板上的对应焊点，进而将芯片与基板所有I/O点进行接合。
但是，上述芯片粘接方法中，都只能点对点进行焊接，所以具有焊接工艺复杂，速度慢的缺点。
1997年，日本新力化学公司开发一种能将若干电极一并连接的各向异性导电膜(Anisotropic Conducting Film，ACF)(下文简称ACF)并将其商品化，其最初应用于计算器用液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)与碳印刷配线的连接，后来普及应用于LCD与软式印刷电路板(Flexible Print Circuit，FPC)的连接。目前，ACF广泛应用于以TAB方式装配的大型、中型LCD模块，以及应用于COB和Flip Chip的连接。
ACF是指将起导通作用的导电粒子均匀分散到带绝缘性能的粘附性粘合剂中并制备而成的薄膜。其连接原理是，将ACF夹在粘附体端子之间。在此状态下对其加热加压，由此去除端子上过多的粘合剂，利用夹在端子间的导电粒子使其具备导通性能，再通过粘合剂同时维持其粘合性能和对相邻端子间进行绝缘。
1995年7月1日公告的中国台湾专利第250592号揭示一种各向异性导电粘接膜，包含一种绝缘粘附剂、分散于该绝缘粘附剂中的导电粒子，和分散于该绝缘粘附剂中的透明、球形的玻璃粒子。其中的导电粒子为金属粒子，如镍、铝、银等粒子。
1996年6月1日公告的中国台湾专利第277152号揭示一种制造各向异性导电性树脂膜的方法，其包括胶粘导电性颗粒在位于载体上的胶粘层上并固定于其中，和在导电性颗粒间充填与胶粘材料不兼容的树脂，该膜通过均匀分散于平面方向中的导电性颗粒而仅于厚度方向具有导电性，用以在具有微细电极的大量电子零件的对置电极间的电联。其中，该导电性颗粒为覆有金属薄膜的塑料颗粒。
2003年3月21日公告的中国台湾专利第525252号揭示一种各向异性导电连接材料，其包含有绝缘性的粘附剂和导电性粒子，该导电性粒子是以金属层包覆高分子核材粒子的表面所形成的粒子，导电性粒子的平均粒径是钝化膜的高度与半导体元件电极的高度的差1.5倍以上。
但是，上述先前专利的导电性粒子尺寸都为微米级，该大颗粒的导电粒子与半导体元件和基板连接时，粘附性较差。
所以，提供一种具有较佳粘附性的纳米级导电颗粒的各向异性导电材料实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有较佳粘附性的导电颗粒的各向异性导电材料。
为实现本发明目的，本发明提供一种应用于电子封装的各向异性导电材料，包括绝缘性的粘附剂和分散于该粘附剂的导电粒子，该导电粒子为掺杂有金属粒子和聚苯胺的碳纳米管。
其中，该聚苯胺可为含有金属离子的聚苯胺，其分子链中的氢原子被金属离子置换。
与现有技术相比较，本发明的各向异性导电材料由于采用具有纳米尺寸的掺杂有金属粒子和聚苯胺的碳纳米管导电颗粒，使之与半导体元件和基板连接时具有较大的接触表面积，且置换铜或铁离子后的聚苯胺具有较佳的导电性和粘附性，使碳纳米管更好的电粘接于半导体元件和基板。
【附图说明】
图1是本发明的各向异性导电膜示意图。
图
Figure C20041005254500051
2是本发明使用状态的各向异性导电膜示意图。
图3是本发明的ACF应用于半导体封装的连接结构示意图。
图4A至图4F是本发明ACF应用于覆晶封装的步骤示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明的各向异性导电膜10，包括绝缘性的粘附剂12和纳米导电粒子14，该纳米导电粒子14分散于粘附剂12。
该粘附剂12可为环氧树脂、酚醛树脂、含有氢氧基的聚脂树脂、含有氢氧基的丙烯酸树脂。本发明的粘附剂12于加热或以紫外线(UV)照射下可以硬化的电绝缘树脂均可使用，并无特别的限制。另外，在粘附剂12中可添加硬化剂。基于硬化温度、时间、保持稳定性等考量，优选使用环氧树脂。该环氧树脂可以选自双酚醛型环氧树脂，环氧漆用酚醛树脂或分子内具有至少两个环氧乙烷基的环氧化合物。
该纳米导电粒子14为掺杂有金属粒子和聚苯胺的碳纳米管，其中，该聚苯胺可为含有金属离子的聚苯胺，其分子链中的氢原子被金属离子置换。该碳纳米管可为柱状的多壁碳纳米管或单壁碳纳米管，其至少一端开口，以利于在碳纳米管内部掺杂金属粒子和聚苯胺，该掺杂金属粒子包括金、银、铜、镍或铁等金属粒子。
本发明的各向异性导电膜10的制备，包括下列步骤：
首先，提供掺杂金属粒子的碳纳米管，其可由电弧放电法或激光烧蚀法制备。
其次，将掺杂金属粒子的碳纳米管与聚苯胺相混合，使聚苯胺渗入碳纳米管内部。该聚苯胺具有较佳的导电性和粘附性，其结构如下式所示：
Figure C20041005254500061
另外，也可将含有金属离子的聚苯胺与掺杂金属粒子的碳纳米管混合。含有金属离子的聚苯胺的制备：将该聚苯胺加于氯化氢溶液中，在适当温度下加入铜、铁、镍或金等金属粒子，可于聚苯胺聚合物的分子链上置换出与氮原子共键的氢原子(如上式所示)，生成含有金属离子的聚苯胺，其具有更佳的导电性和粘附性，其结构如下式所示(A表示金属离子)：
Figure C20041005254500062
最后，将掺杂金属粒子和聚苯胺的碳纳米管与粘附剂12相混合，制成ACF。
