專利名稱：玻璃上芯片組件及其中所用的連接材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體芯片直接與基片玻璃電路板鍵合和連接的玻璃上芯片組件(COG)，特別是用于例如液晶顯示的COG組件。本發(fā)明還涉及組件中所用的連接材料。
過去，液晶顯示(以下有時稱為LCD)是通過將半導體封裝例如驅動器IC等安置在玻璃襯底電路板上而構成。但是近來輕、薄、短和小的產(chǎn)品受到普遍喜愛，因此用由直接連接方法將半導體芯片組裝在玻璃襯底電路板上構成的COG組件來生產(chǎn)液晶顯示變得更為實際。在這樣的COG組件中，玻璃襯底電路板和芯片上的電極利用各向異性的導電連接材料(以下有時稱作ACM)連接在一起。
包括作為主要成分的熱固樹脂，例如環(huán)氧樹脂等，以及導電顆粒的ACM被放入玻璃襯底電路板和該半導體芯片之間并且該放入的ACM層利用加熱從兩側受壓，由此，該熱固樹脂首先熔化然后固化。之后，面對電極與橋接在他們之間的導電顆粒受壓后摩擦接觸，由此建立起可靠的導電連接，其中，在這些電極對的周圍被熱凝固的樹脂物質可使制成的組件建立起牢靠的機械粘接。
通過熱固樹脂的硬化收縮來支持加到玻璃襯底電路板或加到芯片上的ACM的粘接強度。但是這將引起在ACM和玻璃襯底電路板或IC芯片間的界面產(chǎn)生局部應力集中。為了獲得高粘合強度(adhesive strength)的ACM，可選擇能夠形成高彈性模量的固化物質(cured mass)的熱固樹脂，但是這將會帶來較大的硬化收縮和在界面處產(chǎn)生高的局部應力。當玻璃襯底電路板的厚度較大時，這些局部應力作為剩余應力保持在樹脂層內，當玻璃襯底電路板薄時，它們會使玻璃襯底電路板變形例如扭曲等。
根據(jù)市場總的趨勢是面向輕、薄、短和小的產(chǎn)品，玻璃襯底電路板可以將厚度變薄。使用薄的玻璃襯底電路板會使粘接的組件出現(xiàn)變形，在LCD情況下還會使顯示特性降低。
本發(fā)明的一個目的是提供一種COG組件，其中即使當采用了一種粘合強度較大的熱固樹脂時也能夠降低制成組件界面處的局部應力集中，甚至在采用薄玻璃襯底電路板時也能減少所得組件變形的發(fā)生例如扭曲，同時能達到良好的粘接強度和很好地保持導電連接。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種用于組裝COG單元的連接材料，用該材料可獲得上述COG組件。
下面說明本發(fā)明的COG組件和連接材料(1)一種連接材料，用于將COG組件中的半導體芯片與玻璃襯底電路板連接和粘接，其中，半導體芯片上的電極與玻璃襯底電路板上的相應電極直接連接，所說連接材料包括粘合劑成分，其含有熱固樹脂；和導電顆粒；其中，所說連接材料固化后在25℃時具有至少為5％的拉伸百分比(tensileelongation percentage)。
(2)如上述(1)限定的連接材料，其中按重量，所說粘合劑成分含有6-90％的微粒彈性體(elastomer)，該微粒彈性體的平均顆粒大小為30-300nm。
(3)如上述(1)或(2)限定的連接材料，其中，按所說粘合劑成分的體積，該連接材料包含2-40％的導電顆粒。
(4)一種COG組件，其中半導體芯片上的電極與玻璃襯底電路板上的對應電極直接連接，該COG組件包括一連接材料層，用于將半導體芯片與襯底電路板粘接和連接，其中所說連接材料包括粘合劑成分(adhesive component)，該粘合劑成分含有熱固樹脂和導電顆粒，并且該連接材料固化后在25℃時具有至少為5％的拉伸百分比。
(5)如上述(4)限定的COG組件，其中，按重量，所說粘合劑成分含有6-90％的微粒彈性體，該微粒彈性體的平均顆粒大小為30-300nm。
