JP6950848B2 - 半導体パッケージに用いる熱伝導性組成物 - Google Patents
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Description
特許文献1には、電子回路基板の上に実装された半導体素子(発熱体)とヒートシンクとが、熱伝導性両面テープ(接着剤で構成される熱伝導性材料)を介して接着した半導体パッケージが記載されている(特許文献1の実施例7、図16)。
このような事情を踏まえ検討したところ、半導体素子とヒートスプレッダー等の放熱部材とを接着する熱伝導性材料として、アクリル系接着剤や、窒化ホウ素、アルミナまたは酸化亜鉛が分散した熱可逆性ゲルを用いたとしても、熱伝導性を十分に得られないことが分かった。
基板と、前記基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子の周囲を囲むヒートスプレッダーとを備え、前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーとを熱伝導性材料で接合した半導体パッケージにおいて、前記熱伝導性材料を形成するために用いる、熱伝導性組成物であって、
金属粒子と、
バインダー樹脂と、
モノマーと、
を含み、
熱処理により前記金属粒子がシンタリングを起こして粒子連結構造を形成するものであり、
当該熱伝導性組成物を用いて、下記の手順Aで測定される熱伝導率λが、10W/mK以上である、
熱伝導性組成物が提供される。
(手順A)
当該熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し、厚さ1mmの熱処理体を得る。得られた熱処理体について、レーザーフラッシュ法を用いて、25℃における熱伝導率λ(W/mK)を測定する。
図1は、本実施形態の半導体パッケージの一例を模式的に示す断面図である。
このような半導体パッケージ100において、熱伝導性材料50は、熱処理により金属粒子がシンタリング(焼結)を起こして形成される粒子連結構造を有するものである。
このヒートスプレッダー30の断面構造は、半導体素子20とヒートスプレッダー30との積層方向の断面視で見たとき、例えば、略コの字形状を有していてもよい。
金属コート樹脂粒子を用いることで、詳細なメカニズムは定かではないが、ニッケルメッキ処理されたヒートスプレッダー30の他面側の表面との密着性を向上させることができる。
上記熱伝導性組成物は、熱処理により金属粒子がシンタリングを起こして粒子連結構造を形成するもので、これによって、熱伝導性材料50を形成できる。
詳細なメカニズムは定かではないが、加熱によって、モノマーが揮発して組成物の体積が収縮すると、金属粒子同士が近づく方向に応力がかかり、金属粒子同士の界面が消失し、金属粒子の連結構造が形成される、と考えられる。そして、このような金属粒子のシンタリングの際、バインダー樹脂、あるいはバインダー樹脂と硬化剤やモノマー等との樹脂硬化物が、連結構造の内部または外周に残存すると、考えられる。また、硬化反応によって、複数の金属粒子が凝集するような力が生じることも、考えられる。
(手順A)
当該熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し、厚さ1mmの熱処理体を得る。得られた熱処理体について、レーザーフラッシュ法を用いて、25℃における熱伝導率λ(W/mK)を測定する。
本実施形態の熱伝導性組成物は、金属粒子を含む。この金属粒子は、熱処理によって、シンタリングを起こし、粒子連結構造(シンタリング構造)を形成できる。
この中でも、熱伝導性の観点から、金属層が、特定の断面から見たときの表面全面を覆っていることが好ましく、粒子の表面全面を覆っていることがさらに好ましい。
弾性特性や耐熱性の観点から、上記樹脂粒子は、シリコーン樹脂粒子やアクリル樹脂粒子を用いてもよい。
なお、本実施形態では、特性を損なわない範囲で他の低応力改質剤をこのシリコーン樹脂粒子に添加しても構わない。併用できる他の低応力改質剤としては、ブタジエンスチレンゴム、ブタジエンアクリロニトリルゴム、ポリウレタンゴム、ポリイソプレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、液状オルガノポリシロキサン、液状ポリブタジエン等の液状合成ゴム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
銀コートシリコーン樹脂粒子の他にも、弾性特性の観点から、銀コートアクリル樹脂粒子を用いてもよい。銀粒子の他にも、たとえばシンタリングを促進する、あるいは低コスト化等の目的で金粒子や銅粒子等の、銀以外の金属成分を含む粒子を併用することが可能である。
また、金属からなる粒子は、異なる粒径D50を有する2種以上を含んでもよい。これにより、シンタリング性を高められる。
本明細書中、「〜」は、特に明示しない限り、上限値と下限値を含むことを表す。
上記熱伝導性組成物は、バインダー樹脂を含む。
上記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、およびアリル樹脂からなる群より選択される1種以上を含むことができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、重量平均分子量が1万未満のものをオリゴマー、重量平均分子量が1万以上のものをポリマーとする。
