JP4040715B2 - 充填材及び半導体封止用樹脂組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、樹脂に充填して優れた流動性と高熱伝導性を示す充填材とそれを用いた半導体封止用樹脂組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の封止は、硬化剤等を含むエポキシ系樹脂に石英ガラス、アルミナ等の酸化物系無機質粉末からなる充填材を混合、混練して得られる樹脂組成物を、加熱等の操作で硬化させることにより行われてきた。樹脂組成物の硬化体である封止材は、半導体素子の機能を生かすために低熱膨張性、高熱伝導性、耐熱性、耐水性、低放射線等の様々な特性をバランス良く満足していることが必要である。そして、前記樹脂組成物を素子の上に充填して封止する際に、信号を伝えるワイヤーが断線、またはワイヤーどうしが接触しないように、高流動性の樹脂組成物が必要とされ、開発されてきた。
【０００３】
前記樹脂組成物に用いられる充填材について、その特性改善例として、例えば特開昭６０−５１６１３号公報には、１〜１００μｍの球状シリカ粉の表面にシランカップリング材を付着させることで樹脂に対する分散性を向上させる方法が開示されている。また、特開昭６２−２４１５４１号公報には、石英ガラスの粉末を火炎中にて溶融し、球状の粉末を得て、これにより高充填性高流動性を達成している。更に特開昭６３−２８２１４６号公報では、充填材の粒度構成を適正化することにより高充填性を達成している。そして、これらの技術を組み合わせることにより、従来樹脂に対する無機質充填材の充填率が７５〜８０重量％であったものが、最近では９０重量％近くにも達している。
【０００４】
一方、半導体素子で発生する熱を効率よく逃がすために、封止材にも高熱伝導性が一層要求されてきている。この対策として石英ガラスでは前述のように充填量を増やすことで、特性を向上してきた。しかし石英ガラスの熱伝導率は１〜５Ｗ／ｍ・Ｋと低く、これを用いて得られる樹脂組成物の熱伝導性の向上に限界があった。熱伝導率の向上のために特開平１−１１５９４０号公報では、サイアロン、シリコンオキシナイトライドを利用する方法が、また特開平６−２４７１５号公報では、窒化アルミニウム粉末を充填材として利用する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの高熱伝導絶縁性無機質材料は高価であるばかりでなく、充填性が低く、その結果得られる樹脂組成物は期待したほどの高熱伝導性を有していないという問題があるし、窒化物を多量に用いる時には樹脂組成物の耐水性にも問題がある。
【０００６】
即ち、窒化物無機粉末を充填材として単独で用いる場合には、充填性、熱伝導性、或いは耐水性等で、それぞれの材料の固有の課題が解決されずにあった。本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高充填しても高流動性の樹脂組成物が得られ、前記樹脂組成物が硬化した時には高熱伝導性を有していて、半導体封止用に好適な封止材が容易に得られるような充填材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々の無機粉末を組み合わせて樹脂に充填した場合に、得られる樹脂組成物の流動性及びその硬化体の熱伝導性に与える影響を調べた結果、特定粒径の窒化アルミニウム粉末と、粒子が球状で、特定粒径のシリカ粉末とを所定の割合の下で混合した場合に限り、樹脂中に前記混合粉末が高充填され、得られる樹脂組成物の硬化体が高熱伝導性を示すことを見出し、本発明に至ったものである。
【０００８】
即ち、本発明は、平均粒径が１０．５〜１８．１μｍの窒化アルミニウム粉末を５０〜９０重量％と、球状の粒子であって、平均粒径が０．８〜７．４μｍのシリカ粉末を１０〜５０重量％とを含有してなることを特徴とする充填材である。
【０００９】
また、本発明は、前記充填材を含有してなることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられる窒化アルミニウム粉末は、電気絶縁性に優れ、しかも高熱伝導性を有するものであれば良く、粉末を構成する粒子内部の構造、即ち結晶性の程度、或いは結晶の大きさ、それらの凝集程度等に制限されるものではない。また、粉末を構成する粒子の形状については、板状、多角柱状、燐片状或いは不定形のものであっても構わないが、樹脂への充填性と得られる樹脂組成物の流動性に一層優れるという理由から球形が好ましく、より具体的には後述する球形度で０．７以上のものが好ましい。
【００１１】
窒化アルミニウム粉末の製法としては、金属の直接窒化法、酸化物還元法、気相合成法等が知られているが、本発明においてはいずれの方法で得られたものも用いることができる。又、前記方法で得られた粉末を成形、或いは更に焼結して得られる成形体を粉砕したものであっても構わない。更に、耐水性向上のために、窒化アルミニウム粉末表面を酸化膜や有機膜等で被覆したものであっても良い。
