(57)【要約】【課題】本発明は銀粉を多く含有すると銀ペーストにおいても低粘度を達成して、粘度調整剤等の溶剤を含まない高熱伝導性，高信頼性に優れた無溶剤型液状銀ペースト組成物及びそれを用いた半導体装置を提供することにある。【解決手段】液状熱硬化性樹脂に球状銀粉を組み合わせた無溶剤型樹脂組成物において、室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下で、熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物を半導体装置に用いることにより達成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状熱硬化性樹脂に球状銀粉を組み合わせた無溶剤型樹脂組成物において、室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下で、熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項２】
請求項１における液状熱硬化性樹脂が液状ビスフェノール型エポキシと液状芳香族アミンであることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項３】
請求項１における液状熱硬化性樹脂が液状ビスフェノール型チイランと液状芳香族アミンであることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項４】
請求項２における液状芳香族アミンが式１
【化１】
2004277572.tif 000006
（式中Ｒは炭素数１〜４のアルキル基、Ｘは−ＣＨ２−，−Ｃ（ＣＨ３）２−，−Ｏ−，−Ｓ−からなる）であることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項５】
請求項１における球状銀粉の９９％以上の粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項６】
請求項１における球状銀粉の平均粒径比が１／３〜１／１０の二種類の組成を組み合わせたことを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項７】
請求項６における二種類の球状銀粉の重量分率による配合比が０．４：０．６〜０．２：０．８（小径：大径）であることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物。
【請求項８】
半導体チップを内在する半導体装置において、液状熱硬化性樹脂に銀粉を組み合わせた無溶剤型樹脂組成物において、室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下で、熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ以上を有する無溶剤型液状銀ペースト組成物を用いてチップをリードフレームに接着することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
発熱体と放熱体とが接着層を介して接着固定された構成を有する半導体装置において、液状熱硬化性樹脂に銀粉を組み合わせた無溶剤型樹脂組成物において、室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下で、熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ以上を有する無溶剤型液状銀ペースト組成物を用いていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置を構成するチップ等の発熱体をリードフレーム等の放熱体に接着するために用いる無溶剤型液状銀ペースト組成物、及びこの液状銀ペースト組成物を用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置のチップ等をリードフレーム等の金属板に接着，固定するためには主にはんだ材料が用いられてきた。特にチップからの発熱をリードフレーム等の放熱体を介して外へ逃がすためには、接着用材料としては高熱伝導性が要求され、はんだ材料はそのような要求を満たしてきた。代表的なはんだ材料としてはＰｂ−Ｓｎ−Ａｇ（鉛−錫−銀），Ｓｎ−Ａｇ（錫−銀），Ｚｎ−Ａｌ（亜鉛−アルミニウム），Ａｕ−Ｓｎ（金−錫），Ａｕ−Ｓｂ（金−アンチモン）等の合金が挙げられる。これらのうち、Ｐｂ−Ｓｎ−Ａｇ（鉛−錫−銀）は最も特性が優れ多くの半導体装置に使われてきた。しかし近年の鉛使用の規制においては、それ以外のはんだ材料の検討も必要である。Ｓｎ−Ａｇ（錫−銀）は融点が低いため表面実装型半導体装置においては、リフロー温度ではんだが溶融して体積膨張を起こすため、信頼性等が懸念される。Ｚｎ−Ａｌ（亜鉛−アルミニウム），Ａｕ−Ｓｎ（金−錫），Ａｕ−Ｓｂ（金−アンチモン）は融点が高く、リフロー時に再溶融する恐れはないが、はんだの弾性率が非常に高いため、温度変化で発生する熱応力によりチップにクラックがはいることが懸念される。また金を含有したはんだはコスト的に問題がある。このようにはんだ材料は多くの問題点があるが、その優れた高熱伝導性のために発熱の大きい半導体装置には今尚多くの分野で用いられている。
