JP2006073812A - ダイボンディングペースト - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップなどの素子をリードフレームに接着させるなどのために使用される、作業性、接着性に優れ、かつ熱伝導性にも優れる銀粉末が高充填されたダイボンディングペーストを提供すること。
【解決手段】（Ａ）分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するポリイミドシリコーン樹脂、及び（Ｂ）銀粉末を含み、かつ前記（Ｂ）成分の銀粉末の比表面積（ＳＡ）が１．３ｍ²／ｇ以下で、かつタップ密度（ＴＤ）が４．０〜７．０ｇ／ｃｍ³のダイボンディングペーストである。
【選択図】なし

Description

本発明は、ダイボンディングペースト、さらに詳しくは、半導体チップなどの素子をリードフレームに接着させるなどのために使用される、作業性及び接着性に優れ、かつ熱伝導性にも優れるダイボンディングペーストに関するものである。

一般に、半導体装置は半導体チップなどの素子をダイボンディング材によりリードフレームに接着して製造している。半導体チップ等の半導体素子は、高集積化および微細化に伴い集積密度が大きくなり、単位面積当たりの発熱量が増加する傾向にある。そのため、半導体素子が搭載された半導体装置においては、半導体素子から発生した熱を外部に効率的に放散する必要があり、ダイボンディング材の熱伝導性の向上が課題となっている。また、従来パワーデバイス用パッケージの素子接着ははんだ接合が主流であるが、環境問題から、はんだの脱鉛化の動きが盛んであり、それに伴い実装用途、ダイボンディング用途においては、はんだ代替え高熱伝導ペーストの要求が高まってきている。しかしながら、従来の導電性ペーストでは熱伝導率がはんだに比べて小さく、高熱伝導化が望まれている。

導電性ペーストとしては、例えばエポキシ樹脂中にフレーク状の銀粉が分散されたものが知られている。銀粉の形状をフレーク状とすることにより、良好なチクソ性が得られる。しかしながら、樹脂ペーストは樹脂と銀粉とを含む組成物であるため、上記したようなはんだに比べて熱伝導性は低くなる。また、熱伝導性を向上させるために多くの銀粉を添加すると、粘度が高くなり塗布作業性が低下したり、硬化物が脆くリードフレームと素子の接着力が低くなる問題がある。

ダイボンディングペーストとして、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤および（Ｃ）銀粉を必須成分として含有するダイボンディングペーストであって、前記（Ｃ）銀粉の比表面積（ＳＡ）が０．５７ｍ²／ｇ以下、かつタップ密度（ＴＤ）が４．０〜７．０ｇ／ｃｍ³であるダイボンディングペーストが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
このダイボンディングペーストは、作業性及び接着性は良好であるが、熱伝導性については、銀粉の充填量が、前記（Ａ）成分と（Ｂ）成分と（Ｃ）成分との合計量に基づき、好ましくは７５重量％以上、実施例では８０重量％前後であり、十分に満足し得るとはいえない。

特開２００４−６３３７４号公報

本発明は、このような状況下で、半導体チップなどの素子をリードフレームに接着させるなどのために使用される、作業性及び接着性に優れ、かつ熱伝導性にも優れる銀粉末が高充填されたダイボンディングペーストを提供することを目的とするものである。

本発明者らは、作業性、接着性及び熱伝導性に優れる銀粉末が高充填されたダイボンディングペーストを開発すべく鋭意研究を重ねた結果、分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するポリイミドシリコーン樹脂及び特定の性状を有する銀粉末を用いることにより、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、
（１）（Ａ）分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するポリイミドシリコーン樹脂、及び（Ｂ）銀粉末を含み、かつ前記（Ｂ）成分の銀粉末の比表面積（ＳＡ）が１．３ｍ²／ｇ以下で、かつタップ密度（ＴＤ）が４．０〜７．０ｇ／ｃｍ³であることを特徴とするダイボンディングペースト、及び
（２）（Ｂ）成分の銀粉末含有量が、ペースト硬化物量に基づき、９０質量％以上である上記（１）項に記載のダイボンディングペースト、
を提供するものである。

本発明によれば、分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するポリイミドシリコーン樹脂に、特定の性状を有する銀粉末を高配合することにより、半導体チップなどの素子をリードフレームに接着させるなどのために使用される、作業性及び接着性に優れ、かつ熱伝導性にも優れるダイボンディングペーストを提供することができる。

