(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）常温で液状である熱硬化性樹脂、（Ｂ）ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉を含む鱗片状銀粉を必須成分とする樹脂ペーストであって、全樹脂ペースト中のＴＡＰ密度４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉の含有量が３０重量％以上で、かつ全鱗片状銀粉の含有量が８０〜９４重量％であり、球状銀粉を含有しないことを特徴とする導電性樹脂ペースト。
【請求項２】
請求項１記載の導電性樹脂ペーストを用いて製造されてなることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子を金属フレームなどの基板に接着させる導電性樹脂ペースト及び半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の組立における半導体素子を金属フレームに接着させる工程、いわゆるダイボンディング工程において用いられる半導体素子とリードフレームの接合方式は、金−シリコン共晶に始まり、半田、導電性樹脂ペーストと推移してきた。現在では、主にＩＣ、ＬＳＩの組立においては導電性樹脂ペーストを、トランジスタ、ダイオードなどのディスクリートにおいては半田を使用している。ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置においては、半導体素子の面積が大きいことから半田に比べてより低応力性が高い導電性樹脂ペーストを使用する方法が主に用いられている。この導電性樹脂ペーストはエポキシ樹脂中に鱗片状銀粉が分散されており、導電性を有している導電性樹脂ペーストとして使われてきた。しかし近年の半導体装置において半導体素子と金属フレームの間の導電性に対する要求は少なくなってきており、銀粉を使用しないでシリカなどを使用した絶縁性の樹脂ペーストも使用されてきている。なぜならば近年の半導体装置では半導体素子や半導体装置のデザインの進歩に伴い、アースを取るために半導体素子の裏面から金属フレームに電気を流す構造が必ずしも必要とされていないためである。又導電性樹脂ペーストを通して導通させるＩＣにおいても電流が２〜３ｍＡ程度の微弱な電流である。この程度の電流では従来の導電性樹脂ペーストでも充分に対応が可能である。
【０００３】
一方半田を主に使用しているダイオード、トランジスタ等のディスクリートではその製品の構造上、半導体素子と金属フレームの間に導通する必要がある。しかも流れる電流はＩＣに比べ非常に高く数Ａ以上の製品もあるため、通電時に熱を生じるために、放熱板を取り付けて半導体素子の熱を逃がすことから樹脂ペーストに熱伝導性が要求される場合が多い。半田は導電性樹脂ペーストに比べ、導電性、熱伝導性に優れるためにディスクリートの分野で使用されてきた。
【０００４】
ところが近年の環境問題から各半導体メーカーは半田に使用している鉛を使わない方向に動いており、更に半田を使用する際には必要なフラックスの洗浄工程の削減や半田による接合では必要な半導体素子裏面の金、ニッケル等の金属蒸着を施す必要もないためディスクリートの分野においてもＩＣ、ＬＳＩに使用している導電性樹脂ペーストを使用しようとする動きがある。この状況において電気的な接合に関しては金属皮膜を施したフィラー（例えばポリマー、カーボン、シリカ、ガラスビーズ、その他の無機フィラー）を配合することにより、大電流が流れる半導体装置においても満足な導電性を得ることは可能であった。しかし大電流を流す半導体装置又はＩＣ分野でもＣＰＵやグラフィックプロセッサーなど高速作動する半導体装置や携帯電子機器などの高周波作動半導体装置では半導体素子から発生した熱により、ダイアタッチ層（接着層）の温度が高くなり、熱による抵抗が大きくなり、半導体装置としての性能を低下させるという結果が報告されている。従ってこの様な導電性には優れるが、熱放散性に劣る導電性樹脂ペーストを使用する場合には、充分な冷却機構を有する半導体装置でなければならなかったが、コストアップにつながり実用的ではなかった。
【０００５】
