JP4780041B2 - 半導体用樹脂ペースト及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子を金属フレーム、有機基板等に接着する絶縁性半導体用樹脂ペーストに関するものである。

従来、ＩＣ等の半導体素子をリードフレームに接着する方法として半導体用樹脂ペーストが一般的に使用されている。これに伴い半導体用樹脂ペーストには、半導体装置の吸湿後の耐半田クラック性の向上が強く求められるようになってきた。耐半田クラック性の向上には半導体素子とリードフレームが密着していることと半田処理時の応力を緩和させることが重要である。その中でも特に吸湿処理後の密着性向上が重要であったが、従来の半導体用樹脂ペースト、特に絶縁性半導体用樹脂ペーストでは、吸湿処理後のリードフレームや半導体素子と半導体用樹脂ペーストとの密着性が低下してしまい、半導体装置の信頼性が期待した程には向上しないといった問題があった。このため、塗布作業性と接着強度に優れた絶縁性半導体用樹脂ペーストが求められていた。
特開平４−３５６９３４号公報

本発明の目的は、接着性と作業性に優れた高信頼性の絶縁性半導体用樹脂ペーストを提供することにある。

本発明は、
［１］ 半導体素子を金属リードフレーム、有機基板（フレキシブル回路基板は除く）に接着する絶縁性半導体樹脂ペーストであって、（Ａ）熱硬化性樹脂組成物と（Ｂ）フィラーとからなる２５℃でのチキソ比（０．５ｒｐｍでの粘度／２．５ｒｐｍでの粘度）が３．０〜３．６である絶縁性半導体樹脂ペーストにおいて、
硬化物の体積抵抗率が１×１０⁸Ω・ｃｍ以上であり、且つ（Ｂ）フィラー合計量１００重量部中に、アスペクト比（フィラーの長径と厚みの比）が５以上のフィラーを２０重量部以上含み、且つ絶縁性半導体樹脂ペースト中に前記（Ｂ）フィラーが５０重量％より多く含むことを特徴とする絶縁性半導体用樹脂ペースト、
［２］ （Ｂ）フィラーの平均粒径が０．３〜２０μｍであり、且つ最大粒径が５０μｍ以下である［１］項記載の絶縁性半導体用樹脂ペースト、
［３］ （Ｂ）アスペクト比が５以上のフィラーがシリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化チタン、酸化亜鉛及びマイカからなる群より選択される１種以上である［１］又は［２］項記載の絶縁性半導体用樹脂ペースト、
［４］ ［１］〜［３］項のいずれか１項に記載の絶縁性半導体用樹脂ペーストを用いて製作されてなる半導体装置、
である。

本発明によれば接着性に優れ、且つ塗布作業性に優れた高信頼性の絶縁性半導体用樹脂ペースト、及びこれを用いた半導体装置が得られる。

本発明で用いられる高アスペクト比のフィラーを充填した半導体用樹脂ペーストは塗布作業性と接着強度に優れるという特徴がある。

本発明に用いる熱硬化性樹脂組成物（Ａ）は、熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤等からなる一般的な熱硬化性樹脂組成物であり、特に限定されるものではないがペーストを形成する材料であることから室温で液状であることが望ましい。

本発明に好ましく用いられる液状の樹脂としては、例えば、液状のシアネート樹脂、液状エポキシ樹脂、ラジカル重合性の各種アクリル樹脂、アリール基を有するトリアリールイソシアヌレートなどが挙げられる。液状エポキシ樹脂は、エポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般の液状であるものを指す。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って得られるポリグリシジルエーテル、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂等の結晶性エポキシ樹脂、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樹脂、ジグリシジルヒダントイン等の複素環式エポキシ樹脂、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等の脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン、２，２−ビス（４−ヒドロキシシクロヘキシル）プロパンジグリシジルエーテル等の水添型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは１種類あるいは複数種を併用して使うことが可能である。

シアネート樹脂を用いる場合、その硬化触媒としては、例えば、銅アセチルアセトナート、亜鉛アセチルアセトナート等の金属錯体が挙げられる。
エポキシ樹脂を用いる場合、その硬化剤としては、例えば、脂肪族アミン、芳香族アミン、ジシアンジアミド、ジカルボン酸ジヒドラジド化合物、フェノール樹脂等が例として挙げられる。ジヒドラジド化合物の例としては、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などが挙げられる。エポキシ樹脂の硬化剤に用いるフェノール樹脂としては、エポキシ基と反応して架橋にあずかる活性水素基を１分子当り２個以上有することが望ましい。このようなフェノール樹脂としては、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)、シクロへキシリデンビスフェノール、又フェノール、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等が挙げられ、これらは１種類あるいは複数種を併用して使うことが可能である。

