专利名称：细距各向异性导电粘合剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及各向异性导电粘合剂及其制备方法。
背景技术：
导电粘合剂通常为在两个分开电路上的片状电极或多层电路的层之间实现粘合和电连接提供了方便和有用的手段。当许多独立的片状电极各在较小区域内时，可以采用各向异性的导电粘合剂(也称为z轴导电粘合剂)。各向异性导电粘合剂使相对的电极之间通过粘合剂来导电，但是不会在粘合剂平面方向上导电。这样，其本来作用是独立导电的邻近片状电极在与相对的电路或电路层上的配对电极形成了粘合和电连接时，它们之间仍可保持彼此电分离。
制备导电粘合剂的一种方法涉及将导电颗粒随机地分散到粘合剂层内。将如此形成的粘合剂置于电路层之间，然后对它们进行适当的对齐。当这两个电路层压制在一起时，在相对的电极对之间的导电颗粒与片状电极接触。单个颗粒可与上方和下方的电极都有接触，或是通过一系列颗粒产生一个穿过粘合剂层的垂直导电通道来实现接触。另外，粘合剂本身将这两个电路层粘合起来并使导电颗粒互相隔离，从而不会使相邻的电极产生电短路。此种粘合剂的一个例子公开在美国专利No.4,113,981(Fujita等人)中。
在希望有较高密度的连接时出现了难题。较高密度的连接涉及较小的电极间距和较小的片状电极。用z轴导电粘合剂来连接这种“细距”电路会导致相邻电极之间发生电短路。由于毗邻电极之间的间距接近粘合剂中导电颗粒间的平均间距，因此分开的接触导电颗粒群(“束”-垂直方向上的群，或“串”-水平方向上的群)会把毗邻电极间的间隙桥接(bridge)起来，从而使电路发生短路。针对该问题的一种解决方法是，在粘合剂中采用较小的导电颗粒装填体积。然后，在这样做时，电极连接的可靠性可能会受影响(尤其是在采用非常少的片状电极的情况下)，因为每一电连接存在的颗粒较少。较少的导电颗粒还增加了电路连接电阻，减少了其携带电流的容量。另外，减小颗粒装填体积也不能完全解决因颗粒聚集引起的短路问题。
美国专利No.5,180,888(Sugiyama)公开了一种防止短路的技术。在该专利中，导电颗粒有不导电的涂层，并分散在粘合剂中。这样，颗粒串不会形成导电通道。而只有那些被夹在相对电极之间并经足够压力挤压使不导电涂层破裂的那些颗粒才起导电作用。
导电颗粒还以双层粘合剂系统的形式提供，其中一层含有颗粒，另一层不含颗粒。该方法在Watanabe等人题目为“用于倒装片互连的各向异性导电粘合膜”的文章(第9界国际微电子讨论会纪要)中有所描述。在粘合电路层时，电极间的颗粒被电极夹在中间，实现了电连接，而无颗粒的第二粘合剂层的过量粘合剂被从电极间挤出，并起了将颗粒清除出可能发生短路的区域的作用。然而，在该方法中，第一粘合剂层中的颗粒仍会因为随机分散而形成颗粒串，因此仍会发生短路。
还有用其它方法来解决因颗粒串引起的电短路问题。一种方法是将随机分散的颗粒分隔开。这可用机械方法或磁性方法实现。在美国专利No.5,240,761(Calhoun等人)中，导电颗粒随机分散在可拉伸的粘合剂层上，对粘合剂双轴拉伸以使各颗粒与其相邻颗粒分开。在美国专利No.4,737,112(Jin等人)中，将磁性颗粒随机分散在粘合剂层中，这样，在向粘合剂层施加垂直于粘合剂层的磁场后，颗粒相互排斥。这些方法均起着减少产生会导致电短路的颗粒串或颗粒束的作用，但是它们并未完全消除该可能性。然而，电短路危险性减少却是在降低颗粒密度的代价下得到的。
分离颗粒的另一种方法是形成排列有序的颗粒。排列有序的导电粘合剂分为以下两类有序的单颗粒粘合剂和有序的成束颗粒粘合剂。单颗粒粘合剂是含有单层颗粒的z轴导电粘合剂，因此连接相对片状电极的每个颗粒均与上方和下方的片状电极接触。成束颗粒粘合剂是含有分隔开的导电颗粒束的z-轴导电粘合剂。
有序的单颗粒粘合剂可通过导电颗粒的机械排序或磁性排序来形成。美国专利No.5,300,340(Calhoun等人)公开了将导电颗粒机械排序到粘合剂层上的方法。该方法包括使覆盖着排列呈周期性阵列的橡胶点的转鼓在大小约和橡胶点一样的球形导电颗粒的流化床中旋转。颗粒粘附在橡胶点上，转鼓上过量的颗粒被抽去。这样使得导电颗粒只留在周期性排列的橡胶点上。最后将该周期性排列的颗粒转移到压敏粘合带的粘合剂面上。导电颗粒的直径大致等于或稍稍大于粘合剂层的厚度。结果是粘合剂层在背衬上，粘合剂层中包埋了有序排列的单层导电颗粒。