【００１２】
本発明で用いられる粒子が球状のシリカ粉末は、熱膨張率が非常に小さなガラス質とすることができ、しかも安価で多量に入手可能であるという理由で、好適である。
【００１３】
粒子を球状とする方法に関しては、火炎溶融法、金属蒸気酸化法、ゾルゲル法等の従来公知の方法によれば良く、その製法を限定するものではない。本発明において、球状とは真球だけを指すのではなく、ＳＥＭ観察下で粒子全体の形状が丸くなっていることを云う。更に詳しく述べれば、後で詳述するとおり、画像解析法に於いて測定される球形度が少なくとも０．８０以上、好ましくは０．８４以上のものを云う。球形度が０．８０未満の場合、樹脂組成物の流動性が悪くなる場合がある。
【００１４】
本発明において、窒化アルミニウム粉末の充填材に占める割合は、５０〜９０重量％である。５０重量％未満では得られる樹脂組成物の硬化体の熱伝導性が十分には向上しない。９０重量％を越える割合となると、樹脂への充填性が悪くなり、更に樹脂組成物の流動性をも悪くする。また、粒子が球状のシリカ粉末の充填材に占める割合は１０〜５０重量％であり、１０重量％未満では樹脂組成物の流動性が十分でなくなる。
【００１５】
本発明の充填材は、窒化アルミニウム粉末及び粒子が球状のシリカ粉末以外の第三成分の添加を制限するものではない。例えば、着色を目的としてカーボンブラックや顔料を、樹脂の耐久性向上を目的にいろいろな安定剤を、或いはコスト低減を目的として安価な無機充填材を、物性を損なわない程度に適宜添加することが許容される。本発明の目的を達成するために、窒化アルミニウム粉末と粒子が球状のシリカ粉末の合計量が充填材全体の７０重量％以上含有されることが好ましく、８０重量％以上含有されていれば更に良い。
【００１６】
本発明の効果をより高めるために、窒化アルミニウム粉末は、粒子が球状のシリカ粉末よりも粒度が大きく、熱伝導率が高いものを選択することが好ましい。このことにより、樹脂組成物中の充填材の充填率が同じ場合に、樹脂組成物硬化体の熱伝導率をより一層向上させることができる。加えて、窒化アルミニウム粉末は表面で空気中の湿分（水分）と反応しやすく、微粉にすると表面積が増加し一層不安定となるが、上述のとおりに、充填性を高め樹脂組成物硬化体の熱伝導率を高める目的で高熱伝導性の窒化アルミニウム粉末の粒度を大きくすることは、微粉側に粒子が球状のシリカ粉末を用いることとなり、得られる樹脂組成物硬化体の耐湿性を高めるという効果をももたらす。
【００１７】
窒化アルミニウム粉末の粒度については、最大粒子径が１００μｍ以下であり、且つ、平均粒子径が１０．５〜１８．１μｍの範囲であることが重要である。１００μｍ以上の粒子が存在すると、得られる樹脂組成物を成形するに際し、金型の摩耗が大きくなるからである。そして、平均粒子径が２μｍより小さくなると粉末表面積が増えるので、前述の耐湿性、耐水性に問題が生じると共に、得られる樹脂組成物の粘度の上昇が著しく、樹脂中への均一分散ができないばかりでなく、充填が困難となる傾向があるし、余りにも小さな粒度の場合には熱伝達が悪い粒子界面の数が多くなるためか高充填しても樹脂組成物の熱伝導が向上しない傾向がある。一方、平均粒子径が３０μｍを越えて大きくなると、得られる樹脂組成物の流動性が悪くなるので、結果的に高充填ができない現象を生じる。
【００１８】
粒子が球状のシリカ粉末については、最大粒子径が１００μｍ以下であり、平均粒径が０．８〜７．４μｍである。平均粒径が０．１μｍ程度であると、ハンドリング上、製造上の制限が生じる恐れがある。粒子が球状のシリカ粉末より大きい平均粒径を有する窒化アルミニウム粉末と混合したときに、平均粒子径が１０μｍ以下の粒度でないと樹脂組成物の流動性が悪くなり、結果的に高充填ができないことがある。
【００１９】
本発明に於いて、窒化アルミニウム粉末、粒子が球状のシリカ粉末及び第三成分の粉末の粒子径は、試料０．３ｇを水に分散し、レーザー回折式粒度分布測定装置（シーラスグラニュロメーター「モデル７１５」）によって測定される値である。
【００２０】
窒化アルミニウム粉末及び粒子が球状のシリカ粉末の熱伝導率は、予め硬化体の熱伝導率が判っているシリコン樹脂或いはエポキシ樹脂に４０〜６０体積％で分散させ、板状の試片を作製し該試片の熱伝導を測定し、その値と配合割合から算出することができる。
【００２１】