【０００３】
最近はんだ材料に代わる接着用材料としてＡｇ（銀）の粉末を熱硬化性樹脂組成物及び溶剤からなる銀ペースト材料が用いられてきている。この銀ペースト材料は接着，硬化後において実用範囲の高熱伝導性を有しながら、樹脂の硬化温度が比較的低いため（一般的には２００℃以下）発生する熱応力が低いことが特徴である。また熱硬化性樹脂は加熱により不溶不融の特性を示すため、リフロー時の再溶融の問題もない。
【０００４】
従来の銀ペースト材料は銀粉として鱗片状が用いられることが多かった。鱗片状の銀粉を用いることにより、銀粒子同志の接点を増やして熱伝導率及び電気伝導率を高くすることが可能であるためである。その他鱗片状を用いた銀ペーストは広がり性がよくなり接着面への付与が高まる。またペースト中の銀の沈降速度を小さくすることができるため、ペースト調整時や接着時における作業性が向上する利点があった。しかし鱗片状の銀粉は配向性を有するため、接着剤としてバラツキを生じやすい問題がある。また高熱伝導性を確保するため、銀粉を多く含有すると銀ペーストの粘度が上昇するために作業性が悪くなる。そのため特開平１１−１５０１３５号公報に示されるように粘度調整剤として溶剤を混同することが多い。その結果、硬化後の接着剤内部に溶剤が残存したり、ボイドが発生しやすくなり、熱伝導特性や信頼性に問題が生じやすくなる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１５０１３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は銀粉を多く含有すると銀ペーストにおいても低粘度を達成して、粘度調整剤等の溶剤を含まない高熱伝導性，高信頼性に優れた無溶剤型液状銀ペースト組成物及びそれを用いた半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段としては液状熱硬化性樹脂に球状銀粉を組み合わせた無溶剤型樹脂組成物において、室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下で、熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする無溶剤型液状銀ペースト組成物を半導体装置に用いることにより達成される。ここで無用剤型を用いることによりボイドの発生要因を除去することができ、チップ等の発熱体をリードフレーム等の放熱体に接着するための材料として高熱伝導性，高信頼性に優れた特性を得ることができる。また室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度を１０Ｐａ・ｓ以下にすることによりシリンジでの良好な作業性を得ることができる。また粘度を低くすることにより接着性に関しても良好な特性を有することができる。
【０００８】
無溶剤型熱硬化性樹脂を形成する樹脂としてはエポキシ樹脂，チイラン樹脂，アクリル樹脂，シリコーン樹脂，ウレタン樹脂，アリル樹脂等が挙げられるが、このうちアポキシ樹脂，チイラン樹脂が接着性の観点が特に優れている。代表的なエポキシ樹脂としてはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂，ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂，ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂，ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂，ビフェニルエーテル型エポキシ樹脂等室温付近で液状であれば特に限定無く使用できる。またチイラン樹脂はエポキシ樹脂の三員環の酸素が硫黄に置換された化合物でエポキシ樹脂と同様な構造を用いることができる。例えばビスフェノールＡ型チイラン樹脂，ビスフェノールＦ型チイラン樹脂，ビスフェノールＡＤ型チイラン樹脂，ビスフェノールＳ型チイラン樹脂，ビフェニルエーテル型チイラン樹脂，ビフェニル型チイラン樹脂等室温付近で液状であれば特に限定無く使用できる。三員環の酸素を硫黄に置換することにより銀をはじめとする金属との接着性をさらに向上させることが期待できる。
【０００９】
上記エポキシ及びチイラン樹脂と反応させる硬化剤としては一般の硬化剤を用いることができる。例えばアミン化合物，酸無水物化合物，イミダゾール化合物、フェノール化合物等が挙げられ、エポキシ及びチイランと組み合わせて室温付近で液状であれば特に限定無く用いることができる。この中では酸無水物は低粘度化には有効である。またアミン化合物は耐久性に優れており、例えばＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔ）試験前後の接着性保持に優れている。このような液状アミン化合物の代表的なものとしては式１
【００１０】
【化１】
2004277572.tif 000003
【００１１】
（式中Ｒは炭素数１〜４のアルキル基、Ｘは−ＣＨ２−，−Ｃ（ＣＨ３）２−，−Ｏ−，−Ｓ−からなる）が挙げられるが、これに限定無く用いることが可能である。
