(57)【要約】【課題】熱衝撃によるフィラーを構成する粒子同士の接着強度低下を抑制することができる導電性ペースト材料を提供する。【解決手段】ベース樹脂５と、フィラー８としてのＣｕ粒子６を有する導電性ペースト材料４において、フィラー８として、Ｃｕ粒子６の表面にＳｎコーティング層７を形成したものを用いる。隣接するＣｕ粒子６のＳｎコーティング層７から成長するウィスカ１０同士が絡み合うことで、粒子同士の接合状態を向上させ、熱衝撃時などにおいて、粒子同士が離間するのを阻止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース樹脂とフィラーとしての電気伝導率の高い粒子を有する導電性ペースト材料であって、前記フィラーとして、電気伝導率の高い粒子の表面にＳｎをコーティングしたフィラーを用いることを特徴とした導電性ペースト材料。
【請求項２】
電気伝導率の高い粒子が、銅もしくは銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の導電性ペースト材料。
【請求項３】
電気伝導率の高い粒子の平均粒径は１〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の導電性ペースト材料。
【請求項４】
Ｓｎコーティング層の厚みが１００〜１０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導電性ペースト材料。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の導電性ペースト材料の製造方法であって、電気伝導率の高い粒子の表面へのＳｎコーティングを電気メッキにより行うことを特徴とする導電性ペースト材料の製造方法。
【請求項６】
リードフレーム上に請求項１から４のいずれか一項に記載の導電性ペースト材料を介して半導体が搭載され、かつ樹脂によりモールドされていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性ペースト材料とそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リードフレーム上に半導体を搭載し、樹脂によりモールドした形態の半導体装置は広く用いられている。半導体とリードフレーム間の電気伝導性および熱伝導性を良好にするために、半導体とリードフレームの間には、ベース樹脂とフィラーとしての電気伝導率の高い粒子を有する導電性ペースト材料が配置される。その一例として、特許文献１には、ＬＥＤチップ（半導体）をリードフレームに載置する際、モールド用の樹脂と熱膨張係数が同等の樹脂材料をリードフレームに配置し、該樹脂材料上に、熱伝導性が良好な導電性ペースト材料、例えば、エポキシ樹脂をベース樹脂とし、ＡｇをフィラーとするＡｇペーストを介してＬＥＤチップが固定された半導体発光装置が記載されている。この装置では、モールド用の樹脂と熱膨張係数が同等の樹脂材料をリードフレームに配置したことにより、モールド樹脂とＬＥＤチップ（半導体）との密着性を向上させて、剥離が生じるのを防止している。
【０００３】
また、近年、環境負荷を軽減する観点から鉛フリー化が求められるようになり、半導体ペーストにも、Ｓｎ，Ｓｎ−Ａｇ合金のように、鉛を含まない材料が使用されるようになってきている。そして、鉛フリーのＳｎペーストを用いる場合に、Ｓｎの表面からウィスカが発生することも知られている。特許文献２には、鉛フリーのＳｎメッキ層から発生するウィスカを積極的に利用して、Ｓｎめっき膜間を電気的に確実に接続することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７３４０７号公報
