JP2003221573A - 接合材料及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents
接合材料及びこれを用いた半導体装置Info
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Abstract
上を図ることが可能な接合材料を提供する。 【解決手段】 樹脂及びフィラーを必須成分とする接合
材料であって、前記接合材料の不揮発成分中のフィラー
含有量が30vol%以上70vol%以下であり、前
記接合材料の硬化物の熱伝導率が2W/mK以上である
ことを特徴とする接合材料。
Description
に優れた接合材料に関する。さらに詳しくはIC、LS
I等の半導体素子をリードフレーム、セラミック配線
板、ガラスエポキシ配線板、ポリイミド配線板等の基板
に接着するのに好適な接合材料及びこれを用いた半導体
装置に関する。
リードフレーム(支持部材)とを接着させる方法として
は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などの樹脂に銀
粉等の充填剤を分散させてペースト状(例えば、銀ペー
スト)として、これを接合材料として使用する方法があ
る。この方法では、ディスペンサーやスタンピングマシ
ン等を用いて、ペースト状接合材料をリードフレームの
ダイパッドに塗布した後、半導体素子をダイボンディン
グし、加熱硬化により接着させ半導体装置とする。
部が封止され半導体パッケージされた後、配線基盤上に
半田付けされて実装される。最近の実装は、高密度及び
高効率が要求されるので、半田実装は半導体装置のリー
ドフレームを基板に直接半田付けする面実装法が主流で
ある。この表面実装には、基板全体を赤外線などで加熱
するリフローソルダリングが用いられ、パッケージは2
00℃以上の高温に加熱される。この時、パッケージの
内部、特に接合材料層中に水分が存在すると、この水分
が気化してダイパッドと封止材の間に回り込み、パッケ
ージにクラック(リフロークラック)が発生する。この
リフロークラックは半導体装置の信頼性を著しく低下さ
せるため、深刻な問題・技術課題となっており、半導体
素子と半導体支持部材との接着に多く用いられている接
合材料には、高温時の接着力を始めとした信頼性が求め
られてきた。
積化が進むに伴い、従来から求められてきた接着力等の
信頼性に加えて、半導体装置の動作安定性を確保するた
めに高放熱特性が求められるようになった。即ち、前記
課題を解決するためには、放熱部材と半導体素子を接合
する接合材料に用いられる、高い接着力と高熱伝導性を
兼ね備える接合材料が求められていた。
着力と高熱伝導性をバランスよく兼ね備える接合材料が
存在しなかったため、前記課題を解決することが困難で
あった。
解決手段として、接合材料中の金属フィラーの量を増加
する方法が提案された。
増加すると熱伝導率は向上するものの、接着性に関与す
る樹脂の相対的混合量が低下するために接着性が低下す
るという問題があった。
場合、金属フィラーの量が増加するほどペーストの粘度
が必要以上に上昇し、作業性が低下していた。そして、
この作業性の低下を補うために溶剤を多量に混合する
と、硬化後の接着層中に溶剤が残存することに起因し
て、ボイドが発生しやすくなり放熱特性の低下につなが
っていた。
所定の接着強度を維持しつつ、熱伝導率の向上を図るこ
とが可能な接合材料を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、前記接合材料を用いた半導体装置を提供
することを目的とする。
て、本発明によれば、樹脂及びフィラーを必須成分とす
る接合材料であり、接合材料の不揮発分中のフィラー含
有量が60vol%を超え70vol%以下の場合は硬
化物の熱伝導率が15W/mK以上100W/mK以下
であり、フィラー含有量が50vol%を超え60vo
l%以下の場合は硬化物の熱伝導率が10W/mK以上
100W/mK以下であり、フィラー含有量が40vo
l%を超え50vol%以下の場合は硬化物の熱伝導率
が5W/mK以上100W/mK以下であり、フィラー
含有量が30vol%を超え40vol%以下の場合は
硬化物の熱伝導率が2W/mK以上100W/mK以下
であることを特徴とする接合材料が提供される。言い換
えると、樹脂及びフィラーを必須成分とする接合材料で
あって、前記接合材料の不揮発成分中のフィラー含有量
が30vol%以上70vol%以下であり、前記接合
材料の硬化物の熱伝導率が2W/mK以上、より詳しく
は前記熱伝導率が2W/mK以上100W/mK以下で
あることを特徴とする接合材料が提供される。
(1)〜(4)の接合材料が提供される。 (1)前記接合材料の不揮発成分中のフィラー含有量が
60vol%を超え70vol%以下であり、かつ前記
接合材料の硬化物の熱伝導率が15W/mK以上、より
詳しくは前記熱伝導率が15W/mK以上100W/m
K以下であることを特徴とする前記接合材料、(2)前
記接合材料の不揮発成分中のフィラー含有量が50vo
l%を超え60vol%以下であり、かつ前記接合材料
の硬化物の熱伝導率が10W/mK以上、より詳しくは
前記熱伝導率が10W/mK以上100W/mK以下で
あることを特徴とする前記接合材料、(3)前記接合材
料の不揮発成分中のフィラー含有量が40vol%を超
え50vol%以下であり、かつ前記接合材料の硬化物
の熱伝導率が5W/mK以上、より詳しくは前記熱伝導
率が5W/mK以上100W/mK以下であることを特
