JP2004047174A - 導電性ペースト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(A)銀粉、(B)炭素繊維および(C)熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストであって、炭素繊維が平均繊維径10〜1000nm、平均繊維長1〜50μm、熱伝導率500W/mK以上、アルカリ金属イオン含有量10ppm以下であり、かつ全導電性ペースト中の銀粉が70〜90重量%、炭素繊維が0.01〜20重量%であることを特徴とする導電性ペースト。
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、IC、LSI等の半導体素子を金属フレームやプリント配線基板等に接着固定する高信頼性、高熱伝導性の導電性ペーストに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エレクトロニクス業界の最近の著しい発展により、トランジスター、IC、LSI、超LSIと進化してきており、これら半導体素子に於ける回路の集積度が急激に増大すると共に大量生産が可能となり、これらを用いた半導体製品の普及に伴って、その量産に於ける作業性の向上並びにコストダウンが重要な問題となってきている。従来半導体素子を金属フレーム等の導体にAu−Si共晶法により接合し、次いでハーメチックシールによって封止して、半導体製品とするのが通常であった。しかし量産時の作業性、コストの点から、樹脂封止法が開発され、現在では一般化され、マウント工程に於けるAu−Si共晶法の改良として樹脂ペースト即ち導電性ペーストによる方法が採用されるようになった。又半導体素子の高密度化、大容量化に伴い導電性ペースト自体の導電性や熱伝導性が従来の半田金属並の特性が求められるようになっている。
【0003】
このような高信頼性の導電性ペーストとしては熱可塑性樹脂を有機溶剤に希釈して、銀粉等の金属フィラーを高充填して導電性ペーストにする方法等が検討されているが高熱伝導性や電気伝導性を確保するために金属フィラーを極力多く配合すると粘度が高くなり、塗布作業性が低下したり、粘度低下のために添加する有機溶剤が加熱時に飛散しボイドの原因となって接続部の熱伝導性の低下や電気抵抗の上昇などの不具合があった
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半田に匹敵する熱伝導性と電気伝導性とを備え、高温半田リフロー工程においても半導体特性を低下させることのない高信頼性の導電性ペーストを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
[1] (A)銀粉、(B)炭素繊維および(C)熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストであって、炭素繊維が平均繊維径10〜1000nm、平均繊維長1〜50μm、熱伝導率500W/mK以上、アルカリ金属イオン含有量10ppm以下であり、かつ全導電性ペースト中の銀粉が70〜90重量%、炭素繊維が0.01〜20重量%であることを特徴とする導電性ペースト、
[2] 熱硬化性樹脂が、23℃で液状であるエポキシ樹脂、アクリレート化合物、メタクリレート化合物から選ばれる第[1]項記載の導電性ペースト、
[3] 炭素繊維が、気相成長法で製造されてなる第[1]項または[2]項記載の導電性ペースト、
[4] 第[1]項〜[3]項のいずれかに記載の導電性ペーストの硬化物の塩素イオン含有量が、50ppm以下/(硬化物1g)であることを特徴とする導電性ペースト、
である。
【0006】本発明に用いられる銀粉の含有量は、全導電性ペースト中70〜90重量%である。70重量%未満だと熱伝導性や電気伝導性が低くなり90重量%を越えるとディスペンス作業性が低下する。使用する銀粉としては、ハロゲンイオン、アルカリ金属イオンなどのイオン性不純物の含有量は、10PPm以下であることが好ましい。また銀粉の形状としては、フレーク状、樹枝状や球状などが用いられる。必要とする導電性ペーストの粘度により、使用する銀粉の粒径は異なるが、通常平均粒径は2〜10μm、最大粒径50μm程度のものが好ましい。また比較的粗い銀粉と細かい銀粉とを混合して用いることもでき、形状についても各種のものを適宜混合してもよい。
【0007】
本発明に用いられる炭素繊維は、熱伝導性に優れており導電性ペーストの熱伝導性の向上に寄与するものである。銀粉だけでは必要な導電性は、満足させることができてもディスペンス性等の作業性を維持しながら熱伝導性を銀粉だけで出すことは殆んど不可能である。用いられる炭素繊維の含有量は、全導電性ペースト中0.01〜20重量%である。0.01重量%未満の場合は熱伝導性の向上効果に乏しく、20重量%を越えると導電性ペーストの粘度が著しく上昇し作業性が低下する。また使用する炭素繊維の平均繊維径は10〜1000nm、平均繊維長は1〜50μm、熱伝導率は500W/mK以上である。この範囲を外れると導電性ペーストの粘度が高くなったり、ノズル詰まりが発生して作業性が極端に低下し、熱伝導性の向上効果が小さくなる。さらに炭素繊維に含有されるアルカリ金属イオン量は、10ppm以下である。10ppmを越えると半導体の高温高湿下での信頼性が低下する。アルカリ金属イオン含有量は、炭素繊維約2gを精秤し、20mlの純水で120℃、2.1atmの条件で抽出し濾過した後イオンクロマトグラフィーによりNa、Kなどのアルカリ金属イオン量を測定して炭素繊維1g当たりに換算して求めた。