美国专利No.5,616,206(Sakatsu等人)还公开了单层颗粒阵列的机械排序。在该方法中，将具有大小相同且呈周期性阵列排列的孔的掩模置于转移表面上。然后，将大小大致相同的许多导电颗粒在掩模上扫过。颗粒直径约为掩模厚度，每个孔内装入指定数量的颗粒。除去掩模，使具有有序的单层导电颗粒的转移表面外露。然而，并不将该有序的颗粒层转移到粘合剂层上形成z轴导电粘合剂。而是在电路层的每个片状电极上先形成粘合剂层。然后，将电路层放在这些导电颗粒上，使每个电极的每一粘合剂层接触一部分导电颗粒。颗粒与每一粘合剂层粘合，此电路层即可与第二电路电连接。由于掩模必须和颗粒一样薄，因此该方法不适合非常小的颗粒，尤其是直径小于10或20微米的那些颗粒。预计如此薄的掩模不会具有将颗粒维持在位所需的机械性质。
美国专利No.5,221,417(Basavanhally)公开了一种对导电颗粒进行磁性排序来制备各向异性导电粘合剂的方法。首先，在基材上形成相互隔离的许多铁磁性元件的周期性阵列，将这些元件磁化。然后，将单层铁磁性导电颗粒粘附在铁磁性元件上。这样，颗粒形成了只沉积在放置铁磁性元件处的颗粒单层有序阵列。然后，使粘合剂层与有序的单层颗粒接触。颗粒粘附在粘合剂层上，形成了有序的单颗粒导电粘合剂。该方法局限于磁性颗粒。另外，仍有在粘合剂中产生颗粒串的可能，尤其是当要采用较小的颗粒或较小的颗粒间距时。
有序的颗粒束导电粘合剂是通过形成导电颗粒束，以有序排列形式放置这些导电颗粒束，然后将其粘附在粘合剂层上来制得的。美国专利No.5,087,494(Calhom等人)公开了采用一种柔软的载体膜，该膜具有预制图案的小囊，用导电颗粒填充这些小囊。颗粒只留在小囊内，而不在小囊之间的区域上。小囊中的颗粒还可用粘合剂材料粘合。然后，在载体膜上填充了颗粒的小囊上形成粘合剂层。然后，可将粘合剂粘附到电路层的一个表面上。然后除去载体膜，将相对的电路层对准并施加到第一电路层、粘合剂和导电颗粒束的顶部。加压后，导电颗粒被挤压通过粘合剂直至与两个电路上相对的电极实现电接触。施加压力还起着将颗粒束“压平”的作用，这样，相对电极之间的导电通道就是经过单层形式的一群相邻的颗粒。然而，导电通道可能还经过垂直群中的多个颗粒。
美国专利No.5,637,176(Gilleo等人)公开了一种制备有序的z轴导电片材的方法。该导电片包括一个具有通孔系列或阵列的介电载体片，这些通孔内装有含导电颗粒的粘合剂。导电片可以这样制成首先形成分开的含有导电颗粒的粘合剂阵列，然后在阵列周围形成介电膜。或者，导电片可以这样制得取一具有预制孔的介电片材，将含有导电颗粒的粘合剂球压入介电片的这些孔内。得到的导电片本身不是各向异性的导电粘合剂，而是被介电膜基质分开的各向同性导电粘合剂系列或阵列。
由于电路上的电极图案间距越来越细，因此，对因导电粘合剂中颗粒串或颗粒束引起的电极间短路的关注也越来越多。电极图案间距是因减小电极间的空隙、减小片状电极的尺寸或这两者来变细小。在采用z轴导电粘合剂时，导电颗粒的大小、产生延伸的颗粒串或颗粒束的可能性、以及粘合剂中的颗粒密度均限制了电极图案间距的细度。大的颗粒、颗粒串和颗粒束对片状电极之间的距离限制较小，而导电颗粒的密度对片状电极尺寸的限制较小。因此，本领域中需要有一种单颗粒层z轴导电粘合剂，该粘合剂确保没有伸展的颗粒串，允许使用小的导电颗粒，并为所需的颗粒间距提供最大的颗粒装填量。
除了这些尺寸因素外，对可用于导电粘合剂的颗粒类型的限制可能也会影响电连接的可靠性。例如，当需要铁磁性颗粒时，较佳的颗粒是实心金属颗粒。实心金属铁磁性颗粒很硬，在用来将电路层层压在一起的压力下不会变形。这会带来对颗粒大小的严格要求，因为如果颗粒大小有任何差异，则在一对电极间首先接触的较大颗粒可能会阻止较小的颗粒在其它电极对间形成接触。然而，如果能采用可变形的金属颗粒，或是用涂布以金属的可变形的聚合物颗粒，则用来层压电路层的压力会使首先形成接触的较大颗粒变形，从而允许较小的颗粒也能接触，从而确保了所有电路连接的可靠性。