徴とする前記接合材料、(4)前記接合材料の不揮発成
分中のフィラー含有量が30vol%を超え40vol
%以下であり、かつ前記接合材料の硬化物の熱伝導率が
2W/mK以上、より詳しくは前記熱伝導率が2W/m
K以上100W/mK以下であることを特徴とする前記
接合材料。これらの接合材料はそれぞれ後に説明する用
途に用いることができる。
複数の被着体を接合するために用いる材料を示し、例え
ば、乾燥硬化型ボンドのように被着体を強固に固定(接
着)するもの、粘着テープのように剥離可能な程度に被
着体を固定(接合)するものの両方を含む。
1μm以上5.0μm以下であって、前記フィラーを構
成する化合物単体の真密度に対するタップ密度の比(タ
ップ密度/真密度)が0.20以上0.50以下であ
り、かつ比表面積が0.5m2/g以上3.5m2/g
以下であることが好ましい。
の熱伝導率が50W/mK以上2500W/mK以下で
あることが好ましい。
化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、金、白金、
銀、銅、ニッケル、アルミニウム、パラジウムからなる
群より選ばれる一種又は二種類以上の混合物であること
が好ましい。
熱硬化性樹脂を含有してなることを特徴とする前記接合
材料が提供される。この場合、前記熱硬化性樹脂が
(A)エポキシ樹脂、(B)硬化剤、(C)硬化促進剤
を含有していることが好ましい。
する際に接合材料を本硬化させることからなるフィルム
状接合材料であって、係る接合材料として前記接合材料
を用いることを特徴とするフィルム状接合材料が提供さ
れる。
備硬化し、使用する際に前記予備硬化された接合材料を
本硬化させることができる。
ルムの片面又は両面に、直接又は他の層を介して積層し
た構造を有してなることを特徴とする基材付きフィルム
状接合材料が提供される。
(I)前記接合材料の原料組成物のワニスを基材フィル
ム状に塗布する行程と、(II)前記原料組成物のワニ
スを乾燥させ、フィルムを形成する行程と、を含むこと
を特徴とするフィルム状接合材料の製造方法が提供され
る。
ィルムをはがし、単層のフィルム状接合材料を得る行程
を含むことが好ましい。
接合材料を用いて半導体素子と半導体支持部材とを接着
した構造を有してなることを特徴とする半導体装置が提
供される。
合材料の接合材料層を介して半導体素子と半導体支持部
材とを接着した構造を有してなることを特徴とする半導
体装置が提供される。
ィラーを必須成分とし、フィラーの含有量は接合材料の
総体積に対して30vol%以上70vol%以下とす
る。フィラーの含有量が30vol%未満の場合、充分
な熱伝導率が得られないため半導体素子の高い熱放散性
が期待できず、また70vol%を超えるとペーストの
粘度が高くなるため溶剤が過剰に必要となり、そのため
加熱硬化中にボイドが発生しやすくなり、接着力及び熱
放散性が低下する。さらに作業性確保のために溶剤を過
剰に使用した場合、加熱硬化中にボイドが発生しやすく
なり、接着力及び熱放散性が低下する。
熱伝導率にも優れたものである。接着力と高熱伝導率を
高いレベルで両立するためにはフィラー含有量が60v
ol%を超え70vol%以下の場合は硬化物の熱伝導
率が15W/mK以上であり、フィラー含有量が50v
ol%を超え60vol%以下の場合は硬化物の熱伝導
率が10W/mK以上であり、フィラー含有量が40v
ol%を超え50vol%以下の場合は硬化物の熱伝導
率が5W/mK以上であり、フィラー含有量が30vo
l%を超え40vol%以下の場合は硬化物の熱伝導率
が2W/mK以上である必要がある。
増やすことにより熱伝導率が高くなり、一方、樹脂の含
有量を増やすとより接着力が増加する傾向がある。従っ
て、次に述べるような用途、求められる特性に応じて、
フィラー含量及び樹脂含有量を調節し、所望する熱伝導
率及び接着力とすることによって信頼性の高い半導体製
品を得ることができる。
スタ分野の接合材料として充分な放熱特性を得るために
は、熱伝導率は2W/mK以上であることが必要である
ため、本発明の接合材料が好適に使用することができ
る。
ば、パワートランジスタ、パワーIC分野等の接合材料
としては、本発明の接合材料のうち、熱伝導率が5W/
mK以上のものが、充分な放熱特性が得られる点で、よ
り好適に使用することができる。
U分野等に用いられる接合材料としては、ある程度の接
着力と高い熱伝導性を有するものが求められるため、本
発明の接合材料の中でも熱伝導率が10W/mK以上の
ものが、充分な放熱特性が得られる点で、より好適に使
用することができる。
用いられる接合材料としては、接着力を維持しながら上
記よりもさらに高い熱伝導率を有するものが求められる
ため、本発明の接合材料の中でも熱伝導率が15W/m
K以上のものが、充分な放熱特性が得られる点で、より
好適に使用することができる。
力500mW以上のトランジスタ分野の接合材料として
充分な放熱特性が得られない。また5W/mK未満では
消費電力1.7W以上のパワートランジスタ、パワーI
C分野の接合材料として充分な放熱特性が得られない傾
向があり、10W/mK未満では消費電力3.4W以上
のPC用MPU分野の接合材料として充分な放熱特性が
得られない傾向があり、15W/mK未満では消費電力
5W以上の高速ロジック分野の接合材料として充分な放
熱特性が得られない傾向がある。しかし、例えば、本発
明の接合材料のうち、熱伝導率が15W/mKのものよ
り10W/mKのものの方が接着力に関しては優れてい
