KR102487472B1 - 고성능, 열 전도성 표면 실장 (다이 부착) 접착제 - Google Patents

고성능, 열 전도성 표면 실장 (다이 부착) 접착제 Download PDF

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Abstract

(a) 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자를 함유하는 열 전도성 은 구성요소 20 내지 85 중량%; (b) (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량%; 및 (iii) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소인 폴리오르가노-실세스퀴옥산 구성요소; 및 (c) (i) 1종 이상의 용매, (ii) 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클 또는 (iii) 그의 조합 형태로의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%를 포함하는 조성물.

Description

고성능, 열 전도성 표면 실장 (다이 부착) 접착제
관련 출원에 관한 상호 참조
본 출원은 35 USC 119(e) 하에 2015년 8월 3일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 62/200,333의 우선권 이익을 청구한다.
발명의 분야
폴리오르가노-실세스퀴옥산 분말 ((R-SiO3/2)n) 및 은 분말을 함유하는 접착제 조성물. 접착제는 전자, 광전자 및 반도체 장치의 구성요소를 본딩하기 위한 본딩 부재로서 유용하다. 접착제는 고성능 및 바람직한 열 전도율을 나타낸다.
전자, 광전자 및 반도체 산업의 발전으로 고성능 접착제의 필요성이 대두된 바 있다. 특히, 고출력 장치는 고신뢰도 장치의 제조를 위해 저응력, 높은 열 전도율, 열 안정성 및 내습성 접착제를 요구한다. 특히, 고출력 반도체 장치는 장치의 장기 성능 (즉, 기능적 특성)이 저하되지 않도록, 장치의 반도체 구성요소 (칩 또는 다이)로부터 열이 효율적으로 빠져나가도록 하기 위해 높은 열 전도율 접착제를 요구한다.
반도체 장치의 제조는 전형적으로 열 전도성 접착제를 사용하여, 기판 (예컨대 세라믹, 구리 또는 구리 합금) 또는 회로 기판에 반도체 다이 (예컨대 규소, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄 또는 질화갈륨으로부터 제조된 것)를 부착시키는 것을 수반한다. 도 1은 반도체 장치를 예시하며, 여기서 다이 (또는 칩)의 아래쪽은 임의로 금 또는 은으로 금속화되고, 접착제는 다이 (또는 칩)를 임의로 금 또는 은으로 금속화된, 구리로 금속화된 기판에 부착시키기 위한 본딩 부재로서 사용된다. 본딩 부재로서 접착제를 사용하여 반도체 다이를 기판에 부착시키는 공정은 이하 "다이 부착"이라 지칭될 것이다. 다이와 기판 사이의 접착제 층은 종종 "본드라인"이라 지칭된다.
지금까지 표면 실장 또는 다이 부착을 위해 사용된 바 있는 접착제는 일반적으로 페이스트 배합물, 기능적 수행능 및 사용 온도에 기초하여 카테고리별로 나뉜다. 일반적으로, 은 다이 부착 접착제는 3가지 유형으로 카테고리화될 수 있다. 하나는 수지-유형 접착제이고, 또 다른 하나는 소결-유형 접착제이며, 세번째는 무기 은-유리 소결-유형 접착제이다.
전형적인 수지-유형 (유기/무기) 다이 부착 접착제는 하기를 함유할 수 있다:
(a) 은 분말 (구형 형상, 비정형 형상 또는 박편 형상의, 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 가짐),
(b) 열경화성 수지 (예를 들어, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 시아네이트 수지, 및 그의 혼합물),
(c) 열경화성 경화제,
(d) 용매, 및
(e) 임의로 1종 이상의 첨가제 (예를 들어, 커플링제, 분산제, 또는 계면활성제).
전형적인 소결-유형 다이 부착 접착제 (무기 또는 유기/무기일 수 있음)는 하기를 함유할 수 있다:
(a) 은 나노-입자 (5 내지 500 나노미터의 직경을 가짐; 350℃ 미만에서 소결될 수 있음),
(b) 용매,
(c) 임의로 은 분말 (약 0.2 내지 20 마이크로미터의 직경을 가짐);
(d) 임의로 수지 (열경화성 수지 및/또는 열가소성 수지),
(e) 임의로 소결 보조제 (특정한 분산제가 소결 보조제로서 작용할 수 있음), 및
(f) 임의로 1종 이상의 첨가제 (예를 들어, 커플링제, 분산제, 또는 계면활성제).
전형적인 무기 은-유리 다이 부착 접착제는 하기를 함유할 수 있다:
(a) 은 입자 (약 0.2 내지 20 마이크로미터의 직경을 가짐),
(b) 유리 프릿 (낮은 용융 온도 유리 분말),
(c) 임의로 충전제 (예를 들어, 무기 금속 산화물 분말),
(d) 용매, 및
(e) 임의로 1종 이상의 첨가제 (예를 들어, 분산제, 계면활성제, 또는 레올로지 작용제).
유기/무기 접착제의 경우에, 접착제의 화학적 구성 때문에 기능적 제한이 있다. 예를 들어, 유기 구성요소 (예를 들어, 에폭시 및 열가소성 물질)는 유기 물질의 분해 때문에 온도 제한을 갖는다. 에폭시 및/또는 열가소성 구성요소를 함유하는 전형적인 다이 부착 접착제는 200℃ 내지 225℃의 최대 사용 온도를 갖는 것으로 보고된 바 있다. 이들 접착제는, 제조된 장치가 추가의 가공 단계 예컨대 250℃ 내지 320℃의 고온 땜납 (예를 들어, Pb-무함유 SAC305 또는 금-주석 땜납) 리플로우 온도에 노출되면 특성 (예컨대 고온 다이 전단 강도)의 저하를 나타낸다. 이들 접착제는 또한 장기 사용 동안 높은 사용 온도 (예를 들어, >200℃)에 노출되면 성능의 저하를 제시한다. 접착제의 저하, 특히 균열의 형성 또는 기능적 특성 (예를 들어, 열 전도율)의 저하가 제조된 반도체 장치의 감소된 성능을 야기한다.
온도 제한 이외에도, 유기/무기 접착제는 종종 낮은 탄성률 접착제 (저응력) 및 수분 공격에 대한 저항성을 달성하는 사이에 트레이드-오프가 있으며, 여기서 페이스트 구성요소의 유기 구성요소는 전형적으로 수분 공격에 가장 민감하다. 또한, 이러한 유형의 낮은 탄성률 접착제는 높은 중합체 수지 함량 때문에 상당히 더 낮은 열 전도율을 갖는 경향이 있다. 모든 이들 인자는 고온 (고출력), 고성능 장치에 대한 장기 신뢰도와 관련하여 문제를 야기한다.
그러나, 유기/무기 접착제가 바람직한 경우가 있다. 예를 들어, 다이 부착 적용이 무가공 (금속화되지 않음) 다이 및/또는 무가공 기판을 사용하는 경우에, 유기 구성요소는 우수한 접착을 달성하기 위해 접착제 배합물에 종종 사용된다. 일부 적용, 예컨대 고온 작업을 요구하지 않는 것들의 경우에는, 무가공 다이 부착 구성요소의 사용이 장치의 제조와 관련하여 비용 절감을 야기할 수 있다. 또한, 페이스트 배합물의 은 분말 구성요소가 접착제의 전형적인 가공 온도 미만에서 (즉, ≤200℃) 소결되지 않는다면, 유기 구성요소가 접착제의 기능적 요건을 충족시키기 위해 페이스트 배합물에 첨가된다.
조성물 중에서 주로 무기성인 접착제, 예컨대 소결-유형의 접착제는 열 전도율 및 열 안정성과 관련하여 탁월한 특성을 나타내지만; 저장 탄성률 값이 전형적으로 높다. 높은 저장 탄성률 접착제는 전형적으로 큰 다이 적용, 또는 접착제 본드라인에서의 높은 응력 때문에 다이와 기판 사이에 큰 열 팽창 미스매치가 있는 적용에 적합하지 않다. 유기 구성요소가 소결-유형 접착제에 첨가되어 기능적 특성을 개질시킬 수 있으며, 예컨대 보다 저응력 본드라인을 위해 저장 탄성률을 감소시킬 수 있다.