窒化アルミニウム粉末を構成する粒子或いはシリカ粉末を構成する粒子の球形度は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）及び画像解析装置を用いて測定する。本発明に於いては、ＳＥＭとして日本電子（株）製ＪＳＭ−Ｔ２００型を用い、画像解析装置として日本アビオニクス（株）製を用いたが、他社製品を用いても同様の数値が得られる。球形度の測定法は、先ず粉末のＳＥＭ写真から対象とする粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。また周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると球形度（真円度）はＡ／Ｂとして表す。
【００２２】
ここで、対象とする粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定すると、
ＰＭ＝２πｒ ・・・・・・・ （１）
Ｂ＝πｒ^２ ・・・・・・・ （２）
であるから、
（１）式より、ｒ＝ＰＭ／２π ・・・・・・・ （３）
（２）式に（３）式を代入して、
Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）^２ ・・・・・・・ （４）
となり、
球形度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）^２ ・・・・・・・ （５）
となる。（５）式に実測値Ａ及びＰＭを代入して個々の粒子の球形度を算出できる。本発明においては、粉末全体の粒度分布を代表するように粒子のサンプリングを行い、それぞれの球形度を１００ヶ程度の粒子について球形度を測定し、更にその平均値を以て粉末の球形度とした。
【００２３】
【実施例】
粒子が球状のシリカ粉末として、珪石の粒状品を火炎溶融して、ガラス化、球状化を行い、その後に分級することで、種々の球状石英ガラス粉末（球状シリカ粉末）を用意した。また、比較の例として、石英ガラスのインゴットを破砕、粉砕後に分級して得られた、粒子の球形度が乏しい破砕シリカ粉末を用いた。
【００２４】
窒化アルミニウム粉末は金属アルミニウム粉の窒化法によるインゴットを粉砕・分級により得たものである。球形度は、０．７〜０．８であった。
【００２５】
上述の粉末を表１に示す配合割合で秤量後、Ｖ型混合器で混合し、種々の充填材を得た。前記充填材を下記処方のバインダー８０重量部に対して、３２０重量部を計量し、更にドライブレンドしてブレンド品を得た。
【００２６】
＜バインダーの組成＞
４−４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ
３，３’，５，５−テトラメチルビフェニル ４４重量部
フェノールノボラック樹脂（軟化点８５℃） ２３重量部
トリフェニルフォスフィン（硬化促進剤） ２重量部
エステルワックス（離形剤） ６重量部
カーボンブラック（着色剤） １重量部
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ４重量部
（シランカップリング剤）
【００２７】
前記ブレンド品をロール表面温度１００℃のミキシングロールを用いて５分間加熱混練した後、冷却、粉砕していろいろな種類の樹脂組成物を得た。次に、樹脂組成物を用いて、スパイラルフロー及び熱伝導率を測定した。スパイラルフローは、スパイラルフロー金型を用いてＥＭＭＩ−６６（Ｅｐｏｘｙ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ；Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）に準拠して測定した。成形温度は１７５℃、成形圧力は７５ｋｇ／ｃｍ^２で成形した。また、樹脂組成物硬化体の熱伝導率は、スパイラルフローと同様の成形条件で成形、硬化して得られる曲げ試片の一部を１０φ×１ｔの円板状に切り出し、レーザーフラッシュ熱伝導率測定装置を用いて室温で測定した。結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
実施例から、本発明の充填材を用いた樹脂組成物は、流動性に富み、しかも得られる硬化体の熱伝導率も高いという、優れた効果を有していることが明かである。即ち、本発明によれば、成形時の流動性が阻害されることなく、充填材が高度に充填された樹脂組成物が容易に得ることができ、しかも充填材が高充填されているので硬化体の熱伝導率が高い樹脂組成物を容易に提供でき、例えば半導体封止用に用いて好適である。更に、充填材の微粉に粒子が球状のシリカ粉末を用いているので、得られた樹脂硬化体の耐湿性、耐水性に優れるという効果をも有している。

Claims (2)

1. 平均粒径が１０．５〜１８．１μｍの窒化アルミニウム粉末を５０〜９０重量％と、球状の粒子であって、平均粒径が０．８〜７．４μｍのシリカ粉末を１０〜５０重量％とを含有してなることを特徴とする充填材。
2. 請求項１記載の充填材を含有してなることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。