本発明のダイボンディングペーストは、（Ａ）分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するポリイミドシリコーン樹脂、及び（Ｂ）銀粉末を含む導電性ペーストである。
本発明のダイボンディングペーストにおいて、（Ａ）成分であるポリイミドシリコーン樹脂は、分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するものであれば、いかなるポリイミドシリコーン樹脂も使用することができる。
このポリイミドシリコーン樹脂は、従来公知の方法、例えば芳香族テトラカルボン酸化合物及び脂環式テトラカルボン酸化合物の中から選ばれる少なくとも一種のテトラカルボン酸化合物と、ジアミノオルガノシロキサン化合物と、必要に応じて芳香族ジアミン化合物を反応させてポリアミック酸を生成させ、次いで閉環することにより、製造することができる。この場合、前記各化合物の少なくとも一つは、（メタ）アクリロイル基を有することが必要である。
ポリイミドシリコーン樹脂の分子内に（メタ）アクリロイル基を有することにより、該ポリイミドシリコーン樹脂は、基材に対する密着性向上の効果を発揮する。
前記テトラカルボン酸化合物は、通常二無水物の形で用いられる。

本発明においては、前記（Ａ）成分のポリイミドシリコーン樹脂と共に、応力の緩和や密着性付与などの目的で、他の樹脂を併用することができる。この他の樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、キシレン樹脂等が挙げられ、これらは（Ａ）成分のポリイミドシリコーン樹脂１００質量部に対して、０〜３０質量部の範囲で添加することが好ましい。

本発明のダイボンディングペーストにおける（Ｂ）成分の銀粉末は、比表面積（ＳＡ）が１．３ｍ²／ｇ以下で、かつタップ密度（ＴＤ）が４．０〜７．０ｇ／ｃｍ³の特性を有する粉末である。
比表面積（ＳＡ）が１．３ｍ²／ｇ以下であれば、銀粉末の充填化率が良好で、ダイボンディングペーストの熱伝導性の向上が期待できると共に、ダイボンディングペーストは適度の粘度を有し、拡がり性の面でも良好となる。この比表面積の下限については特に制限はないが、通常０．２ｍ²／ｇ程度であり、好ましい比表面積は０．２〜０．７ｍ²／ｇの範囲である。
一方、タップ密度が４．０ｍ²／ｇ以上であれば、ダイボンディングペーストの硬化物の熱伝導性が良好であり、また７．０ｍ²／ｇ以下であれば、ダイボンディングペーストのチクソ性が良好となり、該ペーストのディスペンス時における糸引きの発生が抑制される。
当該銀粉末のタップ密度が４．０〜７．０ｇ／ｃｍ³であれば十分な効果が得られるが、このような範囲の中でもさらにタップ密度の大きいもの、すなわち７．０ｇ／ｃｍ³に近いものの方がより特性の向上が可能となるため好ましい。
なお、上記比表面積（ＳＡ）は、Ｂ．Ｅ．Ｔ．Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ Ｍｏｎｏｓｏｒｂにて測定した、粉末の単位質量当たりの表面積（単位：ｍ²／ｇ）であり、また、タップ密度（ＴＤ）は、Ｔａｐ−Ｐａｋ Ｖｏｌｕｍｍｅｔｅｒにて測定した、振動させた容器内の粉末の単位体積当たりの質量（単位：ｇ／ｃｍ³）である。

当該銀粉末の粒径に特に制限はなく、前記したような比表面積及びタップ密度を満たすものであれば様々な粒径の銀粉末を用いることができる。当該銀粉末の比表面積及びタップ密度を上記のような範囲とするには、例えば銀粉末の形状を制御することにより行うことができる。具体的には、銀粉末の形状を球状と鱗片状との中間程度の形状（扁平状）とすることにより、上記したような比表面積及びタップ密度を実現することが可能となる。

本発明のダイボンディングペーストにおいては、（Ｂ）成分の銀粉末の含有量は、ペースト硬化物量に基づき、９０質量％以上であることが好ましい。銀粉末の含有量が９０質量％以上であれば、当該銀粉末の充填化率が高くなり、ダイボンディングペーストの熱伝導性が向上する。
また、ダイボンディングペースト硬化物の密着力の点から、当該銀粉末の含有量は、９９質量％以下が好ましい。
本発明のダイボンディングペーストにおいては、前記（Ｂ）成分の銀粉末の一部を、他の導電性粉末と置き換えることができる。他の導電性粉末としては、例えばニッケル粉末、金粉末、銅粉末などが挙げられる。この場合、他の導電性粉末の含有量は、全導電性粉末中、２０質量％以下であることが好ましい。

本発明のダイボンディングペーストにおいては、前記した各成分以外に、必要に応じて、ダイボンディングペーストの粘度を調整するための溶剤、カップリング剤、微細シリカ粉末、架橋剤、硬化触媒、消泡剤、その他各種の添加剤などを、ダイボンディングペーストの機能を妨げない範囲で配合することができる。

前記溶剤としては、例えば酢酸セロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、プロピレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジアセトンアルコール等を挙げることができる。これらは、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。

