JP2002265794A

JP2002265794A - 高効率に熱伝導する樹脂組成物

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Publication number: JP2002265794A
Application number: JP2001063856A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Yuda; 敏秀湯田; Kinpei Isobe; 錦平磯部; Hideki Maruyama; 英樹丸山; Hiroyuki Fukuyama; 博之福山; Kenichi Suzuki; 憲一鈴木; Osamu Suzuki; 理鈴木; Kazuo Muramatsu; 和郎村松
Original assignee: Namics Corp; Niigata Prefecture
Current assignee: Namics Corp; Niigata Prefecture
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-09-18
Anticipated expiration: 2021-03-07
Also published as: JP4845276B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐湿性の高い半導体チップ用の高効率に熱伝
導する樹脂組成物を提供することである。【解決手段】合成樹脂及び熱伝導性充填材を含有する
樹脂組成物において、前記熱伝導性充填材が、表面に酸
化アルミニウム被覆層を有する窒化アルミニウムであ
り、樹脂組成物の総量１００重量部当り、３０〜９０重
量部含有することを特徴とする高熱伝導性樹脂組成物で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップ封
止用又は接着性の樹脂組成物に関し、特に、半導体チッ
プと基板の間を封止する封止用樹脂組成物及び半導体上
に放熱フィンを設置するための接着性樹脂組成物に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の更なる軽薄短小廉化が
求められている。そのため、集積回路（ＩＣ）の小型
化、高密度化及び高速化の検討が続けられている。ＩＣ
の高集積化に伴い、半導体チップの発熱量が増加し、熱
対策が重要な問題となっている。その一例として、絶縁
性と熱伝導性の双方に優れた材料を用いて、半導体チッ
プの熱を外部に逃す方法がある。例えば、金属板を絶縁
層で覆った基板を用いる金属芯入りプリント配線板（Me
tal Core PWB）、高密度の可撓性ＰＷＢ（ＦＰＣ）の部
品搭載部分にアルミニウム板を設置した複合ＰＷＢ（Ｌ
ＡＭＰＡＣ板（商標））等が挙げられる。その他の例と
して、平面状ヒートパイプ表面に形成した導体パターン
に、チップを表面実装し、チップの熱をヒートポンプで
放熱領域に運び、放熱フィン等で待機中に放散させるヒ
ートパイプ構造方式等がある。

【０００３】しかし、上記の方法は、伝熱材又は放熱部
を別に設置する必要があるため、電子機器の小型化に大
きな制約となっていた。そこで、封止用樹脂組成物自体
の熱伝導性を利用して、基板側に熱を放散させる方法が
検討されている。

【０００４】例えば、特開平１−１３９６４８には、熱
伝導性の改良を行うために、注型用又は接着性樹脂組成
物において、シリカ（二酸化ケイ素）粉末及びアルミナ
（酸化アルミニウム）粉末に代えて、窒化アルミニウム
粉末を充填材として用いることが記載されている。その
熱伝導率は、０．０６〜０．１cal・(cm・s・℃)^-1〔２
５．１〜４１．９W・(m・℃)^-1〕と、窒化アルミニウムの
みを用いるため、耐湿性に問題がある。また、例示され
た組成はモールデイングコンパウンド用であり、フリッ
プチップ構造におけるアンダーフィル用の樹脂には用い
ることができない。

【０００５】特開平４−１９２４４６には、樹脂封止型
半導体装置において、熱膨張性を改善する溶融シリカを
用いて、半導体チップに加わる応力を低減することが記
載されている。また、熱伝導性はアルミナを用いて向上
させ、アルミナによる装置の摩耗は、アルミナの先端角
を９０°以上として低減させることが記載されている。
その熱伝導率は、５４〜５９×１０^-4cal・(cm・s・℃)^-1
〔２．２６〜２．４７W・(m・℃)^-1〕である。しかし、例
示された組成はモールデイングコンパウンド用であり、
フリップチップ構造におけるアンダーフィル用樹脂とし
て用いることができない。

【０００６】特開平１−２４２４４２には、窒化アルミ
ニウムの水分による変質を防止するため、シランカップ
リング剤を用いて、表面を疎水性に改質することが記載
されている。しかし、窒化アルミニウムの表面処理は湿
式で処理するため、粒子同士が融着するという問題が、
また、粒子を解砕する際に、未処理表面が露出され、湿
度に対する劣化が起るという欠点がある。