열 전도성 은-유리 복합체의 경우에, 2014년 1월 17일에 출원된 미국 특허 가출원 일련 번호 61/928,533 (발명의 명칭: "전도성 페이스트 및 그를 사용하여 반도체 장치를 제조하는 방법", 발명자: Raymond Dietz et al.) (WO 2015/108205)은 고온 적용 (예를 들어, 300℃ 이하의 연속 사용 온도)을 위한 다이 부착 접착제를 제조하기 위해 용매 시스템 (비히클)과 함께 블렌딩된 열 전도성 금속 및 낮은 용융 온도 유리 프릿 (분말)에 관한 것이다. 이러한 유형의 접착제 배합물은 승온 사용 시에 강건하고, 은 금속화된 알루미나 기판에 본딩된 탄화규소 다이의 신뢰도 시험과 관련하여 기능을 잘 수행한다. 은-유리 접착제는 또한 다이 부착 장치의 제조 동안 무가공 다이 및 무가공 기판을 함께 본딩하는데 사용될 때 탁월한 성능을 제시한다.
은-유리 접착제가 300℃ 이하의 사용 온도에서 우월한 성능을 제시하지만, 접착제를 위한 가공 온도는 일부 온도 감수성 전자 장치 또는 패키지에 대해 너무 높은 약 370℃이다. 또한, 은-유리 복합 접착제의 저장 탄성률은 유리 및 유리 세라믹 물질의 경질, 취성 성질 때문에 매우 높다. 이러한 이유로, 이러한 접착제는 큰 다이 적용, 또는 접착제 본드라인에서의 높은 응력 때문에 다이와 기판 사이에 큰 열 팽창 미스매치가 있는 적용에 적합하지 않다.
금속 및 금속-합금 땜납은 표면 실장 (다이 부착) 땜납을 위한 또 다른 옵션이다. 납-기재 땜납은 전자 구성요소 및 장치의 무연 어셈블리를 위해 무연 땜납 옵션, 예컨대 SAC305 땜납에 의해 대체되고 있다. SAC305 땜납은 납-기재 땜납을 위한 무연 땜납 대체물로서 업계에서 통상적으로 사용되며; 종종 납땜 공정을 위해 플럭스를 사용하고, 이는 구성요소 상에 납땜후 잔류물을 생성할 수 있다. 또한, SAC305 땜납은 250 내지 270℃ 범위의 가공 온도를 요구하고, 통상적인 웨이브 납땜 공정은 약 265℃를 요구한다. SAC305 땜납을 사용한 신뢰도 시험은 계면에서의 금속간 상(들)의 형성으로 문제를 제시한 바 있으며, 이는 납땜된 구성요소 및 장치의 신뢰도 시험에서 문제를 일으킨다.
고온 금-기재 땜납, 예컨대 금, 금-주석, 금-규소 및 금-게르마늄은 고온 수행능을 요구하는 다양한 다이 부착 적용을 위해 사용된다. 스탬핑된 땜납 프리폼은 납땜 공정 동안 플럭스의 필요성을 제거하기 위해 표면 실장 적용에 종종 사용되지만; 납땜 공정을 위해 저산소 분위기 (예컨대 질소, 또는 질소 및 수소의 혼합물)가 요구된다. 금-기재 땜납은 280℃ 초과의 가공 온도를 요구하고, 다이 부착 적용을 위해 사용되는 금-주석 땜납의 열 프로파일은 단시간 동안 320℃에 도달할 수 있으며, 만족스러운 다이 부착 본드라인 및 계면을 달성하기 위해 가공 동안 다이 부착 부품에 적용되는 외부 압력의 부가가 있다. 금-주석 땜납은 약 57 W/mK의 적당한 열 전도율을 나타낸다.
폴리메틸실세스퀴옥산 분말 (CH3-SiO3/2)n은 통상적으로 화장품 산업에서 사용되며, 다이 부착 접착제에 사용하기 위한 광범위한 관심 입자 크기 (예를 들어 0.8 내지 20 마이크로미터)로 상업적으로 입수가능하다. 도 2는 폴리메틸실세스퀴옥산 입자의 개략도이며, 여기서 실록산 결합이 형성되어 3차원 네트워크를 생성하고; 메틸 기는 가교되지 않아, 낮은 탄성률 물질을 생성한다. 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말은 뉴저지주 엘름우드 파크 소재 그랜트 인더스트리즈, 인크.(Grant Industries, Inc.) 및 한국 대전 소재 ABC 나노테크(ABC NANOTECH)와 같은 회사의 제품으로 상업적으로 입수가능하다 (도 3의 스캐닝 전자 영상 참조). 이들 미세 분말은 입자 크기가 상이하지만, 물리적 특성은 표 1에 제시된 바와 같이 유사하다.
표 1. 폴리메틸실세스퀴옥산 분말의 외관 및 특성
Figure 112018019962213-pct00001
ABC 나노테크로부터의 폴리메틸실세스퀴옥산 분말 데이터 시트는 또한 미세 분말의 특출한 열 안정성을 나타내는 데이터를 제시한다. 이러한 특성은 도 4에 제시된 바와 같이 확인되며, 여기서 분말의 열 분석 (시차 주사 열량측정법을 사용함)은 >350℃의 온도에서의 메틸 기의 분해 (발열 피크)를 제시한다.
또한, 폴리메틸실세스퀴옥산 물질은 많은 다이 부착 적용을 위한 관심 온도 범위 (-55℃ 내지 350℃)에서 용융 또는 유동하지 않는다 (유리 전이 온도 (Tg)가 없음). 따라서, 승온에서의 또는 장치의 열 사이클링 동안의 물질의 "재-용융"은 문제가 되지 않는다. 또한, 관심 온도 범위에 Tg가 없으므로, 많은 에폭시 및 중합체 (예를 들어, 열가소성) 물질에 대해 전형적으로 관찰되는 저장 탄성률 및 열 팽창과 같은 특성의 급속한 변화가 없다.
USP 8,835,574 (Nguyen et al.)는 다이 부착 적용에 사용하기 위한 접착제 조성물에 관한 것이다. USP 8,835,574의 칼럼 18, 제25행에 폴리메틸실세스퀴옥산 분말은 응우옌(Nguyen) 등의 접착제 조성물에 충전제로서 사용될 수 있는 것으로 개시되어 있다.
JP S62-128162는 반도체를 캡슐화하기 위한 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 조성물은 하기를 함유한다:
(a) 에폭시 수지,
(b) 경화제,
(c) (RSiO3/2)n으로서 기재된 실리콘 분말, 및
(d) 실리콘 오일
JP S62-128162에, 조성물은 반도체 장치의 응력을 감소시키는 작용을 하는 것으로 언급되어 있다.
JP 2003-347322는 열경화성 수지 및 폴리오르가노실세스퀴옥산 분말을 함유하는 다이-부착 페이스트에 관한 것이다. 이는 절연성 페이스트이며, 은 분말을 함유하지 않는다.
JP 2009-013294는 다이 부착 접착제를 위한 충전제로서의 은 박편 ("A1") 또는 구형 폴리오르가노실세스퀴옥산 분말 ("A2")의 용도를 기재한다 (단락[0194] 및 그 이하 참조). 그러나, 은 박편 및 폴리오르가노실세스퀴옥산 분말은 동일한 페이스트에 동시에 사용되지 않는다 (표 1 참조).
JP 2010-003848은 폴리오르가노실세스퀴옥산 분말을 함유하는 LED를 위한 다이 부착 접착제를 개시한다.
USP 5,415,912는 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 입자를 함유하는 감압성 접착제 (접착 테이프)에 관한 것이다.
USP 5,827,921은 콜로이드성 실리카 또는 폴리오르가노실세스퀴옥산 물질을 포함하는 구성요소를 함유하는 실리콘-기재 물질에 관한 것이다.
US 2012/0114927 및 US 2013/0266796은 나노-Ag 접착제 및 열 본딩 접착제를 각각 다루고 있다.
