(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラー材料と、導電性粒子と、樹脂材料とを有する接着剤であって、
前記フィラー材料の粒径分布は、第一のピークと、前記第一のピークよりも粒子径の小さい側にある第二のピークとを有し、
前記第一のピークの位置する粒子径と、前記第二のピークが位置する粒子径との差が０．７μｍ以上にされ、
前記第一のピークの位置する粒子径は１．６μｍ以下である接着剤。
【請求項２】
前記第二のピークの位置する粒子径が１ｎｍ以上である請求項１記載の接着剤。
【請求項３】
前記フィラー材料がそれぞれ平均粒子径の異なる２種類以上のフィラー成分により構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の接着剤。
【請求項４】
前記フィラー成分がシリカ、アルミナのいずれか一方又は両方からなる請求項３記載の接着剤。
【請求項５】
前記接着剤が予め半硬化され、シート状に成形された請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接着剤。
【請求項６】
半導体チップと、基板と、前記半導体チップと基板の間に配置され、熱処理によって硬化された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の接着剤とを有する電気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は接着剤にかかり、特に、半導体チップを基板に接続する接着剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体チップを基板上に接着するために熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂から成る接着剤が用いられている。
【０００３】
図７の符号１０１は、半導体チップ１１１が、接着剤１１２によって基板１１３に貼付されてなる電気装置１０１を示している。半導体チップ１１１が有するバンプ状の端子１２１は、基板１１３上の配線パターンの一部から成る端子１２２上に当接されている。この状態では、半導体チップ１１１内の内部回路は、端子１２１、１２２を介して基板１１３上の配線パターンに電気的に接続されている。また接着剤１１２を構成する樹脂は硬化されており、この接着剤１１２を介して半導体チップ１１１と基板１１３は機械的にも接続されている。
【０００４】
しかし、一般に接着剤に用いられる樹脂の熱膨張係数は、半導体チップ１１１の熱膨張係数に比べて大きいため、図７に示したような電気部品１０１を高温高湿の条件に置いた場合等に、これらの熱膨張係数の差から接着剤１１２と半導体チップ１１１との界面に生じる応力によって半導体チップ１１１が接着剤１１２から剥離されてしまう。
【０００５】
このような問題を解決するために、従来から接着剤１１２に無機フィラーを分散させ、接着剤１１２の熱膨張係数や吸水性を低下させたり、接着剤１１２にゴム成分等を含有させ、硬化した状態の接着剤１１２の弾性を低下させる方法が取られている。
【０００６】
しかしながら、接着剤１１２中に無機フィラーやゴム成分を分散させたものは、温度変化の急変によって接着剤１１２内部に亀裂が生じる場合がある。特に、フィラーを添加した場合は、接着剤１１２が硬化した場合の剛性が低いので、より接着剤１１２内部に亀裂が生じやすくなってしまう。
【０００７】
また、ゴム成分を過剰に接着剤１１２中に分散させた場合には、熱膨張係数が大きくなってしまい、その結果、得られる電気部品の信頼性が低いものになってしまう。いずれにしても、従来の接着剤を用いて信頼性の高い電気部品を得ることは困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は信頼性が高い接着剤を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
硬化された状態の接着剤に温度変化によるストレス（熱応力）が与えられると、接着剤内部の温度勾配が部分的な膨張や収縮生じ、内部応力が発生する。この内部応力が接着剤の凝集体を形成する凝集力以上になると、接着剤にクラックなどが生じ、接着剤の凝集体が破壊される。
このような熱応力に対する抵抗（熱衝撃抵抗Ｒt）は下記式（１）に表される。
【００１０】
式（１）：Ｒt＝βＳ／αＥ
上記式中のβは熱伝導率を、Ｓは機械的強度（剛性）を、αは熱膨張率を、Ｅは弾性率をそれぞれ示している。
【００１１】