【０００７】特開平５−３４７３６９には、エポキシ樹
脂又はシリコーン樹脂を用いた封止において、１〜１０
０μmのダイヤモンド粒子又はガラス被覆ダイヤモンド
粒子を充填材として用いることが開示されている。それ
により、熱伝導性が高く、湿度による劣化のない封止が
可能である。しかし、ダイヤモンドが高価であるため、
実用的ではない。また、粒子の角部での傷付きを防止す
るために、ガラスで被覆することが記載されている。更
に、液状封止剤として用いることはできず、また、ダイ
ヤモンド粒子の表面は球状ではないため、封止の際、チ
ップ表面に傷を付けるという欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、安
価、かつ湿度に影響を受けず、高効率に熱伝導する樹脂
組成物を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、本発明を想
到したものである。本発明は、合成樹脂及び熱伝導性充
填材を含有する樹脂組成物において、前記熱伝導性充填
材が、表面に酸化アルミニウム被覆層を有する窒化アル
ミニウムであり、樹脂組成物の総量１００重量部当り、
３０〜９０重量部含有することを特徴とする高熱伝導性
樹脂組成物である。

【００１０】

【発明の実施の形態】下記に本発明を実施の形態の例を
用いて、より詳細に説明するが、これらは本発明をいか
なる意味においても限定するものではない。

【００１１】本発明の樹脂組成物は、合成樹脂、熱伝導
性充填材及び任意の添加剤を含んでいる。本発明の合成
樹脂は、熱硬化性の樹脂であれば限定されない。例え
ば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、フラン
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹
脂、オキシラン環含有化合物（エポキシ樹脂を含む）、
ウレタン樹脂、ケイ素樹脂、アルキド樹脂、オキセタン
環含有化合物、ビスマレイミド樹脂、これらの変性物、
変成物、これらの混合物などが挙げられる。

【００１２】本発明では、オキシラン環含有化合物とし
て、エポキシ樹脂のほか、分子中に１以上のオキシラン
環を有する反応性希釈剤、シラン化合物、シロキサン化
合物を用いることができる。エポキシ樹脂は、例えば、
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビニル（３，４−シ
クロヘキセン）ジオキシドのような脂環式エポキシ樹
脂、ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルのようなグリシ
ジルエステル型エポキシ樹脂、ジグリシジルアニリンの
ようなグリシジルアミン型エポキシ樹脂、１，３−ジグ
リシジル−５−メチル−５−エチルヒダントインのよう
なヒダントイン型エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキ
シ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、エーテル系又はポ
リエーテル系エポキシ樹脂、オキシラン環含有ポリブタ
ジエン、シリコーンエポキシ共重合体樹脂などが挙げら
れる。液状封止剤としては、粘度が、０．１〜１０Pa・s
であることが好ましい。

【００１３】オキセタン環含有化合物としては、３−エ
チル−３−ヒドロキシメチルオキセタンのようなモノオ
キセタン化合物、ビス｛〔エチル（３−オキセタニ
ル）〕メチル｝エーテルのようなジオキセタン化合物、
オリゴ（グリシジルオキセタン−ｃｏ−フェニルグリシ
ジルエーテル）のような多オキセタン化合物が挙げられ
る。粘度が低くて取扱いやすく、かつ高い反応性を示す
ことから、１，４−ビス〔エチル（３−オキセタニル）
メトキシメチル〕ベンゼンが好ましい。

【００１４】本発明でオキシラン環含有化合物又はオキ
セタン環含有化合物を用いる場合、硬化剤を制限される
ことなく用いることができる。充填材の量及び樹脂組成
物の流動性を考えた場合、硬化剤として酸無水物が好ま
しい。例えば、芳香族酸無水物、環状脂肪族酸無水物、
脂肪族酸無水物、ハロゲン化酸無水物、これらの混合物
などが挙げられる。メチルテトラヒドロフタル酸無水
物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルナジッ
ク酸無水物、メチルエンドメチレンテトラヒドロフタル
酸無水物、ドデセニルコハク酸無水物が好ましい。酸無
水物の配合量は、オキシラン環含有化合物及びオキセタ
ン環含有化合物の等量に対し、５０〜９５モル％が好ま
しい。

【００１５】本発明に用いる硬化促進剤は、公知の硬化
剤を用いることができる。例えば、第三アミン化合物の
ようなアミン類、ポリアミド樹脂、イミダゾール類、ヒ
ドラジド、ルイス酸塩、カチオン触媒などを用いること
ができる。