るため、例えば、消費電力5W以上の高速ロジック分野
においても他の放熱手段と組み合わせること等により、
熱伝導率が15W/mK未満である接合材料を接合材料
として使用することもできる。
均粒径としては、0.1μm以上5.0μm以下が、粘
度と接触確率のバランスの面で好ましい。平均粒径の下
限としては0.5μm以上がより好ましく、1.0μm
以上が特に好ましい。また上限としては3.0μm以下
がより好ましく、2.0μm以下が特に好ましい。平均
粒径が0.1μm未満の場合、ペーストの粘度が高くな
る傾向があり、その場合溶剤が過剰に必要になるため、
加熱硬化中にボイドが発生し、接着力及び熱放散性が低
下する傾向がある。また平均粒径が5.0μmを超える
とフィラー同士の接触確率が低下し充分な熱伝導率が確
保できなくなる傾向がある。
のタップ密度としては、フィラーを構成する化合物の真
密度に対し20%以上50%以下であること、即ちフィ
ラーを構成する化合物単体の真密度に対するタップ密度
の比(タップ密度/真密度)が0.20以上0.50以
下であることが、取り扱いやすい粘度が得られフィラー
が沈降しにくい面で好ましい。上記真密度は20%以上
45%以下であることがより好ましく、20%以上40
%以下であることが特に好ましい。真密度に対する割合
が20%未満であると、ペーストの粘度が高くなる傾向
があり、その場合、溶剤が過剰に必要となるため加熱硬
化中にボイドが発生し、接着力及び熱放散性が低下する
傾向がある。また75%を超えるとペースト保存時にフ
ィラーが沈降し樹脂と分離する傾向がある。
の比表面積としては、3.5cm2/g以下が粘度とフ
ィラーの接触確率のバランスの面で好ましく、3.0c
m2/g以下がより好ましく、2.5cm2/g以下が
特に好ましい。3.5cm2/gを超えると、熱伝導率
の面だけに着目すれば向上するが、同時にペーストの粘
度が高くなるため溶剤が過剰に必要となり、そのため加
熱硬化中にボイドが発生し接着力及び熱放散性が低下す
る傾向が高くなる。
フィラー単体の熱伝導率が50〜2500W/mKであ
ることが好ましい。50W/mK未満であると硬化物に
おいて十分な熱伝導率が得られない傾向があり、250
0WmKを超えるものは入手が困難で、生産性に劣る傾
向がある。
に制限はなく、各種公知のものを使用することができ
る。本発明に用いられるフィラーとしては、例えば、
金、白金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、鉄、アルミ
ニウム、ステンレス等の導電性の粉体、酸化珪素、窒化
アルミニウム、窒化硼素、硼酸アルミニウム、酸化アル
ミニウム、酸化マグネシウム、ダイヤモンド等の非導電
性の粉体などが挙げられ、中でも、ダイヤモンド、窒化
ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、金、白金、銀、
銅、ニッケル、アルミニウム、パラジウムが高熱伝導性
の確保及び入手が容易である点で好ましい。これらは単
独で又は二種類以上を組み合わせて使用することができ
る。中でも特に銀が耐酸化性、価格、特性の面で好まし
い。
子化合物又はその前駆体を含み、必要に応じて、反応性
希釈剤、硬化剤、硬化性を向上させるための硬化促進
剤、応力緩和のための可撓剤、作業性向上のための希釈
剤、接着力向上剤、濡れ性向上剤、消泡剤及び低粘度化
のための反応性希釈剤の一つ以上を含んでもよい。な
お、本発明の接合材料は、ここに列挙した以外の成分を
含んでいても構わない。
ては、特に制限はなく、例えば、熱可塑性樹脂又は熱硬
化性樹脂のいずれも使用可能でその前駆体が併用されて
いてもよい。このような熱可塑性樹脂としては、例え
ば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミ
ド、ポリエステルイミド、フェノキシ樹脂、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリエチレンナフテレート、ポリテ
トラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエー
テルスルホン、ポリメチルペンテン、ポリスルホン、ポ
リフェニレンスルフィド、ポリエチレンテレフタレート
等の耐熱性樹脂や、ポリブタジエン、天然ゴム、ポリイ
ソプレン、SBR、NBR等の共役ジエン系ゴムおよび
これらの水素添加物、スチレンブタジエンブロック共重
合体、スチレンイソプレンブロック共重合体等のブロッ
ク共重合体およびこれらの水素添加物、クロロプレン、
ウレタンゴム、ポリエステル系ゴム、エピクロロヒドリ
ンゴム、シリーコンゴム、エチレンプロピレン共重合体
等が挙げられる。また熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹
脂、アクリル樹脂、シアネート樹脂、フェノール樹脂、
メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂又はその前駆
体、不飽和二重結合を有する反応性モノマー等が挙げら
れる。これらのうちエポキシ樹脂およびアクリル樹脂
が、耐熱性、接着性に優れ、かつ適宜溶剤を使用するこ
とにより液状にできるため作業性に優れる点で好まし
い。上記樹脂は単独で又は二種類以上を組み合わせて使
用することができる。
用する場合、硬化剤、硬化促進剤を併用することが好ま
しい。
個以上のエポキシ基を有する化合物が好ましく、例え