发明概述本发明的各向异性导电粘合剂解决了这些问题，尤其是细距电路其(所采用的电极间距和片状电极尺寸经测定为数百微米内或较小)中的问题。本发明提供了一种各向异性导电粘合剂，该粘合剂中具有预定的单层导电颗粒图案。颗粒在粘合剂中的放置受到机械性限制，因此不能形成延展的颗粒串。因此，电路电极间的间距可接近粘合剂中颗粒的大小。另外，由于颗粒以有序图案排列，因此颗粒密度可保持足够高，以便适应非常小的片状电极。
一方面，本发明提供了一种各向异性粘合剂，该粘合剂由厚度基本均一的粘合剂层和多个导电颗粒组成。导电颗粒的大小至少稍稍小于粘合剂层的厚度。每个颗粒粘附在粘合剂层上，在层的呈周期性阵列排列的颗粒部位中。大部分颗粒部位具有不超过预定最大数的颗粒，任何特定颗粒部位中的颗粒相互毗邻排列。较佳的，大部分颗粒部位还含有至少预定最少数量的颗粒。更佳的，大部分颗粒部位含有相同的预定数目的颗粒。
另一方面，本发明提供了一种各向异性导电粘合带，该粘合带包括剥离衬里、导电颗粒和粘合剂层。剥离衬里的表面特征是有多个凹坑，每个凹坑有预定的宽度、长度和深度，每个凹坑的深度大致相等。导电颗粒在凹坑内呈单层，而凹坑间的剥离衬里区域基本上没有导电材料。粘合剂层在剥离衬里的具有凹坑的一面，与导电颗粒接触，从而使颗粒单个地粘附在粘合剂层上。当从剥离衬里上取下粘合剂层时，粘合剂携带导电颗粒被一起取下。
本发明还包括一种制备本发明各向异性导电粘合剂的方法。第一步是提供一块具有低粘附性表面的工具，该表面的特征是有多个凹坑，每个凹坑有一定长度、宽度和深度，这些凹坑具有基本上相同的深度。任选的，工具可以是能重新使用的或作为背衬与粘合剂留在一起的剥离衬里。然后，将导电颗粒置于工具的凹坑内，使导电颗粒在凹坑内形成单层。除去工具上凹坑之间区域内的导电颗粒。最后，在工具的有凹坑的低粘附性表面上形成一层粘合剂层，使凹坑内的导电颗粒粘附在粘合剂层上。粘合剂层携带着导电颗粒从工具上取下。任选的，还可将粘合剂层压到具有低粘附性表面的背衬膜上，以便对此各向异性导电粘合剂处理或卷绕起来便于使用、运输或储藏。
本发明还包括一种用本发明的各向异性导电粘合剂在分开的电路层之间形成电连接的方法。首先，提供具有对应电极图案的两个电路层。然后，将本发明的各向异性导电粘合剂粘附到其中一个电路层上。再将第二个电路层对准放置，与第一电路层上的导电粘合剂接触。最后，向电路层施加压力，使导电颗粒受到挤压通过粘合剂层，直至通过各向异性导电粘合剂的导电颗粒在电极对之间实现接触。
附图简述
图1(a)是本发明各向异性导电粘合剂的顶视图。
图1(b)是图1(a)所示的导电粘合剂沿线1b取的剖视图。
图2(a)和(b)是本发明各向异性导电粘合带的剖视图。
图3(a)是本发明各向异性导电粘合剂的一个实施方案的示意图。
图3(b)是图3(a)所示的导电粘合剂沿线3b取的剖视图。
图4是制造本发明各向异性导电粘合剂的方法的示意图。
图5(a)至(c)是本发明两个电路层的电连接步骤的示意图。
图6(a)至(e)是本发明各种颗粒排列的显微照片。
详细描述A.各向异性导电粘合剂第一实施方案图1(a)显示了本发明各向异性导电粘合剂的一个实施方案的顶视图。各向异性导电粘合剂10包括粘合剂层12和粘附在粘合剂层12上的一些导电颗粒16。导电颗粒16排列在颗粒部位14内。除了导电颗粒16外，粘合剂层12基本上没有导电材料。
每个颗粒部位14含有0个或多个颗粒。当颗粒部位中有多个颗粒时，颗粒与其它颗粒毗邻，较佳的是与其它颗粒接触。颗粒部位14在粘合剂层12上的排列呈周期性阵列。在图1(a)的例子中，每个颗粒部位14各含有两个毗邻的颗粒，而颗粒部位以六边形阵列排列。每个颗粒部位用两个颗粒、且颗粒部位呈大致六边形阵列，这只是起说明作用，并不限制本发明或其引述的权利要求的范围。