導電性樹脂ペーストの熱伝導性を向上させる手法として、熱伝導性の高い物質の使用や配合する物質の充填量の増加などがある。しかし充填材になり得る物質としてダイアモンド、グラファイトなど熱伝導性の非常に高いものはあるが、これらは非常に高価であり、形状も塊状、結晶状のもので導電性樹脂ペーストに必要な高いチキソ性を有するものにはならないという欠点があった。  一方、従来から導電性樹脂ペーストに使用されている銀粉は、金属の中でも最も熱伝導性に優れた金属のひとつであり、化学的安定性、加工性、価格など非常にバランスのよい物質であり、導電性樹脂ペーストの充填材として銀粉は最適であり、導電性樹脂ペーストの熱伝導性を向上させるためには充填材である銀粉の充填量をいかにして高充填化し熱伝導性を向上させるかが課題であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は導電性に優れ、更に熱放散性にも優れる導電性樹脂ペースト及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（Ａ）常温で液状である熱硬化性樹脂、（Ｂ）ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉を含む鱗片状銀粉を必須成分とする樹脂ペーストであって、全樹脂ペースト中のＴＡＰ密度４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉の含有量が３０重量％以上で、かつ全鱗片状銀粉の含有量が８０〜９４重量％であり、球状銀粉を含有しないことを特徴とする導電性樹脂ペースト及び該導電性樹脂ペーストを用いて製造されてなることを特徴とする半導体装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる銀粉は、ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉を含んだ鱗片状銀粉を必須とし、全導電性樹脂ペースト中に含まれるＴＡＰ密度４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉の含有量は３０重量％以上で、かつ全鱗片状銀粉の含有量が８０〜９４重量％となり、球状銀粉を含有しないものである。本発明者らは、銀粉の高充填化は導電性樹脂ペース（以下、樹脂ペーストという）の粘度の増加を招き、塗布作業性が悪化するため樹脂ペーストの粘度を低くしなければならないので、高充填化できる最適な銀粉を得るため、ＴＡＰ密度、見かけ密度、平均粒径、最大粒径、比表面積などの銀粉の特性と樹脂ペーストの粘度との関係について種々検討した結果、充填性に優れた、つまりより多く充填しても樹脂ペーストの粘度を低くするにはＴＡＰ密度が高い銀粉を用いることが良いという知見を見出した。
【０００９】
一般的に樹脂ペーストには、主に鱗片状銀粉が用いられている。鱗片状銀粉のＴＡＰ密度は３．０〜３．８ｇ／ｃｍ3のものが主流である。これはより少ない銀粉量で電気を効率的に流すためにはＴＡＰ密度が小さい、つまり嵩が大きい銀粉を使用する方が有利だからである。しかし、この様なＴＡＰ密度が低い銀粉は樹脂ペーストの粘度が高くなり易く、より多くの銀粉を樹脂ペースト中に充填することは非常に困難であることから、熱伝導性の向上は期待できない。一方ＴＡＰ密度が大きく、高充填化が可能な銀粉としては球状銀粉があるが、球状銀粉を使用すると樹脂ペーストのチキソ性が低くなり、塗布作業中に樹脂ペーストのたれや糸引きなどが発生してしまう。そのため球状銀粉の使用はあまり好ましくない。従って熱伝導性が良好な樹脂ペーストには、ＴＡＰ密度が大きく、高充填化が可能な鱗片状銀粉の使用が望ましい。本発明で言う球状とは、平均的な粒径を有する銀粒子の断面を見て、縦横の比率、即ちアスペクト比が１．５以下のものを指し、又鱗片状銀粉とはアスペクト比が２．０以上を指す。
【００１０】
銀粉を高充填化するために、ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉が好ましく、鱗片状銀粉のＴＡＰ密度が、４．２ｇ／ｃｍ3未満だと、いわゆる嵩が大きく、充填量を増やすと著しい塗布作業性の低下を生じ好ましくない。ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上だと高充填化することができ、より高い熱伝導性を得ることができるので好ましい。