本発明に用いる硬化促進剤兼硬化剤としては各種のイミダゾール化合物があり、その例としては、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、またそのイソシアネート付加物等があり、これらは何れも１種類あるいは複数種と併用して使うことが可能である。

本発明においては熱硬化性樹脂成分が室温で固体である場合や液状でも粘度が高い場合は、反応性希釈剤を特性低下が起きない程度に混合して用いることも充分可能である。例
えば、ｎ−ブチルグリシジルエーテル、バーサティック酸グリシジルエステル、スチレンオサイド、エチルヘキシルグリシジルエーテル、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、ブチルフェニルグリシジルエーテル等が挙げられ、これらは１種類あるいは複数種を併用して使うことが可能である。

本発明に用いるフィラーとしては、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミ、タルク等の無機フィラーやシリコーン樹脂、ポリテトラフロロエチレン等のフッ素樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ベンゾグアナミンやメラミンとホルムアルデヒドとの架橋物等の有機フィラー、銀粉や銅粉、アルミニウム粉等の金属粉を有機樹脂で被覆したフィラーやシリカとアクリル複合材のような有機と無機の複合フィラーが挙げられる。アスペクト比（フィラーの長径と厚みの比）が５以上のフィラーは、その中でも熱硬化性樹脂との接着に優れていることと入手が容易であることからシリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化チタン、酸化亜鉛、マイカが好ましい。
又形状としてはフレーク状、鱗片状、樹脂状や球状等が用いられるが、特にフィラーの配向による半導体樹脂ペーストの補強効果や半導体素子、リードフレームや基板等の被着体への接着強度向上の効果、比表面積の増加に伴いチキソ比が大きくなる為に作業性が向上するため、アスペクト比が５以上のフィラーが好ましい。

使用する（Ｂ）フィラーの粒径は必要とするペーストの粘度により異なるが、通常平均粒径は０．３〜２０μｍ、最大粒径は５０μｍ程度のものが好ましい。
平均粒径が０．３μｍ未満だと粘度が高くなり、２０μｍを越えると塗布又は硬化時に樹脂分が流出するのでブリードが発生するため好ましくない。最大粒径が５０μｍを越えるとディスペンサーでペーストを塗布するときに、ニードルの出口を塞ぎ長時間の連続使用ができない。又比較的粗いフィラーと細かいフィラーとを混合して用いることもでき、種類、形状についても各種のものを適宜混合してもよい。また、粒径が１〜１００ｎｍ程度のナノスケールフィラーを添加しても良い。
使用するフィラーは、ハロゲンイオン、アルカリ金属イオン等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。
尚、本発明のフィラーは、予め表面をアルコキシシラン、アシロキシシラン、シラザン、オルガノアミノシラン等のシランカップリング材等で処理したものを用いてもよい。
（Ｂ）フィラーの配合量としては特に制限されないが、樹脂ペースト１００重量部当たり１．０〜９０重量部が好ましい。１．０重量部未満であると粘度が低すぎてペーストのタレが発生したり、フィラーによる補強強化が得られない為接着強度や耐半田性が低下する可能性があり、９５重量部を超えると粘度が高くなり作業性が低下したり、ペースト硬化物が脆くなる為、耐半田性が低下する可能性があり好ましくない。
アスペクト比が５以上のフィラーは（Ｂ）フィラー合計量１００重量部中に２０重量部以上含むことが好ましい。２０重量部未満ではフィラーの配向による半導体樹脂ペーストの補強効果や半導体素子、リードフレームや基板等の被着体への接着強度向上の効果、チキソ比増大の効果が得られないため、好ましくない。

本発明の半導体用樹脂ペーストは、（Ａ）、（Ｂ）成分を必須成分とするが、それら以外にも必要に応じて硬化促進剤、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、イオン捕捉剤、溶剤等の添加剤を適宜配合することができる。
本発明の半導体用樹脂ペーストは、（Ａ）、（Ｂ）成分、及びその他の添加剤等を予備混合し、ロール等を用いて混練した後、真空下脱泡する等の製造方法で得られる。
半導体装置の製造方法は公知の方法を用いることができる。

以下に実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明する。
＜実施例１〜１０＞
実施例１〜１０は表１に示した組成の各成分とフィラーを配合し、３本ロールで混練して樹脂ペーストを得た。
この樹脂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種の性能を評価した。実施例の評価結果を表１に示す。
＜比較例１〜１６＞
表２に示す配合割合に基づき実施例と同様にして半導体用樹脂ペーストを得、実施例と同様にして評価した。結果を表２に示す。