上記式から明らかなように、接着剤の熱衝撃抵抗Ｒtを高くするためには、接着剤の剛性や熱伝導率を高くすると同時に、熱膨張率や弾性率をある程度抑える必要がある。
【００１２】
接着剤の熱膨張率や吸水性を低くするためにはフィラーの存在が不可欠であることから、本発明の発明者等はフィラー材料に着目し、検討を重ねた結果、フィラー材料に含まれるフィラー粒子の粒子径を不均一にすることにより、フィラー粒子同士の凝集力を向上させる方法を見出した。
【００１３】
図５はフィラー粒子５０の粒子径が均一な場合の一例を示しており、図６はフィラー粒子の粒子径が不均一な場合の一例を示している。図６を参照し、フィラー粒子５０、５５の粒子径が不均一な場合には、大径のフィラー粒子５０の間に小径のフィラー粒子５５が入りこむので、フィラー粒子が高密度充填される。
【００１４】
また、図５、図６の符号５７は大径のフィラー粒子５０同士が接触する箇所を、図６の符号５８は大径のフィラー粒子５０と小径のフィラー粒子５５とが接触する箇所を示しており、図６に示す場合では、図５に示す場合に比べてフィラー粒子５０、５５が同士が接触する箇所５７、５８が多く、フィラー粒子５０、５５同士の接触によって生じる摩擦力も大きくなる。フィラー粒子が高密度充填され、生じる摩擦力が大きくなった結果、フィラー材料の凝集力が高くなり、接着剤全体の剛性が向上する。
【００１５】
本発明は上記知見に基づいて創作されたもので、請求項１記載の発明は、フィラー材料と、導電性粒子と、樹脂材料とを有する接着剤であって、前記フィラー材料の粒径分布は、第一のピークと、前記第一のピークよりも粒子径の小さい側にある第二のピークとを有し、前記第一のピークの位置する粒子径と、前記第二のピークが位置する粒子径との差が０．７μｍ以上にされ、前記第一のピークの位置する粒子径は１．６μｍ以下である接着剤である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の接着剤であって、前記第二のピークの位置する粒子径が１ｎｍ以上である接着剤である。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の接着剤であって、前記フィラー材料がそれぞれ平均粒子径の異なる２種類以上のフィラー成分により構成された接着剤である。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の接着剤であって、前記フィラー成分がシリカ、アルミナのいずれか一方又は両方からなる接着剤である。
請求項５記載の発明は請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接着剤であって、前記接着剤が予め半硬化され、シート状に成形された接着剤である。
請求項６記載の発明は電気装置であって、半導体チップと、基板と、前記半導体チップと基板の間に配置され、熱処理によって硬化された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の接着剤とを有する電気装置である。
【００１６】
本発明は上記のように構成されており、フィラー材料の粒径分布のうち、第二のピークを構成するフィラー成分の粒子は、第一のピークを構成するフィラー成分の粒子よりも０．７μｍ以上小さくされているので、第二のピークを構成するフィラー粒子が第一のピークを構成するフィラー粒子間の間隙に入り込む。
従って、これらのフィラー粒子同士の接触により生じる摩擦力がより大きくなり、本発明の接着剤が硬化された場合の剛性が高くなる。
【００１７】
平均粒子径がそれぞれ異なる２種類のフィラー成分を混合すれば、粒径分布が第一、第二のピークを有するフィラー材料を容易に作製することができる。また、１種類のフィラーを部分的に粉砕して粒子径を不均一にし、フィラー材料としても良い。
尚、本発明での粒径分布とは、フィラー材料中に含まれるフィラー粒子の粒径（μｍ）に対する含有量（フィラー粒子の個数）の分布のことである。
【００１８】
接着剤が硬化されたときの剛性を十分に高くするために、本発明の接着剤では、フィラー材料の添加量を３０重量％以上７０重量％以下程度と比較的多くする必要がある。導電性を有するフィラーを高充填すると、被接着体である半導体チップや基板の配線が短絡することがあるので、本発明には絶縁性を有するフィラー成分を用いることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の接着剤を、その接着剤を用いた電気装置の製造工程と共に図面を用いて説明する。
