(57)【要約】【課題】本発明の主題は、ＪＥＤＥＣ試験コンディション"Ｈ"による温度サイクルに少なくとも１０００サイクルの間、１５分間のソークタイム（soak time）でもって、最高及び最低温度の間確実に耐え、かつ現在使用されている高鉛含有はんだと同様の熱放散を生ずる、パワー半導体のダイ接着適用のための鉛不含の接着剤組成物を提供することである。【解決手段】係る課題は、ハイパワー半導体デバイスを印刷回路基板に接着するためのダイ接着組成物の使用であって、前記ダイ接着組成物が２成分接着剤及び金属粉体を含み、その際前記接着剤の第一成分はエポキシ樹脂であり、かつ第二成分は硬化剤であり、かつ前記金属粉体の金属は、２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高い熱伝導率を有し、かつ銅を含み、かつこの粉体粒子は回転楕円状の形状を有する、ハイパワー半導体デバイスを印刷回路基板に接着するためのダイ接着組成物の使用により解決される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイパワー半導体デバイスを印刷回路基板に接着するためのダイ接着組成物の使用であって、前記ダイ接着組成物が２成分接着剤及び金属粉体を含み、その際前記接着剤の第一成分はエポキシ樹脂であり、かつ第二成分は硬化剤であり、かつ前記金属粉体の金属は、２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高い熱伝導率を有し、かつ銅を含み、かつこの粉体粒子は回転楕円状の形状を有する、ハイパワー半導体デバイスを印刷回路基板に接着するためのダイ接着組成物の使用。
【請求項２】
前記金属粉体が、平均粒径Ｄ50  １〜５０μｍを有する、請求項１記載の使用。
【請求項３】
前記金属粉体の金属が、９９．５質量％よりも高い純度を有する銅である、請求項２記載の使用。
【請求項４】
前記金属粉体の金属が、９９．９質量％よりも高い純度を有する銅である、請求項２記載の使用。
【請求項５】
表面層中の半分よりも少ない前記銅原子が、ＸＰＳにより測定して、ＣｕＯに酸化されていている、請求項３又は４記載の使用。
【請求項６】
前記エポキシ樹脂が、ビスフェノールＡエポキシ樹脂及びビスフェノールＦエポキシ樹脂からなるグループから選択される、請求項１記載の使用。
【請求項７】
前記金属粉体が、前記エポキシ樹脂と又は前記硬化剤と予備混合される、請求項６記載の使用。
【請求項８】
前記金属粉体が、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の両方と予備混合される、請求項７記載の使用。
【請求項９】
前記エポキシ樹脂の一部が、前記金属粉体の第一の部分と、そして前記金属粉体の第二の部分が、前記エポキシ樹脂の第二の部分と前記硬化剤との混合物と予備混合される、請求項８記載の使用。
【請求項１０】
前記組成物が、この組成物の総質量に対して金属粉体４０〜９０質量％を含有する、請求項１記載の使用。
【請求項１１】
前記金属粉体が、脂肪酸、ポリシロキサンで、又はリン化化合物で、前記接着剤の成分との混合前にコーティングされる、請求項１記載の使用。
【請求項１２】
前記ダイ接着組成物がディスペンスにより設けられ、かつ前記組成物が、この組成物の総質量に対して金属粉体４０〜７０質量％を含有する、請求項１記載の使用。
【請求項１３】
前記ダイ接着組成物が、印刷により設けられ、かつ前記組成物が、この組成物の総質量に対して金属粉体４０〜９０質量％を含有する、請求項１記載の使用。
【請求項１４】
ディスクリートハイパワー半導体の印刷回路基板への接着方法であって、請求項１から１１までのいずれか１項記載のダイ接着組成物の成分を混合し、この混合物をこのパワー半導体又は印刷回路基板に設け、前記半導体を前記基板上に配置し、かつ前記ダイ接着組成物を８０〜２５０℃の温度で硬化させる、ディスクリートハイパワー半導体の印刷回路基板への接着方法。
【請求項１５】
ハイパワー半導体デバイスであって、印刷回路基板及びこの上に接着したディスクリートハイパワー半導体を含み、その際前記ハイパワー半導体は、前記印刷回路基板に、請求項１記載の硬化したダイ接着組成物を用いて接着され、この組成物は、前記半導体と前記印刷回路基板との間に接合部を、２０〜８０μｍの厚さで形成する、ハイパワー半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
本発明は、ハイパワー半導体（high power semiconductor）のためのダイ接着のための鉛不含接着剤組成物を提供する。