本発明で言うＴＡＰ密度とは、１００ｍｌのメスシリンダーに５０ｇの銀粉を入れ、３０００回タッピングした後の容積から求めたものである。
本発明で用いる鱗片状銀粉は基本的に還元法、電解法、アトマイズド法、粉砕法等で得られた原料銀粉をジェットミル、ロールミル、ボールミルなどで機械的に粉砕して得ることができる。銀粉のＴＡＰ密度は粒子形状と粒度分布によりほぼ決まるが、これらを決定するのはこの一連の工程の中で原料銀粉の粒径、粉砕条件を制御することによりＴＡＰ密度を高くしたり、低くしたりして、目的の鱗片状銀粉を得ることができる。
【００１１】
本発明では、ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉を全樹脂ペースト中３０重量％以上含み、かつ全鱗片状銀粉含有量が８０〜９４重量％のものが望ましい。樹脂ペースト中の鱗片状銀粉が３０重量％未満だと高充填化が難しくなり好ましくない。更に全鱗片状銀粉含有量が樹脂ペースト中８０重量％未満だと充分な熱伝導性を得ることはできず、一方９４重量％を越えると熱伝導性には優れるもののＴＡＰ密度を高くしても粘度が高くなり過ぎ、塗布作業性が著しく低下するので好ましくない。
ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉と併用する場合の銀粉としては、ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3未満の鱗片状銀粉がある。ＴＡＰ密度が４．２ｇ／ｃｍ3以上の鱗片状銀粉を始め、本発明で用いる銀粉の最大粒径は３０μｍ以下が望ましい。３０μμｍを越えると塗布時にニードル詰まりをおこし、塗布作業性が著しく低下するため好ましくない。
【００１２】
本発明に用いる常温で液状である熱硬化性樹脂としては、特に限定しないが、例えばエポキシ樹脂、アクリレート樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。これらの樹脂は、単独でも混合して用いてもよい。これらの熱硬化性樹脂の内で硬化剤を必要とするものについては、所望の特性に適合したものを適宜選択すればよい。
本発明の樹脂ペーストを用いて製造される半導体装置は、その製造工程内に半導体素子とリードフレームを金線で繋ぐワイヤーボンディングと言う工程があり、この工程において１５０〜２５０℃の温度がかかるため、熱可塑性樹脂を用いた場合、この温度では軟化してしまい、半導体素子が外れてしまう恐れがあるため、熱硬化性樹脂が好ましく、硬化方法、硬化温度等の用途により使い分ければよい。
常温で液状である熱硬化性樹脂を用いるのは、液状成分の中に銀粉を高充填化し満足できる熱伝導性を得るためである。常温で液状である熱硬化性樹脂を使用しなければ、満足できる熱伝導性が得られる銀粉の充填量を実現することはできない。又常温で固形の樹脂は、そのままでは銀粉を配合することができないために有機溶剤を使用する必要があり、この有機溶剤は揮発性が高いことから硬化時に急激に揮発し、ボイドが発生し樹脂ペーストの硬化物の熱伝導性を低下させるため、固形の熱硬化性樹脂は望ましくない。但し固形の熱硬化性樹脂でも有機溶剤に容易に溶解し、塗布作業性に影響のない粘度であれば、常温で液状の熱硬化性樹脂と併用してもよい。
【００１３】
本発明の樹脂ペーストには必要に応じて、硬化剤、硬化促進剤、顔料、消泡剤などの添加剤を用いることができる。本発明の製造方法は、例えば各成分を予備混練した後、三本ロールを用いて混練し、樹脂ペーストを得て真空下脱泡することなどがある。
本発明の樹脂ペーストを用いて製造された半導体装置は、信頼性が高い半導体装置である。半導体装置の製造方法は従来の公知の方法を用いることができる。
【００１４】
【実施例】
以下に本発明を実施例で具体的に説明する。
実施例１〜１１
・エポキシ樹脂Ａ（ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（常温で液状）／ｔ−ブチルフェニルグリシジルエーテル（常温で液状）／フェノールノボラック樹脂／１，８―ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン―７（以下、ＤＢＵという）＝１００／９０／３０／０．２（重量部））