본 발명은 전자, 자동차 및 항공우주 산업을 포함한 다양한 산업에서 고온, 고출력 및 고신뢰도 적용을 위해 사용될 수 있는 고성능, 열 전도성 표면 실장 (예를 들어, 다이 부착) 접착제에 관한 것이다. 고온 작업을 요구하지 않거나 또는 무가공 (금속화되지 않음) 다이 부착 구성요소의 사용을 선호하는 적용을 위해, 제조되는 장치에 대해 기능적 수행능, 신뢰도 및 비용을 최적화한 접착제 배합물이 제공된다. 접착제 조성물의 이점은 하기 중 하나 이상을 포함한다:
(a) 약 150℃ 내지 400℃ 범위의 열 가공 온도,
(b) 낮은 탄성률 및 낮은 열 팽창 계수를 갖는 저응력 접착제,
(c) 탁월한 열적 특성 예컨대 높은 열 전도율 및 낮은 계면 저항 값,
(d) 탁월한 접착 특성 예컨대 바람직한 고온 접착,
(e) 고온 안정성,
(f) 탁월한 내습성, 및
(g) 분배 적용 (작은 점) 및 미세 피치 스크린 인쇄 적용에 대한 적합성.
달리 명시되지 않는 한, 하기 제시된 중량%는 전체 접착제 페이스트 배합물에 대한 것이다.
한 실시양태에서, 하기를 함유하는 접착제 조성물이 제공된다:
(a) (i) 350℃ 미만에서 소결될 수 있는, 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자, (ii) 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 가지며, 구형 형상, 비정형 형상 또는 박편 형상을 갖는 은 분말, 및 (iii) 은 나노-입자 및 은 분말의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 열 전도성 은 구성요소;
(b) 임의로, 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 가지며, 구형 형상, 비정형 형상 또는 박편 형상을 갖는 구리 입자;
(c) 임의로, 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 가지며, 구형 형상, 비정형 형상 또는 박편 형상을 갖는 은 코팅된 구리 입자;
(d) (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말, 및 (iii) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합으로 이루어진 군으부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소;
(e) 임의로, 수지 (열경화성 수지 및/또는 열가소성 수지);
(f) 1종 이상의 용매, 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클, 또는 그의 조합; 및
(g) 임의로, 1종 이상의 첨가제 (예를 들어, 커플링제, 분산제, 또는 계면활성제).
추가 실시양태에서, 하기 구성요소를 포함하는 고성능 수지-무함유 접착제 조성물이 제공된다:
(a) 350℃ 미만에서 소결될 수 있는, 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자 20 내지 85 중량%를 바람직하게 포함하는 열 전도성 은 나노-입자 구성요소;
(b) 은 분말 0 내지 70 중량%;
(c) (i) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량%, 및 (iii) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소;
(d) 1종 이상의 용매, 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클 또는 그의 조합으로의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%;
(e) 1종 이상의 분산제 0 내지 1 중량%; 및
(f) 1종 이상의 계면활성제 0 내지 0.5 중량%.
추가 실시양태에서, 하기를 함유하는 제1 접착제 조성물 (수지-무함유 조성물)이 제공된다: (a) 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자 (350℃ 미만에서 소결될 수 있음)를 함유하는 열 전도성 은 구성요소 20 내지 85 중량%; (b) (i) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노-실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량% 및 (iii) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소인 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소; (c) 1종 이상의 용매, 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클 또는 그의 조합으로의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%; (d) 1종 이상의 분산제 0 내지 1 중량%; 및 (e) 1종 이상의 계면활성제 0 내지 0.5 중량%.
또 다른 실시양태에서, 하기를 함유하는 제2 접착제 조성물 (수지 함유 조성물)이 제공된다:
(a) (i) 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은-나노 입자 (350℃ 미만에서 소결될 수 있음) 0.5 내지 85 중량%, (ii) 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 갖는 은 분말 (또한 구형 형상, 비정형 형상 또는 박편 형상을 가짐) 0.5 내지 86 중량%, 및 (iii) 은 나노-입자 및 은 분말의 조합 60 내지 85 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 열 전도성 은 구성요소;
(b) (i) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량% 및 (iii) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소;
(c) (i) 열경화성 수지를 포함하는 열경화성 수지 구성요소, (ii) 열가소성 수지, 및 (iii) 열경화성 수지 구성요소 및 열가소성 수지의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 수지 0.5 내지 14 중량%;
(d) 1종 이상의 용매, 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클 또는 그의 조합으로의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%;
(e) 1종 이상의 분산제 0 내지 1 중량%; 및
(f) 1종 이상의 계면활성제 0 내지 0.5 중량%.
추가 실시양태에서, 상부 본딩 구성요소 (예를 들어, 세라믹 다이, 유리 다이 또는 금속 다이, 여기서 다이는 반도체일 수 있음), 저부 본딩 구성요소 또는 기판 (예컨대 세라믹 (예를 들어, 알루미나), 구리, 구리 합금 또는 회로 기판) 및 상부 본딩 구성요소를 기판에 결합시키는 접착제를 포함하는 물품이며, 여기서 접착제는 상기 제1 접착제 조성물 또는 상기 제2 접착제 조성물인 물품이 제공된다. 상부 본딩 구성요소 및/또는 기판은 금속화될 수 있거나 (전형적으로 금 또는 은) 또는 비-금속화될 수 있다 (무가공).
또 다른 실시양태에서, 은 및 용매를 함유하는 열 전도성 접착제의 저장 탄성률을 감소시키는 방법이며, 접착제를 (i) 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량%, 및 (iii) 상기 폴리오르가노-실세스퀴옥산 미세 분말 및 상기 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소와 블렌딩하는 것을 포함하고, 여기서 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소의 중량%는 열 전도성 접착제 및 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소를 합한 양을 기준으로 한 것인 방법이 제공된다. 열 전도성 접착제는 수지-유형, 소결-유형 또는 무기 은-유리 소결-유형일 수 있다. 용매 (열 전도성 접착제 중 용매와 동일하거나 또는 상이할 수 있음)를 첨가하여 접착제 페이스트 분배 또는 접착제 페이스트 스크린 인쇄 적용을 위해 페이스트 레올로지를 조정할 수 있다.
추가 실시양태에서, 상부 본딩 구성요소 (예를 들어, 세라믹 다이, 유리 다이 또는 금속 다이, 여기서 다이는 반도체일 수 있음), 저부 본딩 구성요소 또는 기판 (예컨대 세라믹 (예를 들어, 알루미나), 구리, 구리 합금 또는 회로 기판) 및 상부 본딩 구성요소를 기판에 결합시키는 접착제를 포함하는 물품이며, 여기서 접착제는 폴리오르가노-실세스퀴옥산 구성요소와 블렌딩된 상기 열 전도성 접착제인 물품이 제공된다. 상부 본딩 구성요소 및/또는 기판은 금속화될 수 있거나 (전형적으로 금 또는 은) 또는 비-금속화될 수 있다 (무가공).
개별 도면 전체에 걸쳐 유사 참조 번호가 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하고, 하기 상세한 설명과 함께 본 명세서에 포함되며 그의 일부를 구성하는, 첨부 도면은 모두 본 발명에 따른 다양한 실시양태를 추가로 예시하고, 다양한 원리 및 이점을 설명하는 기능을 한다.
[도 1]도 1은 다이 부착 ("DA") 접착제를 사용하여 기판에 본딩된 반도체 장치 (다이 또는 칩)의 개략적 표현이다.
[도 2]도 2는 (R-SiO3/2)n에서의 R이 메틸 기 (CH3)인 폴리오르가노-실세스퀴옥산 입자의 개략적 표현이다. 3차원 네트워크를 형성하는 실록산 결합이 생성되어, 저-탄성률 실리콘 수지 분말의 구체를 형성한다.
[도 3]도 3은 상업적으로 입수가능한 다양한 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말의 스캐닝 전자 영상을 제시한다. 미세 분말은 좁은 입자 크기 분포를 갖는, 광범위한 입자 크기로 입수가능한 구형 입자로 구성된다.