颗粒部位可含有任意数目的不连续颗粒。较佳的，颗粒部位含有10个或更少的颗粒，更佳的为5个或更少的颗粒。然而，所有颗粒部位无需含有相同数目的颗粒，而是将每个颗粒部位的最大颗粒数选作每个颗粒部位的所需颗粒数。大部分颗粒部位含有最大数目的颗粒或较少的颗粒。有时，颗粒部位的边界内会有一个或两个(或多个)额外的颗粒。较佳的是，80％或更多的颗粒部位含有预定的最大数目的颗粒或较少的颗粒。每个颗粒部位还可选取最低颗粒数。在这种情况下，大部分颗粒部位应至少含有指定的最低颗粒数。较佳的是，80％或更多的颗粒部位含有最低颗粒数(如果指定最低颗粒数的话)。另外，可能还希望指定每个颗粒部位的确切颗粒数。在这种情况下，有些颗粒部位可能含有多于或少于该所需数目的颗粒。较佳的是，大部分颗粒部位都含有所需的确切颗粒数。更佳的，至少75％的颗粒部位含有所需的确切颗粒数(当指定该确切数时)。
较佳的是，每个颗粒部位的所需颗粒数多于一个颗粒。由于有多个颗粒，就为有时颗粒缺失或颗粒过小而导致电极连接可能发生的不可靠提供了保障。然而，由于电路上待连接的电极图案间距取决于颗粒部位内的颗粒大小和数目，因此，每个部位所需的颗粒数宜少于10，更佳的少于5，最佳的少于3。
颗粒部位可以按任何有序的二维图形排列。颗粒部位宜排列成规则的二维阵列，具体的是矩形、正方形和六边形。阵列中的颗粒部位无需大小相同。换句话说，每个颗粒部位的所需颗粒数可各不相同。在这种情况下，各部位之间的所需颗粒数以有序的方式变化。例如，颗粒部位可呈正方形排列，其中相邻颗粒部位的每部位所需颗粒数在两个至四个之间改变。颗粒部位之间的所需间距将取决于待粘合电路上的电极图案。例如，在细距用途中，颗粒部位之间的间距可在小于5微米至大于50微米的范围内，颗粒粒径为小于1微米至大约5微米或10微米。颗粒部位间距只受电极图案、每个部位所需的颗粒数以及颗粒平均粒径限制。
每个导电颗粒单独粘附于粘合剂层上，因此在垂直于粘合剂层的任何给定的列中都不会有一个以上的导电颗粒。这就保证了电路电极之间的每一导电通道仅仅是通过一个颗粒形成的(如下文C部分所述)。
如图1(b)中的剖视图所示，导电颗粒16的大小至少稍稍小于粘合剂层12的厚度。这样就提供了多余的粘合剂层物质可在粘合时受压挤入电极间的空隙内，其优点在下文C部分将提到。颗粒粒径通常测的是直径(在球形颗粒的情况下)或平均直径(在不规则形状颗粒的情况下)。较佳的，每个导电颗粒具有大致相同的大小，且大致是球形。所需平均粒径的范围取决于应用。在考虑了待粘合电路上电极间的间距和每个颗粒部位所需的最大颗粒数后，就确定了平均粒径。例如，如果使用50微米的电极间距，且每个颗粒部位有两个颗粒，则所需平均粒径可以是小于1微米至大于10微米范围内的任意值。每个颗粒部位的数目乘以颗粒平均粒径应当至少稍稍小于电路上电极之间的间距。
导电颗粒可用任何导电材料的颗粒或在颗粒上具有连续导电涂层。根据应用，导电颗粒可以是可变形的，由可变形金属制成或由涂布了连续导电涂层的可变形粒芯制成。然而，在一些应用中，可能希望使用硬的不能变形的颗粒，如Ni颗粒或涂布Ni的金属颗粒。
粘合剂12可以是任何能形成膜的任何粘合剂。较佳的，粘合剂层在室温下比导电颗粒柔软，或在施加压力和/或热量后变得比导电颗粒柔软。这样，粘合剂在施加压力、热量或两者后至少有一定的可变形性或可流动性。例如，粘合剂可以是环氧为基的热固化粘合剂。粘合剂还可以是热塑性基的粘合剂。尽管所选粘合剂将取决于特定的应用，但可考虑的性能包括施加热量和/或压力后粘合剂的可流动性、粘合剂的抗蠕变性和粘合剂的高温性能。
有用的粘合剂组合物包括美国专利No.5,143,785(Pujol等人)、5,330,684(Emori等人)、5,362,421(Kropp等人)和5,457,149(Hall等人)中描述的那些粘合剂组合物。这些专利描述了这样一些粘合剂组合物，其配方是能成为整体的可固化物质，该物质在固化前能形成为没有粘性或粘性很低的柔顺的膜。固化后，这些粘合剂膜具有中到高的玻璃转化温度(Tg)，在大约100至140℃的范围内。这些粘合剂还能在各种基材上具有较高的剥离和剪切强度。通常，利用加热和加压数秒，将这些粘合剂预先施加到一个基材上，然后将第二片基材对准并压在第一基材上，使粘合剂在加热和加压下固化。这些粘合剂的典型的固化条件为150至200℃，5至20秒。
