JP3511118B2 - 接着剤、半導体装置の製造方法、および半導体装置 - Google Patents

接着剤、半導体装置の製造方法、および半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法と、接着剤とに係り、特に銅フレームに樹
脂封止型半導体素子を接着した場合でも、リフローソル
ダリング時にリフロークラックの無い、高信頼性の半導
体装置を得ることができる接着剤と、該接着剤を用いて
ダイボンディングされた半導体装置およびその製造方法
とに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体装置を製造する際の半導体
素子とリードフレーム（支持部材）との接着方法とし
て、金−シリコン共晶体等の無機材料を接着剤として用
いる方法が用いられてきた。しかしながら、この方法で
はコストが高く、接着のために３５０℃から４００℃程
度の高い温度が必要であり、また接着剤が硬く、熱応力
によってチップの破壊が起こる。
【０００３】そこで、最近では、エポキシ樹脂、ポリイ
ミド樹脂系等の有機材料に銀粉を分散させて得られる銀
ペーストを接着剤として用いる方法が主流となってきて
いる。一般に、この方法では、ディスペンサーやスタン
ピングマシンを用いて銀ペーストをリードフレームに塗
布し、その上に半導体素子をダイボンディングした後、
加熱硬化させて接着するものである。なお、加熱硬化の
方法としては、オーブン中で硬化させるバッチ方式と、
加熱されたプレート上で硬化させるインライン方式とが
ある。
【０００４】このようにして半導体素子を接着して得ら
れた半導体装置は、通常、外部を封止材により封止した
後、基板上に半田付けされ実装される。現在では、高密
度、高効率実装を実現するために、この半導体装置の基
板上への半田実装を、半導体装置のリードを基板に直接
半田付けする面付け実装法により行うことが主流となっ
ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】半田実装では、基板全
体を赤外線などで加熱するリフローソルダリングにおい
て、パッケージは２００℃以上の高温に加熱されるた
め、パッケージ内部、特に接着剤層中または封止材中に
含まれる水分が気化して、ダイパッドと封止材との間に
回り込み、パッケージにクラック（リフロークラック）
が生じ、半導体装置の信頼性が低下するという問題があ
った。
【０００６】リードフレームの材質には、従来より、鉄
−ニッケルの合金である４２アロイが用いられてきた。
しかし、リードフレームの熱・電気伝導性、配線基板と
の密着性等の点から、最近では材質に銅を用いた銅リー
ドフレームの割合が大きくなってきている。特に銅リー
ドフレームを用いた場合は、４２アロイフレームに比べ
てリフロークラックの発生率が高く、深刻な問題・技術
課題になっている。
【０００７】そこで本発明は、リフロークラックの発生
の少ない接着剤と、これを用いた半導体装置およびその
製造方法とを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、有機高分子化合物またはその前駆体
と、粒径が５０μｍ以下、比表面積が０．１〜１００ｍ
2／ｇのフィラー粒子とを含み、上記フィラー粒子は、
９５重量％以上が窒化ホウ素からなる接着剤が提供され
る。本発明の接着剤は、半導体素子をリードフレーム等
の支持部材に接着するための半導体素子用接着剤（ダイ
ボンディング材）として適し、半導体素子を銅のリード
フレームに接着する場合に特に有効である。本発明の接
着剤を用いてダイボンディングした後、樹脂により封止
して得られる樹脂封止型半導体装置は、リードフレーム
が銅であっても、ダイパッドと封止材との間にリフロー
クラックが生じないからである。