この中でも、水添ビスフェノールA型液状エポキシ樹脂またはビスフェノールF型液状エポキシ樹脂を用いてもよい。ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂として、例えば、ビスフェノール−F−ジグリシジルエーテルを用いることができる。
上記アクリル樹脂として、具体的には、アクリルモノマーを(共)重合したものを用いることができる。ここで、(共)重合の方法としては限定されず、溶液重合など、一般的な重合開始剤および連鎖移動剤を用いる公知の方法を用いることができる。
ここで、上記ジカルボン酸としては、具体的には、しゅう酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、マレイン酸、フマル酸、フタル酸、テトラヒドロフタル酸、ヘキサヒドロフタル酸などが挙げられる。また、上記アリル基を備える化合物としては、具体的には、アリル基を備えるポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリブタジエン、ブタジエンアクリロニトリル共重合体などが挙げられる。
上記熱伝導性組成物は、モノマーを含む。
上記モノマーは、グリコールモノマー、アクリルモノマー、エポキシモノマーおよびマレイミドモノマーからなる群から選ばれる一または二以上を含むことができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記モノマーを用いることで、加熱処理したとの上記熱伝導性組成物の揮発状態を調整できる。また、バインダー樹脂や硬化剤との組み合わせを適切に選択することで、上記モノマーとこれらを硬化反応させ、硬化収縮状態を調整してもよい。
なお、グリコールモノマーの沸点とは、大気圧下(101.3kPa)における沸点を示す。
ここで、(メタ)アクリル基とは、アクリル基及びメタアクリル基を示す。
上記アクリルモノマーは、分子中に(メタ)アクリル基を1つのみ備える単官能アクリルモノマーであってもよいし、分子中に(メタ)アクリル基を2つ以上備える多官能アクリルモノマーであってもよい。
上記エポキシモノマーは、分子中にエポキシ基を1つのみ備える単官能エポキシモノマーであってもよいし、分子中にエポキシ基を2つ以上備える多官能エポキシモノマーであってもよい。
上記マレイミドモノマーは、分子中に、マレイミド環を1つのみ備える単官能マレイミドモノマーであってもよいし、分子中にマレイミド環を2つ以上備える多官能マレイミドモノマーであってもよい。
上記マレイミドモノマーとして、具体的には、ポリテトラメチレンエーテルグリコール−ジ(2−マレイミドアセテート)などが挙げられる。
上記熱伝導性組成物は、必要に応じて、硬化剤を含んでもよい。
上記硬化剤は、モノマーやバインダー樹脂中の官能基と反応する反応性基を有する。反応性基は、例えば、エポキシ基、マレイミド基、ヒドロキシル基などの官能基と反応するものを用いてもよい。
この中でも、フェノールアラルキル樹脂を用いてもよく、フェノールアラルキル樹脂として、フェノール・パラキシリレンジメチルエーテル重縮合物を用いてもよい。
また、上記硬化剤の含有量は、熱伝導性組成物中のエポキシ樹脂100質量部、またはエポキシ樹脂およびエポキシモノマーの合計100質量部に対して、例えば、1質量部〜40質量部でもよく、10質量部〜35質量部でもよい。
上記熱伝導性組成物は、ラジカル重合開始剤を含んでもよい。
上記ラジカル重合開始剤として、アゾ化合物、過酸化物などを用いることができる。
上記熱伝導性組成物は、硬化促進剤を含んでもよい。
上記硬化促進剤は、バインダー樹脂またはモノマーと、硬化剤との反応を促進させることができる。
上記熱伝導性組成物は、シランカップリング剤を含んでもよい。
上記シランカップリング剤は、熱伝導性組成物を用いた密着層と基材あるいは半導体素子との密着性を向上できる。
上記熱伝導性組成物は、可塑剤を含んでもよい。可塑剤を添加することで、低応力化を実現できる。
上記可塑剤として、具体的には、シリコーンオイル、シリコーンゴム等のシリコーン化合物;ポリブタジエン無水マレイン酸付加体などのポリブタジエン化合物;アクリロニトリルブタジエン共重合化合物などを挙げることができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記熱伝導性組成物は、上述した成分以外にも、必要に、その他の成分を含んでもよい。その他の成分として、例えば、溶剤が挙げられる。
上記熱伝導性組成物の製造方法として、上述した原料成分を混合する方法が用いられる。混合は、公知の方法を用いることができるが、例えば、3本ロール、ミキサーなどを用いることができる。
なお、得られた混合物について、さらに脱泡を行ってもよい。脱泡は、例えば、混合物を真空下に静置してもよい。