(6)如上述(4)或(5)限定的COG組件，其中，按粘合劑成分的體積，該連接材料包含2-40％的導電微顆粒。
(7)如上述(4)到(6)中任一項限定的COG組件，其中該COG組件是液晶顯示器。


圖1(a)的實施例說明一種按照本發(fā)明制備COG組件的方法；
圖1(b)說明按照圖1(a)方法制備的COG組件。
根據(jù)本發(fā)明的COG組件具有一種結構，其中半導體芯片例如IC驅動器上的電極與用于LCD等玻璃襯底電路板上的電極是利用連接材料借助媒介物而連接的。同時對玻璃襯底電路板厚度沒有特別限制，該組件特別適合于厚度不大于1．2mm的玻璃襯底電路板，具體地說不大于0．9mm。玻璃襯底電路板上的電極例如透明電極是由銦錫氧化物(indium tin oxide ITO)以條的形式構成的。該玻璃襯底電路板與半導體芯片的連接是利用置于其間的連接材料借助媒介物按照玻璃襯底電極與相應的半導體芯片對電極例如突點(bump)保持特定的面對面關系而連接的，這種COG組件結構一般用于LCD，同時其它形式的結構也是有可能的。
根據(jù)本發(fā)明的連接材料，其包括粘合劑成分，該粘合劑成分含有熱固樹脂(thermosetting resin)和導電顆粒。該連接材料被放在將要連接在一起的元件(elements)之間，為了使按每個面對面元件相對關系設置的電極與橋接(bridging)在元件之間的導電顆粒接觸，兩個元件從兩側彼此受壓，同時利用分布在其中的導電顆粒固定靠近電極之間的熱固樹脂。在該狀態(tài)，為了同時獲得電連接和機械粘接，連接材料被硬化。該連接材料可包含其他組分(constituentingredient)，從而使制成的固化材料在25℃時至少具有5％拉伸百分比。這種其它組分，如微粒彈性體，其具有30-300nm平均顆粒大小，可方便地被摻入。
根據(jù)本發(fā)明，在連接材料中加入熱固樹脂(thermosetting resin)的主要樹脂(nain resin)所能夠采用的樹脂應該是同時使用硬化劑在加熱或射線例如uv射線作用下能進行固化的任一類樹脂，例如環(huán)氧樹脂、尿烷樹脂、苯酚樹脂(phenol resin)、含羥基的聚脂樹脂、含羥基的丙烯酸樹脂等，按照諸如樹脂的固化溫度、固化時間、儲存穩(wěn)定性等參數(shù)之間平衡的觀點，它們之中環(huán)氧樹脂優(yōu)于其它樹脂。
環(huán)氧樹脂可采用雙酚類環(huán)氧樹脂、線型酚醛環(huán)氧樹脂和從環(huán)氧混合物得到的環(huán)氧樹脂，它具有在分子中的一個或多個環(huán)氧乙烷基(group)，也可用這些環(huán)氧樹脂的市售產(chǎn)品。
盡管該連接材料中的熱固樹脂的主要樹脂通過同時使用硬化劑(hardeningagent)硬化，但當主要樹脂分子中存在有助于硬化反應的起取代基作用的基時，可以不用硬化劑。關于硬化劑，可以使用在加熱或射線輻射下與主要樹脂發(fā)生硬化反應的硬化劑，例如咪唑(imidazoles)、胺、酸、酐、酰肼和雙氰胺(dicyandiamids)及它們的改性產(chǎn)物，也可用商品。這種硬化劑最好是潛硬化劑(latent hardening agent)。
潛硬化劑在正常溫度下進行的加工操作和儲存期間以及在相對低的溫度下(40-100℃)進行干燥時沒有硬化反應，但在固化溫度(curing temerature)時通過熱壓或通過熱或例如uv線等射線的作用才有硬化反應(curing reaction)。這種潛硬化劑優(yōu)選的是上述硬化劑中的例如咪唑(imidazoles)或胺，它們用膠囊封裝，也可用商品潛硬化劑。熱激發(fā)樹脂可采用的固化開始溫度是80-150℃。