【０００２】
欧州議会及び理事会指令2002/95/ECによれば、２００６年７月１日から、市販される新しい電気及び電子機器はもはや鉛及びその他の有害物質を含有してはならない。この指令は、様々な電気及び電子適用のための鉛不含はんだ合金の開発を導いた。しかしながら、係る指令からのいくつかの免除がいまだに存在している。そのうち、高溶融温度型はんだ中の鉛（即ち、８５質量％以上の鉛を含有する鉛ベース合金）は、係る合金のための鉛不含代替品が欠失しているために置換される必要はない。この免除は、つい最近、２００５年の１０月２１日付けの委員会決定２００５／７４７／ＥＣにより確認された。
【背景技術】
【０００３】
８５質量％よりも多い鉛を含有する鉛ベースはんだ合金はこれまで、平均操作温度が１５０℃よりも高く、かつピーク処理温度が２６０℃までのいわゆる高温適用のために必要とされてきた。顕著な一例は、パワー半導体のためのダイ接着適用である。この適用において、前記鉛ベースはんだ合金は、前記半導体デバイスを熱サイクルにかけた場合の熱疲労に対する十分な耐性を提供する。加えて、前記はんだは、前記パワー半導体により発生する熱を散逸させる、十分な熱伝導率を提供する。
【０００４】
Philip Adamsonによる"Lead-free Packaging for Discrete Power Semiconductors", ２００２年４月/５月の2002 JEDEC Conferenceで提示された書類によれば、多くの小型パワーパッケージが既に、鉛不含のダイ接着を、Ａｇ充填エポキシ樹脂の形で使用している。係るＡｇ充填したエポキシ樹脂は、銀７０％までで負荷されている。これらの使用は、しかしながら、より大型のパワーパッケージ中のより大きいシリコンサイズにまで展開していない。Adamsonによれば、Ａｇ充填したエポキシ類は、より大型の部品、例えばTＯ220に対する温度サイクルにより試験されている。係る実験部品を、−４０℃〜＋１２５℃で温度サイクルした。この試験コンディションは、the JEDEC Standard JESD22-A 104C（２００５年５月）により指定されるコンディション"Ｇ"に応じた。
【０００５】
the JEDEC Standardは、Ｐｂ／Ｓｎはんだ組成物に対して、＋１２５℃を超える試験コンディションを推奨しない。それにも拘わらず、パワー半導体デバイスの過酷な操作コンディションは、前記デバイスが、the JEDEC Standardの試験コンディション"Ｈ"により指定される試験コンディションに耐えることを要求し、かつ−５５℃〜＋１５０℃の温度サイクルを要求する。
【０００６】
指令２００２／９５／ＥＣが、高溶融温度型はんだ中の鉛を２００６年７月１日からの鉛不含代替品での置換から免除しても、環境にとっては、ダイ接着適用のための高鉛含有はんだを可能な限り迅速に、鉛不含の代替品で置換することは極めて有益である。
【０００７】
Araujo et. al.、J. Phys. D: Appl. Phys., 第9巻, 1976, 665〜675頁は、エポキシ樹脂／金属−粉体複合材料の熱伝導率の測定を１．７〜３００Ｋで実施した。WO 2004/090942は、熱伝導性接着剤組成物及びデバイス接着のための方法を記載する。前記接着剤組成物は、相違する２種類の金属粉体を含有し、その際一方は高融点金属の粉体であり、かつ他方は低融点金属の粉体である。
【特許文献１】WO 2004/090942
【非特許文献１】Philip Adamson、"Lead-free Packaging for Discrete Power Semiconductors", ２００２年４月/５月の2002 JEDEC Conferenceで提示された書類
【非特許文献２】Araujo et. al.、J. Phys. D: Appl. Phys., 第9巻, 1976, 665〜675頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の主題は、ＪＥＤＥＣ試験コンディション"Ｈ"による温度サイクルに少なくとも１０００サイクルの間、１５分間のソークタイム（soak time）でもって、最高及び最低温度の間確実に耐え、かつ現在使用されている高鉛含有はんだと同様の熱放散を生ずる、パワー半導体のダイ接着適用のための鉛不含の接着剤組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記主題は、特許請求の範囲に記載したダイ接着組成物により達成される。特に、本発明によるダイ接着組成物は、２成分接着剤及び充填剤として金属粉体を含み、その際前記接着剤の第一成分はエポキシ樹脂であり、かつ第二成分は硬化剤であり、かつ前記金属粉体の金属は、２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高い熱伝導率を有し、かつ銅を含み、かつこの粉体粒子は回転楕円状（spheroidal）の形状を有する。