先ず、熱硬化性の樹脂材料であるエポキシ樹脂６０重量部に対し、表面に金メッキ層とニッケルメッキ層とを形成した樹脂粒子（金属メッキ樹脂粒子）からなる導電性粒子（直径５μｍ）３０重量部と、平均粒子径がそれぞれ異なる２種類のフィラー成分からなるフィラー材料６０重量部とを添加し、これらを十分に混合し、ペースト状の接着剤を得た。ここではフィラーとして平均粒子径が１．６μｍのシリカ（フィラー成分Ａ）と、平均粒子径が０．９μｍのシリカ（フィラー成分Ｂ）とを用い、フィラー成分Ａの２容量部に対し、フィラー成分Ｂを１容量部添加したものをフィラー材料として用いた。
【００２０】
次いで、この接着剤をフィルム状に成形し、本発明の接着剤からなる接着フィルムを作製する。図１（ａ）の符号１５はその接着フィルムを示しており、接着フィルム１５を構成する接着剤は、自己支持性を示す程度に半硬化されている。
【００２１】
図１（ｂ）の符号１３は基板を示しており、この基板１３の一面には図示しない金属配線が配置されている。金属配線の幅広の部分から接続端子２２が構成されており、接続端子２２は基板１３の表面に露出している。ここでは、基板１３として評価試験用に作成されたガラス基材エポキシ樹脂銅貼積層板（ＪＩＳ規格ＧＥ２Ｆ（ＮＥＭＡ規格ＦＲ−５）、厚さ０．６ｍｍ）を用いた。
【００２２】
図１（ｂ）はこの基板１３の接続端子２２が配置された表面に上記接着フィルム１５を貼付した状態を示している。
図１（ｃ）の符号１１は半導体チップを示している。この半導体チップ１１には、半導体チップ１１の表面から突き出されたバンプ状の接続端子２１が配置されており、この接続端子２１は半導体チップ１１の内部回路に接続されている。ここでは半導体チップ１１として、評価試験用に作成された大きさ６．３ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを用いた。尚、この半導体チップ１１の接続端子２１は１００μｍ角の金メッキバンプからなり、各接続端子２１の間隔は１５０μｍであった。
【００２３】
この半導体チップ１１の接続端子２１が位置する側の面を基板１３上の接着フィルム１５に押し当て、基板１３の接続端子２２と半導体チップ１１の接続端子２１とを密着させると共に加熱すると、接続端子２１、２２同士が密着した状態で接着フィルム１５が硬化する。ここでは半導体チップ１１の各接続端子２１に１００ｇの荷重が係るように全体を押圧しながら、１８０℃、２０秒間の条件で加熱を行った。
【００２４】
図１（ｃ）の符号５は接着フィルム１５が硬化した状態の電気装置を示しており、この電気装置５では、接続端子２１、２２同士が電気的に接続された状態で接着フィルム１５が硬化しており、この接着フィルム１５によって半導体チップ１１が基板１３に固定されている。
【００２５】
上記図１（ａ）に示す接着フィルム１５と、図１（ｃ）に示す電気装置５をそれぞれ実施例１とし、これら実施例１の接着フィルム１５と実施例１の電気装置５を用いて下記に示す「吸水率」、「弾性率」、「熱伝導率」、「熱衝撃試験（ＴＣＴ）」、「プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ）」の各試験をそれぞれ行った。
尚、「吸水率」、「弾性率」、「熱伝導率」の各試験には、実施例１の接着フィルム１５を２００℃の温度で５分間加熱し、完全に硬化させたものを用いた。
【００２６】
また、それらの試験とは別に、各電機装置５の導通抵抗（初期抵抗）を測定した後、電気装置５を温度６０℃、相対湿度８５％の条件で１６８時間保存（吸湿リフロー）し、吸湿リフロー後の導通抵抗値を測定した。吸湿リフロー後の抵抗値が初期抵抗の２倍未満の場合を「ＯＫ」、２倍以上の場合を「ＮＧ］とし、「ＯＫ」と判断されたものを用いて、更に、下記の「熱衝撃試験（ＴＣＴ）」、「プレッシャークッカー試験」を行った。
【００２７】
〔吸水率〕接着フィルム１５を１８０℃、１時間の条件で加熱し、硬化させたものを成形し、直径５ｍｍ、高さ１５ｍｍの円柱状の試料片を作成した。試料片を８０℃の真空オーブン中で完全に乾燥させた後、試料片の重量を測定した（初期重量）。次いで、試料片を８５℃、８５％ＲＨの条件で５００時間保存した後（吸湿試験）、試料片の重量を測定した。
【００２８】
初期重量をａ、吸湿試験後の重量をｂとし、これらａ、ｂの値を下記式（２）に代入し、吸水率を求めた。
式（２）：吸水率（％）＝（ｂ−ａ）／ａ×１００
【００２９】
〔弾性率〕硬化した接着フィルム１５を２ｍｍ×５ｃｍ、厚み５０μｍの大きさに切りとって試験片を作製し、昇温条件３℃／分、周波数１１Ｈｚの条件でＤＭＡ法（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）により、試験片の温度が３０℃のときの弾性率を測定した。この結果を下記表１に記載する