【０００９】さらに、本発明では、この接着剤接着剤を
介して、支持部材表面に半導体素子を接着する接着工程
を備える半導体装置の製造方法が提供される。なお、こ
の半導体装置の製造方法では、接着工程の後に、半導体
素子を樹脂封止する工程をさらに備えてもよい。
【００１０】また、本発明では、支持部材と、該支持部
材表面に接着層を介して接着された半導体素子とを備え
る半導体装置であって、接着層が、粒径が５０μｍ以
下、比表面積が０．１〜１００ｍ2／ｇの、９５重量％
以上が窒化ホウ素からなるフィラー粒子を含む半導体装
置が提供される。なお、支持部材は、銅からなるリード
フレームとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の接着剤は、有機高分子化
合物またはその前駆体を含む樹脂組成物であるマトリク
ス成分と、粒径が５０μｍ以下、比表面積が０．１〜１
００ｍ2／ｇのフィラー粒子からなる充填剤とを含む。
フィラー粒子は、９５重量％以上が窒化ホウ素からな
る。樹脂組成物と充填剤との組成比は、用途に応じて適
宜定められるが、塗布するための適度な粘性を得るた
め、９０：１０〜６０：４０（体積比）とすることが望
ましい。
【００１２】フィラー粒子としては、粒径が５０μｍ以
下で、比表面積が０．１〜１００ｍ2／ｇであり、純度
が９５％以上の窒化ホウ素が使用可能であるが、接着剤
の作業性の点から、粒径２０μｍ以下、比表面積３〜５
０ｍ2／ｇのものが好ましい。このようなフィラー粒子
としては、例えば、六方晶窒化ホウ素粉（水島合金鉄社
製の「ＨＰ−１」、「ＨＰ−２」、「ＨＰ−３」、「Ｈ
Ｐ−４」、「ＨＰ−５」、「ＨＰ−６」、「ＨＰ−Ｐ
１」等）が挙げられる。
【００１３】本発明の接着剤のマトリクス成分は、有機
高分子化合物またはその前駆体を含み、必要に応じて、
反応性希釈剤、硬化剤、硬化性を向上させるための硬化
促進剤、応力緩和のための可撓剤、作業性向上のための
希釈剤、接着力向上剤、濡れ性向上剤、および消泡剤の
一つ以上を含んでもよい。なお、本発明の接着剤は、こ
こに列挙した以外の成分を含んでいても構わない。
【００１４】有機高分子化合物またはその前駆体には、
特に制限はなく、一種の化合物を用いても、二種以上の
化合物を混合して用いてもよい。本発明において用いら
れる有機高分子化合物またはその前駆体としては、熱硬
化性樹脂またはその前駆体が好ましく、例えば、エポキ
シ樹脂、アクリル樹脂、シアネート樹脂またはその前駆
体などが用いられる。これらのうち、耐熱性、接着性に
優れ、適宜溶剤を用いることにより液状にできるため作
業性に優れるエポキシ樹脂が望ましく、特に、硬化性の
点から、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するもの
が好ましい。このようなエポキシ樹脂としては、例えば
ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノール
ＡＤなどとエピクロクヒドリドンとから誘導されるエポ
キシ樹脂が挙げられる。
【００１５】本発明の接着剤に用いることのできるエポ
キシ樹脂には、例えば、油化シェルエポキシ社製「エピ
コート１００１」および「エピコート１００７」、旭化
成工業社製「ＡＥＲ−Ｘ８５０１」、東都化成社製「Ｙ
ＤＦ−１７０」、三井東圧化学社製「Ｒ−７１０」が挙
げられる。また、ノボラック型エポキシ樹脂としては、
大日本インキ社製「Ｎ−７３０Ｓ」が挙げられ、フェノ
ールノボラック型エポキシ樹脂としては、ダウ・ケミカ
ル社製「Ｑｕａｔｒｅｘ−２０１０」が挙げられる。ク
レゾールノボラック型エポキシ樹脂としては、東都化成
社製「ＹＤＣＮ−７０２Ｓ」および日本化薬社製「ＥＯ
ＣＮ−１００」が挙げられ、ビスフェノールＡ型エポキ
シ樹脂としては、油化シェルエポキシ社製「Ｒ−３０