[도 4]도 4는 다양한 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 (도 3에 제시된 바와 같음)에 대한 시차 주사 열량측정법을 사용하는 열 분석을 제시하는 그래프이다. 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말은 약 350℃ 초과에서 관찰되는 메틸 기 (CH3)의 분해와 함께 (발열 피크), 탁월한 열 안정성을 나타냈다.
[도 5]도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 고성능 접착제를 함유하는 다이 부착 부품의 단면 입면도이다.
[도 6]도 6a 및 6b는 (a) 수지-무함유 열 전도성 은 접착제 및 (b) 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말을 함유하는 수지-무함유 열 전도성 은 접착제로 각각 제조된 다이 부착 부품의 단면 스캐닝 전자 영상이다.
[도 7]도 7은 폴리메틸실세스-퀴옥산 미세 분말을 함유하며 (이하 접착제 페이스트 배합물 8), 200℃까지 소성된 수지-무함유 열 전도성 은 접착제의 열 분석 (시차 주사 열량측정법)을 제시하는 그래프이다. 접착제는 약 450℃ 초과에서 관찰되는 폴리메틸실세스퀴옥산 구성요소로부터의 메틸 기 (CH3)의 분해와 함께 (발열 피크), 탁월한 열 안정성을 나타냈다.
[도 8]도 8은 에폭시 수지, 열가소성 수지 및 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말을 함유하는 열 전도성 은 접착제로 제조된 다이 부착 부품의 단면 스캐닝 전자 영상이다.
[도 9]도 9는 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말을 소결-유형 접착제에 첨가하는 공정을 예시하는 스캐닝 전자 영상이며; 부품은 200℃에서 소성되었다. 스캐닝 전자 영상은 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말이 접착제 마이크로구조에 잘 분산되어 있으며, 상업용 접착제의 고밀도 은 마이크로구조 및 탁월한 계면 본딩이 보존됨을 제시한다.
[도 10]도 10은 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말을 함유하며, 200℃까지 소성된 수지-무함유 열 전도성 은 접착제를 사용하는 다이 부착 "블리드" 시험의 결과를 제시하는 사진이다. 다이를 기판 상에 배치한 후 비히클 블리드 링이 관찰되었지만; 소성 공정 후에는 블리드 링이 없거나, 또는 페이스트 잔류물이 다이 주위에서 관찰되지 않았다.
관련 기술분야의 통상의 기술자라면 도면에서의 요소가 간결성과 명료성을 위해 예시되며, 반드시 일정 비율에 따라 그려진 것은 아님을 인지할 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소 중 일부의 치수는 본 발명의 실시양태에 대한 이해 개선에 도움이 되도록 다른 요소에 비해 과장될 수 있다.
다이 부착 접착제 조성물은 공기 또는 불활성 (예를 들어, 질소) 분위기 중에서 광범위한 온도에 걸쳐 가공될 수 있다. 넓은 가공 온도 범위는 다양한 성능 특성 및 장치 적용을 가능하게 한다. 도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 고성능 접착제를 사용한 다이 부착 부품의 단면 입면도이다. 부품은 접착제로 기판에 본딩된 다이로 이루어진다. 접착제 본드라인 및 필렛은 사용된 접착제 페이스트의 양 및 다이의 배치 동안 적용된 압력에 의해 제어된다. 다이는 제조된 다이 부착 부품의 가공 (소결) 동안 적용되는 압력을 요구하지 않는다.
폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말, 폴리오르가노-실세스퀴옥산 및 폴리디오르가노실록산의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 또는 이들 둘의 조합은 상기 논의된 다이 부착 접착제의 3가지 카테고리 (즉, 수지-유형, 소결-유형 또는 은-유리 유형)에 첨가되어 그의 기능적 특성을 개질시킬 수 있다. 특히, 상기 언급된, 접착제의 3가지 카테고리에 폴리메틸실세스퀴옥산을 첨가하는 것은 접착제의 저장 탄성률 감소를 야기할 수 있다. 접착제 페이스트 배합물은 폴리메틸실세스퀴옥산 분말 구성요소를 열 전도성 페이스트와 블렌딩함으로써, 또는 개별 페이스트 구성요소를 사용하여 접착제 페이스트 배합물을 제조함으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 접착제 페이스트 배합물의 주요 구성요소는 하기에, 예상외의 접착제 성능을 제공하는 고유한 접착제 페이스트 시스템의 필수 부분으로서 기재되어 있다.
열 전도성 구성요소
열 전도성 구성요소는 은 나노-입자, 은 분말, 또는 은 분말, 구리 분말, 은 코팅된 구리 분말 또는 그의 조합을 포함할 수 있는 열 전도성 분말과 조합된 은 나노-입자를 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 열 전도성 구성요소의 화학적 구성은 실질적으로 동일하지만 (즉, 은), 이들은 물리적 특성이 상이하다.
열 전도성 구성요소는 (i) 350℃ 미만에서 소결될 수 있는, 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자 0.5 내지 85 중량%, (ii) 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 가지며, 구형 형상, 비정형 형상 또는 박편 형상을 갖는 입자를 함유하는 은 분말 0.5 내지 86 중량%, 또는 (iii) 은 나노-입자 및 은 분말의 조합 60 내지 85 중량%의 형태로 첨가된다. 바람직하게는, 은 나노-입자 및 은 분말의 조합 함량은 75 내지 85 중량%이다.
이러한 은 나노-입자는 그의 전체 내용이 본원에 참조로 포함되는, US 2015/0041974 A1에 따라 제조될 수 있다. 바람직하게는, 은 나노-입자는 40 내지 350 나노미터의 평균 직경을 가지며, 350℃ 미만, 예를 들어 130℃ 내지 320℃의 온도로 가열함으로써 소결될 수 있다. 수지-무함유 접착제 페이스트 배합물 중 은 나노-입자의 바람직한 함량은 접착제 페이스트 배합물의 20 내지 70 중량%이고, 가장 바람직하게는 30 내지 60 중량%이다.
바람직하게는, 은 분말 입자 크기는 0.5 내지 20 마이크로미터이고, 가장 바람직하게는 0.5 내지 5 마이크로미터이다. 수지-무함유 접착제 페이스트 배합물 중 바람직한 은 분말 함량 (즉, 나노-은 입자와 조합된 것)은 20 내지 70 중량%이고, 가장 바람직하게는 30 내지 60 중량%이다. 수지 함유 접착제 페이스트 배합물 중 바람직한 은 분말 함량은 30 내지 86 중량%이고, 가장 바람직한 은 분말 함량은 65 내지 86 중량%이다 (나노-은 입자가 존재하지 않음). 이러한 은 분말 함량을 함유하는 조성물은 200℃ 미만의 온도에서 가공될 수 있다.
은이 바람직한 열 전도성 충전제 분말이지만, 구리 및/또는 은 코팅된 구리 분말이 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 약 5 내지 15 중량%의 양으로, 은 나노-입자, 은 분말 또는 그의 조합을 부분적으로 치환할 수 있다. 은, 구리 또는 은 코팅된 구리 분말의 조합이 사용되어 특정한 다이 부착 적용에 대해 기능적 특성을 최적화할 수 있다.
폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말
폴리오르가노실세스퀴옥산 입자는 (R-SiO3/2)n을 함유하는 3차원 구조를 가지며, 여기서 유기 기 (R)는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 시클로알킬, 비닐, 페놀, 에폭시 또는 아미노일 수 있다. 메틸 유기 기가 바람직하며, 여기서 폴리오르가노실세스퀴옥산, 예를 들어 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말은 바람직하게는 2 내지 10 중량%의 양으로 함유되고, 보다 바람직하게는 4 내지 9 중량%의 양으로 함유된다. 폴리오르가노실세스퀴옥산, 예를 들어 폴리메틸-실세스퀴옥산 입자 크기는 0.8 내지 20 마이크로미터의 범위이고, 바람직한 입자 크기는 3 내지 10 마이크로미터의 범위이다. 큰 본드라인 두께, 예컨대 50 내지 100 마이크로미터를 갖는 다이 부착 적용을 위해서는, 5 내지 10 마이크로미터의 입자 크기 범위가 가장 바람직하다. 작은 본드라인 두께, 예컨대 10 내지 25 마이크로미터를 갖는 다이 부착 적용을 위해서는, 3 내지 6 마이크로미터의 입자 크기 범위가 가장 바람직하다. 또한, 다양한 입자 크기 분말이 블렌딩되어 특정한 접착제 적용에 대해 기능적 특성을 최적화할 수 있다. 2종의 입자 크기 분말을 사용하는 경우에, 분말의 바람직한 비는 50:50이다. 3종의 상이한 입자 크기 분말을 사용하는 경우에, 분말의 바람직한 비는 최대 입자 크기에서부터 최소 입자 크기 직경으로, 50:30:20이다.
