JPH04285643A - 半導体封止樹脂用フィラー材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体封止樹脂に使われ
るフィラー材の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ等の半導体素子は、通常、プラスチ
ックのパッケージに封止されて使われる。この封止に用
いる樹脂は、基本的にはエポキシ系やアクリル系の有機
高分子とシリカやアルミナの無機フィラー材から構成さ
れている。

【０００３】フィラー材は、機械的強度の向上、熱膨脹
率の低下、熱伝導性の向上、寸法精度の向上など、封止
用樹脂の特性向上に寄与している。

【０００４】一方、封止用樹脂はペレットをモールドす
る際に十分な流動性を持つ必要がある。フィラー材の濃
度が高いほど、機械的強度などの特性は向上するが、良
好な流動性を保つことが困難になるという問題が生じる
。

【０００５】近年になって、素子ペレットの高集積化と
大型化が進んでいる。それに伴ってＩＣからの発熱量が
増大し、放熱効率を高める必要が生じている。しかも、
パッケージの小形化や薄型化も要請されるようになって
きた。その結果、機械的強度や熱伝導率などの特性を格
段に向上させると共に、今まで以上に流動性を高めるこ
とが要求されるようになってきた。

【０００６】樹脂の流動性を損なわずにフィラー材の濃
度を高め、機械的強度などの諸特性を向上させるために
、フィラー材粒子の形状を制御することがある。例えば
、従来の破砕粉の代わりに、丸く角の少ない球状のフィ
ラー材を用いれば、その目的を達成できる。また、楕円
体や繊維状のフィラー材を使えば、流動性がよくなり、
高強度が得られる。

【０００７】しかしながら、このような形状制御が可能
であっても、その添加量には限度がある。しかも、形状
制御の可能な材料はガラス質のシリカ等に限られるので
、特に熱伝導率の向上には大きな寄与が望めなかった。

【０００８】樹脂の流動性を損なわずに熱伝導率を飛躍
的に増大させるために、熱伝導率の高い材料をフィラー
材にすることが提案されている。

【０００９】フィラー材に要求される基本特性としては
、熱伝導率の他に電気絶縁性や化学的安定性があり、さ
らに酸、アルカリ、熱水などと反応しないこと、重金属
やアルカリなど半導体に有害なイオンを含まないこと、
熱膨脹率が小さいことなどを挙げることができる。

【００１０】窒化珪素は、これらの条件を満たし、かつ
高熱伝導率の材料であり、フィラー材としては最適であ
る。しかし、粒子の形状や粒度分布を自由に制御するの
が極めて困難であるという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】流動性が高く、高強度
で高熱伝導率の半導体封止用樹脂を得るには、球形状や
繊維形状に粒子形状を制御でき、かつ高熱伝導率である
フィラー材を用いる必要がある。そのような材料は、ま
だ知られていない。

【００１２】したがって、本発明は、粒形制御が可能で
あるばかりでなく、流動性と機械的強度を損なうことが
なく、熱伝導率が高く、かつフィラー材に要求される基
本特性を満たす半導体封止樹脂用フィラー材を提供する
ことを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、アルミナ系酸
化物又はシリカ−アルミナ系酸化物を主成分とする内層
と、その内層の表面に形成した窒化珪素の外層とを有す
る半導体封止樹脂用フィラー材である。

【００１４】本発明による半導体封止樹脂用フィラー材
においては、２種類の材料を巧みに組み合わせて、フィ
ラー材としての基本特性を持つとともに粒形制御の可能
な材料を内層として構成し、それによって流動性と機械
的強度の向上をはかる。さらに、高熱伝導率でかつフィ
ラー材に要求される基本特性を満たす窒化珪素の被覆層
を外層として構成し、それによって熱伝導の問題を解決
する。

【００１５】本発明のフィラー材の内層として使用され
る材料は、粒子形状にして粒径１〜１００μｍにするか
、あるいは繊維形状にして直径１〜３０μｍ、長さ１〜
３００μｍにするのが好ましい。