＜用いる原料成分＞
・液状エポキシ樹脂：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（粘度４．０Ｐａ・ｓ／２５℃、エポキシ当量１７０）（以下、ＢＰＦＥＰという）
・フェノール樹脂：フェノールノボラック樹脂（軟化点１１０℃、水酸基当量１０５（以下、ＰＮという）
・ジシアンジアミド（以下、ＤＤＡという）
・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）
・シアネートＬ−１０

・ナフテン酸コバルト
・ウレタンアクリレート（東亞合成株式会社製、アロニックス_RＭ−１６００）
・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（以下、パーヘキサ３Ｍ）
・無機フィラー
薄片状シリカ−１：平均粒径３．０μｍ、最大粒径３０μｍ、アスペクト比１０
薄片状シリカ−２：平均粒径３．０μｍ、最大粒径３０μｍ、アスペクト比 ３
球状シリカ：平均粒径３．０μｍ、最大粒径３０μｍ、真球状
薄片状アルミナ−１：平均粒径３．０μｍ、最大粒径３０μｍ、アスペクト比１０
薄片状アルミナ−２：平均粒径３．０μｍ、最大粒径３０μｍ、アスペクト比 ３
球状アルミナ：平均粒径３．０μｍ、最大粒径３０μｍ、真球状

＜評価方法＞
・粘度：Ｅ型粘度計（３°コーン）を用い２５℃、２．５ｒｐｍでの値を測定し粘度とした。
・チキソ比： Ｅ型粘度計（３°コーン）を用い２５℃でのチキソ比（０．５ｒｐｍでの
粘度／２．５ｒｐｍでの粘度）を計算した。
・接着強度：６×６ｍｍのシリコンチップを半導体用樹脂ペーストを用いて銅フレームにマウントし、オーブンを使用し２００℃６０分で硬化した。硬化後マウント強度測定装置でを用い２５０℃での熱時ダイシェア強度を測定した。
・耐半田性（剥離率）：シリコンチップ（サイズ９．０ｍｍ×９．０ｍｍ）を半導体用樹
脂ペーストを用いてリードフレーム（銅製）にマウントし、オーブンを用いて窒素雰囲気下、２００℃、６０分間で硬化した。このリードフレームをエポキシ樹脂封止材（フィラー量９０重量部）を用いて、８０ピンＱＦＰ（パッケージサイズは１４×２０ｍｍ、厚み２．０ｍｍ）を金型温度１７５℃、射出圧力７．５ＭＰａ、硬化時間６０秒間でトランスファー成形し、１７５℃、８時間で後硬化させた。得られたパッケージを８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置し、その後２６０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。透過型の超音波探傷装置を用いてパッケージ内部の剥離面積の合計値を測定し、又、反射型の超音波探傷装置を用いてチップとエポキシ樹脂封止材との剥離面積及びリードフレームとエポキシ樹脂封止材との剥離面積の合計値を測定した。
（ダイアタッチ層の剥離面積）＝［（透過での剥離面積の合計値）−（反射での剥離面積の合計値）］を求め、半導体用樹脂ペーストの剥離率を、（剥離率）＝［（ダイアタッチ層の剥離面積）／（チップ面積）］×１００として、５個のパッケージの平均値を求め、％で表示した。

Claims (4)

1. 半導体素子を金属リードフレーム、有機基板（フレキシブル回路基板は除く）に接着する絶縁性半導体樹脂ペーストであって、（Ａ）熱硬化性樹脂組成物と（Ｂ）フィラーとからなる２５℃でのチキソ比（０．５ｒｐｍでの粘度／２．５ｒｐｍでの粘度）が３．０〜３．６である絶縁性半導体樹脂ペーストにおいて、
   硬化物の体積抵抗率が１×１０⁸Ω・ｃｍ以上であり、且つ（Ｂ）フィラー合計量１００重量部中に、アスペクト比（フィラーの長径と厚みの比）が５以上のフィラーを２０重量部以上含み、且つ絶縁性半導体樹脂ペースト中に前記（Ｂ）フィラーが５０重量％より多く含むことを特徴とする絶縁性半導体用樹脂ペースト。
2. （Ｂ）フィラーの平均粒径が０．３〜２０μｍであり、且つ最大粒径が５０μｍ以下であ
   る請求項１記載の絶縁性半導体用樹脂ペースト。
3. （Ｂ）アスペクト比が５以上のフィラーがシリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、
   酸化チタン、酸化亜鉛及びマイカからなる群より選択される１種以上である請求項１又は
   ２記載の絶縁性半導体用樹脂ペースト。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁性半導体用樹脂ペーストを用いて製作されてな
   る半導体装置。