カップリング剤としては、例えば３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤や、チタネート系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤、ジルコアルミネート系カップリング剤等を挙げることができる。これらは、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明のダイボンディングペーストは、前記した（Ａ）成分のポリイミドシリコーン樹脂、（Ｂ）成分の銀粉末及び必要に応じて用いられる溶剤、カップリング剤、その他各種の添加剤を加えて十分に混合したのち、さらにディスパース、ニーダー、３本ロールミルなどにより混練処理を行い、次いで脱泡することにより、容易に調製することができる。
このようにして得られた本発明のダイボンディングペーストは、前記したようなポリイミドシリコーン樹脂及び特定の性状を有する銀粉末を用いることにより、熱伝導性が向上し、半導体素子から発生した熱を、当該ダイボンディングペーストの硬化物を通してパッケージ外部に効率的に放散し、半導体素子自体の温度上昇を抑制することが可能となる。

本発明のダイボンディングペーストをシリンジに充填し、ディスペンサを用いて基板上に吐出し、その硬化により半導体素子を接合することができる。さらにワイヤボンディングを行い、樹脂封止材で封止することにより、樹脂封止型の半導体装置を製造することができる。なお、本発明のダイボンディングペーストを硬化するにあたっては、通常１００〜２５０℃で１時間から３時間の加熱を行うことが好ましい。

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
なお、銀粉の比表面積（ＳＡ）及びタップ密度（ＴＤ）は、下記の方法により測定した値である。
（１）比表面積（ＳＡ）
Ｂ．Ｅ．Ｔ．Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ Ｍｏｎｏｓｏｒｂにて、粉末の単位質量当たりの表面積（単位：ｍ²／ｇ）を測定した。
（２）タップ密度（ＴＤ）
Ｔａｐ−Ｐａｋ Ｖｏｌｕｍｍｅｔｅｒにて、振動させた容器内の粉末の単位体積当たりの質量を測定した（単位：ｇ／ｃｍ³）。

実施例１
（１）ポリイミドシリコーン樹脂の製造
まず、窒素導入管を備えた反応フラスコにベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物１ｍｏｌとＮ−メチル−２−ピロリドン１Ｌと２−ヒドロキシエチルメタクリレート１．１ｍｏｌを加えて攪拌し、続けてトリエチルアミン１．１ｍｏｌを３０分間で滴下後この状態で３時間放置した。次に、下記の構造を有するジアミノオルガノシロキサン化合物（東芝シリコーン社製、商品名「ＴＳＬ−９３０６」）１ｍｏｌを加えて３０分間攪拌後、ジフェニル（２，３−ジヒドロ−２−チオキソ−３−ベンゾオキサゾール）ホスホナート２．１ｍｏｌを５回に分けて添加し、その状態で５時間縮合反応した後、無水酢酸及びピリジンをそれぞれ１．０ｍｏｌ加え一部イミド化反応を１時間行った。得られたスラリー状の混合物を大量のメタノール中に投入して洗浄し、得られた固形樹脂を真空乾燥機によって１２時間乾燥させた。更に乾燥した固形樹脂５０ｇをＮ−メチル−２−ピロリドン５０ｇに溶解させ、得られたスラリー状物を孔径１μｍのフィルターで濾過してポリイミドシリコーン樹脂を得た。
「ＴＳＬ−９３０６」

（２）ダイボンディングペーストの調製
前記（１）で得たポリイミドシリコーン樹脂１００質量部、銀粉（平均粒径３μｍ、タップ密度５．８ｇ／ｃｍ³、比表面積０．６ｍ²／ｇ）６５０質量部及び溶剤のブチルカルビトールアセテート２００質量部を十分に混合し、さらに３本ロールで混練してダイボンディングペーストを調製した。
実施例２
ポリイミドシリコーン樹脂（信越化学工業社製、「ＳＭＰ５００３」、固形分含有量３０質量％）１００質量部、銀粉（平均粒径５μｍ、タップ密度６．０ｇ／ｃｍ³、比表面積０．２ｍ²／ｇ）５５０質量部及び溶剤のブチルカルビトールアセテート１００質量部を十分に混合したのち、さらに３本ロールで混練してダイボンディングペーストを調製した。

比較例１
エポキシ樹脂をベースとした従来の高熱伝導ペーストの代表として、以下のダイボンディングペーストを調製した。
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬社製、商品名「ＥＣＯＮ４５００」）７０質量部、ビスフェノールＡグリシジルエーテル（ジャパンエポキシレジン社製、商品名「ＹＬ９８０」）３０質量部、ポリ−ｐ−ビニルフェノール（丸善石油化学社製、商品名「マルカリンカ−Ｍ」）６０質量部、イミダゾール系硬化促進剤（四国化成工業社製、商品名「２ＭＡ−ＯＫ」）３質量部、銀粉（平均粒径４μｍ、タップ密度５．５ｇ／ｃｍ³、比表面積０．３５ｍ²／ｇ）３０００質量部、溶剤のブチルカルビトールアセテート１５０質量部及び希釈剤のフェニルグリシジルエーテル１５０質量部を十分に混合し、さらに３本ロールで混練してダイボンディングペーストを調製した。