１」および「ＹＬ−９８０」が挙げられる。多官能エポ
キシ樹脂としては、例えば、日本化薬社製「ＥＰＰＮ−
５０１」、ダウ・ケミカル社製「ＴＡＣＴＩＸ−７４
２」、三井東圧化学社製「ＶＧ−３１０１」、および、
油化シェルエポキシ社製「１０３２Ｓ」があり、ナフタ
レン骨格を有するエポキシ樹脂としては、大日本インキ
社製「ＨＰ−４０３２」が、脂環式エポキシ樹脂として
は、ダイセル化学社製「ＥＨＰＥ−３１５０」が、それ
ぞれ挙げられる。
【００１６】反応性希釈剤としては、フェニルグリシジ
ルエーテル、クレジルグリシジルエーテル、ｐ−ターシ
ャリブチルフェニルグリシジルエーテル、ｐ−セカンダ
リブチルフェニルグリシジルエーテル、アミン型エポキ
シ樹脂（例えば、住友化学社製「ＥＬＭ−１００」）な
どを用いることができる。反応性希釈剤は、通常、有機
高分子化合物およびその前駆体の総量を１００重量部と
するとき、０〜３０重量部添加される。
【００１７】本発明に用いられる硬化剤には特に制限は
ないが、例えば、フェノール樹脂（明和化成社製「Ｈ−
１」など）、フェノールアラルキル樹脂（三井東圧化学
社製「ＸＬ−２２５」など）、ジシアンジアミド（日本
カーバイド社製「ＳＰ−１０」など）、二塩基酸ジヒド
ラジド（日本ヒドラジン社製「ＡＤＨ」、「ＰＤＨ」、
「ＳＤＨ」など）、マイクロカプセル型硬化剤（旭化成
工業社製「ノバキュア」など）などを用いることができ
る。硬化剤は、通常、有機高分子化合物およびその前駆
体に応じて定められる量、例えば、エポキシ樹脂では、
エポキシ基に対して約０．３〜１当量が、添加される。
【００１８】また、硬化促進剤の例としては、有機ボロ
ン塩（北興化学社製「ＥＭＺ・Ｋ」、「ＴＰＰ・Ｋ」な
ど）、三級アミン類およびその塩（サンアプロ社製「Ｄ
ＢＵ」、「Ｕ−ＣＡＴ１０２」、「Ｕ−ＣＡＴ１０
６」、「Ｕ−ＣＡＴ８３０」、「Ｕ−ＣＡＴ３４０」、
「Ｕ−ＣＡＴ５００２」など）、イミダゾール類（四国
化成社製「キュアゾールＣ１１Ｚ−ＣＮＳ」、「キュア
ゾールＣ１１Ｚ」、「キュアゾール２Ｐ４ＭＨＺ、「キ
ュアゾール２ＰＺ」などの）などが挙げられる。これら
の硬化促進剤は単独で用いてもよく、数種類の硬化剤お
よび硬化促進剤を適宜組合わせて用いてもよい。硬化促
進剤は、通常、有機高分子化合物およびその前駆体の総
量を１００重量部とするとき、０〜５重量部添加され
る。
【００１９】可撓剤の例としては、液状ポリブタジエン
（宇部興産社製「ＣＴＢＮ−１３００×３１」、「ＣＴ
ＢＮ−１３００×９」、日本曹達社製「ＮＩＳＳＯ−Ｐ
Ｂ−Ｃ−２０００」）などが挙げられる。可撓剤は、半
導体素子とリードフレームとを接着したことによって発
生する応力を緩和する効果がある。可撓剤は、通常、有
機高分子化合物およびその前駆体の総量を１００重量部
とするとき、０〜５００重量部添加される。
【００２０】希釈剤としては、例えば、ブチルセロソル
ブ、カルビトール、酢酸ブチルセロソルブ、酢酸カルビ
トール、エチレングリコールジエチルエーテル、α−テ
ルピネオールなどの比較的沸点の高い有機溶剤等が挙げ
られる。本発明の接着剤は、通常、ペースト状であり、
希釈剤により接着材の粘性を低下させれば、製造時の作
業性および使用時の塗布作業性を向上させることができ
る。なお、本発明の接着剤の形態は、ペースト状に限ら
れず、液状、シート状など、必要に応じて適宜形態を選
択することができる。希釈剤は、通常、有機高分子化合
物およびその前駆体の総量を１００重量部とするとき、
０〜３０重量部添加される。
【００２１】接着力向上剤としては、シランカップリン
グ剤（信越化学社製「ＫＢＭ−５７３」など）や、チタ
ンカップリング剤等を用いることができる。また、濡れ
性向上剤としては、アニオン系界面活性剤やフッ素系界
面活性剤等を用いることができる。消泡剤としてはシリ