공중합체 분말은 접착제 페이스트 배합물의 0 내지 8 중량%의 양으로 첨가될 수 있으며, 여기서 입자/ 응집체 크기는 2 내지 50 마이크로미터의 범위이고, 바람직한 입자/응집체 크기는 5 내지 20 마이크로미터이다. 공중합체는 (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 ((R-SiO3/2)n) 및 (ii) 폴리디-오르가노실록산 ((R2-SiO)n)의 교락 중합체 네트워크를 함유하며, 여기서 유기 기 (R)는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 시클로알킬, 비닐, 페놀, 에폭시 또는 아미노일 수 있다. 메틸 유기 기가 바람직하며, 여기서 폴리메틸실세스퀴옥산/폴리디메틸실록산 공중합체 분말 (예를 들어, 뉴저지주 엘름우드 파크 소재 그랜트 인더스트리즈, 인크.로부터의 그랜실(Gransil) EPSQ)은 접착제 페이스트 배합물의 0 내지 8 중량%를 차지하고, 바람직한 함량은 접착제 페이스트 배합물의 1 내지 5 중량%이다.
공중합체에서, 폴리오르가노실세스퀴옥산에 대한 폴리디오르가노-실록산의 중량비는 1 내지 50, 바람직하게는 20 내지 40이다.
폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합은 0.5 내지 12 중량%의 범위이고, 바람직한 함량은 2 내지 10 중량%이다.
수지: 열경화성 수지 및 열가소성 수지
수지-유형 또는 소결-유형 접착제는 상기 기재된 바와 같은 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말, 상기 기재된 바와 같은 공중합체 분말 또는 그의 조합을, 수지 (열경화성 수지 구성요소 및/또는 열가소성 수지)를 함유하는 접착제 페이스트 배합물에 첨가함으로써 제조될 수 있다.
열경화성 수지 구성요소는 주로 열경화성 수지를 포함하고, 추가적으로 경화 촉매/경화제의 첨가가 제공되거나 또는 이들의 첨가가 요구될 수 있다. 열경화성 수지 구성요소는 이하 "열경화성 수지"라 지칭될 것이며, 여기서 중합체 물질의 경화를 촉진하는 (즉, 중합체의 가교를 촉진함) 촉매/경화제가 존재한다. 열경화성 수지의 함량은 접착제 페이스트 배합물의 0.5 내지 10 중량%에서 달라질 수 있고, 바람직한 열경화성 수지 함량은 접착제 페이스트 배합물의 4 내지 8 중량%의 범위이다.
매우 다양한 공지된 열경화성 수지가 본 발명에서 사용될 수 있으며, 경화된 물질의 기능적 요건에 따라 선택될 것이다. 경화 촉매/경화제는 액체 열경화성 수지에 첨가되어 열경화성 수지 물질의 경화 (가교)를 촉진한다. 액체 열경화성 수지에 혼입되는 촉매/경화제는 잠재성이어야 하며, 즉 약 100℃ 초과의 온도에서 활성화된다. 액체 열경화성 수지와 함께 사용하기 위한 경화 촉매/경화제는 열경화성 물질의 목적하는 기능적 및 가공 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 블로킹된 산 촉매 유형, 유기금속 촉매 유형 및 광-개시제 촉매 유형을 포함한, 다양한 유형의 촉매/경화제가 사용될 수 있다. 바람직한 열경화성 수지는 비스페놀 A 유형, 비스페놀 F 유형, 페놀 노볼락 유형, 지환족 유형, 글리시딜 에스테르 유형 및 시클로지방족 유형 에폭시를 포함한다. 또한, 열경화성 수지는 액체 수지에 이미 혼합된 잠재성 촉매/경화제를 가질 수 있다.
본 발명에서 사용하기 위한 열가소성 수지는 소결된 접착제의 기능적 요건에 따라 선택될 것이다. 열가소성 물질 함량은 접착제 페이스트 배합물의 0.5 내지 10 중량%에서 달라질 수 있고, 바람직한 열경화성 수지 함량은 4 내지 7 중량%의 범위이다. 바람직한 열가소성 수지는 폴리에스테르 유형, 폴리우레탄 유형, 폴리아미드 유형 및 페녹시 수지 유형 열가소성 물질을 포함한다.
열경화성 수지는 열가소성 수지와 조합되어 사용되어 특정한 다이 부착 적용에 대해 기능적 특성을 최적화할 수 있다. 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 합한 함량은 1 내지 14 중량%에서 달라질 수 있고, 바람직한 함량은 4 내지 10 중량%의 범위이다. 이러한 경우에, 가장 바람직한 범위는 다이 부착 적용을 위해 목적하는 기능적 특성에 좌우된다.
비히클: 용매, 분산제 및 계면활성제
다양한 유기 구성요소가 접착제 페이스트 배합물에 첨가되어 페이스트의 레올로지를 조정하거나, 소결 보조제로서 작용하거나, 또는 생성된 접착제 페이스트 배합물의 표면 장력 또는 증기압을 변경할 수 있다. 유기 구성요소 예컨대 1종 이상의 용매 및 1종 이상의 분산제 및/또는 1종 이상의 계면활성제가 함께 블렌딩되는 경우에, 생성된 혼합물은 "비히클"이라 지칭된다. 본원에서 조성물은 (i) 1종 이상의 용매, (ii) 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클 또는 (iii) 그의 조합으로의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%를 함유한다. 본 발명의 한 실시양태에서, 접착제 페이스트 조성물을 위한 비히클 배합물의 예는 하기 표 2에 제시되어 있다.
고성능 페이스트 배합물에 사용되는 용매는 바람직하게는 하기 일반적 특성을 특징으로 한다:
(a) 실리콘 수지 분말 (예를 들어, 상기 기재된 바와 같은 폴리메틸실세스퀴옥산 및 공중합체 분말)과 비-반응성임, 예를 들어 수지를 용해시키지 않거나 또는 입자의 큰 팽윤을 일으키지 않음;
(b) 낮은 블리드 특징을 나타냄, 즉 다이 부착 필렛의 에지에서의 블리딩을 최소화하기 위해 약간의 표면 장력을 갖는 약간의 극성 용매가 바람직함; 및
(c) 중간 정도의 증기압, 즉 승온으로 실용적 시간 내에 매트릭스로부터 거의 추출될 수 있는 용매.
이들 파라미터 내에서, 예를 들어 알콜, 아세테이트, 에테르, 에스테르 및 케톤을 포함한 매우 다양한 용매가 사용될 수 있다. 이러한 용매의 예는 테르피네올, 에스테르 알콜 (예컨대 텍사놀(Texanol)™), 2-에틸-1,3-헥산디올, 2-페녹시 에탄올, 디히드로테르피네올, 벤질 알콜 및 부틸 카르비톨(Carbitol)™ 아세테이트를 포함하고; 용매는 목적하는 특성을 달성하기 위해 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있다. 접착제 페이스트 배합물을 위한 바람직한 용매는 2-에틸-1,3-헥산디올, 벤질 알콜 및 부틸 카르비톨™ 아세테이트를 포함한다.
1종 이상의 용매, 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클 또는 그의 조합으로의 전체 용매 함량은 접착제 페이스트 배합물의 3 내지 12 중량%에서 달라질 수 있고, 바람직한 용매 함량 (또는 비히클 함량)은 5 내지 9 중량%의 범위이다. 가장 바람직한 용매 함량 (또는 비히클 함량)은 페이스트 적용 방법에 좌우되며, 여기서 시린지를 통해, 또는 기판 상에 패턴을 형성하기 위해 페이스트의 스크린 인쇄를 통해 분배된 페이스트는 종종 상이한 점도/레올로지 요건을 갖는다.