作為微粒彈性體，可采用自然的或合成橡膠的微粒產(chǎn)品，其Tg不高于50℃，最好不高于30℃，并且在室溫時具有類似橡膠的彈性，例如下列微粒產(chǎn)品天然橡膠(NR)，異戊二烯橡膠(IR)，丁二烯橡膠(BR)，苯乙烯／丁二烯橡膠(SBR)，乙-氯丁二烯橡膠(CR)或丙烯腈／丁二烯橡膠(NBR)的微粒產(chǎn)品。
為此，采用了交聯(lián)橡膠(cross-linked rubber)，同時只要其Tg值不高于30℃也可采用熱塑彈性體(thermoplastic elastomer)?？衫闷骄w粒大小為30-300nm的微粒彈性體，但最好在50-200nm。微粒彈性體也可用商業(yè)產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明還可以在粘合劑成分(adnesive component)中加入熱塑聚合物(polymeric substance)，從而使連接材料能涂在襯底上或形成膜。對于這種熱塑聚合物基可采用的有例如苯氧(基)樹脂，聚酯樹脂或丙烯樹脂。
根據(jù)本發(fā)明的連接材料中的粘合劑成分還可以包含另外的添加劑例如耦聯(lián)劑(coupled agent)、抗氧劑、表面活化劑等。
根據(jù)本發(fā)明，與粘合劑成分一起混合的導電顆粒可采用金屬顆粒，例如焊料金屬、鎳金屬的顆粒等；將核樹脂(nucleus resin)顆粒用導電材料電鍍或用類似方法處理得到的鍍有導電體的顆粒；在導電顆粒上涂絕緣樹脂的涂了絕緣體的顆粒。這些導電顆粒的平均顆粒大小為1到20μm，最好在3到10μm范圍內。
根據(jù)本發(fā)明連接材料中的粘合劑成分按重量含有總計為10到94％范圍的熱固樹脂，最好是40到70％；按重量計為0-50％熱塑樹脂，最好是5-30％；含重量為6-90％，最好為8-30％的微粒彈性體；按重量計為0到10％，最好是0-5％的其他添加劑。按照粘合劑成分的體積將總計為2-40％導電顆粒最好是5-25％導電顆?；旌系秸澈蟿┏煞种?。
根據(jù)本發(fā)明的連接材料可以按膏或膜的形式制成產(chǎn)品。
為了制備連接材料膏，可選擇合適的組分而不用任何溶劑從而形成膏。一般情況下，實際采用了在適合溶劑中溶解或分散組成的成分(constituent ingredients)來配制該膏。作為可采用的溶劑有例如醇、酮、酯、醚(ethers)、酚(phenols)、乙醛和包含氮的碳氫化合物，溶劑中可以列舉出甲苯、MEK、乙基醋酸鹽和溶纖劑醋酸鹽。使用的溶劑量根據(jù)樹脂組分的重量，按重量計一般大約在20-40％。
為了制備連接材料膜，在一個層的剝離片(exforliative sheet)上涂覆上述連接材料膏，之后膏的溶劑揮發(fā)，從而制成膜。
根據(jù)本發(fā)明的連接材料可以從上述的組成成分中配制，通過選擇合適組成成分比例和種類使得產(chǎn)生的連接材料在固化后其拉伸百分比在25℃時至少為5％，最好在6-20％，由此，即使采用了薄的玻璃襯底電路板，也能使制出的COG組件出現(xiàn)的變形減至最小。此外，通過使固化的連接材料在30℃時具有的彈性模量為0．9-3Gpa，最好在0．9-2Gpa，以及具有不低于100℃的Tg，最好是110-160℃而選擇組成成分，能夠增加所得COG組件的粘接強度提高了其導電連接的可靠性。
測定上述特性的具體步驟如下○根據(jù)JIS K-7161方法確定拉伸百分比。