本発明に用いられる炭素繊維は、その製造法は特に限定されるものではないが気相成長法で製造されたものが、高熱伝導率のものが得られやすく、またコスト的にも有利なため好ましい。
【0008】
本発明に用いられる熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリレート化合物、メタクリレート化合物、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、メラミン樹脂などが挙げられ、特に限定されるものではないが、好ましくは硬化性や接着性に優れている23℃(室温)において液状であるエポキシ樹脂、アクリレート化合物、メタクリレート化合物が望ましい。本発明における熱硬化性樹脂には、該当する樹脂を熱硬化するのに必要な最低限の物質も含み、例えばエポキシ樹脂に必要な硬化剤、アクリレート化合物、メタクリレート化合物に必要なラジカル系開始剤が挙げられる。エポキシ樹脂、アクリレート化合物、メタクリレート化合物は、各々単独でも2種類以上組み合わせて用いてもよい。エポキシ樹脂、アクリレート化合物、メタクリレート化合物が23℃で液状である必要があるが、これは導電性ペーストとしての作業性を確保するためである。
【0009】
エポキシ樹脂は、23℃で液状であれば特に限定されるものではないが、例えばビスフェノールA、ビスフェノールF、フェノールノボラック、クレゾールノボラック類とエピクロルヒドリンとの反応により得られるポリグリシジルエーテル、ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル等の脂肪族エポキシ、ジグリシジルヒダントイン等の複素環式エポキシ、ビニルシクロヘキセンジオキサイド、ジシクロペンタジエンジオキサイド、アリサイクリックジエポキシーアジペイトのような脂環式エポキシがあり、これらの内の1種類あるいは複数種組み合わせて用いることができる。また液状エポキシの特性を損なわない範囲内で、室温で固形であるエポキシ樹脂を配合してもよい。
【0010】
またエポキシ樹脂の硬化剤も特に限定されるものではないが、例えばアジピン酸ジヒドラジド、ドデカン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド、P−オキシ安息香酸ジヒドラジド等のカルボン酸ジヒドラジドやジシアンジアミド、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、テトラメチルビスフェノールA、テトラメチルビスフェノールF、テトラメチルビスフェノールS、ジヒドロキシジフェニルエーテル、ジヒドロキシベンゾフェノン、o−ヒドロキシフェノール、m−ヒドロキシフェノール、p−ヒドロキシフェノール、ビフェノール、テトラメチルビフェノール、エチリデンビスフェノール、メチルエチリデンビス(メチルフェノール)、シク口へキシリデンビスフェノール、またフェノール、クレゾール、キシレノール等の1価フェノール類とホルムアルデヒドとを稀薄水溶液中強酸性下で反応させることによって得られるフェノールノボラック樹脂、1価フェノール類とアクロレイン、グリオキザール等の多官能アルデヒド類との酸性下の初期縮合物や、レゾルシン、カテコール、ハイドロキノン等の多価フェノール類とホルムアルデヒドとの酸性下の初期縮合物、2−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−C11H23−イミダゾール等の一般的なイミダゾールやトリアジンやイソシアヌル酸を付加し、保存安定性を付与した2,4−ジアミノ−6−{2−メチルイミダゾール−(1)}−エチル−s−トリアジン、またそのイソシアヌル酸付加物等があり、これらのうちの1種類あるいは複数種組み合わせて用いることができる。
【0011】
本発明に用いられるアクリレート化合物、メタクリレート化合物は、23℃で液状であれば特に限定されるものではないが、例えば脂環式(メタ)アクリル酸エステル、脂肪族(メタ)アクリル酸エステル、芳香族(メタ)アクリル酸エステル、脂肪族ジカルボン酸(メタ)アクリル酸エステル、芳香族ジカルボン酸(メタ)アクリル酸エステルなどである。
【0012】