ば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノ
ールADなどとエピクロクヒドリドンとから誘導される
エポキシ樹脂等が挙げられる。
フェノールA型エポキシ樹脂であるAER−X8501
(旭化成工業(株)製、商品名)、R−301(油化シ
ェルエポキシ(株)製、商品名)、YL−980(油化
シェルエポキシ(株)製、商品名)、ビスフェノールF
型エポキシ樹脂であるYDF−170(東都化成(株)
製、商品名)、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂であ
るR−1710(三井石油化学工業(株)製、商品
名)、フェノールノボラック型エポキシ樹脂(N−73
0S(大日本インキ化学工業(株製)、商品名)、Qu
atrex−2010(ダウ・ケミカル社製、商品
名)、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂であるYD
CN−702S(東都化成(株)製、商品名)、EOC
N−100(日本化薬(株)製、商品名)、多官能エポ
キシ樹脂であるEPPN−501(日本化薬(株)製、
商品名)、TACTIX−742(ダウ・ケミカル社
製、商品名)、VG−3010(三井石油化学工業
(株)製、商品名)、1032S(油化シェルエポキシ
(株)製、商品名)、ナフタレン骨格を有するエポキシ
樹脂であるHP−4032(大日本インキ化学工業
(株)製、商品名)、脂環式エポキシ樹脂であるEHP
E−3150、CELー3000(共にダイセル化学工
業(株)製、商品名)、DME−100(新日本理化
(株)製、商品名)、EX−216L(ナガセ化成工業
(株)製、商品名)、脂肪族エポキシ樹脂であるW−1
00(新日本理化(株)、商品名)、アミン型エポキシ
樹脂であるELM−100(住友化学工業(株)製、商
品名)、YH−434L(東都化成(株)製、商品
名)、TETRAD−X、TETRAC−C(共に三菱
瓦斯化学(株)、商品名)、レゾルシン型エポキシ樹脂
であるデナコールEX−201(ナガセ化成工業(株)
製、商品名)、ネオペンチルグリコール型エポキシ樹脂
であるデナコールEX−211(ナガセ化成工業(株)
製、商品名)、ヘキサンディネルグリコール型エポキシ
樹脂であるデナコールEX−212(ナガセ化成工業
(株)製、商品名)、エチレン・プロピレングリコール
型エポキシ樹脂であるデナコールEXシリーズ(EX−
810、811、850、851、821、830、8
32、841、861(いずれもナガセ化成工業(株)
製、商品名))、下記一般式(I)で表されるエポキシ
樹脂E−XL−24、E−XL−3L(共に三井東圧化
学(株)製、商品名))
種類以上を組み合わせて使用することができる。
ポキシ基を1個だけ有するエポキシ化合物(反応性希釈
剤)を含んでもよい。このようなエポキシ化合物は、本
発明の接合材料の特性を阻害しない範囲で使用される
が、エポキシ樹脂全量に対して0〜30重量%の範囲で
使用することが好ましい。このようなエポキシ化合物の
市販品としては、PGE(日本化薬(株)製、商品
名)、PP−101(東都化成(株)製、商品名)、E
D−502、ED−509、ED−509S(旭電化工
業(株)製、商品名)、YED−122(油化シェルエ
ポキシ(株)製、商品名)、KBM−403(信越化学
工業(株)製、商品名)、TSL−8350、TSL−
8355、TSL−9905(東芝シリコーン(株)
製、商品名)等が挙げられる。
いが、例えば、フェノールノボラック樹脂であるH−1
(明和化成(株)製、商品名)、VR−9300(三井
東圧化学(株)製、商品名)、フェノールアラルキル樹
脂であるXL−225(三井東圧化学(株)製、商品
名)、下記一般式(II)で表されるp−クレゾールノ
ボラック樹脂MTPC(本州化学工業(株)製、商品
名)、又はアリル化フェノールノボラック樹脂であるA
L−VR−9300(三井東圧化学(株)製、商品
名)、下記一般式(III)で表される特殊フェノール
樹脂PP−700−300(日本石油化学(株)製、商
品名)等が挙げられる。
素基、mは1〜5の整数を示し、R1はメチル基、エチ
ル基等のアルキル基、R2は水素又は炭化水素基、nは
2〜4の整数を示し、R3はm−フェニレン基、p−フ
ェニレン基等の2価の芳香族基、炭素数2〜12の直鎖
又は分岐鎖のアルキレン基を示す)硬化剤の使用量は、
エポキシ樹脂のエポキシ基1.0当量に対して、硬化剤
中の反応活性基の総量が0.3〜1.2当量であること
が好ましく、0.4〜1.0当量であることがより好ま
しく、0.5〜1.0当量であることが特に好ましい。
0.2当量未満であると、耐リフロークラック性が低下
する傾向があり、1.2当量を超えると組成物の粘度が
上昇し、作業性が低下する傾向がある。上記反応活性基
は、エポキシ樹脂と反応活性を有する置換基のことであ
り、例えば、フェノール性水酸基等が挙げられる。
例えば、ジシアンジアミド、下記一般式(IV)
の2価の芳香族基、炭素数1〜12の直鎖又は分岐鎖の
アルキレン基を示す)で表される二塩基酸ジヒドラジド
であるADH、PDH、SDH(いずれも日本ヒドラジ
ン工業(株)製、商品名)、エポキシ樹脂とアミン化合
物の反応物からなるマイクロカプセル型硬化剤であるノ
バキュア(旭化成工業(株)製、商品名)等が挙げられ
る。またこれらの硬化剤を適宜組み合わせて用いてもよ
い。
0重量部に対して0.01〜90重量部が好ましく、
0.1〜50重量部がより好ましい。硬化促進剤の使用