比較例２
ポリイミドシリコーン樹脂をベースとした従来のダイボンディングペーストの代表として、以下のダイボンディングペーストを調製した。
ポリイミドシリコーン樹脂（信越化学工業社製、商品名「Ｘ−２２−８９０４」、固形分含有量２０質量％）１００質量部、銀粉（フェロジャパン社製、商品名「ＳＦ１５」、タップ密度３．４ｇ／ｃｍ³、比表面積０．９ｍ²／ｇ）１００質量部及び溶剤のブチルカルビトールアセテート５０質量部を十分に混合し、さらに３本ロールで混練してダイボンディングペーストを調製した。
比較例３
エポキシ樹脂をベースとして従来のダイボンディングペーストの代表として、以下のダイボンディングペーストを調製した。
ビスフェノールＦグリシジルエーテル（油化シェルエポキシ社製、商品名「ＹＬ９８３Ｕ」）１００質量部、イミダゾール系硬化促進剤（四国化成工業社製、商品名「２ＰＨＺ」）４質量部、ジシアンジアミド４質量部、銀粉末（福田金属社製、商品名「Ａｇｃ１４２」、タップ密度４．５ｇ／ｃｍ³、比表面積０．８ｍ²／ｇ）４５０質量部、希釈剤のフェニルグリシジルエーテル３０質量部を十分に混合し、さらに３本ロールで混練してダイボンディングペーストを調製した。

前記の実施例１、２及び比較例１〜３で得られたダイボンディングペーストについて、その特性（粘度、作業性）を、以下に示す方法で求めた。結果を表１に示す。
次に、前記ダイボンディングペーストを用いて、半導体チップと基板とを接着硬化させ、硬化物特性（チップ接着強度、熱伝導率、吸水率）を、以下に示す方法で求めた。結果を表１に示す。
＜ダイボンディングペーストの特性＞
（１）粘度
Ｅ型粘度計（３゜コーン、０．５ｒｐｍ）を用い、温度２５℃の粘度を測定した（単位：Ｐａ・ｓ）。
（２）作業性
（イ）糸引き性
ディスペンス糸引き性を、下記の判定基準で評価した。
〇：糸引きなし
△：若干糸引きあり
（ロ）拡がり性
表面を銀メッキ処理した銅フレーム上にペーストを０．１ｍｍ³塗布し、すぐにプレパラート（１８ｍｍ角ガラス板）をペーストの上に被せ、２０ｇの加重を１０秒間かけた際の、ペーストの広がり面積の直径を測定し、下記の判定基準で評価した。なお、評価測定は２５℃の室内で行った。
○：７ｍｍ以上（良い）
△：５ｍｍ以下７ｍｍ未満
×：５ｍｍ未満（悪い）
＜硬化物特性＞
（３）チップ接着強度
チップ（４ｍｍ口及び８ｍｍ口）と基板（Ｃｕ／Ａｇメッキリードフレーム）との接着強度を、温度：２６０℃、測定方法：ダイシェア強度の条件で測定した（単位：Ｎ）。
（４）熱伝導率
レーザーフラッシュ法にて測定した（単位：Ｗ／ｍ・Ｋ）。
（５）吸水率
８５℃、ＲＨ８５％の環境下に１６８時間曝露後の質量変化率を測定し、吸水率とした（単位：質量％）。

表１から分かるように、実施例のダイボンデングペーストは、銀粉が高充填されているにもかかわらず、作業性（糸引き性、拡がり性）が良好であり、また８ｍｍ口チップの接着強度は、比較例（従来品）のいずれよりも高い。さらに、熱伝導性は、比較例２及び比較例３のものに比べて著しく優れている。吸水率も比較例２及び３のものに比べて低い。

本発明のダイボンディングペーストは、半導体チップなどの素子をリードフレームに接着させるためなどに使用され、熱伝導性及び接着性に優れると共に、作業性が良好であり、また、硬化物は低吸水率を有しており、吸湿信頼特性も向上させることができる。

Claims (2)

1. （Ａ）分子内にイミド骨格、シロキサン骨格及び（メタ）アクリロイル基を有するポリイミドシリコーン樹脂、及び（Ｂ）銀粉末を含み、かつ前記（Ｂ）成分の銀粉末の比表面積（ＳＡ）が１．３ｍ²／ｇ以下で、かつタック密度（ＴＤ）が４．０〜７．０ｇ／ｃｍ³であることを特徴とするダイボンディングペースト。
2. （Ｂ）成分の銀粉末含有量が、ペースト硬化物量に基づき、９０質量％以上である請求項１に記載のダイボンディングペースト。