【００１６】窒化珪素の外層は、厚みを０．３μｍ以上
にしたほうが、より良好な熱伝導率が得られる。

【００１７】粉末状の内層粒子を目的形状より小さく選
び、外層の窒化珪素層の厚さを制御して、フィラー材の
目的形状とするのが望ましい。

【００１８】なお、半導体封止用樹脂として用いる場合
には、通常、樹脂とフィラー材とを混合して使用する。

【００１９】

【作用】本発明では、アルミナ系又はシリカ−アルミナ
系の酸化物を主成分とする内層と、その内層表面に形成
された窒化珪素の外層とを巧みに組合せたため、粒形制
御が可能で、流動性と機械的強度を損なうことがなく、
熱伝導率が高く、かつフィラー材に要求される基本特性
を満たすことができる。

【００２０】

【実施例】実施例１ 本発明によるフィラー材の内層の材料として、結晶性ア
ルミナ粒子を用いた。

【００２１】まず、結晶性アルミナ粒子を分級し、平均
粒径１５μｍ、最小粒径２μｍ、最大粒径１００μｍの
ものを用いた。

【００２２】次いで、それらの粒子を底部に細孔のある
炭素製容器に収容し、電気炉内で所定の雰囲気中におい
て１０００℃の高温にて加熱処理した。それにより、各
粒子の表面に窒化珪素被覆を外層として形成した。生成
された窒化珪素外層の膜厚は約１μｍであった。雰囲気
ガスとしては、窒素７０容量％とモノクロロシラン３０
容量％の混合ガスを３に対し、窒素７０容量％とアンモ
ニア３０容量％の混合ガスを４の割合にして使用した。 また、加熱中に炭素製容器中で各粒子が流動できるよう
に、容器の下より容器底部の細孔を通してガスを流した
。

【００２３】次に、窒化珪素被覆済みのアルミナ粒子４
０容量％とクレゾール−ノボラック型エポキシ樹脂６０
容量％をホットローラにて混合を行った。その後、混合
物をタブレット状および棒状に成形した。

【００２４】比較例１ 実施例１と同様の結晶性アルミナ粒子を用いた。分級後
、窒化珪素被覆を形成せずに、それらの粒子を実施例１
と同様の樹脂と混合し、所定形状に成形した。

【００２５】実施例２ アルミナ粉末５０重量％とシリカ粉末５０重量％を混合
した後、アーク炉で溶解した。溶解した混合物が流出す
るところを高圧空気で吹き飛ばし、平均太さ３μｍのシ
リカ−アルミナ質繊維を生成し、次いで粉砕、分級を行
った。

【００２６】この繊維状粒子のうち、長さが１μｍ以上
でかつ３００μｍ以下のものを、本発明のフィラー材の
内層の粒子として用いた。

【００２７】次に、実施例１と同様の条件で、窒化珪素
被覆（外層）付きのシリカ−アルミナ質繊維状粒子と、
前記樹詣とを混合して、成形した。

【００２８】比較例２ 実施例２と同様にシリカ−アルミナ質の繊維状粒子を用
いた。分級後、窒化珪素被覆を行わずに、各粒子を実施
例２と同様に樹脂と混合し、成形した。

【００２９】測定結果 本発明の実施例１，２および比較例１，２で得られた成
形品を、流動性（１８０℃下におけるフローテスタによ
るスパイラルフロー長）、強度（２５℃下における３点
曲げ強度）、熱伝導率（レーザフラッシュ法により測定
）について測定した。なお、この成形品とは、半導体パ
ッケージを製造する際の材料として用いられるもので、
樹脂とフィラー材との混合物をタブレット状および棒状
に成形したものである。

【００３０】スパイラルフロー長は実施例１および比較
例１ではともに８０ｃｍ、実施例および比較例２ではと
もに６３ｃｍで、フィラー材の内層粒子に窒化珪素を被
覆して外層とすることにより、流動性が損なわれないこ
とが認められた。また、フィラー材の粒子は、繊維状よ
りも単なる粒状のほうが流動性の向上が認められた。

【００３１】強度は、実施例１では２０ｋｇ／ｍｍ２で
あるのに対し、比較例１では１１ｋｇ／ｍｍ２であった
。また、実施例２では１９ｋｇ／ｍｍ２であるのに対し
、比較例２では１６ｋｇ／ｍｍ２であった。フィラー材
粒子を窒化珪素で被覆することにより機械的強度が損な
われないばかりでなく、むしろ向上することが認められ
た。