较佳的膜粘合剂组合物包括热固性-热塑性混合物。用于这些混合物的热固性树脂包括环氧类和氰酸酯，以及丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰亚胺以及其它树脂。有用的热塑性树脂包括苯氧基树脂、聚酯、聚乙烯缩丁醛、聚砜、聚碳酸酯和其它。通常，这些混合物中包括用于热固性树脂的固化剂或催化剂。环氧树脂可用胺、咪唑或有机金属盐固化。类似的有机金属盐还可用于氰酸酯的三聚。其它有用的粘合剂组合物例如包括，液态和固态热固性树脂的混合物，或简单的热熔系统。
为了便于操作和储藏，本发明的各向异性导电粘合剂层上可加一曾任选的背衬膜。图2(a)显示了层压在粘合剂层12无颗粒面上的背衬膜18。相反，背衬膜18也可以层压在粘合剂层12的颗粒面上。如图2(b)所示，将背衬膜层压到粘合剂层的颗粒面上会将导电颗粒16包埋在粘合剂层12内。可用的背衬膜可以是适合层压到所选粘合剂层上并能在以后从粘合剂层上除去而不会除去导电颗粒的背衬膜或剥离衬里。较佳的是，可以用背衬膜两面均有低粘附性表面，一旦层压到粘合剂层上，背衬膜和相连的粘合剂层能以便于操作、储藏和以后使用的形式卷起来。
第二个实施方案在另一个实施方案中，本发明的各向异性导电粘合剂包括一个有结构性的剥离衬里。图3(a)和(b)显示了导电粘合剂结构20，它包括可用的剥离衬里28和导电颗粒16以及粘合剂12。
可用的剥离衬里28是一面具有一系列凹坑24的膜。在衬里28中形成凹坑24的方法将在下文部分B中描述。虽然图(a)和(b)显示了矩形凹坑以周期性矩形阵列方式排列在剥离衬里上，但是凹坑可以是任何所需的形状，并以任何所需的图形排列。这里图示和描述的形状和排列图形只是说明性的，决不是限制本发明或所附权利要求的范围。然而，出于从下文可知道的原因，凹坑具有基本相同的深度是很重要的。剥离衬里本身宜是柔软的，这样它就能从粘合剂层上剥下。为了给予剥离衬里所需的剥离性能，至少剥离衬里含有凹坑的面是低粘附性的表面，较佳的是剥离衬里的两个表面均是低粘附性表面。
将导电颗粒16置于任选的剥离衬里28的凹坑24中。凹坑之间的剥离衬里表面区域宜基本上没有导电颗粒16或其他导电材料。颗粒在凹坑内成单层。较佳的，颗粒大小与凹坑深度大致相同，这样凹坑只能填充一层颗粒。希望有单层颗粒，这样当用导电粘合剂在相对的片状电极之间形成电接触时，电极之间的每个导电通道是单个导电颗粒，虽然每个电极连接是通过多个单颗粒通道的。这就减少了每个通道的接触面数目，以免增加整个导电通道的电阻。
导电颗粒大小宜大致相同。如果有颗粒明显大于其他颗粒，则较大的颗粒有可能会阻止较小的颗粒与电极对中的两个电极发生电接触。导电颗粒可用任何导电材料制成，或用涂布以导电材料的实心或中空的绝缘材料制成。任选的，导电颗粒也可以在压力和/或加热条件下至少能稍稍变形。颗粒可变形，能耐受较大的大小差异，因为当较大的颗粒首先在电极间接触时，颗粒可在加压或加热下被压缩，使得较小的颗粒也能与电极对中的两个电极接触。
在任选的剥离衬里28顶部形成粘合剂层12，并与导电颗粒16接触。导电颗粒各自粘附于粘合剂层，这样当从剥离衬里上取下粘合剂层时，导电颗粒仍保留在粘合剂层上(如图3(a)和(b)所示)。粘合剂层宜具有基本均一的厚度。粘合剂层应当至少稍有可流动性，或至少比导电颗粒软，这样当电路层以及在它们中间的导电粘合剂一起压制时，导电颗粒会被挤压通过粘合剂层，最终与两个电路层上的电极接触。在粘合电路层时，可能需要或不需要对粘合剂层施加足以软化粘合剂的热量，使得导电颗粒穿透粘合剂。
B.制备本发明导电粘合剂的方法为了制备本发明的各向异性导电粘合剂，以不连续的数目放置导电颗粒，并以有序的排列方式放置。用机械方法将颗粒限制在有序排列的具有所选大小的凹坑内。第一步是提供一块工具，该工具具有多个以周期性阵列排列的凹坑。工具中的凹坑最终限定了导电粘合剂上的颗粒部位。所有凹坑有大致相同的深度，该深度最好对应于导电颗粒的平均大小，这样在任何给定的凹坑内均只能有一层颗粒。凹坑的宽度和长度由颗粒大小以及每个颗粒部位所需的颗粒数来确定。工具的有凹坑的表面宜是低粘附性表面(原因如下所述)。