【００１６】本発明の樹脂組成物に充填させる充填材
は、窒化アルミニウムである。平均粒径は、０．２〜１
５μmが好ましく、０．５〜１０μmがより好ましい。粒
径が大きい場合は、封止用樹脂組成物が半導体チップと
基板の間に均一に流れ込まない。粒径が微小過ぎる場合
は、窒化アルミニウムの充填量が小さくなり、熱伝導性
が小さくなる。接着性樹脂組成物として使う場合は、微
粒子の窒化アルミニウムを用いると、接着性樹脂組成物
層の厚みが薄くなり、熱伝導が大きくなり放熱性が高く
なる。本発明の充填材の純度は、９０〜１００％が好ま
しく、９５〜１００％がより好ましい。

【００１７】表面の酸化アルミニウム被覆層の厚さは、
１０〜２０００nmが好ましく、２０〜１０００nmがより
好ましい。窒化アルミニウムの吸湿分解防止のため、酸
化アルミニウムで被覆している。本発明の充填材の配合
量は、多い方が好ましいが、作業性を考慮すると、樹脂
組成物の総量１００重量部当り、３０〜９０重量部が好
ましく、５０〜９０重量部がより好ましい。これに加え
て、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素などを併用すること
ができ、溶融シリカ、溶融アルミナ、窒化ケイ素が好ま
しい。

【００１８】本発明の充填材の被覆層は、窒化アルミニ
ウムを、プラズマ炉、例えば酸素―アルゴンプラズマ炉
に通すことにより、その表面を酸化させて、酸化アルミ
ニウム層を１０〜２０００nm形成させる。

【００１９】表面に強固な酸化アルミニウム層が形成さ
れることで窒化アルミニウムが水分で加水分解を受け、
アンモニアと水酸化アルミニウムに分解することが防止
できる。更に、破砕状の形状を、球状に変えることがで
きる。このような窒化アルミニウムを用いることによ
り、水分の影響を受けず、封止用樹脂組成物に用いても
半導体チップ表面を傷つけることがない。

【００２０】プラズマ炉に用いる酸素−アルゴン混合ガ
スの割合は、酸素／アルゴン比で、０．１／９９．９〜
２０／８０が好ましく、０．２／９９．８〜１０／９０
がより好ましい。プラズマ温度は、１０００〜１０００
０℃の範囲が好ましく、２０００〜９０００℃の範囲が
より好ましい。プラズマ炉の通過時間は、０．０１〜
０．５秒が好ましく、０．０５〜０．１秒がより好まし
い。

【００２１】酸素濃度が低く、プラズマ温度が低い場合
は、窒化アルミニウムの滞留時間が長くなり、酸素濃度
が高く、プラズマ温度が高い場合は滞留時間は短くな
る。プラズマ温度及び酸素濃度、更に滞留時間を制御す
ることにより、所望厚さの表面の酸化層を形成して、耐
湿性を改善し、そして形状を球状に形成して適用物の表
面を傷付き防止を達成する。プラズマ炉は、公知の炉を
用いることができる。しかし、酸素を用いることから、
プラズマトーチ式の炉が好ましい。高周波誘導プラズマ
炉（ＲＦプラズマ炉）、又は直流プラズマのプラズマフ
レームがより好ましい。

【００２２】本発明の充填材である窒化アルミニウム
は、表面に熱伝導性の高い酸化アルミニウム層を有する
ため、シランカップリング剤又はリン酸で処理した場合
のように、熱伝導性の低下を生起する層が生成しないと
いう利点がある。

【００２３】本発明の樹脂組成物には、所望の性質を適
宜制御するため、任意に添加剤を添加することができ
る。例えば、分散性の向上のため、分散助剤を添加する
ことができる。１％以下の溶剤の添加は封止用樹脂組成
物の注入性の向上に寄与し、ボイドの発生もない。

【００２４】本発明の樹脂組成物は、原料を、所定の配
合で、ライカイ機、ポットミル、三本ロールミル、回転
式混合機、二軸ミキサーなどの混合機に投入し、混合さ
せて、製造することができる。

【００２５】本発明の樹脂組成物は、半導体の封止材料
として用いることができる。例えば、フリップチップ方
式で、接続された半導体チップと基板の隙間にデイスペ
ンサーなどを用いて、本発明の樹脂組成物を横から注入
し、硬化させる。また、基板にデイスペンサーなどを用
いて、半導体チップの大きさに合せて、本発明の樹脂組
成物を塗布し、チップボンダーなどを用いて、加熱、は
んだ接続をした後、硬化させることもできる。

【００２６】本発明の樹脂組成物は、ＩＣ、ＬＳＩ、Ｖ
ＬＳＩなどの半導体や、それらを含むデバイスの封止、
放熱フィンの接着などに広く適用できる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を、実施例によって更に詳細に
説明する。本発明は、これらの実施例によって限定され
るものではない。なお、実施例中、配合量の単位は、特
に断らない限り、重量部である。