【００３２】熱伝導率は、実施例１においては１０．５
×１０−３ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃であるのに対して
比較例１においては２．１×１０−３ｃａｌ／ｃｍ・ｓ
ｅｃ・℃であった。また、実施例２では９．０×１０−
３ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃であるのに対して比較例２
では１．５×１０−３ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃であっ
た。これにより本発明のフィラー材を用いることによっ
て、熱伝導率が大幅に向上したことが認められた。

【００３３】変形例 変形例として、実施例１，２における窒化珪素被覆の工
程を下記の工程に置き換えた例を説明する。

【００３４】本発明のフィラー材の内層の粒子として、
実施例１と同様の結晶性アルミナ粒子、実施例２と同様
のシリカ−アルミナ質繊維のどちらか一方と、平均粒径
０．０６μｍ、最小粒径０．０２μｍ、最大粒径０．１
μｍのシリカ粉末を混合したものを用いた。次に加熱処
理を１４５０℃の温度にて所定の雰囲気ガス中で行った
。雰囲気ガスには、アンモニア１００に対し炭化水素２
の容量比の混合ガスを使用した。

【００３５】得られたフィラー材と樹脂との混合成形体
について、前述の方法で、流動性、強度および熱伝導率
を測定した。その結果、実施例１，２と同様の特性が認
められた。すなわち、比較例１，２に比較して流動性、
強度が損なわれることなく、熱伝導率が向上した。

【００３６】このことから、本発明の半導体封止樹脂用
フィラー材は、変形例に示した材料および方法を用いて
も製造できることが明らかである。

【００３７】次に、本発明に記載した方式で実際にアル
ミナ質粒子に窒化珪素被膜が形成されていることを確か
めるために、以下に述べる実験を行った。出発物質とし
て平均粒径３０μｍの球状アルミナ粉（商品名ＡＳ−３
０ショウデン（株）製）を例として用いた。この粒子を
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、表面が
滑らかな楕円体又は球形であった。これに実施例１と同
様な方法で窒化珪素被膜形成処理を行った。処理後の粒
子をＳＥＭ観察したところ、表面に微細な凹凸が見え、
アルミナ質粒子の滑らかな表面とは異っていた。この処
理後の粒子の一部をエポキシ樹脂で固めて切断し、断面
をダイヤモンドペーストで研磨して、半球状に断面が研
磨された粒子を作成した。それを２０％ＮａＯＨでエッ
チングし、粒子の研磨断面をＳＥＭで調べた。表面下約
１μｍまでエッチングされ難い層があり、内部のエッチ
ングされた部分と段差が観察された。さらに被膜形成処
理された粒子を導電性接着剤で固着し、ＳＩＭＳ法を用
いてＳｉ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ各原素の表面から内部に向かっ
ての濃度分布を調べた。その結果表面下約１μｍまでは
ＳｉとＮが多く検出され、Ａｌ等は殆ど検出されなかっ
たのに対し、内部は殆どがＡｌとＯとからなり立ってい
ることが分かった。これらの結果を模式的に図１および
図２に示した。

【００３８】

【発明の効果】本発明のフィラー材においては、フィラ
ー材の基本特性を満たし、高強度でかつ高熱伝導率のパ
ッケージを得ることができる。また、樹脂の流動性を損
なわずにフィラー材の濃度を高めることができる。それ
ゆえ、成形及びパッケージングの効率を上げることがで
きる。さらに、フィラー材を半導体封止用樹脂として用
いる際にフィラー材の粒子が樹脂に混合された状態をと
ると、粒形制御されたフィラー材の微粒子が樹脂中に均
一に分散し、結果として均質な半導体封止用樹脂となる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体封止樹脂用フィラー材の一例を
模式的に示す図。

【図２】本発明の半導体封止樹脂用フィラー材の一例に
ついて、表面から内部に向っての各原素の濃度分布を模
式的に示す図。

【符号の説明】

１　　内層 ２　　外層 ３　　ＳＩＭＳ分析範囲

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アルミナ系酸化物又はシリカ−アルミ
   ナ系酸化物を主成分とする内層と、その内層の表面に形
   成した窒化珪素の外層とを有する半導体封止樹脂用フィ
   ラー材。