コーン油等を用いることができる。通常、接着力向上
剤、濡れ性向上剤、および消泡剤は、それぞれ、充填剤
１００重量部に対して０〜１０重量部添加される。
【００２２】本発明の接着剤は、マトリクス成分と充填
剤とを混合することにより製造することができる。例え
ば、上述のエポキシ樹脂および希釈剤、さらに必要に応
じて可とう化剤を、８０〜１２０℃の温度で溶解混合し
てワニスとし、このワニスに硬化剤、フィラー粒子、お
よび必要により硬化促進剤を添加して、例えば３本ロー
ル、プラネタリミキサ、らいかい機、ボールミル等によ
り混合すれば、本発明の接着剤が得られる。なお、希釈
剤の存在下で、エポキシ樹脂、アクリロニトリルブタジ
エン共重合体および硬化剤を同時に混合して反応させて
ワニスとしてもよい。また、目的に応じてエポキシ樹脂
を上述の反応性希釈剤に溶解して用いてもよい。
【００２３】上述のように、本発明の接着剤は、半導体
素子をリードフレーム等の支持部材に接着させる際の半
導体素子用接着剤に、特に適している。本発明の半導体
装置の例を、図１に示す。本発明の半導体装置は、例え
ば、リードフレーム等の支持部材４に、本発明の接着剤
からなる層２を形成した後、該接着剤層表面に半導体素
子１を圧着し、熱風循環式乾燥器、ヒートブロックなど
の加熱装置を用いて加熱硬化させることにより、半導体
素子１を接着層２を介して支持部材４に接着し、さら
に、半導体素子１の電極とリードフレーム４とを金線な
どの金属線３により接続（ワイヤボンディング）した
後、樹脂封止材５により半導体素子１を封止する樹脂封
止工程を経ることにより製造される。樹脂封止材５に
は、耐湿性に優れたものを用いることが望ましい。
【００２４】なお、接着剤からなる層の形成には、接着
剤がペースト状である場合には、注射筒を用いたディス
ペンス法、スタンピング法、スクリーン印刷法等を用い
ることができる。また、接着剤がシート状である場合に
は、支持部材上に接着剤シートを載置または貼付するこ
とにより、接着剤からなる層を形成することができる。
【００２５】本発明の半導体装置は、図１に示すよう
に、支持部材４と半導体素子１との間に、本発明の接着
剤の硬化物からなる層２、すなわち、粒径が５０μｍ以
下、比表面積が０．１〜１００ｍ2／ｇの、９５重量％
以上が窒化ホウ素からなるフィラー粒子を含む接着層２
を備える。図１に示すように、半導体素子１が樹脂封止
材５により覆われている場合であっても、本発明の接着
剤を用いることにより、リフロークラックを防止するこ
とができる。
【００２６】なお、本発明の接着剤は、図１に示すリー
ドオンチップ型（ＬＯＣ型）の半導体装置に限らず、図
２に示すチップオンリード型（ＣＯＬ型）の半導体装置
や、図３に示すリードフレーム上に半導体素子が接着さ
れた半導体装置などにも用いることができる。
【００２７】
【実施例】
＜実施例１＞ （１）接着剤の調製 クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（東都化成社製商
品名「ＹＤＣＮ−７０２Ｓ」）３０重量部に、液状ポリ
ブタジエン（可撓剤、宇部興産製商品名「ＣＴＢＮ−１
３００×９」）１０重量部および酢酸ブチルセロソルブ
（希釈剤）１８重量部を加え、８０℃に加熱して１時間
撹拌し、ワニスを得た。８０℃に保持したまま、このワ
ニスにフェノールノボラック樹脂（明和化成社製商品名
「Ｈ−１」）４．９重量部を加え１時間撹拌し、２３〜
２５℃まで冷却した後、硬化促進剤であるイミダゾール
（四国化成社製商品名「キュアゾールＣ１１ＺＣＮ
Ｓ」）と、接着力向上剤であるシランカップリング剤
（信越化学社製商品名「ＫＢＭ−５７３」）と、充填剤
である窒化ホウ素粉（水島合金鉄社製商品名「ＨＰ−Ｐ
１」）とを、表１に示す配合比（重量部）で添加し、ら
いかい機により混合して接着剤を得た。本実施例では、