【００１２】
上記エポキシ及びチイラン化合物と硬化剤との反応による熱硬化性樹脂の形成には一般的な硬化促進剤を用いて反応を制御することも可能である。例えば三級りん含有化合物，イミダゾール化合物，三級アミン化合物等が挙げられる。またその他の添加剤を必要に応じて添加することが可能である。例えば接着性を高めるため種々のカップリング剤がある。このうち金属との接着性が効果的なものとしてはメルカプト基含有，アミノ基含有，エポキシ基含有の化合物等がある。その他着色剤，消泡剤，難燃剤，イオントラッパー等各種の添加剤を本発明の特性が損なわない範囲で添加することができる。
【００１３】
銀粉としては様々な形状のものがあるが、低粘度，等方性の観点からは球状銀粉が優れている。特に粒径が１０μｍ以下のものを用いることにより接着層の厚さを小さくすることができ、良好な高熱伝導性を確保することができる。この時低粘度化に対しては球状銀粉の平均粒径比が１／３〜１／１０の二種類の組成を組み合せ、その重量分率による配合比が０．４：０．６〜０．２：０．８（小径：大径）にすることに、銀粉の高充填にも関わらず低粘度を維持することができる。これは大きな粉と小さな粉の組み合わせにより細密充填化が可能なためである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について実施例を用いて詳細に説明するが、この実施例に制約されるものではない。
【００１５】
（実施例１）
トリメチロールプロパントリアクリレート１００ｇに重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイドを２ｇ加え、球状の銀粉５６７ｇ（８５重量％）を３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。得られたペーストの粘度をコーンプレート型の回転粘度計（直径：３５ｍｍ，角度４°）で温度２５±１℃における回転数５ｒｐｍ  の粘度を測定した。さらに直径１０ｍｍ，厚さ１ｍｍのディスク状の硬化物（硬化条件：１２０℃／３０分＋１５０℃／６０分）を作成してレーザフラッシュ法により熱拡散率を求め、温度変調示差熱分析より求めた比熱及び重量測定より求めた密度より熱伝導率を算出した。次に接着力評価としてシリコンチップと銅フレームを得られたペーストを約２０μｍ厚に調整して接着して、せん断速度３００μｍ／秒の速度で接着評価試験を実施した。またこの接着用サンプルをＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔ）試験４８時間投入して上記の接着力保持率を調べた。これらの特性評価結果を表１にまとめて示す。
【００１６】
（実施例２）
エポキシ樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂５０ｇ、硬化剤として無水メチルハイミック酸５７ｇ、硬化促進剤として２−エチル−４−メチルイミダゾールを２ｇ加え、球状の銀粉９６３ｇ（９０重量％）を３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を選定することにより接着強度の高い特性が得られる。
【００１７】
（実施例３）
チイラン樹脂としてビスフェノールＡ型チイラン樹脂１００ｇ、硬化剤としてジシアンジアミド５ｇ、硬化促進剤としてベンジルジメチルアミン１ｇを加え、球状銀粉を７７７ｇ（８８重量％）を３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。熱硬化性樹脂としてチイラン樹脂を選定することによりエポキシ樹脂に比べてさらに高い接着強度の高い特性が得られる。
【００１８】
（実施例４）
エポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂５０ｇ、硬化剤としてメチレンビス（２−エチルアニリン）１７ｇ、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィン１ｇを加え、球状銀粉（重量比：７／３）を３８５ｇ（８５重量％）を３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。硬化剤として液状アミン化合物を用いることによりＰＣＴ試験後の接着保持率の高い特性が得られる。
【００１９】
（実施例５）
実施例４で用いた樹脂に銀粉として球状（平均粒径１５μｍ）を７８２ｇ（９２重量％）加え３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。銀粉として全球状にすることにより銀粉高充填においても低粘度化が達成できる。
【００２０】
（実施例６）
実施例４で用いた樹脂に銀粉として球状（平均粒径４μｍ，９９％以上が１０μｍ以下、平均粒径８μｍと０．５μｍが重量比５／５で混合）を７８２ｇ（９２重量％）加え３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。銀粉の粒径を１０μｍ以下と小さくすることにより、若干粘度上昇が発生するが接着層を薄くすることができ、高熱伝導特性が発揮できる。
【００２１】
（実施例７）