○根據(jù)DMA方法確定彈性模量(elastic modulus)○根據(jù)確定的彈性模量將Tg確定為在tanδ的峰值時的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的連接材料放在兩個將要連接在一起的元件之間，即放在玻璃襯底電路板和半導體芯片之間，兩個互相面對著的元件中的每個都具有多個電極，同時保持這些元件處在這種恣態(tài)，即使得兩個互相面對著的元件上的電極處于彼此相對應的面對位置，之后在加熱的同時將兩個元件從兩側壓在一起，從而熱壓兩個元件，以使熱固樹脂固化形成固態(tài)組件。在使用連接材料膏時，在包括電極區(qū)域的一個元件上涂覆連接材料膠，之后在該涂層干燥后，或不干燥情況下，所說一個元件的所謂涂覆面上以這樣的位置放置另一元件，即使得對應的面對電極彼此面對面，接著熱壓該裝配件使樹脂固化。在使用連接材料膜的情況下，將連接材料膜放入將要連接在一起的兩個元件之間，接著通過熱壓該裝配件以使樹脂固化。固化不僅可通過加熱產(chǎn)生，而且通過射線的輻射作用，例如通過uv射線也能產(chǎn)生。
在上述連接步驟中，在加熱的同時，通過向放入被連接在一起的兩個元件之間的連接材料加壓，連接材料中的樹脂首先熔化并且從對應電極之間的內部空間擠出進入沒有電極的空間，同時，導電顆粒留在對應電極間的內部空間，直到這些導電顆粒由元件上的對應電極捕獲從而在其間橋接(bridge)形成導電摩擦接觸。之后在熱壓的內部空間固化樹脂，從而構成半導體芯片和玻璃襯底電路板的機械粘接(mechanical bonding)。通過使用本發(fā)明的連接材料，即使在電極間距窄和電極表面區(qū)域和間隔小的情況下，也可獲得電極之間可靠的導電連接和被粘接元件的牢靠機械粘接。
在玻璃襯底電路板上裝配了半導體芯片的COG組件不會出現(xiàn)由于樹脂固化收縮而在界面引起局部應力集中，因為固化連接材料允許有相當程度的延伸。其結果不會出現(xiàn)象扭曲或類似情況的變形，應用于LCD時不會出現(xiàn)圖象顯示特性的降低。而且可獲得良好的機械粘接和優(yōu)良可靠的導電連接，并可在長時間內避免在電極之間的連結上出現(xiàn)電導率的缺陷。
如上所述，一方面本發(fā)明的COG組件即使當粘接層顯示有較高粘合強度，甚至使用了薄的玻璃襯底電路板的情況下，也能降低在界面處出現(xiàn)的內部應力局部集中，從而抑制了變形例如扭曲等的產(chǎn)生，另一方面由于創(chuàng)造性的特征，即連接材料包括熱固樹脂和導電顆粒并且固化后的連接材料具有至少為5％的拉伸百分比，所以獲得了粘合強度和電極導電連接可靠的連接材料。
以下，將參考附圖結合實施例進一步描述本發(fā)明。
圖1(a)和1(b)示意地說明了一個COG組件實施例，其中分別展示了組裝方式和所得的COG組件。在作為電極的ITO層2的玻璃襯底電路板1上安裝有帶電極突點4的半導體芯片3-例如驅動器IC。這些電極，即ITO層2和突點4分別在彼此面對的位置上設置，以構成相對應的各電極對。將薄膜(film)形式的連接材料5放入玻璃襯底電路板1和半導體芯片3之間，同時按照這樣一種相關的位置固定電路板1和半導體芯片3，即使得各電極對處于特有的面對姿態(tài)，以便構成該組件。連接材料5由粘合劑成分6和導電微粒7組成，粘合劑成分(adhesivecomponent)6含有熱固樹脂和微顆粒彈性體在內的樹脂組分(resinous constituent)。當使用膏(paste)狀的連接材料時，將連接材料涂在玻璃襯底電路板1上。
在玻璃襯底電路板上裝配半導體芯片時，如圖1(a)所示，將連接材料5覆蓋區(qū)域v的范圍安置于玻璃襯底上，該區(qū)域v大于由半導體芯片3覆蓋的區(qū)域u，半導體芯片3按這樣一種姿態(tài)設置在其上，即使得突點4面對著玻璃襯底電路板1，以便按照其與相應ITO層2面對的特定關系設置各突點4。然后從箭頭X和Y所示方向的兩側使玻璃襯底電路板和半導體芯片壓在一起，同時加熱連接材料5。在熱凝固熱固樹脂前，首先使連接材料5中的粘合成分6熔化，并且如圖1(b)所示，連接材料5擠入空著的自由空間8，該空間8位于玻璃襯底電路板1和半導體芯片之間，以構成一固態(tài)的COG組件10，其中空間8中無電極。