平均粒径は１μｍであり、比表面積は６ｍ2／ｇであ
り、窒化ホウ素純度は９９重量％の窒化ホウ素粒子から
なる窒化ホウ素粉を充填剤として用いた。
【００２８】（２）半田リフロークラック試験 メッキ無しの銅製リードフレームに、得られた接着剤を
塗布し、この接着剤の塗膜上にチップサイズ：８ｍｍ×
１０ｍｍの半導体素子を載置して、１５０℃まで３０分
で昇温し、１５０℃に１時間保持して、接着剤を硬化さ
せた。これにより、リードフレーム上に、厚さ２０μｍ
の接着層を介して半導体素子が接着された。その後、エ
ポキシ封止材（日立化成社製商品名「ＣＥＬ−４６２
０」）により半導体素子を封止し、半田リフロー試験用
パッケージ（ＱＦＰ（Quad Flat Package）、１４ｍｍ
×２０ｍｍ×１．４ｍｍ）を得た。
【００２９】得られたパッケージを、温度８５℃、湿度
８５ＲＨ％に保持された恒温恒湿槽中で、４８時間吸湿
させた。その後、２４０℃／１０秒のリフロー条件で半
田リフローを行い、パッケージの外部クラック数の発生
数を顕微鏡（倍率：１５倍）で観察した。表１に、５個
のサンプル中の、クラックの発生したサンプル数を示
す。本実施例で作製された半導体パッケージでは、表１
に示すように、パッケージクラックは検出されなかっ
た。
【００３０】＜実施例２＞ビスフェノールＦ型エポキシ
樹脂（大日本インキ社製商品名「ＥＸＡ８３０ＣＲ
Ｐ」）１０重量部に、ｐ−ターシャリブチルフェニルグ
リシジルエーテル（反応性希釈剤、旭電化工業社製商品
名「Ｄ−５０９Ｓ」）１０重量部およびフェノールノボ
ラック樹脂（硬化剤、三井東圧化学社製商品名「ＶＲ−
９３００」）５重量部を加え、８０℃に加熱して１時間
撹拌してワニスを得た。このワニスを２３〜２５℃まで
冷却した後、イミダゾール（硬化促進剤、四国化成社製
商品名「キュアゾール２Ｐ４ＭＨＺ」）と、実施例１と
同じ窒化ホウ素粉（充填剤）とを、表１に示す配合比
（重量部）で添加し、らいかい機により混合して接着剤
を得た。
【００３１】得られた接着剤を用い、実施例１と同様に
して半田リフロークラック試験を行ったところ、実施例
１と同様、パッケージクラックは検出されなかった。
【００３２】＜実施例３＞ビスフェノールＡＤ型エポキ
シ樹脂（三井石油化学社製商品名「Ｒ−７１０」）１０
重量部に、ｐ−ターシャリブチルフェニルグリシジルエ
ーテル（反応性希釈剤、旭電化工業社製商品名「Ｄ−５
０９Ｓ」）１０重量部およびフェノールノボラック樹脂
（硬化剤、三井東圧化学社製商品名「ＶＲ−９３０
０」）５重量部を加え、８０℃に加熱して１時間撹拌し
てワニスを得た。このワニスを２３〜２５℃まで冷却し
た後、イミダゾール（硬化促進剤、四国化成社製商品名
「キュアゾール２Ｐ４ＭＨＺ」）と、実施例１と同じ窒
化ホウ素粉（充填剤）とを、表１に示す配合比（重量
部）で添加し、らいかい機により混合して接着剤を得
た。
【００３３】得られた接着剤を用い、実施例１と同様に
して半田リフロークラック試験を行ったところ、実施例
１と同様、パッケージクラックは検出されなかった。
【００３４】＜比較例１＞充填剤として、窒化ホウ素粒
子の代わりに、表１に示した量（重量部）の銀粉（徳力
化学研究所製商品名「ＴＣＧ−１」）を用いる他は、実
施例１と同様にして接着剤を得た。なお、本実施例で
は、平均粒径が２μｍであり、比表面積が１ｍ2／ｇで
あり、銀純度が９９重量％の銀粒子からなる銀粉を充填
剤として用いた。
【００３５】得られた接着剤を用い、実施例１と同様に
して半田リフロークラック試験を行ったところ、５サン
プルすべてにおいてパッケージクラックが検出された。
【００３６】＜比較例２＞充填剤として、窒化ホウ素粒
子の代わりに、表１に示した量（重量部）の、比較例１
と同じ銀粉を用いる他は、実施例２と同様にして接着剤
を得た。得られた接着剤を用い、実施例１と同様にして