下一步是用导电颗粒填充凹坑，同时除去在凹坑以外区域上的那些导电颗粒。图4显示了一种填充凹坑并除去多余颗粒的较佳方法。将具有排列有序的凹坑44的工具38推动通过颗粒配料器30下面，该配料器将导电颗粒16随机地加到工具的有凹坑表面上。所选导电颗粒的大小应与凹坑深度大致相等。这就确保了只有单层颗粒能填入每个凹坑。较佳的，颗粒基本上是球形，以提供均一性并便于操作。如上所述，颗粒宜具有基本相同的大小。然而，当采用可变形颗粒时，对颗粒间有一定的尺寸差异就是允许的。
工具可以是与转动带或转鼓表面相连的一系列刚性板，这样，工具的推进过程是连续的。工具也可以是柔软的膜，连接在带或鼓上(因此可重复使用)，或由一卷材提供，这样膜可作为衬里与导电粘合剂留在一起(下文有进一步讨论)。
当工具38通过颗粒配料器30下面时，导电颗粒16就散布下来，基本上覆盖工具表面。颗粒16以随机的方式落在工具38上，一些颗粒填充在凹坑内，一些颗粒在凹坑间的区域内，一些颗粒则在其他颗粒之上。将工具38和颗粒16推进至转鼓32下面的位置。转鼓32装有刷子34，这些刷子能在工具38通过时清扫工具表面。转鼓32的转动方向与工具38的推进方向相反。转鼓和工具的运动方向如图4所示。刷子34的长度和硬度根据所用导电颗粒的大小和类型来选择。较小的颗粒需要较小的刷子，而较粗的颗粒可能需要较硬的刷子。当工具38通过刷子34时，刷子将颗粒16扫入凹坑44内，结果填充了凹坑。刷子还将凹坑间区域上的颗粒扫去。多余的颗粒或者被推回到未清扫的工具推进部分，或被刷子捡起。在转鼓32上方可以放置一个抽吸装置36，用来除去被刷子捡起的多余颗粒。
当工具的凹坑被导电颗粒填满且在凹坑间工具区域上的导电颗粒被基本上除去后，就可以施加粘合剂层。粘合剂层施加在工具有凹坑的一面，基本上覆盖到工具的宽度，并与颗粒粘附。粘合剂层宜具有基本均一的厚度。粘合剂层可用任何常规方法来施加，例如，将粘合剂层层压到工具和颗粒的顶部，或是将粘合剂材料作为液体施加在工具和颗粒上，并使该粘合剂在工具上固化。无论怎样施加粘合剂层，颗粒均单个地粘附于粘合剂，从而当从工具上取下导电粘合剂时，导电颗粒与粘合剂层在一起。
在提供了粘合剂层后，还可将任选的背衬膜层压到导电粘合剂上。如图2(a)和(b)所示，背衬膜可层压到粘合剂层的无颗粒面或有颗粒面上。背衬膜的表面宜为低粘附性表面，这样就能很容易地除去导电粘合剂供以后使用。如果背衬膜的两面都是低粘附性的，则可将导电粘合剂和背衬膜一起卷起来便于储藏、运输和日后使用。
另外，如上所述，工具本身可由具有低粘附性表面的柔软膜材料制成，因此可起导电粘合剂的剥离衬里的作用。剥离衬里材料可用以下方法获得有序排列的凹坑，这些方法包括对预制的膜进行压花，或将液体树脂材料进行挤出并硬化。无论采用哪个方法，都使用具有有序排列凸块的母模板。然后，通过直接压花或使凸块周围的液体树脂材料硬化，母模板上的凸块被复制到衬里上成为凹坑。当用剥离衬里作为有凹坑的工具时，粘合剂层可以在加工时从剥离衬里上取下，以便重复使用剥离衬里，或是和剥离衬里在一起，这时剥离衬里就起导电粘合剂背衬膜的作用。
C.电连接电路层一旦如上制成后，本发明的各向异性导电粘合剂成为便于操作和使用的形式。在应用时，本发明的各向异性导电粘合剂可用来电连接具有对准的电极图案的两个电路或电路层。
图5(a)至(c)显示了用本发明的各向异性导电粘合剂电连接两层电路层的方法中的各个步骤。图5(a)显示了本发明的各向异性导电粘合剂，它具有粘附在粘合剂层12上的导电颗粒16，粘合剂层12层压在任选的背衬膜18上。用图5(a)所示的结构作为描述例子。还可采用其他结构，它们的例子显示在图1至3中。尽管使用具有背衬膜的结构很方便，但是并不一定需要使用该结构。
然后，如图5(b)所示，使本发明的各向异性导电粘合剂与电路层50的电极52a和52b接触。由于导电颗粒在导电粘合剂上是均匀分布的，因此不必使粘合剂向电路层的电极对齐。可以向导电粘合剂的背衬加压。施加压力会使与电极接触的导电颗粒包埋进入粘合剂层内，从而使粘合剂层与电极表面接触，并在一定程度上与电路层以及电极图案的轮廓贴合。导电粘合剂的施加在电极间产生了空隙区域，如空隙56。此时，如果有背衬膜的话，除去该背衬膜。