実施例４で用いた樹脂に銀粉として球状（平均粒径４μｍ，９９％以上が１０μｍ以下、平均粒径８μｍと１μｍが重量比５／５で混合）を１２９２ｇ（９５重量％）加え３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。銀粉の粒径分布として平均粒径比が１／３〜１／１０の二種類の組成を組み合わせることにより銀粉高充填においても低粘度化が達成できる。
【００２２】
（実施例８）
エポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂５０ｇ、硬化剤としてメチレンビス（２−エチルアニリン）１７ｇ、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィン１ｇ、カップリング剤としてメルカプトプロピルトリメトキシシラン１ｇを加え、銀粉として全球状（平均粒径４μｍ，９９％以上が１０μｍ以下、平均粒径８μｍと１μｍが重量比７／３で混合）を１２９２ｇ（９５重量％）加え３本ロールで混練して無溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。銀粉の粒径分布として平均粒径比が１／３〜１／１０の二種類の組成を組み合わせ、その重量分率による配合比が０．４：０．６〜０．２：０．８（小径：大径）にすることにより銀粉高充填においても低粘度化が達成できる。
【００２３】
（実施例９）
実施例８で得られた無用剤型液状銀ペースト組成物を用いて図１に示す半導体装置を作成して初期のΔＶＢＥを測定した。ΔＶＢＥが８０ｍＶと従来のはんだ材を用いた場合と同等の特性を得ることができた。その後吸湿処理（８５℃／８５％ＲＨ，４８時間）を施して、２６０℃リフロー処理３回実施して、ΔＶＢＥの変動を調べた結果８３ｍＶとなった。さらに−５５℃／１５０℃の温度サイクル５００回を実施してΔＶＢＥの変動を調べた結果８７ｍＶとなり変動率が１０％以内と優れた特性を示した。
【００２４】
（実施例１０）
実施例８で得られた無用剤型液状銀ペースト組成物を用いて図２に示す半導体装置を作成して初期のオン抵抗を測定した。オン抵抗値は３．０ｍΩ  と従来のはんだ材を用いた場合と銅との特性を得ることができた。その後吸湿処理（８５℃／８５％ＲＨ，４８時間）を施して、２６０℃リフロー処理３回実施して、オン抵抗値の変動を調べた結果３．１ｍΩ  となった。さらに−５５℃／１５０℃の温度サイクル５００回を実施してオン抵抗値の変動を調べた結果３．３ｍΩ  となり変動率が１０％以内と電気特性に関しても優れた特性を示した。
【００２５】
（比較例）
ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂５０ｇ、硬化材としてドデシルこはく酸無水物１０１ｇ、硬化促進剤として２−エチル−４−メチルイミダゾール１ｇ、溶剤として酢酸ブチルカルビトール１０ｇを加え、鱗片状銀粉を２８５０ｇ（９５重量％）加え３本ロールで混練して溶剤型液状銀ペースト組成物を得た。実施例１と同様に特性を評価し表１に結果を示す。さらに得られたペーストを用いて実施例９及び１０の半導体装置を作成して初期特性及び環境試験を実施した結果を実施例と比較して表２に示す。
【００２６】
表１に示すように銀含有量が９５重量％と大きいにも関わらず熱伝導率が比較的低いのは硬化物サンプル中に溶剤の抜けたボイド等が発生していると推定される。同様に接着保持率も低くなっているのは、耐湿性がボイド等の影響で低下しているためと推定される。表２に示すように熱伝導率が実施例に比べて低いため初期特性も若干低い値を示し、その後の吸湿リフロー後、温度サイクル経過後の特性変動が実施例に比べて非常に大きい結果になる。
【００２７】
【表１】
2004277572.tif 000004
【００２８】
【表２】
2004277572.tif 000005
【００２９】
【発明の効果】
液状熱硬化性樹脂に低粘度，等方性の観点から球状銀粉を組み合わせることにより無溶剤型で、かつ室温での回転数５ｒｐｍ  の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下と低粘度で、かつ熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性を両立する樹脂組成物を得ることができる。得られた樹脂組成物をチップ等の発熱体とリードフレーム等の放熱体との接着剤として用いることにより高放熱で、かつ信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無溶剤型液状銀ペースト組成物を用いた半導体装置の一例。
【図２】本発明の無溶剤型液状銀ペースト組成物を用いた半導体装置の別な例。
【符号の説明】
１．１…チップ（発熱体）、１．２…リードフレーム（放熱体）、１．３…無溶剤型液状銀ペースト組成物からなる接着層、１．４…ワイヤボンディング部、１．５…モールドレジン、２．１…チップ（発熱体）、２．２…ヒートスプレッダ（放熱体）、２．３…無溶剤型液状銀ペースト組成物からなる接着層、２．４…電気接続バンプ、２．５…リードフレーム、２．６…モールドレジン。
【図１】
2004277572.tif 000007
【図２】
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