【００３０】
〔熱伝導率〕上記「弾性率」試験に用いたものと同じ試料片について、迅速熱伝導率計（京都電子（株）社製の商品名「ＱＴＭ  ５００Ｊ」）を用い、２３℃、６５％ＲＨの条件で熱伝導率を測定した。
【００３１】
〔熱衝撃試験（ＴＣＴ）〕吸湿リフロー後の電気装置５を−５５℃の条件に１５分間保存し、更に、１２５℃の条件に１５分間保存した。これを温度急変の１サイクルとし、温度急変の２００サイクル毎に電気装置５の導通テストを行った。測定される導通抵抗の値が、初期抵抗の２倍以上になったときのサイクル数を下記表１に記載する。
【００３２】
〔プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ）〕吸湿リフロー後の実施例１の電気装置５を、１２１℃、２.１気圧、相対湿度１００％の条件で保存し（飽和蒸気加圧）、１００時間毎に電気装置５の導通テストを行った。測定される導通抵抗が初期抵抗の値の２倍以上になったときの時間を下記表１に記載する。
【００３３】
【表１】
0004037619.tif 000002
【００３４】
＜実施例２〜１２、比較例１〜３＞
樹脂材料と導電性は実施例１と同じものを用い、実施例１で用いたフィラー材料の組成を変えて実施例２〜１２と比較例１〜３の接着フィルムを作成した。実施例２〜１２と比較例１〜３のフィラー材料に含まれるフィラー材料の種類、及び配合比率は表１のフィラー配合比率の欄に記載した通りである。
【００３５】
更に、これらの接着フィルム１５と、実施例１に用いたものと同じ基板１３、半導体チップ１１とを用いて、図１（ｂ）、（ｃ）の工程でそれらの基板１３と半導体チップ１１とを接続し、実施例２〜１２、比較例１〜３の電気装置５をそれぞれ作製した。
【００３６】
これら実施例２〜１２、比較例１〜３の接着フィルム１５と電気装置５とを用い、実施例１と同じ条件で、「吸水率」、「弾性率」、「熱伝導率」、「熱衝撃試験（ＴＣＴ）」、「プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ）」の各試験をそれぞれ行った。これらの試験結果を上記表１に記載した。
【００３７】
上記表１から明らかなように、比較例１〜３の電気装置は熱衝撃試験、プレッシャークッカー試験の前処理である吸湿リフローの段階で接続不良が発生したのに対し、実施例１〜１２の電気装置５は吸湿リフロー後の「熱衝撃試験」、「プレッシャークッカー試験」において高い評価が得られ、特に、フィラー材料にアルミナ（フィラーＤ、フィラーＥ）を用いた場合には、より高い熱衝撃抵抗性が確認された。
【００３８】
次に、上記フィラー成分Ａ、Ｂ、Ｃと、実施例２、６に用いたフィラー材料について、粒度分析計（日機装（株）社製の商品名「マイクロトラック粒度分析計」）を用いてレーザー解析散乱法により粒度測定を行った。
【００３９】
図３（ａ）にフィラー成分Ａの粒径分布曲線ＬAをフィラー成分Ｂの粒度分布曲線ＬBと共に記載し、図３（ｂ）にこれらフィラー成分Ａ、Ｂを等量ずつ用いた実施例２のフィラー材料の粒径分布曲線ＬA+Bを記載する。また、図４（ａ）にフィラー成分Ａの粒径分布曲線ＬAをフィラー成分Ｃの粒度分布曲線ＬCと共に記載し、図４（ｂ）にこれらフィラー成分Ａ、Ｃを等量ずつ用いた実施例６のフィラー材料の粒径分布曲線ＬA+Cを記載する。これら図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）の横軸は粒子径（μｍ）を縦軸は含有率（個数）をそれぞれ示している。
【００４０】
粒径分布曲線ＬA、ＬB、ＬCはそれぞれ正規分布曲線であるので、各ピークは平均粒子径Ｍ（フィラー成分Ａ、Ｂ、ＣではそれぞれＭ＝１．６μｍ、０．９μｍ、０．０５μｍ）の位置にある。各粒径分布曲線ＬA、ＬB、ＬCの分散σはそれぞれ０．１４μｍ、０．１μｍ、０．００７μｍである。正規分布では、平均粒子径Ｍ±σ（μｍ）の粒径範囲に６８％の粒子が含まれる。
【００４１】
このように平均粒径の差ｔ1、ｔ2が大きく（０．７μｍ以上）、各粒径分布曲線ＬA、ＬB、ＬCの分散σが小さいので、実施例２、６のように、フィラー成分Ａ、Ｂ又はフィラー成分Ａ、Ｃを混合した場合には、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すような２つのピーク（第一、第二のピーク）を持つ粒径分布曲線ＬA+B、ＬA+Cが得られる。
【００４２】