在除去所有任选的背衬膜后，放置具有电极62a和62b的第二电路层60，使其电极图案对准并面朝电路层50的电极图案。然后，使电路层60与外露的粘合剂层表面接触。然后向电路层60施加压力，使粘合剂层变形直至电极62a和62b与接触电极对52a和52b的导电颗粒电接触。任选地，还可加热来帮助粘合剂层软化，从而使其更容易在压力下变形。
可采用在加压下至少有一定程度的可变形性、但仍然比粘合剂层材料硬的导电颗粒。这就保证可以允许各个颗粒有小的尺寸差异。当采用可变形颗粒时，首先接触电极对中两个电极的较大颗粒可在垂直方向上被压缩，直至较小的颗粒也能实现电接触。通过确保尽可能多的导电通道，就提高了整个电连接的可靠性。
由于导电颗粒小于粘合剂层的厚度，因此电极对之间的粘合剂层材料必定被挤入电极间的空隙区域内。这些多余的粘合剂层材料会填满诸如图5(c)所示的空隙56。空隙被多余粘合剂层材料填充，就增加了粘合表面积，也就增强了粘合程度。而且，还能防止短路。另外，由于粘合剂层材料从空隙两侧挤入每个空隙，因此电极间空隙内的任何导电颗粒会被挤出电极，从而产生了“清洗除去”的效果，该效果减少了在电极间的空间中形成会导致短路的颗粒或颗粒串的可能性。
由于导电颗粒在粘合剂层上以单层形式存在，因此电极之间每个导电通道是通过单个颗粒的。这最大程度地减少了可能会增加连接电阻的接触面数目。它还为给定的电极对创造了多个单颗粒通道，从而进一步增加可靠性。
实施例下列实施例描述了本发明的各个具体实施方案，这些例子不应被视为限制了本发明或所附权利要求的范围。
图6(a)至(e)每张图均是本发明的带凹坑工具在根据本发明的方法用导电颗粒填充工具凹坑后拍摄的显微照片。每张显微照片显示排列成周期性长方形阵列的凹坑(凹坑内填充了导电颗粒)的工具。凹坑的大小、凹坑阵列的大小以及颗粒类型各不相同。在各种情况下，凹坑的深度均为使颗粒在凹坑中以单层形式存在。不同的凹坑图案、颗粒类型和粒径分布为每种图案每个颗粒部位提供了不同的颗粒数。然而，在所有情况下均未见颗粒留在凹坑间的工具区域上。
图6(a)显示了具有以矩形阵列排列的凹坑102a的工具100a。颗粒104a是平均直径为4.9微米的涂金的聚合物球。颗粒的粒径分布很小，以便非常均一地在工具上填充凹坑。实际上，大多数凹坑确切地装有两个颗粒，但是有的凹坑有三个颗粒，而一些凹坑有一个颗粒或没有颗粒。凹坑图案的间距在单颗粒方向106a上约为25微米，在两个颗粒的方向108a上约为15微米。
图6(b)显示了具有以矩形阵列排列的凹坑102b的工具100b。颗粒104b是平均直径为4.9微米的涂金的聚合物球。颗粒的粒径分布很小，以便非常均一地在工具上填充凹坑。凹坑的大小为在一排内装有四个颗粒。大多数凹坑确实有四个颗粒，但是发现一些凹坑有两个、三个或五个颗粒。凹坑图案的间距在单颗粒方向106b上约为15微米，在四个颗粒的方向108b上约为35微米。
图6(c)显示了具有以正方形阵列排列的凹坑102c的工具100c。颗粒104c是平均直径为4.9微米的涂金聚合物球。颗粒的粒径分布很小，以便在工具上非常均匀地填充凹坑。凹坑的大小为每个颗粒部位有一个颗粒。大多数凹坑确实含有一个颗粒，但发现一些凹坑有两个颗粒或没有颗粒。凹坑图案的间距在方向106c和108c上均约为15微米。
图6(d)显示了具有以正方形阵列排列的凹坑102d的工具100d。颗粒104d是平均直径为4.9微米的涂金聚合物球。颗粒的粒径分布很小，以便在工具上非常均匀地填充凹坑。凹坑的大小为每个颗粒部位有四个或五个颗粒。大多数凹坑有四个或五个颗粒，但发现一些凹坑有两个或三个颗粒。凹坑图案的间距在方向106d和108d上均为25微米。
图6(e)显示了具有以矩形阵列排列的凹坑102e的工具100e。颗粒104e是平均直径约为4微米的大致球形镍颗粒，但是整个颗粒的粒径分布非常大。图6(e)显示了大的粒径分布是如何影响凹坑的填充的。尽管凹坑的大小为含有两个4.9微米直径的颗粒，但是许多凹坑在一个单层中含有两个以上的颗粒，因为在颗粒填充时较小的颗粒能被扫入凹坑内已有的较大颗粒之间的空隙内。大多数凹坑含有两到七个颗粒。凹坑图案的间距在短边方向106e上约为15微米，在长边方向108e上约为25微米。
权利要求