【特許文献２】特開２００５−１０９３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ａｇなどの電気伝導率の高い粒子をフィラーとする導電性ペースト材料は、一般に、熱衝撃により接着強度が低下し、半導体とリードフレーム間の抵抗率が増加する。それにより、熱伝導および電気伝導の双方が低下する場合がある。その理由は、半導体装置において、電気伝導率の高い粒子であるフィラーはモールド樹脂により互いに接触する姿勢で保持されており、所要の電気伝導性および熱伝導性を示すが、熱衝撃が作用することによって、あるいは熱応力によって、フィラーとモールド樹脂とに動きが生じ、接触していたフィラー（粒子）同士が離れるためと考えられる。
【０００６】
特許文献１に記載のように、モールド用の樹脂と熱膨張係数が同等の樹脂材料をリードフレームに配置し、該樹脂材料上に、熱伝導性が良好な導電性ペースト材料を介して半導体を搭載することにより、密着性を向上させることができる。しかし、製造に当たり、モールド用の樹脂と熱膨張係数が同等の樹脂材料をリードフレームに配置するという、新たな製造工程が生じる。また、用いる導電性ペースト材料は、従来公知のＡｇペーストであり、熱衝撃による粒子同士の接着強度の低下を抑制することはできない。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、フィラーを構成する粒子同士の接着強度が熱衝撃により低下するのを抑制することができ、かつ半導体装置を製造するに当たっても、新たな製造工程を生じさせることのない、新規な導電性ペースト材料を提供することを課題とする。また、その導電性ペースト材料を用いて製造された半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による導電性ペースト材料は、ベース樹脂とフィラーとしての電気伝導率の高い粒子を有する導電性ペースト材料であって、前記フィラーとして、電気伝導率の高い粒子の表面にＳｎをコーティングしたフィラーを用いることを特徴とする。
【０００９】
本発明による導電性ペースト材料では、Ｓｎコーティング層から成長するウィスカを積極的に利用して、電気伝導率の高い粒子同士の接合信頼性を向上させ、それにより、熱衝撃の繰り返しによる熱伝導性および電気伝導性の低下を防止する。すなわち、電気伝導率の高い粒子の表面に形成したＳｎコーティング層から発生するウィスカは、当該電気伝導率の高い粒子が接触する他の粒子表面のＳｎコーティング層から発生するウィスカと互いに絡み合うことができ、それにより、粒子間には高い接合信頼性が確立される。
【００１０】
ウィスカの発生原因は、熱衝撃が生じたときに、母材（電気伝導率の高い粒子）とＳｎメッキ層（コーティング層）の線膨張係数差で発生する熱応力によるメッキ層（コーティング層）の内部応力増加が一因であると考えられており、本発明による導電性ペースト材料を用いた半導体装置では、熱衝撃が加わるほどウィスカが成長する。そのために、従来の導電性ペースト材料とは反対に、熱衝撃が加わるほど粒子間の接合状態が向上し、熱伝導性および電気伝導性が低下するのを防止することができる。
【００１１】
本発明による導電性ペースト材料において、電気伝導率の高い粒子には、従来の導電性ペースト材料でフィラーとして用いられている粒子を適宜用いることができる。例として、Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｇ，Ｎｉなどが挙げられる。コストの面から、Ｃｕまたは銅合金は特に好ましい。
【００１２】
本発明による導電性ペースト材料において、電気伝導率の高い粒子の平均粒径は１〜１０μｍの範囲であることが好ましい。粒子は、粒子群としてとらえたときに、粒径が小さいほど接着面積が大きくなるので、粒径が小さいほど好ましいが、１μｍ未満の粒子を製造するのは困難である。また、１０μｍを超える場合は、粒子同士の接触面積が低下し、熱伝導率および電気伝導率が低下するので好ましくない。
【００１３】
本発明による導電性ペースト材料において、Ｓｎコーティング層の厚さは１００〜１０００ｎｍの範囲でることが好ましい。Ｓｎコーティング層が１００ｎｍ未満では、ウィスカの成長が十分でなく、粒子同士の接合状態を向上させるだけの長さを持つウィスカは成長しない場合がある。コーティング層の厚みが１０００ｎｍを超えると、粒子の粒径が大きくなり、粒子同士の接触面積が低下し、熱伝導率および電気伝導率が低下する。また、Ｓｎのフィラーに対する比率が大きくなるため、電気伝導性が低下する。