量が0.01重量部未満であると硬化性が低下する傾向
があり、90重量部を超えると粘度が増大し、接合材料
の作業性が低下する傾向がある。
有機ボロン塩化合物であるEMZ・K、TPPK(共に
北興化学工業(株)製、商品名)、三級アミン類又はそ
の塩であるDBU、U−CAT102、106、83
0、840、5002(いずれもサンアプロ社製、商品
名)、イミダゾール類であるキュアゾール、2P4MH
Z、C17Z、2PZ−OK(いずれも四国化成(株)
製、商品名)等が挙げられる。
進剤は、それぞれ単独で用いてもよく、また、複数種の
硬化剤及び硬化促進剤を適宜組み合わせて用いてもよ
い。硬化促進剤の使用量は、エポキシ樹脂100重量部
に対して20重量部以下が好ましい。
(宇部興産社製「CTBN−1300×31」、「CT
BN−1300×9」、日本曹達社製「NISSO−P
B−C−2000」)などが挙げられる。可撓剤は、半
導体素子とリードフレームとを接着したことによって発
生する応力を緩和する効果がある。可撓剤は、通常、有
機高分子化合物及びその前駆体の総量を100重量部と
するとき、0〜500重量部添加される。
で、シランカップリング剤(信越化学(株)製「KBM
−573」等)や、チタンカップリング剤等を使用する
ことができる。また、濡れ性を向上する目的で、アニオ
ン系界面活性剤やフッ素系界面活性剤等を使用すること
ができる。さらに、消泡剤としてシリコーン油等を使用
することができる。上記接着力向上剤、濡れ性向上剤、
消泡剤は、それぞれ単独で又は二種類以上を組み合わせ
て使用することができ、その使用量としては、フィラー
100重量部に対して0〜10重量部が好ましい。
反応性希釈剤に溶解して用いてもよい。本発明の接合材
料には、ペースト組成物の作成時の作業性及び使用時の
塗布作業性をより良好ならしめるため、必要に応じて希
釈剤を添加することができる。これらの希釈剤として
は、ブチルセロソルブ、カルビトール、酢酸ブチルセロ
ソルブ、酢酸カルビトール、ジプロピレングリコールモ
ノメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテ
ル、αーテルピネオール等の比較的沸点の高い有機溶剤
が好ましい。その使用量は接合材料全体に対して0〜3
0重量部の範囲で使用することが好ましい。
てウレタンアクリレート等の靭性改良剤、酸化カルシウ
ム、酸化マグネシウム等の吸湿剤、シランカップリング
剤、チタンカップリング剤、酸無水物等の接着力向上
剤、ノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等の濡
れ向上剤、シリコーン油等の消泡剤、無機イオン交換体
等のイオントラップ剤等を適宜添加することができる。
必要に応じて添加される硬化剤、硬化促進剤、希釈剤及
び各種添加剤等とともに、一括又は分割して撹拌器、ら
いかい器、3本ロール、プラネタリーミキサー等の分散
・溶解装置を適宜組み合わせ、必要に応じて加熱して混
合、溶解、解粒混練又は分散する等して均一なペースト
状として得ることができる。
ト状に限られず、液状、フィルム状等、必要に応じて適
宜形態を選択することができる。液状であれば少量の塗
布がしやすい等の効果があり、フィルム状であれば、あ
らかじめ接着したい部分の大きさに打ち抜く等して、接
合材料のはみ出しなく接着することができることができ
る。また、半導体ウェハ裏面に貼り付けてからダイシン
グする等の方法により、生産性良く接合材料付き半導体
素子を得ることができる等の利点がある。
は、例えば、溶媒や反応性希釈剤の量を増やす等して粘
度を調整することによって得ることができる。
えば、樹脂、フィラー及び必要に応じて添加される成分
を有機溶媒に溶解し、一括又は数回に分けて撹拌器、ら
いかい器、3本ロール、プラネタリーミキサー等の分散
・溶解装置を適宜組み合わせ、必要に応じて加熱ながら
混合、溶解、解粒混練又は分散する等して得られたワニ
スを、基材フィルム上に塗布、乾燥する等して基材付き
フィルム状接合材料を得ることができる。この際、接合
材料をBステージ状態とし、自己支持性をもたせること
等によって、基材フィルムを剥離し、フィルム状接合材
料単体として得ることもできる。
る基材フィルムとしては、ポリテトラフルオロエチレン
フィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリ
エチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリメチ
ルペンテンフィルム、ポリイミドフィルムなどのプラス
チックフィルムを使用することができ、これらプラスチ
ックフィルムは表面を離型処理して使用することもでき
る。基材フィルムは、使用時に剥離して接合材料層のみ
を使用することもできるし、基材フィルムと共に使用
し、後に除去することもできる。基材フィルムへのワニ
スの塗布方法としては、公知の方法を用いることがで
き、例えば、ナイフコート法、ロールコート法、スプレ
ーコート法、グラビアコート法、バーコート法、カーテ
ンコート法等が挙げられる。
る有機溶媒は、材料を均一に溶解、混練又は分散できる
ものであれば特に制限はなく、例えば、ジメチルホルム
アミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリド
ン、ジメチルスルホキシド、ジエチレングリコールジメ
チルエーテル、トルエン、ベンゼン、キシレン、メチル
エチルケトン、テトラヒドロフラン、エチルセロソル