추가의 유기 구성요소가 첨가되어 접착제 페이스트 배합물의 특성을 조정할 수 있다. 예를 들어, 분산제는 접착제 페이스트 배합물의 1 중량% 이하의 양으로 첨가되어 접착제 페이스트 구성요소의 분산을 보조하고, 접착제의 소결을 보조할 수 있다. 본 발명의 한 실시양태에서, 분산제 BYK111 (매사추세츠주 웨스트보로 소재 D.N. 루켄스 인크.(D.N. Lukens Inc.))이 접착제 페이스트 배합물에 사용된다. 계면활성제는 또한, 예컨대 0.5 중량% 이하의 양으로 첨가될 수 있다. 일반적으로, 계면활성제의 목적은 생성된 접착제 페이스트 배합물의 표면 장력을 변경하는 것이다. 본 발명의 한 실시양태에서, 계면활성제 FC4432 (미네소타주 세인트 폴 소재 3M 센터(3M Center))가 접착제 페이스트 배합물에 사용된다.
다이 부착 부품
도 6a 및 6b는 (a) 수지-무함유 열 전도성 은 접착제 (이하 접착제 페이스트 배합물 1) 및 (b) 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말을 함유하는 수지-무함유 열 전도성 은 접착제 (이하 접착제 페이스트 배합물 7)로 각각 제조된 다이 부착 부품의 단면 스캐닝 전자 영상이다. 도 6a는 다이와 기판 계면에서의 탁월한 계면 본딩과 함께, 매우 고밀도의 은 마이크로구조를 제시한다. 도 6b는 수지-무함유 은 접착제에 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말을 첨가한 영향을 제시하며, 여기서 폴리메틸실세스퀴옥산 입자는 은 접착제 전체에 걸쳐 잘 분산되어 있고, 높은 열 전도성 은 접착제의 고밀도 영역 (경로)이 형성되고; 여기서 생성된 계면 본딩은 탁월하게 유지된다.
도 8은 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말, 열-경화성 수지 및 열가소성 수지 구성요소를 함유하는 열 전도성 은 접착제 (이하 접착제 페이스트 배합물 46)로 제조된 다이 부착 부품의 단면 스캐닝 전자 영상이다. 도 8은 고밀도의 은 마이크로구조를 제시하며, 여기서 폴리메틸-실세스퀴옥산 입자, 열경화성 수지 및 열가소성 수지는 은 접착제 전체에 걸쳐 잘 분산되어 있고, 높은 열 전도성 은 접착제의 고밀도 영역이 형성되고; 여기서 생성된 계면 본딩은 탁월하게 유지된다.
실시예
실시예 1: 접착제 페이스트 배합물 1 내지 29의 제조
접착제 페이스트 배합물 1 내지 29를 표 2에 제시된 비히클 배합물을 사용하여, 표 3에 제시된 조성을 갖도록 제조하였다. 표 3의 배합물은 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 구성요소를 함유하지 않으므로, 따라서 "수지-무함유"로 간주되고; 즉 이들은 수지-무함유 소결-유형 접착제였다.
표 3에 지칭된 나노-은 페이스트 ("나믹스(NAMICS)")는 일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션(Namics Corporation)에 의해 제조되며, 하기와 같이 특징화되었다:
전도성 페이스트는 아민 아세테이트 2 중량% 및 용매 (2-에틸-1,3-헥산디올) 8 중량%와 조합된, 100 nm의 평균 입자 직경을 가지며, 40 nm의 결정자 직경을 갖는 은 미세 입자 90 중량%를 함유하였다.
접착제 페이스트 제조는 하기를 수반하였다:
(a) 임의의 건조 구성요소가 입자 응집체를 갖는다면, 전단 혼합을 사용하여 상기 입자 응집체를 파괴하였고;
(b) 중량 퍼센트의 접착제 페이스트 배합물을 기준으로 한 각 구성요소의 적절한 양을 칭량하였고;
(c) 모든 건조 구성요소가 혼합될 때까지 페이스트 구성요소를 먼저 손으로 블렌딩하였고;
(d) 이어서, 블렌딩된 페이스트 구성요소를 씽키(Thinky) 플래너터리 원심분리 혼합기를 사용하여 블렌딩하고 탈기하였고;
(e) 필요한 경우에, 추가의 용매, 예컨대 2-에틸-1,3-헥산디올을 첨가하여 페이스트 점도 조정을 이루었고;
(f) 페이스트를 즉시 사용하거나 또는 향후 사용을 위해 -40℃에서 저장하였고;
(g) -40℃에서 저장된 경우에는, 페이스트를 부품 제조를 위해 사용되기 전에 실온으로 해동하였다.
표 2. 접착제 페이스트 배합물의 제조에 사용된 비히클 배합물
Figure 112018019962213-pct00002
표 3.
접착제 페이스트 배합물 및 접착제 페이스트 배합물 1 내지 29의 기능적 특성
Figure 112018019962213-pct00003
[1] 금속화된 Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Au 금속화된 Si 기판 상의 7.5mmx7.5mm Au 금속화된 Si 다이
[3] 다이 부착 부품의 본드라인 두께, 예를 들어 접착제 두께
Figure 112018019962213-pct00004
[1] 금속화된 Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Au 금속화된 Si 기판 상의 7.5mmx7.5mm Au 금속화된 Si 다이
[3] 다이 부착 부품의 본드라인 두께, 예를 들어 접착제 두께
Figure 112018019962213-pct00005
[1] 금속화된 Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Au 금속화된 Si 기판 상의 7.5mmx7.5mm Au 금속화된 Si 다이
[3] 다이 부착 부품의 본드라인 두께, 예를 들어 접착제 두께
실시예 1(a): 접착제 페이스트 배합물 7의 제조
접착제 페이스트 배합물 7을 평가를 위해 배치 20 그램을 제조하였다. 나노-은 페이스트 ("나믹스" (일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션), 나노-은, 아민 아세테이트 2 중량% 및 용매 8 중량%로 제조된 나노-은 페이스트) 10.44 그램, 명목상 1 마이크로미터 (D50) 은 분말 (매사추세츠주 노스 애틀버러 소재 메탈러 테크놀로지스(Metalor Technologies)) 6.94 그램, "PSQ" 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말 (뉴저지주 엘름우드 파크 소재 그랜트 인더스트리즈, 인크.) 0.7 그램, "PSQ-13" 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 (뉴저지주 엘름우드 파크 소재 그랜트 인더스트리즈, 인크.) 0.7 그램 및 비히클 1.22 그램을 블렌딩하여 페이스트를 제조하였다. 페이스트 비히클 조성은 상기 표 2에 제시되어 있으며, 하기 물질로 이루어졌다: 2-에틸-1,3-헥산디올 (미주리주 세인트 루이스 소재 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)), 부틸 카르비톨™ 아세테이트 (미시간주 미들랜드 소재 더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company)), BYK111 분산제 (매사추세츠주 웨스트보로 소재 D.N. 루켄스 인크.) 및 FC-4432 계면활성제 (미네소타주 세인트 폴 소재 3M 센터).
모든 건조 구성요소가 혼합될 때까지 접착제 페이스트를 먼저 손으로 블렌딩한 다음, 페이스트를 씽키 플래너터리 원심분리 혼합기를 사용하여 블렌딩하고 탈기하였다. 페이스트를 즉시 사용하거나, 또는 부품 제조를 위한 향후 사용을 위해 -40℃에서 저장하였다 (페이스트를 부품 제조 전에 실온으로 해동함).
실시예 1(b): 접착제 페이스트 배합물 1 내지 6 및 8 내지 29의 제조
접착제 페이스트 배합물 1 내지 6 및 8 내지 29를 접착제 페이스트 배합물 7의 제조와 유사한 방식으로 제조하였다.
실시예 2: 접착제 페이스트 배합물 30 내지 52의 제조
접착제 페이스트 배합물 30 내지 52를 2-에틸-1,3-헥산디올 용매 (또는 표 2에 제시되었으며 상기 실시예 1(a)에 기재된 비히클 배합물)를 사용하여, 표 4에 제시된 조성을 갖도록 제조하였다. 접착제 페이스트 배합물 30 내지 52를 실시예 1과 유사한 방식으로 제조하였다.
