JP2018088498A

JP2018088498A - 異方性導電接着剤

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Publication number: JP2018088498A
Application number: JP2016231826A
Authority: JP
Inventors: 青木　正治; Masaharu Aoki; 正治青木
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-06-07
Also published as: TWI788313B; TW201834275A; JP7359804B2; CN109997237A; JP2021168387A; WO2018101003A1

Abstract

【課題】優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を有する異方性導電接着剤を提供する。
【解決手段】基板の配線パターンの電極上に発光素子を接続させる異方性導電接着剤であって、無機バインダーと、導電粒子とを含有する。接着剤成分が無機材料であるため、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。特に、青色ＬＥＤの２〜３倍の強さの光エネルギーの紫外線を発光する紫外線ＬＥＤを実装した場合でも、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を実装するための異方性導電接着剤に関する。

従来、ＬＥＤのチップ部品を回路基板に実装する手法として、ワイヤーボンド接合が知られている。しかしながら、ワイヤーボンド接合は、ワイヤーが切断し、電気的接続不良が発生する場合がある。また、ワイヤーボンド接合は、基板の汎用性が低く、小型化やフレキシブル化が困難である。

ワイヤーボンド接合の課題を解決する手法として、特許文献１、２には、エポキシ系接着剤に導電粒子を分散させ、フィルム状に成形した異方性導電フィルムを使用し、ＬＥＤをフリップチップ実装する方法が提案されている。

特開２０１０−２４３０１号公報特開２０１２−１８６３２２号公報

フリップチップ実装用の従来の異方性導電接着剤は、ＬＥＤの照度を高めるために大電流を流した場合、大電流の熱により接着強度が低下し、ＬＥＤが剥離することがあった。また、従来の異方性導電接着剤を用いて紫外線ＬＥＤを実装した場合、青色ＬＥＤの２〜３倍の強さの光エネルギーにより接着強度が低下し、ＬＥＤが不点灯となることがあった。

本発明は、上述した従来技術における課題を解決するものであり、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を有する異方性導電接着剤を提供する。

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、異方性導電接着剤の接着剤成分（バインダー）を無機材料とすることにより、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性が得られることを見出した。

すなわち、本発明に係る異方性導電接着剤は、基板の配線パターンの電極上に発光素子を接続させる異方性導電接着剤であって、無機バインダーと、導電粒子とを含有することを特徴とする。

また、本発明に係る発光装置は、配線パターンを有する基板と、前記配線パターンの電極上に形成された異方性導電膜と、前記異方性導電膜上に実装された発光素子とを備え、前記異方性導電膜が、無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤の硬化物であることを特徴とする。

また、本発明に係る発光装置の製造方法は、基板の配線パターンの電極上に、無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤を塗布し、前記異方性導電接着剤を介して発光素子を加熱圧着させることを特徴とする。

本発明によれば、接着剤成分が無機材料であるため、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。

図１は、発光装置の一例を示す断面図である。図２は、ＬＥＤ実装サンプルの作製工程を説明するための図である。図３は、ダイシェア強度試験の概要を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．異方性導電接着剤
２．発光装置
３．実施例

＜１．異方性導電接着剤＞
本実施の形態に係る異方性導電接着剤は、基板の配線パターンの電極上に発光素子を接続させる異方性導電接着剤であって、無機バインダーと、導電粒子とを含有する。接着剤成分が無機材料であることにより、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。

［無機バインダー］
無機バインダーの主成分としては、アルカリ金属ケイ酸塩、リン酸塩、及びシリカゾルからなる群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、中でも、分子式Ｍ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２（ＭはＮａ、Ｋ、Ｌｉのいずれか１種であり、ｎはモル比である。）で表されるアルカリ金属ケイ酸塩を用いることが好ましい。

アルカリ金属ケイ酸塩の金属Ｍは、一般にＮａ＞Ｋ＞Ｌｉの順で接着性が良好である。このため、無機バインダーの主成分は、ケイ酸ナトリウム（水ガラス）であることが好ましい。ケイ酸ナトリウムとしては、ＪＩＳＫ１４０８に準拠するケイ酸ナトリウム１号〜３号を用いることが好ましく、中でも、接着力の観点からケイ酸ナトリウム３号を用いることが好ましい。

また、無機バインダーは、接着力を向上させるため、硬化剤として、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃのいずれか１種の酸化物、水酸化物、Ｎａ、Ｋ、Ｃａのいずれか１種のケイ化物、ケイフッ化物、Ａｌ、Ｚｎのいずれか１種のリン酸塩、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇのいずれか１種のホウ酸塩を含有してもよい。