【００１４】
本発明はさらに、上記した導電性ペースト材料の製造方法として、電気伝導率の高い粒子の表面へのＳｎコーティングを電気メッキにより行うことを特徴とする導電性ペースト材料の製造方法も開示する。
【００１５】
本発明による導電性ペースト材料において、ベース樹脂は、従来の導電性ペースト材料でベース樹脂として用いられている樹脂を適宜用いることができる。例として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
【００１６】
本発明は、さらに、リードフレーム上に上記したいずれかの導電性ペースト材料を介して半導体が搭載され、かつ樹脂によりモールドされていることを特徴とする半導体装置を開示する。
【００１７】
本発明による半導体装置では、そこで使用する導電性ペースト材料において、熱衝撃による前記した電気伝導率の高い粒子同士の接着強度低下が生じない。そのために、半導体とリードフレームとの間の高い熱伝導性と電気伝導性を、長期にわたってほぼ初期値のままに維持することができる。
【００１８】
本発明による半導体装置において、モールド樹脂は、従来の半導体装置で用いられているモールド樹脂をそのまま用いることができる。例として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ベース樹脂とフィラーとしての電気伝導率の高い粒子を有する導電性ペースト材料において、熱衝撃が加わるほど、粒子同士の接合状態が向上する導電性ペースト材料が得られる。そのために、本発明による導電性ペースト材料を用いた半導体装置は、長期にわたり、半導体とリードフレームとの間の熱伝導性と電気伝導性を、ほぼ初期値のままに維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による半導体装置の一例を示す図。
【図２】ウィスカの発生状態を示す写真。
【図３】電気伝導率の高い粒子の平均粒径と熱伝導率の関係を示すグラフ。
【図４】熱衝撃サイクルと熱伝導率との関係を示すグラフ。
【図５】実施例と比較例における熱衝撃サイクルと抵抗率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による半導体装置の一例を示す。半導体装置１は、リードフレーム２のほぼ中央に半導体３を搭載している。リードフレーム２と半導体３の間には、導電性ペースト材料の一例であるＣｕペースト４が配置される。Ｃｕペースト４は、ベース樹脂である例えばエポキシ樹脂５と、平均粒径が１〜１０μｍの範囲であるＣｕ粒子６の表面に、厚みが１００〜１０００ｎｍの範囲であるＳｎコーティング層７を形成したフィラー８とを有する。また、全体は、リードフレーム２の脚部を除き、エポキシ樹脂のようなモールド材（モールド樹脂）９で覆われている。
【００２２】
なお、上記の半導体装置１において、使用するＣｕペースト４を除き、他の構成は従来知られた半導体装置と同じであってよい。また、Ｃｕ粒子６の表面にＳｎコーティング層７を形成する方法に特に制限はないが、従来知られた電気メッキ法により、容易に形成することができる。
【００２３】
上記した本発明による半導体装置１では、Ｃｕペースト４を構成するフィラー８は、前記のように、電気伝導率の高い粒子であるＣｕ粒子６の表面にＳｎコーティング層７が形成されている。そのために、例えば、熱衝撃を受けたときに、Ｓｎコーティング層７から線状のウィスカ１０が成長する。図２は、成長したウィスカ１０を示す顕微鏡写真である。ウィスカ１０は長さが２００μｍ程度にまで成長することがある。
【００２４】
ウィスカ１０が成長すると、１つのＣｕ粒子６の表面に形成したＳｎコーティング層７から発生したウィスカ１０は、そのＣｕ粒子６が接触している他のＣｕ粒子６の表面のＳｎコーティング層７から発生するウィスカ１０と互いに絡み合うようになる。それにより、Ｃｕ粒子６間には高い接合信頼性が確立される。