ラジカル開始剤は、特に限定されるものではないが、例えばメチルエチルケトンパーオキサイド、メチルシクロヘキサノンパーオキサイド、メチルアセトアセテートパーオキサイド、アセチルアセトンパーオキサイド、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(t−ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン、1,1−ビス(t−ヘキシルパーオキシ)3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、2,2−ビス(4,4−ジ−t−ブチルパーオキシシクロヘキシル)プロパン、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロドデカン、n−ブチル4,4−ビス(t−ブチルパーオキシバレレート、2,2−ビス(t−ブチルパーオキシ)ブタン、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)−2−メチルシクロヘキサン、t−ブチルハイドロパーオキサイド、P−メンタンハイドロパーオキサイド、1,1,3,3−テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド、t−ヘキシルハイドロパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、α、α‘−ビス(t−ブチルパーオキシ)ジイソプロピルベンゼン、t−ブチルクミルパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキシン−3、イソブチリルパーオキサイド、3,5,5−トリメチルヘキサノイルパーオキサイド、オクタノイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、桂皮酸パーオキサイド、m−トルオイルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ビス(4−t−ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート、ジ−3−メトキシブチルパーオキシジカーボネート、ジ−2−エチルヘキシルパーオキシジカーボネート、ジ−sec−ブチルパーオキシジカーボネート、ジ(3−メチル−3−メトキシブチル)パーオキシジカーボネート、α、α’−ビス(ネオデカノイルパーオキシ)ジイソプロピルベンゼン、クミルパーオキシネオデカノエート、1,1,3,3,−テトラメチルブチルパーオキシネオデカノエート、1−シクロヘキシル−1−メチルエチルパーオキシネオデカノエート、t−ヘキシルパーオキシネオデカノエート、t−ブチルパーオキシネオデカノエート、t−ヘキシルパーオキシピバレート、t−ブチルパーオキシピバレート、2,5−ジメチル−2,5−ビス(2−エチルヘキサノイルパーオキシ)ヘキサン、1,1,3,3−テトラメチルブチルパーオキシ−2−エチルへキサノエート、1−シクロヘキシル−1−メチルエチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ヘキシルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシイソブチレート、t−ブチルパーオキシマレイックアシッド、t−ブチルパーオキシラウレート、t−ブチルパーオキシ3,5,5−トリメチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルモノカーボネート、2,5−ジメチル−2,5−ビス(ベンゾイルパーオキシ)ヘキサン、t−ブチルパーオキシアセテート、t−ヘキシルパーオキシベンゾエート、t−ブチルパーオキシ−m−トルオイルベンゾエート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、ビス(t−ブチルパーオキシ)イソフタレート、t−ブチルパーオキシアリルモノカーボネート、3,3‘,4,4’−テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェノンなどが挙げられるが、これらは単独あるいは硬化性を制御するため2種類以上を組み合わせて用いることもできる。
【0013】
本発明の導電性ペーストの硬化物の塩素イオン含有量が、硬化物1g中50ppm以下であれば高温高湿下に於いて、より高信頼性が要求される半導体装置に最適である。硬化物の塩素イオン含有量は、テフロン(R)シート上に導電性ペーストを塗布し、170℃で、30分間硬化した後、振動ミルで微粉砕した硬化物を約2g精秤し、20mlの純水を加えて120℃、2.1atmの条件で抽出した液を濾過して、イオンクロマトグラフィ−により塩素イオン量を測定して、硬化物1g当たりに換算して求めた。
【0014】
本発明においては、成分(A)〜(C)の他に、必要に応じてシランカップリング剤、チタネートカップリング剤、顔料、染料、消泡剤、界面活性剤、溶剤などの添加剤を用いることができる。本発明の製造法としては、例えば成分(A)〜(C)、その他の添加剤を予備混合後三本ロールなどを用いて混練して導電性ペーストを得た後、真空下脱泡することなどがある。
【0015】
【実施例】
本発明を実施例で具体的に説明する。各成分の配合割合は重量部とする。
実施例1〜8、比較例1〜6
用いる原料成分
・ビスフェノールF型エポキシ樹脂(以下、BPFという):粘度5000mPa・s/23℃、エポキシ当量170
・ビスフェノールA型エポキシ樹脂(以下、BPAという):粘度6800mPa・s/23℃、エポキシ当量190