［導電粒子］
導電粒子としては、半田粒子、金属粒子、及び樹脂粒子に金属が被覆された樹脂コア導電粒子からなる群から選ばれる少なくとも１種であるであることが好ましい。中でも、半田粒子を用いることが好ましく、半田粒子と樹脂コア粒子とを併用することが好ましい。

導電粒子の平均粒径は、１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以上２５μｍ以下である。導電粒子の配合量は、無機バインダー１００質量部に対して３〜１２０質量部であることが好ましく、１０〜８０質量部であることがより好ましい。

半田粒子としては、例えばＪＩＳＺ３２８２−１９９９に規定されている、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系、Ｂｉ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ系、Ｐｂ−Ａｇ系などから、電極材料や接続条件などに応じて適宜選択して用いることができる。また、半田粒子の形状は、粒状、燐片状などから適宜選択することができる。また、半田粒子は、異方性を向上させるために絶縁層で被覆されていても構わない。また、半田の融点は、１００〜２５０℃であることが好ましく、１５０〜２００℃であることがより好ましい。なお、半田粒子は、圧着時の十分な荷重により、半田粒子の融点以下の実装温度でも端子（電極）との間で合金を形成することができる。

半田粒子の配合量は、２０〜１２０質量部であることが好ましい。はんだ粒子の配合量が少なすぎると優れた放熱特性が得られなくなり、配合量が多すぎると異方性が損なわれ、優れた接続信頼性が得られない。

半田粒子と樹脂コア導電粒子とを併用する場合、半田粒子は、樹脂コア導電粒子よりも平均粒径が大きいことが好ましく、半田粒子の平均粒径は、樹脂コア導電粒子の平均粒径の１２０〜８００％であることが好ましく、２００〜５００％であることがより好ましい。半田粒子の平均粒径が樹脂コア導電粒子よりも大きいことにより、圧着時に半田粒子に十分に荷重が加わり、半田粒子の融点以下の実装温度でも端子（電極）との間で合金を形成することができる。

金属粒子としては、例えば、ニッケル、鉄、銅、アルミニウム、錫、鉛、クロム、コバルト、銀、金などの各種金属又はこれらの合金を用いることができる。

樹脂コア導電粒子の樹脂粒子としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、アクリロニトリル・スチレン（ＡＳ）樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ジビニルベンゼン系樹脂、スチレン系樹脂などを用いることができる。また、樹脂粒子を被覆する金属としては、例えば、ニッケル、鉄、銅、アルミニウム、錫、鉛、クロム、コバルト、銀、金などの各種金属又はこれらの合金を用いることができる。

また、本実施の形態に係る異方性導電接着剤は、粘度や線膨張を調整するため、無機フィラーをさらに含有してもよい。無機フィラーとしては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン、窒化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化マグネシウムなどが挙げられる。無機フィラーの平均粒径は、１０ｎｍ〜１０μｍであることが好ましく、無機フィラーの配合量は、無機バインダー１００質量部に対して１〜１００質量部であることが好ましい。

また、異方性導電接着剤は、ＬＥＤからの出射光を反射し、高い光取り出し効率を得るため、ＴｉＯ_２、ＢＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などの白色無機粒子を含有してもよい。白色無機粒子の平均粒径は、反射させる光の波長の１／２以上であることが好ましい。

このような異方性導電接着剤によれば、接着剤成分が無機材料であることにより、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。特に、青色ＬＥＤの２〜３倍の強さの光エネルギーの紫外線を発光する紫外線ＬＥＤを実装した場合でも、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。

＜２．発光装置＞
本実施の形態に係る発光装置は、配線パターンを有する基板と、配線パターンの電極上に形成された異方性導電膜と、異方性導電膜上に実装された発光素子とを備え、異方性導電膜が、前述した無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤の硬化物である。これにより、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。

また、本実施の形態に係る発光装置の製造方法は、基板の配線パターンの電極上に、無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤を塗布し、異方性導電接着剤を介して発光素子を加熱圧着させるものである。