本发明的ACF使用时，使半导体元件和电路基板的电极互相面对，在其间介入各向异性导电膜10，利用热压技术使两者机构式固定，并使面对的电极之间(Z轴方向)产生电连接，邻接的电极之间(X，Y轴方向)保持绝缘状态。如图2所示，其为本发明处于使用状态的ACF。
请参阅图3，本发明的第一实施例，本发明的ACF应用于半导体封装，ACF连接对象为半导体元件34和电路基板36。
半导体元件34一面形成多个电极342，该多个电极342周围具有钝化膜344，其中电极342的厚度比钝化膜344厚度小。该电极342可使用铝、铜等金属，该钝化膜344可由聚醯亚胺树脂、聚苯丙环丁烯等树脂制成。电路基板36，在与该半导体元件34的电极342对应的位置具有多个电极362。该电路基板36可选自环氧树脂、玻璃基板等树脂基板，该多个电极362可选自铝、铜等一般导体。
将本发明的ACF放置于被连接构件即半导体元件34和电路基板36之间，该半导体元件34和电路基板36的电极342和362分别互相对准。如图3箭头所示，从半导体元件34和电路基板36两外侧相对加压并加热。在加压并加热下，ACF的电绝缘树脂32具有可塑性，最后使电极与纳米导电粒子31接触，并将多余的电绝缘树脂32集中在未存在有电极342和362的部分。多个纳米导电粒子31与两端的电极342、362充分接触，由于纳米颗粒具有较大的表面积和该纳米导电粒子31内部和端口的聚苯胺具有较佳的粘附性，使半导体元件34和电路基板36具有更佳的粘接效果。加热加压后需要对分散有碳纳米管导电粒子的ACF进行硬化，可通过激光或紫外线(UV)照射ACF，使绝缘树脂32和聚苯胺硬化，最后可获得半导体元件34和电路基板36面对的电极间的电连接，相邻电极间的电绝缘，且半导体元件34和电路基板36之间具有较佳的机械固定。
请一并参阅图4A至图4F，本发明的第二实施例，在覆晶封装技术中，本发明ACF的应用步骤：
步骤一，如图4A所示，将电绝缘性的胶粘层42通过涂覆或其它方式形成于基质树脂膜43表面。
步骤二，如图4B所示，纳米导电粒子41通过胶粘物质的胶粘力分布且固定于该胶粘层42表面。
步骤三，如图4C所示，将粘附剂溶液填充于纳米导电粒子41间隙。因为纳米导电粒子41固定于胶粘层42，于粘附剂溶液中不移动，所以于涂覆时颗粒不凝聚，颗粒均匀排列于平面上，随后干燥溶剂形成一层粘接层40。粘接层40和分散于该粘接层40的纳米导电粒子41组成本发明的ACF。
步骤四，如图4D所示，连接电路时，需将粘接层40转移于芯片49表面，该表面设有多个电极490。可将该粘接层40压向芯片49表面，再沿粘接层40和胶粘层42间的接口剥离出胶粘层42。因为粘接层40与胶粘层42物质彼此不兼容，所以其料层容易沿接口彼此分离。
步骤五，如图4E所示，将步骤四制得的粘接层40与芯片49与电路基板48相连接。该电路基板与芯片电极490相应位置设有电极480。通过校准两电路的电极，在压合设备45，46作用下向两电路进行加压并且加热，通过纳米导电粒子41形成电连接。
步骤六，如图4F所示，硬化粘接层40和纳米导电粒子41，最后可获得被连接构件面对的电极间的电连接，相邻电极间的电绝缘，且被连接构件间具有较佳的机械固定。
本实施例可采用覆晶技术的电路基板包括陶瓷、硅芯片、高分子积层板以及玻璃等。覆晶技术的应用范围包括高阶计算机、PCMCIA卡、军事设备、个人通讯产品、钟表以及液晶显示器等，当覆晶技术应用于液晶显示器上时，由于基板是玻璃，也被称为COG(Chip On Glass)。
可以理解的是，本发明的ACF同样适用于LCD与软式印刷电路板的封装、以TAB方式装配的大型、中型LCD模块封装，以及板载芯片(COB)封装。
本发明的各向异性导电材料由于采用具有纳米尺寸的掺杂有金属粒子和聚苯胺的碳纳米管导电颗粒，使之与半导体元件和基板连接时具有较大的接触表面积，且置换金属离子后的聚苯胺具有更佳的导电性和粘附性，使碳纳米管更好的电粘接于半导体元件和基板。

Claims (8)

1.一种各向异性导电材料，包括绝缘性的粘附剂和分散于该粘附剂的导电粒子，其特征在于该导电粒子为掺杂有金属粒子和聚苯胺的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的各向异性导电材料，其特征在于该聚苯胺分子链中的氢原子被金属离子置换。
3.如权利要求1所述的各向异性导电材料，其特征在于该粘附剂为可硬化的电绝缘树脂。
4.如权利要求3所述的各向异性导电材料，其特征在于该电绝缘树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、含有氢氧基的聚脂树脂或含有氢氧基的丙烯酸树脂。
5.如权利要求1所述的各向异性导电材料，其特征在于该粘附剂添加有硬化剂。
6.如权利要求1所述的各向异性导电材料，其特征在于碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
7.如权利要求1所述的各向异性导电材料，其特征在于金属粒子包括金、银、铜、镍或铁金属粒子。
8.如权利要求2所述的各向异性导电材料，其特征在于该金属离子包括铜、铁、镍或金离子。
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