在COG組件10中，導電微粒7固定在突點4和ITO層2的各對中，通過使它們受壓和由于粘合劑成分6的硬化收縮，該加壓更有利于彼此摩擦接觸和與電極的摩擦接觸，從而形成可靠的導電連接。由于引入了具有上述特性的連接材料5，因而能獲得良好的粘接強度和可靠的電連接。此外，由于固化的連接材料5具有大的拉伸百分比。因而避免了由于硬化收縮在粘接界面產(chǎn)生局部應力集中。因此，當應用于LCD中時，在區(qū)域u和v內，玻璃襯底電路板不會出現(xiàn)如扭曲等變形，從而不會使顯示的圖象變壞。
實例以下將通過實施例參照附圖進一步描述本發(fā)明。實例1-4和對比例1-3《連接材料的制備》連接材料的復合膏是通過混合下列成分制備的通過將環(huán)氧樹脂A(Dainippon Ink & Chemicals Inc．的產(chǎn)品，商品名稱4032D)和環(huán)氧樹脂B(Tohto Kasei Co．Ltd．的產(chǎn)品，商品名稱YD128)作為熱固樹脂，與基于咪唑(imidazole)的硬化劑(Asahi Chemical Industry Co．Ltd．的產(chǎn)品，商品名稱HX-3941HP)，微粒聚丁二稀橡膠(Kuraray Co．Ltd．的產(chǎn)品，平均顆粒大小為80nm)作為微粒彈性體，丙稀酸樹脂(Fujikura Kasei Co．Ltd的產(chǎn)品，商品名稱SG80，具有-25℃的Tg)作為Tg不高于50℃的熱塑樹脂，苯氧樹脂(Tohto KaseiCo．Ltd．的產(chǎn)品，商品名稱YP50，Tg為80℃)作為Tg高于50℃的熱塑樹脂，鍍有導電體的顆粒商品(Nippon Chemical Industrial Co．Ltd．的產(chǎn)品，商品名稱EH20GNR，平均顆粒大小為5μm)，作為導電顆粒以及甲苯作為溶劑一起按照表1比例混合。將上述制備的膏涂覆在由聚對苯二甲酸乙二酯(PET)制成的分層膜上經(jīng)分層表面處理，達到能產(chǎn)生40μm干燥層厚度的厚度，再將涂層用80℃熱空氣循環(huán)爐加熱5分鐘，由此就可獲得膜形式的連接材料。
材料特性試驗為了確定彈性模量，將未固化的連接材料涂過的膜切割成6cm×0．2cm的條，然后在180℃時進行固化15分鐘，此后連接材料固化層從PET膜剝離，將其用作試驗樣品。為了進行試驗，使用固定取向的VIBRON DDV O1 FP(商品名)，并且在振動頻率為11HZ、溫度上升率為3℃／每分鐘和夾盤至夾盤距離為5cm的條件下進行確定。
把在試驗彈性膜量時在tanδ峰值處的溫度確定為Tg。
拉力試驗為了進行拉力試驗，把用未固化的連接材料涂過的膜使用切割刀片切割成1cm×15cm的條，然后在180℃的溫度下固化15分鐘，使連接材料的固化層與膜剝離后，將其用作試驗樣品。為了進行試驗，采用了Shimadzu公司的拉力試驗器AUTOGRAPH AGS-H和Model DVE-200的圖象延伸測試儀(Video elongationmeter)。在拉伸速度(drawing speed)為1mm／每分鐘，夾盤至夾盤距離為10cm，定標計長度為5cm和試驗溫度為23℃時進行拉伸百分比確定。