표 4의 배합물은 에폭시 수지 및 열가소성 수지 구성요소를 함유하고, 유기/무기 접착제로 간주되며, 여기서 열 전도성 충전제 분말 및 접착제 가공 온도의 선택이 접착제가 수지-유형으로서 특징화되는지 또는 소결-유형으로서 특징화되는지를 결정하였다. 에폭시 또는 열가소성 물질 함량은 각각 0.5 내지 8 중량%의 범위이거나, 또는 합한 에폭시 및 열가소성 물질 함량이 0.5 내지 14 중량%의 범위였다. 에폭시 및/또는 열가소성 물질 함량의 바람직한 함량은 2 내지 10 중량%이고, 가장 바람직한 함량은 4 내지 9 중량%였다.
표 4에 지칭된 나노-은 페이스트 ("나믹스")는 실시예 1에 기재된 바와 같이 일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션에 의해 제조되었다.
표 4. 접착제 페이스트 배합물 및 접착제 페이스트 배합물 30 내지 52의 기능적 특성
Figure 112018019962213-pct00006
[1] Ag 금속화된 구리 리드프레임 기판 상의 2mmx2mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Au 금속화된 Si 기판 상의 5mmx5mm Au 금속화된 Si 다이
[3] 다이 부착 부품의 본드라인 두께, 예를 들어 접착제 두께
Figure 112018019962213-pct00007
[1] Ag 금속화된 구리 리드프레임 기판 상의 2mmx2mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Au 금속화된 Si 기판 상의 5mmx5mm Au 금속화된 Si 다이
[3] 다이 부착 부품의 본드라인 두께, 예를 들어 접착제 두께
Figure 112018019962213-pct00008
[1] Ag 금속화된 구리 리드프레임 기판 상의 2mmx2mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Au 금속화된 Si 기판 상의 5mmx5mm Au 금속화된 Si 다이
[3] 다이 부착 부품의 본드라인 두께, 예를 들어 접착제 두께
실시예 2(a): 접착제 페이스트 배합물 42의 제조
접착제 페이스트 배합물 42를 평가를 위해 배치 30 그램을 제조하였다. 명목상 1 마이크로미터 (D50) 은 분말 (매사추세츠주 노스 애틀버러 소재 메탈러 테크놀로지스) 23.55 그램, 에포프로(EpoPro) 602 에폭시 (캘리포니아주 발렌시아 소재 스페셜티 폴리머스 앤드 서비시즈(Specialty Polymers and Services)) 1.8 그램, SF3110 열가소성 수지 (스위스 발리젤렌 소재 스카에티(Schaetti)) 0.9 그램, "E+380" 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 (한국 대전 소재 ABC 나노테크) 1.8 그램 및 2-에틸-1,3-헥산디올 용매 1.95 그램을 블렌딩하여 페이스트를 제조하였다.
실시예 2(b): 접착제 페이스트 배합물 30 내지 41 및 43 내지 52의 제조
접착제 페이스트 배합물 30 내지 41 및 43 내지 52를 접착제 페이스트 배합물 42의 제조와 유사한 방식으로 제조하였다.
실시예 3: 접착제 페이스트 배합물 53 내지 64의 제조
수지-유형, 소결-유형 또는 무기 은-유리 소결-유형 접착제를 개별 구성요소를 함께 블렌딩함으로써, 또는 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말, 상기 기재된 바와 같은 공중합체 분말 또는 그의 조합을 공지된 접착제 배합물 (예를 들어, 상업적으로 입수가능한 제품)에 첨가함으로써 제조할 수 있고; 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 및 폴리메틸실세스퀴옥산/폴리디메틸실록산 공중합체 분말이 바람직하다.
도 9는 소결-유형 접착제 유니멕(UNIMEC) XH9890-6A 접착제 페이스트 (일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션)에 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 첨가의 마이크로구조에 대한 영향을 제시하는 스캐닝 전자 영상을 포함한다. 유니멕 XH9890-6A 페이스트는 열경화성 수지 및 열가소성 수지 구성요소를 함유하는 열 전도성 은 페이스트 (즉, 소결-유형 유기/무기 접착제)이다. 폴리메틸실세스퀴옥산 입자는 접착제 마이크로구조 전체에 걸쳐 잘 분산되어 있으며, 높은 열 전도율 접착제의 고밀도 영역이 형성되고; 여기서 생성된 계면 본딩은 탁월하게 유지된다.
표 5는 접착제 페이스트 배합물 및 이러한 접착제의 기능적 특성을 제공한다. 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 입자 첨가는 유니멕 XH9890-6A 소결-유형 접착제 (배합물 53 내지 56), DM6030Hk/F945 수지-유형 접착제 (배합물 57 내지 61) 및 XH9930 은-유리 소결-유형 접착제 (배합물 62 내지 64)에 대해 이루어졌으며; 이들은 모두 일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션 제품이었다. 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말, 폴리메틸실세스-퀴옥산/폴리디메틸실록산 공중합체 또는 그의 조합의 바람직한 함량은 3 내지 12 중량%의 범위이고, 가장 바람직한 범위는 4 내지 9 중량%였다.
표 5. 소결-유형, 수지-유형 및 무기 은-유리 유형 접착제 페이스트에 대한 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 첨가
Figure 112018019962213-pct00009
[1] 금속화된 Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Si 다이
Figure 112018019962213-pct00010
[1] 금속화된 Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Au 금속화된 Si 다이
[2] Al2O3 기판 상의 2.5mmx2.5mm Si 다이
실시예 3(a): 접착제 페이스트 배합물 55의 제조
접착제 페이스트 배합물 55를 평가를 위해 배치 20 그램을 제조하였다. 유니멕 XH9890-6A (일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션) 접착제 페이스트 18.8 그램 및 "E+360" 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말 (한국 대전 소재 ABC 나노테크) 1.2 그램을 블렌딩하여 페이스트를 제조하였다. 건조 구성요소가 혼합될 때까지 접착제 페이스트 배합물 55를 먼저 손으로 블렌딩한 다음, 페이스트를 씽키 플래너터리 원심분리 혼합기를 사용하여 블렌딩하고 탈기하였다. 페이스트를 즉시 사용하거나, 또는 부품 제조에서의 향후 사용을 위해 -40℃에서 저장하였다 (페이스트를 부품 제조 전에 실온으로 해동함).
실시예 3(b): 접착제 페이스트 배합물 54 및 56의 제조
접착제 페이스트 배합물 54 및 56을 접착제 페이스트 배합물 55의 제조와 유사한 방식으로 제조하였다.
실시예 3(c): 접착제 페이스트 배합물 58의 제조
접착제 페이스트 배합물 58을 평가를 위해 배치 20 그램을 제조하였다. DM6030Hk/F954 (일본 니가타-시 소재 나믹스 코포레이션) 접착제 페이스트 19.4 그램 및 "E+360" 폴리메틸-실세스퀴옥산 미세 분말 (한국 대전 소재 ABC 나노테크) 0.6 그램을 블렌딩하여 페이스트를 제조하였다. 건조 구성요소가 혼합될 때까지 접착제 페이스트 배합물 58을 먼저 손으로 블렌딩한 다음, 페이스트를 씽키 플래너터리 원심분리 혼합기를 사용하여 블렌딩하고 탈기하였다. 페이스트를 즉시 사용하거나, 또는 부품 제조에서의 향후 사용을 위해 실온에서 저장하였다.
실시예 3(d): 접착제 페이스트 배합물 59 내지 61 및 63 내지 64의 제조
접착제 페이스트 배합물 59 내지 61 및 63 내지 64를 접착제 페이스트 배합물 58의 제조와 유사한 방식으로 제조하였다.
표 5에 제시된 접착제 페이스트 배합물의 기능적 특성은 폴리메틸실세스퀴옥산 함량이 증가함에 따라 탁월한 다이 전단 강도를 유지하면서, 저장 탄성률의 상당한 감소를 제시하였다.