・反応性希釈剤(以下、t−ブチルフェニルグリシジルエーテルという):粘度400mPa・s/23℃
・フェノール硬化剤(以下、ビスフェノールFという)
・ジシアンジアミド(以下、DDAという)
・イミダゾール化合物:2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール(以下、2P4MHZという)
・アクリレート末端液状ポリブタジエン(BAC−45、大阪有機化学工業(株)、以下、BACという):23℃で液状
・エポキシ変性液状ポリブタジエン(E−1800、日石三菱(株)、以下、E−1800という)
・アクリル酸ラウリルエステル(以下、LAという):23℃で液状
・ジクミルパーオキサイド(パークミルD)
・銀粉
フレーク状銀粉a1:平均粒径2μm、フレーク状銀粉a2:平均粒径5μm・炭素繊維
VGCF−1(昭和電工(株)製):熱伝導率1200W/mK、Naイオン含有量1ppm以下、平均繊維径150nm、平均繊維長10μm
VGCF−2:熱伝導率400W/mK、Naイオン含有量20ppm、平均繊維径150nm、平均繊維長10μm
VGCF−3:熱伝導率1200W/mK、Naイオン含有量1ppm以下、平均繊維径3000nm、平均繊維長20μm
表1、表2に示した組成の各成分を配合し、三本ロールで混練して導電性ペーストを得た。この導電性ペーストを真空チャンバーにて2mmHgで30分間脱泡した後、以下の方法により各特性を評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
【0016】
評価方法
・粘度:E型粘度計(3°コーン)を用い25℃、0.5rpm、2.5rpmでの値を25℃にて測定し粘度とした。異なる回転数での測定値の比をチキソ指数(TI)とした。
・接着強度:2×2mmのシリコンチップを導電性ペーストを介して銅フレームにマウントし170℃で、30分間オーブンで硬化した。硬化後マウント強度測定装置を用い25℃,250℃での熱時ダイシェア強度を測定した。
・塩素イオン含有量:前記した方法による。
・耐湿信頼性不良率:シリコンチップ表面にアルミニウム配線を施した模擬素子を16pinDIP(デュアルインラインパッケージ)のリードフレームに導電性ペーストを介してマウントし170℃で、30分間オーブン硬化した後、金線ボンディングして住友ベークライト(株)製エポキシモールディングコンパウンドEME―6600CSで175℃、2分の条件でトランスファー成形した後、175℃で、4時間後硬化したパッケージをプレッシャークッカー処理(125℃、2.5atm)で500時間処理後のオープン不良率を調べた。
・導電性ペーストの硬化物の熱伝導率(以下、熱伝導率という):厚さ約1mm、半径10mmの円盤型硬化物試験片を作成し、理学電機(株)製レーザーフラッシュ法熱定数測定装置LF/TCM FA815Bを用いて熱拡散率を測定し比熱と比重から熱伝導率を算出した。
・ディスペンス性:加圧式自動ディスペンサーで内径0.1mmのノズルを用いて1000打点塗布を実施し、ノズル詰まりなしで塗布できた打点数を調べた。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
実施例1〜8では、半田に匹敵する熱伝導性と電気伝導性とを備え高温高湿下の信頼性と塗布作業性に優れた導電性ペーストが得られるが、比較例1、3ではアルカリ金属のNaが多く、熱伝導率の小さい炭素繊維を用いたために耐湿信頼性が低下し、硬化物の熱伝導率の向上が不満足であった。比較例2、4では炭素繊維の平均繊維径が大きなものを用いているのでディスペンス性が低下した。比較例5では銀粉含有量が低いので、電気伝導性が低下した。比較例6では炭素繊維が含まれていないので熱伝導性が充分ではなかった。
【0020】
【発明の効果】
本発明により、半田に匹敵する熱伝導性と電気伝導性とを兼ね備え高温高湿下での信頼性と塗布作業性に優れた特性を有する高信頼性の導電性ペーストが得られる。
Claims (4)
- (A)銀粉、(B)炭素繊維および(C)熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストであって、炭素繊維が平均繊維径10〜1000nm、平均繊維長1〜50μm、熱伝導率500W/mK以上、アルカリ金属イオン含有量10ppm以下であり、かつ全導電性ペースト中の銀粉が70〜90重量%、炭素繊維が0.01〜20重量%であることを特徴とする導電性ペースト。
- 熱硬化性樹脂が、23℃で液状であるエポキシ樹脂、アクリレート化合物、メタクリレート化合物から選ばれる請求項1記載の導電性ペースト。
- 炭素繊維が、気相成長法で製造されてなる請求項1または2記載の導電性ペースト。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の導電性ペーストの硬化物の塩素イオン含有量が、50ppm以下/(硬化物1g)であることを特徴とする導電性ペースト。
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