【発明の効果】
【００１０】
この硬化したダイ接着組成物は、ハイパワー半導体デバイスの接着のために使用される、従来の高鉛はんだと同様の熱放散を可能にするものである。係る高鉛はんだ合金は、例えば、熱伝導率５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のＰｂ８８Ｓｎ１０Ａｇ２であり、そして熱伝導率４４Ｗ／（ｍ・Ｋ）を有するＰｂ９２．５Ｓｎ５Ａｇ２．５である。この硬化したダイ接着組成物が、前記パワー半導体からの熱放散に関する必要性にも、また同様に温度サイクルに対する耐性に関する必要性にも応ずることが見出された。
【００１１】
この硬化したダイ接着組成物の熱伝導率は、前記充填剤材料の熱伝導率、前記エポキシ樹脂の熱伝導率、前記充填剤材料の体積含有率（volume fraction）の、及び前記充填剤と前記エポキシ樹脂との間での熱接触抵抗の関数である。
【００１２】
この生じる熱伝導率は無論、銅を含有する充填剤により主に影響を及ぼされる。純粋な銅の熱伝導率は４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、その一方でエポキシ樹脂の熱伝導率は０．３Ｗ（ｍ・Ｋ）と低い。前記充填剤−エポキシ複合材料の高い熱伝導率を保証するために、前記充填剤粉体の熱伝導率は、２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高く、有利には３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高く、最も有利には３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高いことが望ましい。
【００１３】
前記充填剤−エポキシ複合材料の熱伝導率は更に、充填剤の体積含有率に依存する。以下において、充填度との用語は、充填剤の体積含有率の代わりに使用される。この充填度は、前記複合材料の総質量に対する充填剤の質量％として定義される。本発明によれば、前記金属粉体の粉体粒子は、回転楕円状（spheroidal）の又は球状（spherical）の形状を有することが望ましい。フレーク状粉体は劣った結果を生じ、更に、フレークで充填した接着剤は、ディスペンス式適用において前記ダイ接着組成物を使用する場合に、シリンジを閉塞する。回転楕円状充填剤粒子の場合には、この最大の体積含有率は、六方最密充填構造に関して、体積含有率７４％でもって得られる。この値は、銅の密度（８．９ｇ／ｃｍ3）及びエポキシ樹脂の密度（約１．２ｇ／ｃｍ3）を用いることにより、充填剤である銅粉体に関して９５質量％の最大充填度に換言される。
【００１４】
前記銅粉体の平均粒径（mean particle size）Ｄ50は、充填剤−エポキシ複合材料の耐熱疲労に対して決定的な影響を有しない。平均粒子径Ｄ50  １〜５０μｍを有する充填剤粉体を用いて良好な結果が得られた。より有利には、粒径１〜３０μｍである。
【００１５】
最後に、前記充填剤−エポキシ複合材料の生じる熱伝導率は、前記充填剤表面及び前記樹脂の間の熱接触抵抗に依存する。前記充填剤粒子の表面上の任意の不純物層は、この接触抵抗を増加させる。従って、少ない表面不純物を有する充填剤粉体を使用することが有利である。
【００１６】
この高い熱伝導率のために、銅の高い百分率を含有する金属粉体を使用することが有利である。最も有利には、９９．５質量％よりも高い、特に有利には９９．９質量％よりも高い銅の純度を有する銅粉体である。
【００１７】
銅粉体の場合には、前記粉体粒子表面上の、最も害となる不純物は、酸化銅（ＩＩ）である。約５ｎｍの厚さの薄い表面層中の金属銅に対する酸化銅（ＩＩ）の割合は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用いて決定されてよい。この目的のために、この得られるＸＰＳスペクトルが曲線の当てはめにより分析され、これは当分野で公知である。ＸＰＳにより分析される前記表面層中で、最高で５０％の前記原子が、ＣｕＯに酸化されている場合に、この硬化した複合材料の熱伝導率及び熱疲労に関して良好な結果が得られることが見出された。有利には、この酸化された銅原子は、３０％を超えてはならず、より有利には１０％以下であることが望ましい。