これらの結果から、平均粒径の差が０．７μｍ以上の２種類のフィラー成分を用いた実施例１〜１２のフィラー材料の粒径分布曲線は、実施例２、６の場合と同様に第一、第二のピークを有していると推測され、フィラー材料中の粒子同士の摩擦により、実施例１〜１２の接着剤の剛性が増し、上記表１に記載した各試験で優れた結果が得られたと推測される。
【００４３】
以上は接着剤を半硬化させ、接着フィルム１５を作製する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでは無く、例えば、接着剤に固形樹脂を添加してフィルム状にしたものも含まれる。
また、本発明の接着剤をフィルム状に成形せず、ペースト状のまま半導体チップ１１と基板１３との接続に用いても良い。
【００４４】
図２（ａ）は図１（ａ）に示したものと同じ基板１３を示しており、この基板１３に半導体チップ１１を搭載するには、先ず、基板１３の接続端子２２が配置された側の表面にペースト状の接着剤を塗布し、接着剤の塗布層１２を形成する（図２（ｂ））。
【００４５】
次いで、基板１３の塗布層１２が形成された側の面と、半導体チップ１１の接続端子２１が配置された側の面とを対向させ、図１（ｂ）、（ｃ）と同じ工程でこれら基板１３と半導体チップ１１を加熱押圧すると、基板１３の接続端子２２と半導体チップ１１の接続端子２１とが密着した状態で塗布層１２の接着剤が硬化し、本発明の電気装置６が得られる。
【００４６】
なお、上記各実施例では、導電性粒子として金属メッキ樹脂粒子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、銀ペースト、ニッケル粒子、又は銅粒子からなる導電性粒子等種々のものを用いることができる。また、本発明の接着剤は導電性粒子を含有しないものも含まれる。
【００４７】
以上は接着剤の樹脂材料として、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでは無い。例えば、尿素樹脂、メラニン樹脂、フェノール樹脂等の種々のものを用いることができる。また、本発明に用いられる樹脂は熱硬化性のものに限定されるものではなく、例えば、光重合性樹脂、熱可塑性樹脂等も用いることができる。
【００４８】
本発明の接着剤には、樹脂材料を硬化させるための硬化剤を添加することもできる。本発明の接着剤に用いることのできる硬化剤としては、例えば、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、ヒドラジド系硬化剤、メルカプト系硬化剤、ジシアンジアミド系硬化剤等を使用することができる。また、本発明の接着剤には、硬化剤以外にも、カップリング剤、老化防止剤、着色剤等種々の添加剤を添加することもできる。
【００４９】
以上は、フィラー成分としてシリカやアルミナを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでは無く、窒化アルミニウム、炭酸カルシウム、クレー、ビーズ、種々の鉱石粉砕品、酸化亜鉛、樹脂粒子、又はジルコン、ムライト、スピネル等の複合酸化物等種々のものを用いることができる。しかしながら、ニッケルやカーボンブラックのように導電性を有するフィラー成分を接着剤に高充填すると、電気装置５の配線の短絡の原因となるので、本発明の接着剤には適さない。
【００５０】
【発明の効果】
フィラー粒子が高密度充填され、生じる摩擦力が高いので、接着剤の剛性が向上し、信頼性の高い電気装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)〜(ｃ)：本発明の接着剤の使用方法の一例を示す図
【図２】(ａ)〜(ｃ)：本発明の接着剤の使用方法の他の例を示す図
【図３】(ａ)、(ｂ)：フィラー材料中のフィラー成分粒子の分布の一例を説明するための図
【図４】(ａ)、(ｂ)：フィラー材料中のフィラー成分粒子の分布の他の例を説明するための図
【図５】粒子径が均一なフィラー材料を説明するための図
【図６】粒子径が不均一なフィラー材料を説明するための図
【図７】従来の接着剤を説明するための図
【符号の説明】
１１……半導体チップ
１２……接着剤（塗布層）
１５……接着剤（接着フィルム）
１３……基板
５、６……電気装置
【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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【図６】
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【図７】
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