連接試驗IC芯片(由硅制成，2mm×20mm大小，厚度為0．55mm的條，具有鍍金的突點，每個突點厚度為20μm，設置間隔為80μm)的突點電極利用上述制備的膜形式的連接材料借助媒介物被連接到0．7mm厚的玻璃襯底電路板(商品名稱1737F的Coming的產(chǎn)品，50mm×10mm大小)的對應電極上。在玻璃襯底電路板上，將ITO層各設置在與IC芯片的相應突點面對的位置上。在玻璃襯底電路板上，如圖1(a)所示，使各相應對中的突點和ITO層處于彼此在面對的合適位置上，利用連接材料膜借助媒介物安置IC芯片，隨后將制成的組件在200℃×10秒×98N(10kgf)的條件下進行熱壓，從而可獲得圖1(b)所示的COG組件。
對于這種連接組件，將依據(jù)JIS K-6853(粘合劑剝離強度試驗)的方法進行試驗，確定90°剝離強度為粘接強度。
為了使導電連接強度可靠起見，由所謂的四端法(tetraterminal-method)確定連接電阻，在該方法中最初確定該連接電阻并且將其在85℃和85％相對濕度條件下持續(xù)1000小時，由此在40個檢測端不同部分確定的值上取平均值。
《確定扭曲幅度》使用探針接觸型表面粗糙度儀器(Kozaka Kenkyujo公司提供，商品名稱SE-3H)，通過圖1(a)所示u區(qū)從圖1(b)所示COG組件10的玻璃襯底電路板1的下面掃描，探測該COG組件進行熱壓后的玻璃表面扭曲幅度。
表1中列出了試驗結果。表1
附注1)百分率，基于粘合劑成分的體積。
從表1中得出的結果可看出，實例1至4具有較小的變形幅度和良好的粘接特性和可靠的導電連接。相反，對比例1至3不滿足本發(fā)明的上述特征，顯示出較大的變形幅度以及低劣的粘接強度和低劣的導電連接特性。
權利要求
1．一種連接材料，用于將COG組件中的半導體芯片與玻璃襯底電路板粘接和連接，其中，半導體芯片上的電極與玻璃襯底電路板上的相應電極直接連接，所說連接材料包括粘合劑成分，其含有熱固樹脂；和導電顆粒；其中，所說連接材料固化后在25℃時具有至少為5％的拉伸百分比。
2．根據(jù)權利要求1所說的連接材料，其中，按重量，所說粘合劑成分含有6-90％的微粒彈性體，該微粒彈性體的平均顆粒大小為30-300nm。
3．根據(jù)權利要求1或2所說的連接材料，其中，按所說粘合劑成分的體積，該連接材料包含2-40％的導電顆粒。
4．一種COG組件，其中半導體芯片上的電極與玻璃襯底電路板上的對應電極直接連接，該COG組件包括一連接材料層，用于將半導體芯片與襯底電路板粘接和連接；其中所說連接材料包括粘合劑成分，該粘合劑成分含有熱固樹脂和導電顆粒，并且該連接材料固化后在25℃時具有至少5％的拉伸百分比。
5．根據(jù)權利要求4所說的COG組件，其中，按重量，所說粘合劑成分含有6-90％的微粒彈性體，該微粒彈性體的平均顆粒大小為30-300nm．
6．根據(jù)權利要求4或5所說的COG組件，其中，按所說粘合劑成分的體積，該連接材料包含2-40％的導電顆粒。
7．根據(jù)權利要求4至6中任一項權利要求所說的COG組件，其中該COG組件是液晶顯示器。
全文摘要
一種玻璃襯底上的芯片(COG)組件,其中半導體芯片(3)的電極與襯底電路板(1)上的對應電極直接連接,該組件包括連接材料層(5),用于將芯片與電路板粘接和連接,即使在制成的粘接組件處于高粘接強度,該材料也能降低在粘合層與芯片間的邊界及在粘合層與電路板間邊界上的應力集中,甚至在使用薄玻璃襯底電路板情況下,例如扭曲等使粘合組件的變形也較小。該材料提供了良好的粘接強度和導電性。該連接材料包含粘接成分(6),其中含熱固樹脂,還含導電顆粒(7),該材料固化后在25℃具有至少5%的拉伸百分比。
文檔編號C09J201/00GK1293467SQ0012858
公開日2001年5月2日 申請日期2000年9月14日 優(yōu)先權日1999年9月14日
發(fā)明者武市元秀, 藤平博之 申請人:索尼化學株式會社