1.一种各向异性导电粘合剂(10)，它包含(a)具有基本均一厚度的粘合剂层(12)；和(b)多个导电颗粒(16)，颗粒的大小至少稍稍小于粘合剂层的厚度，每个颗粒单独粘附于粘合剂层，其中多个导电颗粒含有排列成周期性阵列的颗粒部位(14)，大部分颗粒部位具有不超过预定最大数目的居留颗粒，居留在任何特定颗粒部位中的颗粒是毗邻放置的。
2.一种各向异性导电粘合带，它包含剥离衬里(28)，它具有一个含有多个凹坑(24)的主表面，每个凹坑具有预定的宽度、长度和深度，其中凹坑具有基本相同的深度；凹坑中的导电颗粒(16)，导电颗粒以单层形式留在凹坑内；和在剥离衬里上并接触导电颗粒的粘合剂层(12)，粘合剂层可携带着导电颗粒一起从剥离衬里上取下，其中粘合剂层基本上没有除所述导电颗粒以外的导电材料。
3.一种制备各向异性导电粘合剂的方法，该方法包括下列步骤提供具有低粘附性表面的工具(38)，该表面含有多个凹坑(44)，每个凹坑具有一定的长度、宽度和深度，其中凹坑具有基本相同的深度；将导电颗粒(16)放入凹坑内，导电颗粒在凹坑内形成单层；基本上除去留在凹坑间工具区域上的所有导电颗粒；和在工具的低粘附性表面上形成粘合剂层，使凹坑内的导电颗粒单个地粘附于粘合剂层，该粘合剂层能携带着导电颗粒一起从工具上取下，其中粘合剂层基本上没有除所述导电颗粒以外的导电材料。
4.一种形成电连接的方法，该方法包括下列步骤提供具有多个第一导电接触部位的第一电路层(50)；提供具有多个第二导电接触部位的第二电路层(60)；确定第一电路层和第二电路层的位置，使多个第一接触部位与多个第二接触部位对齐，从而形成多对接触部位对；提供各向异性导电粘合剂，它包含(a)具有基本均一厚度的粘合剂层(12)；和(b)多个导电颗粒(16)，颗粒的大小至少稍稍小于粘合剂层的厚度，每个颗粒单个地粘附于粘合剂层，其中多个导电颗粒含有排列成周期性阵列的颗粒部位，大部分颗粒部位具有不超过预定最大数目的居留颗粒，留在任何特定颗粒部位中的颗粒是毗邻放置的；将各向异性导电粘合带置于电路层的接触部位之间；和向电路层施加压力，直至至少大多数导电接触部位对形成分开的电连接，每个连接经过至少一个导电颗粒。
5.根据权利要求1所述的各向异性导电粘合剂或权利要求4所述的形成电连接的方法，其中大部分颗粒部位具有相同数目的颗粒。
6.根据权利要求1所述的各向异性导电粘合剂、权利要求2所述的各向异性导电粘合带、权利要求3所述的制备各向异性导电粘合剂的方法或权利要求4所述的形成电连接的方法，其中颗粒具有基本相同的大小和/或基本上呈球形。
7.根据权利要求1所述的各向异性导电粘合剂、权利要求2所述的各向异性导电粘合带、权利要求3所述的制备各向异性导电粘合剂的方法或权利要求4所述的形成电连接的方法，其中颗粒大致小于粘合剂层的厚度。
8.根据权利要求1所述的各向异性导电粘合剂、权利要求2所述的各向异性导电粘合带、权利要求3所述的制备各向异性导电粘合剂的方法或权利要求4所述的形成电连接的方法，其中粘合剂层能在加热或加压下软化。
9.根据权利要求2所述的各向异性导电粘合带或权利要求3所述的制备各向异性导电粘合剂的方法，其中凹坑按两维周期性阵列排列。
10.根据权利要求4所述的方法，其中在施加压力的步骤中，将置于接触部位对之间的导电颗粒推入通过粘合剂层，与接触部位对中的两个接触部位接触。
全文摘要
本发明公开了具有粘合剂层(12)和单独粘附于粘合剂层的导电颗粒(16)的导电粘合剂(10),导电颗粒以有序阵列方式排列。导电颗粒的大小至少稍稍小于粘合剂层的厚度。还公开了具有粘合剂层、单独粘附于粘合剂层的导电颗粒、以及具有有序排列的凹坑的剥离衬里(28)。导电颗粒以单层形式留在凹坑内。各向异性导电粘合剂这样制得,将导电颗粒置于低粘附性表面上有序排列的凹坑内,然后将粘合剂层层压到顶部,使导电颗粒单独粘附于粘合剂层。各向异性导电粘合剂可电连接相对电路层上的细距电极。
文档编号C09J7/00GK1307625SQ99807810
公开日2001年8月8日 申请日期1999年1月8日 优先权日1998年6月30日
发明者G·康萘尔, B·S·卡彭特, P·B·霍格通, 山口裕显 申请人:美国3M公司