ブ、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブ、
ジオキサン等が挙げられる。
る加熱、乾燥条件は、使用した溶媒が充分に揮散する条
件であればよい。乾燥温度は60℃〜200℃の範囲が
好ましく、乾燥時間は0.1〜90分間が好ましい。
説明する。図1は本発明の接合材料を使用した半導体装
置の一例である。
け、アンダーフィル12中の半田バンプ13を介して、
配線基板14に電気的に接続されており、さらに半田ボ
ール15を介して外部基板に接続されている。さらにヒ
ートスプレッダ17が通称TIM2(Thermal Interfac
e Material)と呼ばれる高熱伝導性接合材料16を介し
て半導体素子11と接着され、ヒートシンク19は通称
TIM1と呼ばれる高熱伝導性接合材料18によってヒ
ートスプレッダ17に接合されている。このような構造
の半導体装置においては、半導体素子が発する熱を効率
的に外部に発散する必要があるため、その接合材料であ
るTIM1およびTIM2の熱伝導率は高い方が好まし
い。
IM2として用いることができる。TIM1は封止、実
装後の電子部品と放熱器を接合するためのものであり、
接着力よりむしろ引張り強さ、成型加工性が要求され、
一般的にはゴムと充填材で構成されることを特徴とす
る。またTIM2は接着後、封止、実装の高温過熱過程
を経るため、熱時の接着性が要求され、一般的には耐熱
性熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂または両者を併用した樹
脂組成物と充填材で構成されることを特徴とする。
装置の一例を示す。半導体素子21は半導体接合材料2
2を介してダイパッド23の上に載置された構造を有し
ている。半導体素子21は金ワイヤ24によって外部接
続端子25に電気的に接続され、必要に応じて封止材2
6によって封止され、半導体装置となる。
子を、例えば、42Aリードフレーム、銅リードフレー
ム等のリードフレーム、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂
等のプラスチックフィルム、ガラス不繊布等の基材にポ
リイミド樹脂、エポキシ樹脂等のプラスチックを含浸・
硬化させたもの、アルミナ等のセラミックス、有機配線
基板などの半導体支持部材に接着する半導体用接着材料
(又はダイボンド材)として使用することもできる。
上記リードフレーム等の支持部材に接着させるには、ま
ず支持部材上に接合材料をディスペンス法、スクリーン
印刷法、スタンピング法等により塗布した後、半導体素
子を圧着し、その後オーブン又はヒートブロック等の加
熱装置を用いて加熱硬化することにより行うことができ
る。加熱温度は100〜300℃が好ましく、加熱時間
は0.1〜300秒間が好ましい。さらに、所望する半
導体装置の構造に応じて、ワイヤボンド工程、封止行程
等を経た後、完成された半導体装置とすることができ
る。
て半導体素子をリードフレーム等の支持部材に接着させ
るには、半導体素子と支持部材との間に本発明のフィル
ム状接合材料を挾み、加熱圧着して、両者を接着させ
る。加熱温度は100〜300℃が好ましく、加熱時間
は0.1〜300秒間が好ましい。その後、所望する半
導体装置の構造に応じて、ワイヤボンド工程、封止行程
等を経た後、完成された半導体装置とすることができ
る。
が、本発明はこれによって制限されるものではない。
方法で作製したもの、あるいは入手したものである。 (1)エポキシ樹脂の調製 YDFー170(東都化成(株)製、ビスフェノールF
型エポキシ樹脂の商品名、エポキシ当量=170)1
0.0重量部及びYL−980(油化シェルエポキシ
(株)製、ビスフェノールA型エポキシ樹脂の商品名、
エポキシ当量=185)10.0重量部を80℃に加熱
し、1時間撹拌を続け、均一なエポキシ樹脂溶液を得
た。 (2)フェノール樹脂溶液の調製 H−1(明和化成(株)製、フェノールノボラック樹脂
の商品名、水酸基当量=106)2.0重量部及び希釈
剤としてPP−101(東都化成(株)製、アルキルフ
ェニルグリシジルエーテルの商品名、エポキシ当量=2
30)4.0重量部を100℃に加熱し、1時間撹拌を
続け、均一なフェノール樹脂溶液を得た。 (3)接着剤組成物Aの調製 前記(1)で調製したエポキシ樹脂溶液20.0重量
部、PP−101(東都化成(株)製、アルキルフェニ
ルグリシジルエーテルの商品名、エポキシ当量=23
0)8.0重量部と、前記(2)で調製したフェノール
樹脂溶液3.0重量部と、2P4MHZ(四国化成
(株)製、イミダゾール化合物の商品名)1.0重量部
とを混合し、3本ロールを用いて混練してペースト状の
接着剤組成物Aを調製した。 (4)接着剤組成物Bの調製 PKHH((株)巴工業製、フェノキシ樹脂の商品名)
100g、ESCN195((株)住友化学製、クレゾ
ールノボラック型エポキシ樹脂の商品名、エポキシ当量
=200)20g、H−1((株)明和化成製、フェノ
ールノボラックの商品名、水酸基当量=106)及び2
P4MHZ((株)四国化成製、イミダゾール化合物の
商品名)にジメチルアセトアミド280gを加えて溶解
させて接着剤組成物Bを得た。
例2〜5)表1に示す配合割合で、前記(3)で調製し
た接着剤組成物A、溶剤及びフィラーを混合し、3本ロ
ールを用いて混練した後、5トル(Torr)以下で1
0分間脱泡処理を行い、ペースト状接合材料を得た。
す配合割合で、前記(4)で調製した接着剤組成物B
に、フィラーを加え良く撹拌し、均一に分散させて塗工