【００１８】
金属粉体の熱伝導率に対して、硬化したエポキシ樹脂の熱伝導率は極めて低い。前記エポキシ樹脂の主な役割は、前記金属充填剤に対して、そして前記半導体デバイス及び前記基材に対して良好な接着を提供することである。ビスフェノールＡエポキシ樹脂及びビスフェノールＦエポキシ樹脂からなるグループから選択されるエポキシ樹脂が、銅及びニッケル表面に対しても、また同様にチップに対しても良好な接着を提供することが証明された。ビスフェノールＦエポキシ樹脂が最も有利である。硬化剤として、イミダゾール、アクリロニトリル及び脂肪族アミンの慣用的な混合物が使用されてよい。
【００１９】
記載した充填剤粉体で充填した硬化した接着剤を含有し、かつ２０〜８０μｍの接合部厚さ（bond line thickness）を有する硬化したダイ接着組成物は、熱疲労のための上記した試験コンディションに耐え、かつ高鉛はんだと同様の熱放散を生ずる。
【００２０】
前記ダイ接着組成物の成分は、様々な処方において使用されてよい：
・前記金属粉体は、前記エポキシ樹脂と又は前記硬化剤と予備混合されてよい；この場合に、前記エポキシ樹脂の早期硬化を防止するために前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤を２つの別個のユニット中に包装し、かつ、使用直前に初めて一緒に混合する。
・前記金属粉体は、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の混合物と混合されてよい；この場合に、前記ダイ接着組成物を、１つのユニット中に包装し、かつ使用前に低温に維持して、前記エポキシ樹脂の早期硬化を防止する。
・前記エポキシ樹脂の一部が前記金属粉体の第一の部分と予備混合されてよく、そして前記金属粉体の第二の部分が、前記エポキシ樹脂の残分と前記硬化剤との混合物と予備混合される；この場合に、前記エポキシ樹脂の早期硬化を防止するために前記ダイ接着組成物を再度２つの別個のユニット中に包装し、かつ、使用直前にのみ一緒に混合する。
【００２１】
ディスクリートハイパワー半導体（discrete high power semiconductor）を印刷回路基板に、本発明によるダイ接着組成物を用いて接着するために、前記組成物を前記印刷回路基板に設け、前記半導体を前記基板上に配置し、次いで前記ダイ接着組成物を８０〜２５０℃の温度で、有利には１００〜１５０℃の温度で硬化させる。
【００２２】
充填剤材料として銅を使用する場合に、保存の間のこの銅表面の酸化を、酸化防止材を用いた前記銅粉体のコーティングにより防止することが望ましい。前記コーティング材料は、脂肪酸、有利には飽和脂肪酸、ポリシロキサン、又はリン化物化合物であってよい。前記脂肪酸は、オレイン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、及びアラキン酸から選択されてよい。前記コーティング材料は、このコーティングされる銅粉体の総質量に対して、０．１〜１質量％の量で適用される。最も有利には、水の誘引を最小限にすべく、わずかに親水性の特性を有する、即ち、ほとんど極性基を有しないコーティング材料である。
【００２３】
前記表面コーティングの別の機能は、前記充填剤粒子と前記接着剤との濡れを改善し、これによりこれらの分散能を増加させることであり、これは、高充填度を達成するために重要である。
【００２４】
標準的なダイ接着適用のために、前記ダイ接着組成物が、この組成物の総質量に対して金属粉体４０〜９０質量％を含有することが望ましい。ディスペンス式適用のために、前記組成物は、ディスペンスノズルの閉塞を妨げるべく、金属４０〜７０質量％、有利には４０〜６０質量％を含有することが望ましい。印刷によるダイ接着の場合には、前記接着剤組成物は、この組成物の総質量に対して金属粉体４０〜９０質量％を含有してよい。
【００２５】
以下の実施例及び図は、本発明を更に説明することにおいて助力となるものである。図は、次のことを示す：
図１：熱放散を測定するための試験装置
図２：５４質量％の充填度を有する様々な銅粉体で充填したダイ接着組成物のための、硬化後の接合部厚さに依存した熱放散
図３：８０質量％の充填度を有する様々な銅粉体で充填したダイ接着組成物のための、硬化後の接合部厚さに依存した熱放散
【実施例】
【００２６】
実施例：
表１は、温度サイクル試験及び熱放散測定のための、金属充填した接着剤樹脂を形成するための、ビスフェノールFエポキシ樹脂と組み合わせた様々な市販の銅粉体を列記する。
【００２７】