【００２８】実施例１（ａ）平均粒径１０μmの窒化アルミニウム粉末（粒
径０．１〜２０μm、、破砕状）をプラズマ炉に通し
た。ＲＦプラズマ炉の内部は、酸素５、アルゴン９５の
比率を有する混合気体を循環し（酸素濃度５％）、出力
３０kW（プラズマ温度約６０００℃）に設定した。ガス
流量により、窒化アルミニウムのＲＦプラズマ炉内滞留
時間を０．０５秒に制御した。表面酸化処理窒化アルミ
ニウムをサイクロンで捕集した。微粉をフィルターでト
ラップした。実験に用いた窒化アルミニウムは、サイク
ロンで捕集したものを使用した。ＥＳＣＡ（Ｘ線電子分
光法）により、表面の酸素濃度を測定し、被覆酸化アル
ミニウム層の厚みを算出した。結果を、表１に示す。図
１に、実施例１の表面被覆窒化アルミニウムの形状写真
を示す。図３に、原料の窒化アルミニウムの形状写真を
示す。

【００２９】（ｂ）粘度（２５℃）６Pa・ｓで、１２５
℃における揮発成分が１．２％であるビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂とビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１：
１の混合物１２重量部、実施例１（ａ）の窒化アルミニ
ウム７０重量部、メチルテトラヒドロフタル酸無水物１
５重量部、２−エチル−４−メチルイミダゾール１．６
重量部、シランカップリング剤１．４重量部を均一混合
して、封止用樹脂組成物を形成した。得られた樹脂組成
物を、ＦＲ４基板にはんだ接続された１０mm角のエリア
アレイＴＥＧチップに注入し、１５０℃で３０分間硬化
させた。ＪＥＤＥＣレベル３（相対湿度６０％、温度３
０℃、１９２時間）の吸湿後、２３０℃ではんだリフロ
ー炉に５秒間３回通した。デラミネーションの有無を、
ＳＡＴ（米国ＳＯＮＩＸ社製Scanning Acoustic Micros
cope）で観察した。デラミネーションの発生は認められ
なかった。その後、相対湿度８５％、温度８５℃の条件
下、窒化ケイ素パッシベーション膜を持つＴＥＧによる
耐湿試験に行った。１０００時間以上経過後も断線は観
察されなかった。熱伝導性を、レーザーフラッシュ法に
て測定した。結果を表２に示す。

【００３０】実施例２酸素濃度３％及びプラズマ温度７０００℃に設定した以
外は、実施例１と同様にして、表面被覆窒化アルミニウ
ム及び樹脂組成物を形成した。

【００３１】実施例３酸素濃度１０％、プラズマ温度３０００℃、そしてプラ
ズマ炉内滞留時間０．０４秒に設定した以外は、実施例
１と同様にして、表面被覆窒化アルミニウム及び樹脂組
成物を形成した。

【００３２】実施例４酸素濃度２％及びプラズマ温度８０００℃に設定した以
外は、実施例１と同様にして、表面被覆窒化アルミニウ
ム及び樹脂組成物を形成した。

【００３３】比較例１酸素濃度５％、プラズマ温度８００℃、そしてプラズマ
炉内滞留時間０．０３秒に設定した以外は、実施例１と
同様にして、表面被覆窒化アルミニウム及び樹脂組成物
を形成した。比較例１の窒化アルミニウムの形状写真を
図２に示す。

【００３４】比較例２酸素濃度０．０５％、プラズマ温度１２００℃、そして
プラズマ炉内滞留時間０．１秒に設定した以外は、実施
例１（ａ）と同様にして、表面被覆窒化アルミニウムを
形成した。得られた表面被覆窒化アルミニウムを６５重
量部用いた以外は、実施例１（ｂ）と同様にして、封止
用樹脂組成物を得た。

【００３５】比較例３酸素濃度５％、プラズマ温度１００００℃、そしてプラ
ズマ炉内滞留時間０．４秒に設定した以外は、実施例１
と同様にして、表面被覆窒化アルミニウム及び樹脂組成
物を形成した。

【００３６】実施例１〜３及び比較例１〜３の結果を、
表１及び２に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】本発明の実施例の表面被覆窒化アルミニウ
ムは、所望の厚さで酸化アルミニウムにより被覆されて
いた。本発明の樹脂組成物は、熱伝導性に優れ、かつ耐
湿性にも優れ、１０００時間以上経過しても、断線は観
察されなかった。また、デラミネーションも観察されな
かった。比較例１及び２は、表面の酸化アルミニウム層
が薄く、耐湿試験で断線が見られデラミネーションが起
きた。比較例３は、酸化アルミニウム層が厚く、熱伝導
率が劣った。また、デラミネーションは見られなかっ
た。