用ワニスとした。この塗工ワニスをキャリアフィルム
(OPPフィルム:二軸延伸ポリプロピレン)上に塗工
し、熱風循環式乾燥機の中で加熱して、溶媒を揮発乾燥
させてフィルム状接合材料を得た。
〜10及び比較例1〜5に係る組成物の特性を下記の方
法で測定した。その結果を表1にまとめて示す。 (1)平均粒子径:試料を少量試験管に取り、水又はイ
ソプロピルアルコールで分散させた後、レーザー回折・
散乱法(マスターサイザー2000、マルバーン社製)
で粒径を測定し、50vol%時の粒径を平均粒径とし
た。 (2)タップ密度:JIS Z−2504に従い測定し
た。試料100gを精秤後、ロートでメスシリンダー入
れ、落差20mm60回/minの速さで600回タッ
プした時の試料の容積を測定した。 (3)比表面積:BET法により算出した。 (4)接合材料硬化物熱伝導率:上記接合材料を180
℃、5時間加熱処理し10x10x0.5mmの試験片
を得た。この試験片の熱拡散率をレーザーフラッシュ法
(真空理工製TC−7000)で測定し、さらにこの熱
拡散率と、示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー製
Pyris1)で得られた比熱容量とアルキメデス法
で得られた比重の積より接合材料硬化物熱伝導率を算出
した。 (5)接着強度:ペースト状接合材料をAgめっき付き
銅リードフレーム上に約3.2mg塗布し、この上に8
×8mmのSiチップ(厚さ約0.4mm)を圧着し、
さらに180℃まで30分で昇温し、180℃で2時間
加熱して硬化し、接着した。また8×8mmのフィルム
状有機ダイボンディング材をAgめっき付き銅リードフ
レーム上に160℃で加熱して貼付け、フィルム状有機
ダイボンディング材を貼り付けたリードフレームへ、温
度300℃、圧力0.12MPa、時間5秒で、半導体
素子をマウントし、180℃で2時間加熱して硬化し、
接着した。これを図1に示すような自動接着力試験装置
(日立化成工業(株)製)を用い、260℃における引
き剥がし強さ(Pa)を測定した。
物Aとフィラーの配合量が同一で、かつ前記フィラー単
体の熱伝導率がほぼ同一であるにもかかわらず、実施例
1のペースト状接合材料のほうが比較例1の接合材料よ
りも接合材料硬化物熱伝導率が優れていた。このことよ
りフィラーAが接合材料硬化物熱伝導率の向上に寄与す
ることが分かった。
が必要な場合、フィラーC系(比較例2〜5)ではフィ
ラーの含有量が50.7vol%必要であるが、フィラ
ーA系(実施例1〜7)では37.5vol%で5.6
W/mKであった。また、信頼性の指標となる260℃
での接着強度はフィラーC系が7.1×104Paであ
るのに対し、フィラーA系は12.4×104Pa以上
であった。このことから、フィラーA系の接合材料のほ
うが耐リフロー性などの信頼性の面で優れているものと
期待される。
5とを比較した場合においても前記と同様にフィラーA
を含有する接合材料のほうが、接合材料硬化物熱伝導率
が優れていた。さらに、同じフィラーAを含有する接合
材料であっても、接着剤組成物Bを用いたほうが、接着
強度が向上することが、実施例1と実施例2、及び実施
例4と実施例5の結果から分かった。
施例6及び7と同様の組成を有する実施例9、10につ
いて、比較例4、5と比較したところ、前記と同様にフ
ィラーBを含有する接合材料のほうが、接合材料硬化物
熱伝導率が優れていた。
確認するべく、前記実施例1、4、6、7及び比較例2
〜5の実験結果を基に、フィラーの含有量に対する熱伝
導率の変化を示すグラフを作成した。それを図4に示
す。図4中、「●」はフィラーA系の実施例の熱伝導率
を表わし、「■」はフィラーB系の実施例の熱伝導率を
表わし、「▲」はフィラーC系の比較例の熱伝導率を表
わしている。
いたほうがフィラーCを用いるよりも、少ないフィラー
含有量で熱伝導率が効率的に向上していることが確認さ
れた。特に、フィラーAを用いたほうがフィラーBを用
いるよりも少ないフィラー含有量で熱伝導率が効率的に
向上することが確認された。
する目的で、前記実施例1,4,6,7及び比較例2〜
5の実験結果を基に、フィラーの含有量に対する熱伝導
率及び接着強度の変化を示すグラフを作成した。それを
図5に示す。図5中、「●」は実施例の熱伝導率を表わ
し、「■」は実施例の接着強度を表わし、「◆」は比較
例の熱伝導率を表わし、「▲」は比較例の接着強度を表
わしている。グラフから、本発明に係る接合材料は、従
来と同様の接着強度を維持しながら、熱伝導率が従来よ
りも飛躍的に向上していることが確認された。
発明に係る接合材料によれば、所定の接着強度を維持し
つつ、熱伝導率の向上を図ることが可能となる。そのた
め、熱放散性が要求されるような用途、例えば、半導体
装置のダイボンディング材として本発明に係る接合材料
を使用した場合、従来品より少ないフィラー含有量で良
好な熱放散性が得られる。さらに、本発明に係る接合材
料は従来品より少ないフィラー含有量で、バランスよく
良好な熱伝導率と接着強度を得ることが可能となるた
め、製品の信頼性を高めることができる。
1)次に表2に示す配合割合で、前記(3)で調製した
接着剤組成物A、溶剤及びフィラーを混合し、3本ロー
ルを用いて混練した後、5トル(Torr)以下で10
分間脱泡処理を行い、ペースト状接合材料を得た。
度及び比表面積のすべてがある一定の条件を満たしてい
るフィラーを用いた場合は、熱伝導率に優れ、同時にピ
ール強度も使用に耐える強度を有していることが分かっ
た。