図１は、発光装置の一例を示す断面図である。発光素子は、例えばｎ−ＧａＮからなる第１導電型クラッド層１１と、例えばＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層からなる活性層１２と、例えばｐ−ＧａＮからなる第２導電型クラッド層１１３とを備え、いわゆるダブルヘテロ構造を有する。また、パッシベーション層１４により第１導電型クラッド層１１の一部に形成された第１導電型電極１１ａと、第２導電型クラッド層１３の一部に形成された第２導電型電極１３ａとを備える。第１導電型電極１１ａと第２導電型電極１３ａとの間に電圧が印加されると、活性層１２にキャリアが集中し、再結合することにより発光が生じる。

発光素子は、特に限定されず、発光波長が２００〜３００ｎｍ程度の紫外線を発光する紫外線ＬＥＤであっても、発光波長が４６０ｎｍ程度の青色光を発光する青色ＬＥＤであってもよい。光エネルギー式（Ｅ＝ｈｃ／λ）による計算によれば、青色ＬＥＤの光エネルギーは２．８ｅＶであり、紫外線ＬＥＤの光エネルギーは４．１〜６．２ｅＶであり、紫外線ＬＥＤは、青色ＬＥＤの２〜３倍の強さの光エネルギーを有することになるが、本実施の形態では、異方性導電接着剤の接着剤成分が無機材料であるため、紫外線ＬＥＤを用いた場合でも接着強度の低下を抑制し、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。

基板は、基材２１上に第１導電型用回路パターン２２と、第２導電型用回路パターン２３とを備え、発光素子の第１導電型電極１１ａ及び第２導電型電極１３ａに対応する位置にそれぞれ電極を有する。

基板は、透光基板であることが好ましい。基材２１が透光基板である場合、基材３１は、ガラス、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）などの透明基材であることが好ましく、第１導電型用回路パターン２２、第２導電型用回路パターン２３、及びその電極は、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）、ＩＺＯ（Indium-Zinc-Oxide）、ＺｎＯ（Zinc-Oxide）、ＩＧＺＯ（Indium-Gallium-Zinc-Oxide）などの透明導電膜であることが好ましい。基板が透光基板であることにより、基板側を表示面（発光面）とすることが可能となる。

異方性導電膜３０は、前述した異方性導電接着剤が硬化したものであり、発光素子の端子（電極１１ａ、１３ａ）と基板の端子（電極）との間に導電粒子３１が捕捉されることにより、発光素子と基板とが電気的に接続される。

このような発光装置によれば、異方性導電接着剤の接着剤成分が無機材料であることにより、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。特に、青色ＬＥＤの２〜３倍の強さの光エネルギーの紫外線を発光する紫外線ＬＥＤを実装した場合でも、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性を得ることができる。
＜３．実施例＞

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、各種の異方性導電接着剤を作製した。そして、異方性導電接着剤を用いて基板上に青色ＬＥＤチップを実装してＬＥＤ実装サンプルＡを作製し、初期及び高温高湿連続点灯試験後のダイシェア強度を測定して耐熱性を評価した。また、異方性導電接着剤を用いて基板上に紫外線ＬＥＤチップを実装してＬＥＤ実装サンプルＢを作製し、初期、ＴＣＴ（Temperature Cycling Test）試験後及び高温高湿連続点灯試験後の順電圧を測定して耐熱性及び耐光エネルギー性について評価した。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

［ＬＥＤ実装サンプルの作製］
図２は、ＬＥＤ実装サンプルの作製工程を説明するための図である。図２に示すように、ＬＥＤ実装サンプルを作製した。金属配線が形成されたセラミック基板４１をステージ上に配置し、セラミック基板４１上に異方性導電接着剤４０をスタンピング法にて塗布した。そして、異方性導電接着剤４０上に、ＬＥＤチップ４２を６０ｇの加重で搭載し、加熱圧着ボンダー４３を用いて、ヘッドとステージを加熱して加熱圧着実装し、ＬＥＤ実装サンプルＡ又はＬＥＤ実装サンプルＢを得た。

［ダイシェア強度の測定］
ＬＥＤチップ４２として青色ＬＥＤ（定格３５０ｍＡ、サイズ４５ｍｍ角、波長４６０ｎｍ）を用いて、ＬＥＤ実装サンプルＡを作製した。

図３は、ダイシェア強度試験の概要を示す断面図である。図３に示すように、ダイシェアテスターを用いて、ツール５０のせん断速度２０μｍ／ｓｅｃ、温度２５℃の条件で各ＬＥＤ実装サンプルＡの初期、及び高温高湿連続点灯試験後のダイシェア強度を測定した。高温高湿連続点灯試験は、温度８５℃−湿度９０％−５００時間の条件で連続点灯させた。