半導体パッケージ100の製造方法は、基板10の一面上に、他面が対向するように半導体素子20を設置する工程と、半導体素子20の一面側(他面とは反対側)の表面に、金属粒子を含む上記熱伝導性組成物を塗布する工程と、熱伝導性組成物に接するとともに、半導体素子20の少なくとも一面を覆うようにヒートスプレッダー30を配置する工程と、基板10、半導体素子20、熱伝導性組成物およびヒートスプレッダー30を含む構造体を加熱処理する工程と、を含んでもよい。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 基板と、前記基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子の周囲を囲むヒートスプレッダーとを備え、前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーとを熱伝導性材料で接合した半導体パッケージであって、
前記熱伝導性材料は、熱処理により金属粒子がシンタリングを起こして形成される粒子連結構造を有するものである、
半導体パッケージ。
2. 1.に記載の半導体パッケージであって、
周波数1Hzでの動的粘弾性測定(DMA)で測定した、前記熱伝導性材料の25℃における貯蔵弾性率は、1GPa以上10.0GPa以下である、
半導体パッケージ。
3. 1.または2.に記載の半導体パッケージであって、
レーザーフラッシュ法を用いて測定した、前記熱伝導性材料の25℃における熱伝導率は、10W/mK以上である、
半導体パッケージ。
4. 1.〜3.のいずれか一つに記載の半導体パッケージであって、
前記金属粒子は、金属からなる粒子を含み、
前記金属からなる粒子の体積基準の累積分布における50%累積時の粒径D50が、0.8μm以上7.0μm以下である、
半導体パッケージ。
5. 4.に記載の半導体パッケージであって、
前記金属からなる粒子の粒径の標準偏差が2.0μm以下である、
半導体パッケージ。
6. 4.または5.に記載の半導体パッケージであって、
前記金属からなる粒子が、異なる粒径D50を有する2種以上を含む、半導体パッケージ。
7. 4.〜6.のいずれか一つに記載の半導体パッケージであって、
前記金属からなる粒子が、球状粒子およびフレーク状粒子を含む、半導体パッケージ。
8. 1.〜7.のいずれか一つに記載の半導体パッケージであって、
前記金属粒子は、樹脂粒子と前記樹脂粒子の表面に形成された金属とで構成された金属コート樹脂粒子、を含む、
半導体パッケージ。
9. 1.〜8.のいずれか一つに記載の半導体パッケージであって、
前記金属粒子が、銀、金、および銅からなる群から選択される一種以上で構成される金属からなる粒子を含む、
半導体パッケージ。
10. 基板と、前記基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子の周囲を囲むヒートスプレッダーとを備え、前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーとを熱伝導性材料で接合した半導体パッケージにおいて、前記熱伝導性材料を形成するために用いる、熱伝導性組成物であって、
金属粒子と、
バインダー樹脂と、
モノマーと、
を含み、
熱処理により前記金属粒子がシンタリングを起こして粒子連結構造を形成するものである、
熱伝導性組成物。
11. 10.に記載の熱伝導性組成物であって、
当該熱伝導性組成物を用いて、下記の手順Aで測定される熱伝導率λが、10W/mK以上である、
熱伝導性組成物。
(手順A)
当該熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し、厚さ1mmの熱処理体を得る。得られた熱処理体について、レーザーフラッシュ法を用いて、25℃における熱伝導率λ(W/mK)を測定する。
12. 10.または11.に記載の熱伝導性組成物であって、
当該熱伝導性組成物を用いて、下記の手順Bで測定される25℃の貯蔵弾性率Eが、1GPa以上10.0GPa以下である、
熱伝導性組成物。
(手順B)
当該熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し熱処理体得る。得られた熱処理体について、周波数1Hzでの動的粘弾性測定(DMA)を用いて、25℃における貯蔵弾性率E(MPa)を測定する。
13. 10.〜12.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
前記金属粒子は、銀、金、および銅からなる群から選択される一種以上の金属材料からなる粒子を含む、熱伝導性組成物。
14. 10.〜13.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
前記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、およびアリル樹脂からなる群より選択される1種以上を含む、熱伝導性組成物。
15. 10.〜14.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
硬化剤を含む、熱伝導性組成物。
16. 10.〜15.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
前記モノマーは、グリコールモノマー、アクリルモノマー、エポキシモノマー、およびマレイミドモノマーからなる群から選択される一種以上を含む、熱伝導性組成物。