【００４０】実施例５ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とビスフェノールＦ型
エポキシ樹脂１：１の混合物８．３重量部、メチルテト
ラヒドロフタル酸無水物１０重量部、実施例１の表面被
覆窒化アルミニウム８０重量部、２−エチル−４−メチ
ルイミダゾール０．５重量部、シランカップリング剤
１．０重量部を均一混合して、接着性樹脂組成物を形成
した。得られた樹脂組成物で、放熱フィンを１０mm角の
半導体チップ上に係合させ、放熱フィン付き半導体チッ
プ１を得た。

【００４１】実施例６実施例２の表面被覆窒化アルミニウムを用いた以外は、
実施例５と同様にして、樹脂組成物を形成した。得られ
た樹脂組成物を用いて、放熱フィン付き半導体チップ２
を得た。

【００４２】実施例７ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とビスフェノールＦ型
エポキシ樹脂１：１の混合物６．３重量部、メチルテト
ラヒドロフタル酸無水物７．５重量部、実施例３の表面
被覆窒化アルミニウム８５重量部、２−エチル−４−メ
チルイミダゾール０．５重量部、シランカップリング剤
０．５重量部、ブチルカルビトール２重量部を用いた以
外は、実施例５と同様にして、樹脂組成物を形成した。
得られた樹脂組成物を用いて、放熱フィン付き半導体チ
ップ３を得た。

【００４３】得られた実施例５〜７の樹脂組成物の粘
度、及び放熱フィン付き半導体チップの熱伝導率を測定
した。結果を、表３に示す。

【００４４】

【表３】

【００４５】表３に示すように、本発明の接着性樹脂組
成物は優れた熱伝導率を有している。ブチルカルビトー
ルを添加したことにより、実施例３はペースト粘度も低
くなり、注入速度が速く、ボイドの発生もなかった。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、耐湿性に優れ、高熱伝
導性であり、かつ半導体デバイス表面の回路にダメージ
を与えない樹脂組成物が得られる。本発明の樹脂組成物
は、上記の利点を生かして、ＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩな
どの半導体や、それらを含むデバイスの封止、放熱フィ
ンの接着などに広く適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面被覆窒化アルミニウムの形状写真
である。

【図２】本発明と比較する表面被覆窒化アルミニウムの
形状写真である。

【図３】原料の窒化アルミニウムの形状写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者湯田敏秀新潟県新潟市鐙西１丁目11−１新潟県工業技術総合研究所研究開発センター内 (72)発明者磯部錦平新潟県新潟市鐙西１丁目11−１新潟県工業技術総合研究所研究開発センター内 (72)発明者丸山英樹新潟県新潟市鐙西１丁目11−１新潟県工業技術総合研究所研究開発センター内 (72)発明者福山博之東京都目黒区大岡山２−12−１東京工業大学大学院理工学研究科内 (72)発明者鈴木憲一新潟県新潟市濁川3993番地ナミックス株式会社内 (72)発明者鈴木理新潟県新潟市濁川3993番地ナミックス株式会社内 (72)発明者村松和郎新潟県新潟市濁川3993番地ナミックス株式会社内Ｆターム(参考） 4J002 BF051 BH021 CC031 CC041 CC161 CC181 CD001 CF011 CF211 CH031 CK021 CP031 DF016 FB076 GQ05 4M109 AA01 BA03 CA05 EB12 EB17 EC01 EC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】合成樹脂及び熱伝導性充填材を含有する
樹脂組成物であって、前記熱伝導性充填材が、表面に酸
化アルミニウム被覆層を有する窒化アルミニウムであ
り、樹脂組成物の総量１００重量部当り、３０〜９０重
量部含有することを特徴とする高熱伝導性樹脂組成物。
【請求項２】前記被覆層の厚さが、１０〜２０００nm
である、請求項１記載の組成物。
【請求項３】前記被覆層を、プラズマ処理で形成し
た、請求項１又は２記載の組成物。
【請求項４】前記被覆層が、温度１０００〜１０００
０℃、酸素とアルゴンの割合０．１：９９．９〜２０：
８０の範囲の条件下、プラズマ炉を用いて形成された、
請求項１〜３のいずれか１項記載の組成物。
【請求項５】前記充填材の平均粒径が、０．３〜１５
μmである、請求項１〜４のいずれか１項記載の組成
物。
【請求項６】前記充填材の形状が、球状である、請求
項１〜５のいずれか１項組成物。