［順電圧の測定］
ＬＥＤチップ４２として青色ＬＥＤ（ナイトライドセミコンダクター社、ＮＳ３５５Ｃ−２ＳＡＡ、定格２０ｍＡ、順電圧３．６１Ｖ、波長３５５ｎｍ）を用いて、ＬＥＤ実装サンプルＢを作製した。

各ＬＥＤ実装サンプルＢの初期、ＴＣＴ試験後、及び高温高湿連続点灯試験後の順電圧を測定した。ＴＣＴ試験は、ＬＥＤ実装サンプルＢを、−４０℃及び１００℃の雰囲気に各３０分間曝し、これを１サイクルとする冷熱サイクルを１０００サイクル行った。高温高湿連続点灯試験は、温度８５℃−湿度９０％−１０００時間、２０ｍＡの条件で連続点灯させた。ＬＥＤの初期の順電圧から０．１Ｖ以上変化したものをＮＧと評価した。

＜実施例１＞
表１に示すように、水ガラス（ＪＩＳＫ１４０８に示すケイ酸ナトリウム３号）１００質量部、及び半田粒子（粒径１０〜２５μｍ、融点１８０℃、千住金属工業社製）６０質量部を秤量して添加し、遊星攪拌機にて２０００ｒｐｍ／２ｍｉｎで攪拌して、異方性導電接着剤を作製した。この異方性導電接着剤を介してセラミック基板上にＬＥＤチップを搭載し、ヘッドを１５０℃、ステージを５０℃に加熱し、実装温度（到達トップ温度）１００℃、６０秒間の条件で加熱圧着実装し、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを得た。表１に、ＬＥＤ実装サンプルＡの初期及び高温高湿連続点灯試験後のダイシェア強度、並びにＬＥＤ実装サンプルＢの初期、ＴＣＴ試験後及び高温高湿連続点灯試験後の順電圧の測定結果を示す。

＜実施例２＞
表１に示すように、水ガラス（ＪＩＳＫ１４０８に示すケイ酸ナトリウム３号）１００質量部、及び樹脂コア導電粒子（平均粒径５μｍ、ニッケルメッキ、樹脂コア粒子（日本化学社製ＥＨコア））１０質量部を秤量して添加し、遊星攪拌機にて２０００ｒｐｍ／２ｍｉｎで攪拌して、異方性導電接着剤を作製した。これ以外は、実施例１と同様に、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを作製した。

＜実施例３＞
表１に示すように、水ガラス（ＪＩＳＫ１４０８に示すケイ酸ナトリウム３号）１００質量部、半田粒子（粒径１０〜２５μｍ、融点１８０℃、千住金属工業社製）３０質量部、及び樹脂コア導電粒子（平均粒径５μｍ、ニッケルメッキ、樹脂コア粒子（日本化学社製ＥＨコア））５質量部を秤量して添加し、遊星攪拌機にて２０００ｒｐｍ／２ｍｉｎで攪拌して、異方性導電接着剤を作製した。これ以外は、実施例１と同様に、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを作製した

＜実施例４＞
表１に示すように、水ガラス（ＪＩＳＫ１４０８に示すケイ酸ナトリウム３号）１００質量部、半田粒子（粒径１０〜２５μｍ、融点１８０℃、千住金属工業社製）６０質量部、及びシリカ粒子（日本アエロジル社製アエロジルＲＸ３００）７質量部を秤量して添加し、遊星攪拌機にて２０００ｒｐｍ／２ｍｉｎで攪拌して、異方性導電接着剤を作製した。これ以外は、実施例１と同様に、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを作製した

＜比較例１＞
表１に示すように、異方性導電接着剤として、デクセリアルズ社製のアミン系硬化剤含有液状異方性導電接着剤（ＢＰシリーズ、樹脂：エポキシ樹脂、粒子：Ｎｉ粒子）を使用した。この異方性導電接着剤を介してセラミック基板上にＬＥＤチップを搭載し、ヘッドを２００℃、ステージを５０℃に加熱し、実装温度（到達トップ温度）１５０℃、３０秒間の条件で加熱圧着実装し、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを得た。

＜比較例２＞
表１に示すように、異方性導電接着剤として、デクセリアルズ社製のカチオン硬化ＡＣＦ（樹脂：エポキシ樹脂、粒子：ニッケル被覆樹脂粒子、粒子径：３μｍ、厚み：６μｍ、樹脂密度：６０Ｋｐｃｓ／ｍｍ^２）を使用した。この異方性導電接着剤を介してセラミック基板上にＬＥＤチップを搭載し、ヘッドを２５０℃、ステージを７０℃に加熱し、実装温度（到達トップ温度）１８０℃、３０秒間の条件で加熱圧着実装し、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを得た。