半田リフロークラック試験を行ったところ、５サンプル
すべてにおいてパッケージクラックが検出された。
【００３７】＜比較例３＞充填剤として、窒化ホウ素粒
子の代わりに、表１に示した量（重量部）の、比較例１
と同じ銀粉を用いる他は、実施例３と同様にして接着剤
を得た。得られた接着剤を用い、実施例１と同様にして
半田リフロークラック試験を行ったところ、５サンプル
すべてにおいてパッケージクラックが検出された。
【００３８】
【表１】
【００３９】表１からわかるように、接着剤の充填剤に
銀粒子（銀粉）を用いた比較例では、すべてのパッケー
ジに、半導体装置の信頼性低下の原因となる外部クラッ
クが発生した。しかし、接着剤の充填剤に窒化ケイ素粒
子（窒化ケイ素粉）を用いた各実施例では、パッケージ
の外部クラックの発生が抑制された。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、銅のリードフレームに
半導体素子を接着した樹脂封止型半導体装置であって
も、リフローソルダリング時のリフロークラックの発生
を低減することができる。従って、本発明によれば、信
頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 リードフレームの下に半導体チップが位置す
る半導体パッケージの断面図である。
【図２】 リードフレームの上に半導体チップが位置す
る半導体パッケージの断面図である。
【図３】 リードフレームの上に半導体チップが位置す
る半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１…半導体素子、２…接着剤、３…金属線、４…リード
フレーム、５…封止材、１０…半導体装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−216484（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−266727（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−206670（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−40586（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−161045（ＪＰ，Ａ) 国際公開95／004786（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C09J 4/00 - 201/10 H01L 21/52

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】有機高分子化合物またはその前駆体と、平
    均粒径が２０μｍ以下、比表面積が３〜５０ｍ２／ｇの
    フィラー粒子とを含み、 上記フィラー粒子は、９５重量％以上が窒化ホウ素から
    なることを特徴とする、半導体素子を支持部材に接着す
    るための半導体素子用接着剤。
  2. 【請求項２】請求項１記載の接着剤を介して、支持部材
    表面に半導体素子を接着する接着工程を備えることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】支持部材と、該支持部材表面に接着層を介
    して接着された半導体素子とを備える半導体装置におい
    て、 上記接着層は、粒径が２０μｍ以下、比表面積が３〜５
    ０ｍ２／ｇのフィラー粒子を含み、 上記フィラー粒子は、９５重量％以上が窒化ホウ素から
    なることを特徴とする半導体装置。
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