【００２５】
半導体装置１に熱衝撃が加わるほどウィスカ１０はさらに成長していき、粒子間の接合状態がさらに向上する。それにより、Ｃｕ粒子６間の接合状態は一層強固になり、粒子間での熱伝導性および電気伝導性が低下するのを確実に防止することができる。その結果、長期にわたり、半導体３とリードフレーム２との間の熱伝導性と電気伝導性は、ほぼ初期値のままに維持されるようになる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明を説明する。
［実施例１］
（１−１）平均粒径１μｍのＣｕ粒子の表面に、電気メッキにより厚さ３００ｎｍのＳｎをコーティングして、フィラー材とした。メッキ条件は、硫酸系のメッキ浴を用い、電流密度：２Ａ／ｄｍ２，メッキ時間：３ｍｉｎとした。
（１−２）平均粒径１０μｍのＣｕ粒子の表面に、電気メッキにより厚さ３００ｎｍのＳｎをコーティングして、フィラー材とした。メッキ条件は、硫酸系のメッキ浴を用い、電流密度：２Ａ／ｄｍ２，メッキ時間：３ｍｉｎとした。
（１−３）平均粒径２０μｍのＣｕ粒子の表面に、電気メッキにより厚さ３００ｎｍのＳｎをコーティングして、フィラー材とした。メッキ条件は、硫酸系のメッキ浴を用い、電流密度：２Ａ／ｄｍ２，メッキ時間：３ｍｉｎとした。
（１−４）平均粒径１００μｍのＣｕ粒子の表面に、電気メッキにより厚さ３００ｎｍのＳｎをコーティングして、フィラー材とした。メッキ条件は、硫酸系のメッキ浴を用い、電流密度：２Ａ／ｄｍ２，メッキ時間：３ｍｉｎとした。
【００２７】
（２）それぞれのフィラー材をベース樹脂であるエポキシ樹脂と混和して導電性ペースト材料とした。
（３）各導電性ペースト材料をリードフレームに１００μｍ厚に塗布し、その上に半導体を搭載し、全体をエポキシ樹脂によりモールドして、４種類の半導体装置を得た。
【００２８】
（４）同じ条件で、４種類の半導体装置の熱伝導率をレーザーフラッシュにて測定した。その結果を図３に示した。図３のグラフに示すように、Ｃｕ粒子の平均粒径が１０μｍを超えると、熱伝導率が低下していることがわかる。これは、粒径が１０μｍを超えると、Ｃｕ粒子同士の接触面積が低下し、熱伝導率が低下したものと解される。したがって、本発明による導電性ペースト材料において、フィラーを構成するＣｕ粒子（電気伝導率の高い粒子）の平均粒径は１０μｍ以下であることが好ましいことがわかる。
【００２９】
［実施例２］
実施例１の（１−１）で製造したフィラー材を用いた導電性ペースト材料を用いて製造した半導体装置に対して熱衝撃試験を行い、熱伝導率と抵抗値の変化を測定した。熱衝撃試験の試験条件は、−４０℃３０ｍｉｎと１２０℃３０ｍｉｎの間を２０００サイクルまで繰り返すようにした。熱伝導率はレーザーフラッシュにて測定し、抵抗率は四端子法にて測定した。その結果を図４と図５に○印で示した
【００３０】
［比較例］
比較例として、Ｓｎをコーティングを有しないＣｕ粒子をフィラー材として含む導電性ペースト材料を用いた以外は、実施例２と同じ条件で半導体装置を製造し、同じようにして熱衝撃試験を行い、熱伝導率と抵抗値を測定した。その結果を図４と図５に□印で示した。
【００３１】
［評価］
図４と図５に示すように、熱伝導率および抵抗率の双方において、実施例品は比較例品と比較して、その低減率が小さくなっており、Ｓｎコーティング層を持つＣｕ粒子をフィラーとして用いたことの有効性が示される。
【符号の説明】
【００３２】
１…半導体装置、
２…リードフレーム、
３…半導体、
４…導電性ペースト材料の一例であるＣｕペースト、
５…ベース樹脂であるエポキシ樹脂、
６…平均粒径が１〜１０μｍの範囲であるＣｕ粒子、
７…Ｓｎコーティング層、
８…フィラー、
９…モールド材、
１０…ウィスカ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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