＜比較例３＞
表１に示すように、シリコン樹脂（信越化学社製ＫＥＲ２５００）１００質量部、及び半田粒子（粒径１０〜２５μｍ、融点１８０℃、千住金属工業社製）６０質量部を秤量して添加し、遊星攪拌機にて２０００ｒｐｍ／２ｍｉｎで攪拌して、異方性導電接着剤を作製した。この異方性導電接着剤を介してセラミック基板上にＬＥＤチップを搭載し、ヘッドを２９０℃、ステージを６０℃に加熱し、実装温度（到達トップ温度）２００℃、６０秒間の条件で加熱圧着実装し、ＬＥＤ実装サンプルＡ、Ｂを得た。

比較例１のようにアミン系硬化剤含有液状異方性導電接着剤を用いた場合、アミン硬化系−エポキシ樹脂の極性により吸水性が高いため、ＬＥＤ実装サンプルＡは、高温高湿連続点灯試験においてダイシェア強度が低下し、ＬＥＤ実装サンプルＢは、高温高湿連続点灯試験において順電圧が大きく変化した。

また、比較例２のようにカチオン硬化ＡＣＦを用いた場合、ＬＥＤ実装サンプルＡは、高温高湿連続点灯試験において青色ＬＥＤが剥がれてしまい、ＬＥＤ実装サンプルＢは、ＴＣＴ試験において３００時間で不点灯となり、高温高湿連続点灯試験において１３０時間で不点灯となった。

また、比較例３のようにシリコン樹脂ＡＣＦを用いた場合、シリコン樹脂が柔らかいことから、ＬＥＤ実装サンプルＡは、高いダイシェア強度が得られず、ＬＥＤ実装サンプルＢは、ＴＣＴ試験において２００時間で不点灯となり、高温高湿連続点灯試験において２００時間で不点灯となった。

一方、実施例１〜４のように水ガラスを含有する無機ＡＣＦを用いた場合、ＬＥＤ実装サンプルＡは、高温高湿連続点灯試験においてもダイシェア強度が低下せず、ＬＥＤ実装サンプルＢは、ＴＣＴ試験、及び高温高湿連続点灯試験においても順電圧の変化が小さかった。すなわち、水ガラスを含有する無機ＡＣＦを用いることにより、優れた耐熱性及び耐光エネルギー性が得られることがわかった。

１１第１導電型クラッド層、１１ａ第１導電型電極、１２活性層、１３第２導電型クラッド層、１３ａ第２導電型電極、１４パッシベーション層、２１基材、２２第１導電型用回路パターン、２３第２導電型用回路パターン、３０異方性導電膜、３１導電性粒子、４０異方性導電接着剤、４１セラミック基板、４２ＬＥＤチップ、４３加熱圧着ボンダー、５０ツール

Claims

基板の配線パターンの電極上に発光素子を接続させる異方性導電接着剤であって、
無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤。
前記無機バインダーが、分子式Ｍ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２（ＭはＮａ、Ｋ、Ｌｉのいずれか１種であり、ｎはモル比である。）で表されるアルカリ金属ケイ酸塩を主成分とする請求項１記載の異方性導電接着剤。
前記無機バインダーが、ＪＩＳＫ１４０８に準拠するケイ酸ナトリウム３号を主成分とする請求項１記載の異方性導電接着剤。
前記導電粒子が、半田粒子、金属粒子、及び樹脂粒子に金属が被覆された樹脂コア導電粒子からなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異方性導電接着剤。
前記導電粒子の配合量が、前記無機バインダー１００質量部に対して３〜１２０質量部である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の異方性導電接着剤。
前記発光素子が、紫外線を発光する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の異方性導電接着剤。
無機粒子をさらに含有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の異方性導電接着剤。
配線パターンを有する基板と、
前記配線パターンの電極上に形成された異方性導電膜と、
前記異方性導電膜上に実装された発光素子とを備え、
前記異方性導電膜が、無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤の硬化物である発光装置。
基板の配線パターンの電極上に、無機バインダーと、導電粒子とを含有する異方性導電接着剤を塗布し、前記異方性導電接着剤を介して発光素子を加熱圧着させる発光装置の製造方法。