17. 10.〜16.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
ラジカル重合開始剤を含む、熱伝導性組成物。
18. 10.〜17.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
シランカップリング剤を含む、熱伝導性組成物。
19. 10.〜18.のいずれか一つに記載の熱伝導性組成物であって、
可塑剤を含む、熱伝導性組成物。
20. 基板の一面上に、他面が対向するように半導体素子を設置する工程と、
前記半導体素子の一面側の表面に、金属粒子を含む熱伝導性組成物を塗布する工程と、
前記熱伝導性組成物に接するとともに、前記半導体素子の少なくとも一面を覆うようにヒートスプレッダーを配置する工程と、
前記基板、半導体素子、熱伝導性組成物および前記ヒートスプレッダーを含む構造体を加熱処理する工程と、
を含み、
前記加熱処理する工程において、前記金属粒子がシンタリングを起こして形成される粒子連結構造を含む熱伝導性材料を介して、前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーとを接合する、
半導体パッケージの製造方法。
21. 20.に記載の半導体パッケージの製造方法において、
前記塗布する工程の後、前記配置する工程の前に、前記熱伝導性組成物を乾燥させる工程を含む、
半導体パッケージの製造方法。
22. 20.または21.に記載の半導体パッケージの製造方法において、
前記塗布する工程において、ディスペンサーを用いて、前記熱伝導性組成物を塗布する、
半導体パッケージの製造方法。
下記の表1に示す配合量に従って、各原料成分を混合し、ワニスを得た。
得られたワニス、溶剤、金属粒子を、下記の表1に示す配合量に従って配合し、常温で、3本ロールミルで混練して、ペースト状の熱伝導性組成物を作製した。
(バインダー樹脂)
・エポキシ樹脂1:ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂(日本化薬社製、RE−303S)
・硬化剤1:ビスフェノールF骨格を有するフェノール樹脂(室温25℃で固体、DIC製、DIC−BPF)
・硬化剤2:m,p−クレジルグリシジルエーテル(阪本薬品工業社製、mp−CGE)
(アクリルモノマー)
・アクリルモノマー1:(メタ)アクリルモノマー(エチレングリコールジメタクリレート、共栄化学社製、ライトエステルEG)
・アクリルモノマー2:ポリアルキレングリコールジメタクリレート(日油製、PDE−600)
・可塑剤1:アリル樹脂(関東化学社製、1,2−シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2−プロペニル)とプロパン−1,2−ジオールとの重合体)
・シランカップリング剤1:メタクリル酸3−(トリメトキシシリル)プロピル(信越化学工業社製、KBM−503P)
・シランカップリング剤2:3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業社製、KBM−403E)
・イミダゾール硬化剤1:2−フェニル−1H−イミダゾール−4,5−ジメタノール(四国化成工業社製、2PHZ−PW)
・ラジカル重合開始剤1:ジクミルパーオキサイド(化薬アクゾ社製、パーカドックスBC)
・溶剤1:ブチルプロピレントリグリコール(BFTG)
・銀粒子1:銀粉(DOWAハイテック社製、AG−DSB−114、球状、D50:1μm)
・銀粒子2:銀粉(福田金属箔粉工業社製、HKD−16、フレーク状、D50:2μm)
・銀コート樹脂粒子1:銀メッキアクリル樹脂粒子(山王社製、SANSILVER−8D、球形状、D50:8μm、単分散粒子、比重:2.4、銀の重量比率50wt%、樹脂の重量比率50wt%)
・銀粒子3:銀粉(TC-88、徳力本店社製、フレーク状、D50:3μm)
得られた熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し、厚さ1mmの熱処理体を得た。次いで、レーザーフラッシュ法を用いて、熱処理体の厚み方向の熱拡散係数αを測定した。なお、測定温度は25℃とした。
さらに、示差走査熱量(Differential scanning calorimetry:DSC)測定により比熱Cpを測定し、また、JIS−K−6911に準拠して測定した密度ρを測定した。これらの値を用いて、以下の式に基づいて、熱伝導率λを算出した。
評価結果を下記表1に示す。なお、単位はW/(m・K)である。
熱伝導率λ[W/(m・K)]=α[m2/sec]×Cp[J/kg・K]×ρ[g/cm3]
実施例1、参考例1の熱伝導率のいずれも、20W/(m・K)以上であり、実用上において問題なく使用できるものであった。
得られた熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し熱処理体を得た。得られた熱処理体について、測定装置(日立ハイテクサイエンス社製、DMS6100)を用いて、周波数1Hzでの動的粘弾性測定(DMA)で、25℃における貯蔵弾性率E(MPa)を測定した。