・エポキシ樹脂Ｂ（芳香族アミン型液状エポキシ樹脂（常温で液状）／ｔ−ブチルフェニルグリシジルエーテル（常温で液状）／フェノールノボラック樹脂／ＤＢＵ＝１００／９０／３０／０．２（重量部））
・エポキシ樹脂Ｃ（軟化点８０℃の固形オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂／ｔ−ブチルフェニルグリシジルエーテル（常温で液状）／フェノールノボラック樹脂／ＤＢＵ＝１００／９０／３０／０．２（重量部））
・アクリレート樹脂（ポリブタジエン（常温で液状）／ラウリル酸アクリルエステル／過酸化物＝１００／７０／３（重量部））
・シアネート樹脂（テトラメチルビスフェノールＦ型シアネートエステル（常温で液状）／ノニルフェノール／コバルト−アセトキシアセトネート＝１００／２／２（重量部））
・シリコーン樹脂(ビニル型シリコーン樹脂（常温で液状）／白金触媒＝１００／０．５（重量部）)と
・銀粉Ｄ（鱗片状、ＴＡＰ密度＝４．４ｇ／ｃｍ3）
・銀粉Ｅ（鱗片状、ＴＡＰ密度＝５．２ｇ／ｃｍ3）
・銀粉Ｆ（鱗片状、ＴＡＰ密度＝５．６ｇ／ｃｍ3）
・銀粉Ｇ（鱗片状、ＴＡＰ密度＝３．６ｇ／ｃｍ3）
を表１に示す重量割合で配合し、３本ロールで混練して樹脂ペーストを得た。この樹脂ペーストを真空チャンバーにて２ｍｍＨｇで３０分脱泡後、以下に示す方法により各種性能を評価した。評価結果を表１に示す。
【００１５】
評価方法
・粘度：Ｅ型粘度計（３°コーン）を用い、２５℃、２．５ｒｐｍでの測定値。
・３日後粘度：２５℃恒温糟に３日放置した後、Ｅ型粘度計を用い、２５℃、２．５ｒｐｍでの測定値。
・チキソ比：Ｅ型粘度計を用い、２５℃での０．５ｒｐｍの測定値と２．５ｒｐｍの測定値の比率。
・体積抵抗率：スライドガラス上に樹脂ペーストを幅４ｍｍ、厚み３０μｍに塗布し１５０℃オーブン中で６０分間硬化した後の硬化物の体積抵抗率を測定した。
・２５０℃熱時接着強度：２ｍｍ角のシリコンチップを樹脂ペーストを用いて銀メッキした銅フレームにマウントし１５０℃のオーブン中で６０分間硬化した。硬化後、プッシュプルゲージを用い２５０℃での熱時ダイシェア強度を測定した。
・ボイド：樹脂ペーストを用いて、６ｘ６ｍｍのガラスチップを金属フレームにマウントし硬化後、目視で確認した。
・熱伝導率：直径２〜３ｃｍ、厚み１〜２ｃｍの円盤状硬化物試料を作製し、レーザーフラッシュ法により熱拡散係数を求めて、更に比熱、密度から熱伝導率を算出した。
・糸引き性：自動ディスペンサーで塗布した時のペーストの糸引き具合を目視で観察した。
・たれ性：糸引き性評価の際に塗布を中断して、そのまま放置して３０分後にノズルから樹脂ペーストがたれたか目視で確認した。
・総合評価：粘度、チキソ比、体積抵抗率、接着強度、ボイド、熱伝導率、糸引き性及びたれ性の全てが良好なものを○、１つでも不満足なものを×とした。
【００１６】
比較例１〜９
比較例１〜６は、実施例と同様にして、表２に示す配合割合で樹脂ペーストを作製した。
比較例１；銀粉の充填量が８０重量％未満の場合、粘度が低く、又導電性がよくない。
比較例２；銀粉の充填量が９２重量％を越えた場合、粘度が高く、糸引き性が悪化する。
比較例３；TAP密度が３．６ｇ／ｃｍ3の鱗片状銀粉である銀粉Ｇを使用した場合、８０重量％の充填量でも粘度が高くなり、糸引き性が充分ではない。
比較例４、５；銀粉Ｈ（球状、ＴＡＰ密度＝５．８ｇ／ｃｍ3）を使用するとチキソ性が低く、ペーストのたれが発生した。
比較例６；銀粉Ｄの充填量が３０重量％未満だと粘度が高くなり、糸引き性が悪化した。
比較例７、８；熱硬化性樹脂に代え、熱可塑性樹脂を溶解する有機溶剤に溶解し、それと銀粉を３本ロールを使用して作製した。この場合、熱時の接着強度が著しく低下した。
比較例９；  有機溶剤を配合した場合、硬化後に著しいボイドの発生が確認され熱伝導性が低下した。
【００１７】
【表１】
0003759383.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003759383.tif 000003
【００１９】
【発明の効果】
本発明の導電性樹脂ペーストは作業性に優れ、これを用いた半導体装置は導電性及び熱放散性に優れており、半田代替が可能である。