全ての銅粉体は、回転楕円状粒子、９９．９％よりも高い純度、及び３５０Ｗ（ｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導率を有した。銅粉体Ｃｕ１、Ｃｕ２、Ｃｕ３、Ｃｕ４、及びＣｕ５は本発明の要求に応じ、その一方で銅粉体Ｃｕ１Ｃ及びＣｕ２Ｃ及び市販の"高熱伝導率銀充填エポキシペースト（High Thermal Conductivity Silver Filled Epoxy Paste）（Ａｇ）"を、比較のために選択した。２つの慣用の高鉛はんだペーストＰｂ１（Ｐｂ８８Ｓｎ１０Ａｇ２）及びＰｂ２（Ｐｂ９２．５Ｓｎ５Ａｇ２．５）は、対照材料として使用される。
【００２８】
表１；金属粉体の特性
【表１】
2007302872.tif 000002
【００２９】
熱放散の測定
熱放散対接合部厚さの測定のために、一連のシリコンチップを、銅基板に、表１記載の様々な粉体で充填したビスフェノールＦを用いて取り付けた。この接合部を５分間、１５０℃で硬化させた。この測定を、図１に示した試験装置を用いて実施した。この試験片を、この銅基板（１）でもって、銅ブロック（４）上に配置し、一定の温度を供給しながら、Ｔ2＝７５℃に加熱した。前記シリコンチップ（２）は、周囲空気（Ｔ1＝３０℃）中に浸した（immerse）もう一つの銅ブロック（５）と接触している。このサンドイッチ体の銅及びシリコンの側での温度を、熱電対（６）及び（７）を用いて測定した。両者の側の間でのこの温度差ΔＴは、シリコンチップ（２）、接合部（３）及び銅基材（１）からなる試験片の熱放散に比例する。
【００３０】
２セットの測定、第一に前記ダイ接着組成物のディスペンスによるダイ接着のために５４質量％の充填度でもって、そして第二セットの測定を、前記ダイ接着組成物の印刷を用いたダイ接着のために８０質量％の充填度でもって実施した。
【００３１】
図２及び３は、相違する接合部厚さ（ＢＬＴ）に対して試験片を介して測定した温度差を示す。両方の図中の太線は、前記の市販のはんだペーストＰｂ１及びＰｂ２でもって取り付けられた対照試料の挙動を示す。本発明によるダイ接着組成物（Ｃｕ１〜Ｃｕ５）でもって取り付けられた試料が、はんだ付けを用いる対照試料と同様の熱伝導率を示すことが明らかに見受けられる。反対に、比較試料Ａｇ、Ｃｕ１Ｃ、及びＣｕ２Ｃは、増加する接合部厚さと共に温度差の急激な上昇を示し、従って許容可能でない。
【００３２】
温度サイクル／熱疲労
温度サイクル試験のために、１２×１２×０．５ｍｍ3のシリコンチップを、１２×１２×１ｍｍ3の寸法を有する銅基材に、硬化剤と混合した金属充填樹脂を用いて結合させた。この接合部を５分間１５０℃で硬化させ、約５０μｍの接合部厚さを生じた。比較のために選択されたダイ接着組成物（Ａｇ、Ｐｂ１及びＰｂ２）を、供給者の推奨に従って処理した。
【００３３】
この試験片を、ＪＥＤＥＣ Standard試験コンディション"Ｈ"（−５５〜＋１５０℃）に応じた、１５分間のソークタイムでもって１０００回の温度サイクルに供した。
【００３４】
金属粉体Ｃｕ１〜Ｃｕ５を有するダイ接着組成物は、温度サイクル後に不良を示さなかった。前記粉体は、ＸＰＳにより測定して、前記表面層中に低濃度のＣｕＯを有した。これとは反対に、高い表面酸化を有する銅粉体Ｃｕ１Ｃ及びＣｕ２Ｃの使用は、この温度サイクル試験に合格しなかった。この結果を表２に示す。
【００３５】
表２：１０００サイクル後の熱疲労結果（各試験に対して５つの試料）
【表２】
2007302872.tif 000003
合格：剥離なし
不合格：チップ破壊又は接合部中で剥離
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、熱放散を測定するための試験装置を示す図である。
【図２】図２は、５４質量％の充填度を有する様々な銅粉体で充填したダイ接着組成物のための、硬化後の接合部厚さに依存した熱放散を示す図である。
【図３】図３は、８０質量％の充填度を有する様々な銅粉体で充填したダイ接着組成物のための、硬化後の接合部厚さに依存した熱放散を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
（１）銅基板、（２）シリコンチップ、（３）接合部、（４）銅ブロック、（５）もう一つの銅ブロック、（６）、（７）熱電対。
【図１】
2007302872.tif 000004
【図２】
2007302872.tif 000005
【図３】
2007302872.tif 000006
【外国語明細書】
2007302872.tif 000007
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