しつつ、熱伝導率の向上を図ることが可能な接合材料が
提供される。また、本発明によれば、銀ペーストの作業
性(濡れ拡がり性に優れ、ボイド発生が抑えられる。)
及び接着強度を維持しつつ、熱伝導率の向上を図ること
が可能な接合材料が提供される。
を示す模式図である。
を示す模式図である。
強さ測定方法を示す模式図である。
すグラフ図である。
度の変化を示すグラフ図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 樹脂及びフィラーを必須成分とする接合
材料であり、接合材料の不揮発分中のフィラー含有量が
60vol%を超え70vol%以下の場合は硬化物の
熱伝導率が15W/mK以上であり、フィラー含有量が
50vol%を超え60vol%以下の場合は硬化物の
熱伝導率が10W/mK以上であり、フィラー含有量が
40vol%を超え50vol%以下の場合は硬化物の
熱伝導率が5W/mK以上であり、フィラー含有量が3
0vol%を超え40vol%以下の場合は硬化物の熱
伝導率が2W/mK以上であることを特徴とする接合材
料。 - 【請求項2】 前記接合材料の不揮発成分中のフィラー
含有量が60vol%を超え70vol%以下であり、
かつ前記接合材料の硬化物の熱伝導率が15W/mK以
上であることを特徴とする請求項1に記載の接合材料。 - 【請求項3】 前記接合材料の不揮発成分中のフィラー
含有量が50vol%を超え60vol%以下であり、
かつ前記接合材料の硬化物の熱伝導率が10W/mK以
上であることを特徴とする請求項1に記載の接合材料。 - 【請求項4】 前記接合材料の不揮発成分中のフィラー
含有量が40vol%を超え50vol%以下であり、
かつ前記接合材料の硬化物の熱伝導率が5W/mK以上
であることを特徴とする請求項1に記載の接合材料。 - 【請求項5】 前記接合材料の不揮発成分中のフィラー
含有量が30vol%を超え40vol%以下であり、
かつ前記接合材料の硬化物の熱伝導率が2W/mK以上
であることを特徴とする請求項1に記載の接合材料。 - 【請求項6】 前記フィラーの平均粒径が0.1μm以
上5μm以下であって、前記フィラーを構成する化合物
単体の真密度に対するタップ密度の比(タップ密度/真
密度)が0.20以上0.50以下であり、かつ比表面
積が0.5m 2/g以上3.5m2/g以下であること
を特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の接合
材料。 - 【請求項7】 前記フィラーを構成する化合物単体の熱
伝導率が50W/mK以上2500W/mK以下である
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の
接合材料。 - 【請求項8】 前記フィラーがダイヤモンド、窒化ホウ
素、窒化アルミニウム、アルミナ、金、白金、銀、銅、
ニッケル、アルミニウム、パラジウム、黒鉛からなる群
より選ばれる一種又は二種類以上の混合物であることを
特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の接合材
料。 - 【請求項9】 前記接合材料が、熱硬化性樹脂を含有し
てなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に
記載の接合材料。 - 【請求項10】 前記熱硬化性樹脂が(A)エポキシ樹
脂、(B)硬化剤、(C)硬化促進剤を含有してなるこ
とを特徴とする請求項9に記載の接合材料。 - 【請求項11】 使用する際に接合材料を本硬化させる
ことからなるフィルム状接合材料であって、前記接合材
料として請求項1〜10のいずれか一項に記載の接合材
料を用いることを特徴とするフィルム状接合材料。 - 【請求項12】 請求項11に記載のフィルム状接合材
料を基材フィルムの片面又は両面に、直接又は他の層を
介して積層した構造を有してなることを特徴とする基材
付きフィルム状接合材料。 - 【請求項13】 (I)請求項1〜10のいずれか一項
に記載の接合材料の原料組成物のワニスを基材フィルム
状に塗布する行程と、(II)前記原料組成物のワニス
を乾燥させ、フィルムを形成する行程と、を含むことを
特徴とするフィルム状接合材料の製造方法。 - 【請求項14】 さらに、(III)前記基材フィルム
をはがし、単層のフィルム状接合材料を得る行程を含む
ことを特徴とする請求項13に記載のフィルム状接合材
料の製造方法。 - 【請求項15】 請求項1〜10のいずれか一項に記載
の接合材料を用いて半導体素子と半導体支持部材とを接
着した構造を有してなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項16】 請求項11又は12に記載のフィルム
状接合材料の接合材料層を介して半導体素子と半導体支
持部材とを接着した構造を有してなることを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項17】 請求項1〜10のいずれか一項に記載
の接合材料を用いて電子部品と放熱器とを接合した構造
を有してなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項18】 請求項11又は12に記載のフィルム
状接合材料の接合材料層を介して電子部品と放熱器とを
接合した構造を有してなることを特徴とする半導体装
置。
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