銅リードフレームと、シリコンチップ(長さ2mm×幅2mm、厚み0.35mm)とを準備した。次いで、シリコンチップに、得られた熱伝導性組成物を塗布厚み25±10μmとなるように塗布し、その上に銅リードフレームを配置した。シリコンチップ、熱伝導性組成物、銅リードフレームがこの順で積層してなる積層体を作製した。
次いで、得られた積層体を、大気下で、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理を行い、積層体中の熱伝導性組成物を硬化させ、熱伝導性材料を得た。
次いで、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、積層体中の熱伝導性組成物の熱処理体の断面を観察し、その状態を評価した。
得られた熱伝導性組成物を、表面ニッケルメッキの銅基板上に塗布し、その上に表面ニッケルメッキのシリコンチップ(2mm×2mm)をマウントした。その後、オーブンにて30℃〜200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分加熱することで硬化させた。
このサンプルを260℃に熱した熱板上に置き、DAGE−4000(Nordson社製)を用いてダイシェア強度(N/2mm×2mm)を測定した。
基板の一面上に、他面が対向するように半導体素子を設置した。半導体素子の一面側の表面に、金属粒子を含む熱伝導性組成物を塗布した。熱伝導性組成物に接するとともに、半導体素子の一面を覆うようにヒートスプレッダーを配置した。基板、半導体素子、熱伝導性組成物およびヒートスプレッダーを含む構造体を加熱処理した。加熱処理によって、熱伝導性組成物中の金属粒子がシンタリングを起こして形成される粒子連結構造を含む熱伝導性材料を介して、半導体素子とヒートスプレッダーとを接合し、半導体パッケージを得た。
また、実施例1〜3の半導体パッケージにおいて、比較例1と比べて、熱伝導性材料と半導体素子との接着界面、および、熱伝導性材料とヒートスプレッダーとの接着界面のいずれにおいても、接着強度が高い値を示した。
Claims (9)
- 基板と、前記基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子の周囲を囲むヒートスプレッダーとを備え、前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーとを熱伝導性材料で接合した半導体パッケージにおいて、前記熱伝導性材料を形成するために用いる、熱伝導性組成物であって、
金属粒子と、
バインダー樹脂と、
モノマーと、
を含み、
熱処理により前記金属粒子がシンタリングを起こして粒子連結構造を形成するものであり、
当該熱伝導性組成物を用いて、下記の手順Aで測定される熱伝導率λが、10W/mK以上である、
熱伝導性組成物。
(手順A)
当該熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し、厚さ1mmの熱処理体を得る。得られた熱処理体について、レーザーフラッシュ法を用いて、25℃における熱伝導率λ(W/mK)を測定する。 - 請求項1に記載の熱伝導性組成物であって、
当該熱伝導性組成物を用いて、下記の手順Bで測定される25℃の貯蔵弾性率Eが、1GPa以上10.0GPa以下である、
熱伝導性組成物。
(手順B)
当該熱伝導性組成物を、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、次いで200℃で120分間熱処理し熱処理体得る。得られた熱処理体について、周波数1Hzでの動的粘弾性測定(DMA)を用いて、25℃における貯蔵弾性率E(GPa)を測定する。 - 請求項1または2のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
前記金属粒子は、銀、金、および銅からなる群から選択される一種以上の金属材料からなる粒子を含む、熱伝導性組成物。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
前記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、およびアリル樹脂からなる群より選択される1種以上を含む、熱伝導性組成物。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
硬化剤を含む、熱伝導性組成物。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
前記モノマーは、グリコールモノマー、アクリルモノマー、エポキシモノマー、およびマレイミドモノマーからなる群から選択される一種以上を含む、熱伝導性組成物。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
ラジカル重合開始剤を含む、熱伝導性組成物。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
シランカップリング剤を含む、熱伝導性組成物。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱伝導性組成物であって、
可塑剤を含む、熱伝導性組成物。
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