소결된 접착제 페이스트 배합물 55는 또한 금-주석 땜납에 대한 약 57 W/mK의 열 전도율 값과 유사한, 55.8 W/mK의 매우 우수한 열 전도율 값을 나타냈다. 이들 데이터는 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말 첨가가 우수한 열적 특성을 유지하면서, 다양한 상업용 접착제의 저장 탄성률을 감소시키는데 효과적임을 나타낸다.
실시예 4. 접착제 페이스트 배합물 1 내지 64의 소결을 위한 열 가공
접착제의 기능적 수행능 평가를 위해 다양한 부품을 제조하였고, 접착제 페이스트 배합물을 하기 열 프로파일 중 하나를 사용하여 가공 (소결)하였다:
(a) 200℃ 프로파일: 공기 (대류 부재) 중에서, 또는 기계적 공기 대류 오븐에서 200℃까지의 60분 경사 및 60분 동안 200℃에서의 유지;
(b) 175℃ 프로파일: 기계적 공기 대류 오븐에서 175℃까지의 30분 경사 및 60분 동안 175℃에서의 유지;
(c) 변형된 프로파일: 1-층 열 전도율 부품의 용매/비히클 페이스트 구성요소의 개선된 증발을 위해 100℃에서의 60분 유지가 추가된 프로파일 (a) 및 (b);
370℃ 프로파일: 공기 (대류 부재) 퍼니스에서 370℃까지의 30분 경사 및 10분 동안 370℃에서의 유지.
동일한 페이스트 배합물에 대해 기능적 특성에서 관찰된 차이 때문에 부품을 가공하기 위해 공기 대 기계적 공기 대류를 사용하는 열 프로파일 사이의 구별이 페이스트 배합물 표에서 이루어졌다. 일반적으로, 기계적 공기 대류를 사용한 가공은 접착제 페이스트 및 다이 부착 부품의 개선된 소결을 야기하는 것으로 밝혀졌다.
실시예 5: 시험 부품의 제조 및 특성 측정
기능적 특성 평가를 위해 다양한 시험 부품을 제조하였다. 시험 부품의 한 그룹은 벌크 샘플 부품을 포함하였다. 벌크 샘플 부품은 특성 측정을 위해 적절한 크기로 형성 (또는 성형)되며, 여기서 얇은 또는 두꺼운 필름 소결된 접착제가 습윤 페이스트 "닥터-블레이드" 공정을 사용하여 제조된 다음, 실시예 4에 기재된 방식으로 부품의 소결이 이어졌다.
부품의 또 다른 그룹은 다이 부착 시험 부품으로 이루어졌다. 일반적으로, 다이 부착 시험 부품은 기판 상에 접착제 페이스트 배합물의 적절한 양을 분배함으로써 제조하고, 금 금속화된 규소 다이를 접착제 페이스트 배합물의 위에 배치하고, 약간의 압력을 적용하였다. 접착제 페이스트 배합물은 다이 경계로 유동 확산하여, 다이 두께의 약 절반을 상승한 필렛을 형성하였다. 접착제 본드라인 두께 값은 전형적으로 25 내지 50 마이크로미터였다. 다이 부착 부품을 실시예 4에 기재된 방식으로 가공하였다. 도 5는 다이 부착 부품의 예시를 제공한다.
부피 저항률 측정은 명목상 5mm 폭 x 60mm 길이 및 0.25mm 두께로 측정된 벌크 접착제 부품에 대해 이루어졌다. 키슬리(Keithley) 2400 소스미터를 사용하는 4-포인트 저항 측정을 사용하여 부피 저항률을 결정하였다.
저장 탄성률 측정은 명목상 5mm 폭 x 40mm 길이 및 0.25mm 두께로 측정된 소결된 벌크 접착제 부품에 대해, 동적 기계적 분석 (DMA) 장비 (히타치(Hitachi) DMS7100 엑스타(EXSTAR))를 사용하여 이루어졌다. DMA 장비로부터의 탄젠트 델타 곡선을 사용하여 접착제의 유리 전이 온도(들) (Tg)를 결정하였다. 열 팽창 계수 (CTE) 측정은 DMA 시험과 유사한 형상의 부품을 사용하여, 열기계적 분석 (TMA) 장비 (네취(NETZSCH) TMA 402 F3)를 사용하여 이루어졌다.
열 전도율 (즉, 1-층 열 전도율) 측정은 명목상 10mm 폭 x 10mm 길이 및 0.5mm 내지 0.8mm 두께로 측정된 소결된 벌크 접착제 부품에 대해 이루어졌다. 레이저 플래쉬 기술 (LFA) 장비 (네취 LFA447 나노-플래쉬)를 사용하여 부품의 열 확산율을 측정하고, 계산된 열 용량 값 및 접착제 밀도 (아르키메데스 방법을 사용하여 측정됨)를 사용하여 열 전도율을 계산하였다.
LFA는 또한 소결된 다이 부착 부품의 계면 저항 (Rth)을 측정하는 데에도 사용되었다. Rth 측정을 사용하여 본딩된 계면의 품질을 평가하며, 낮은 Rth 값은 제조된 다이 부착 부품의 접착제 계면에서의 탁월한 본딩을 나타낸다. 시험 부품은 10mm x 10mm 금 금속화된 규소 기판에 본딩된 7.5mm x 7.5mm (또는 5mm x 5mm) 금 금속화된 규소 다이를 사용하여 제조하고; 접착제 페이스트 약 10-15 밀리그램을 사용하여 시험 부품을 형성하였다.
다이 전단 강도 측정은 금속화된 기판에 본딩된 다양한 크기의 금 금속화된 규소 다이로 이루어진 소결된 다이 부착 부품에 대해 이루어지고; 기판은 금 금속화된 알루미나, 은 금속화된 알루미나 및 은 금속화된 구리 리드 프레임을 포함하였다. 사텍(SATEC) (T1000) 및 데이지(DAGE) (4000 옵티마) 본드테스터를 사용하여 부품의 다이 전단 강도 (접착력)를 시험하였다. 데이지 본드테스터는 승온에서의 다이 전단 강도를 측정하기 위해 프로그램가능한 가열 플레이트가 장착되었다.
실시예 6: 내습성 시험
접착제 페이스트 배합물 6 및 7을 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 다이 부착 부품 (다이 전단 시험용)은 금 금속화된 알루미나 기판 상의 페이스트 약 1.5 밀리그램을 사용하여 실시예 5와 유사한 방식으로 제조하고; 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
소결된 다이 부착 부품을 가압 쿠커 시험 ("PCT")이라 지칭되는 가속된 내습성 시험에 노출시켰다. 가압 쿠커 시험은 다이 부착 부품을 가압 쿠커의 헤드스페이스에 배치하고 (단지 스팀에 대한 노출), 온도를 121℃로, 압력을 15 psi로 상승시키는 것으로 이루어졌다. 부품을 8시간 및 16시간 노출 시 PCT로부터 제거하고, 데이지 본드테스터를 사용하여 다이 전단 강도를 측정하였다. 0, 8 및 16시간의 PCT 노출에 대한 다이 전단 강도 값이 표 6에 제시되어 있다.
표 6. 가압 쿠커 시험에 0, 8 및 16시간 동안 노출된, 접착제 페이스트 배합물 6 및 7 소결된 다이 부착 부품의 다이 전단 강도
Figure 112018019962213-pct00011
둘 다의 경우에서, 접착제는 PCT 노출 시간의 함수로서 관찰되는 다이 전단 강도의 저하 없이, 수분 공격에 대한 특출한 저항성을 제시하였다. 특히, 25℃에서 7.5 GPa의 저장 탄성률 값을 갖는 접착제 페이스트 배합물 7은 탁월한 다이 전단 강도를 제시하며, 수분에 대한 노출로 접착력의 손실을 나타내지 않았다. 이들 부품의 특출한 성능은 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말의 소수성 성질에 기인하는 것으로 간주된다.
실시예 7: 고온 다이 전단 시험
접착제 페이스트 배합물 21 (실시예 1에 따라 제조됨)을 사용하여 고온에서의 다이 부착 접착력 (즉, 다이 전단 강도)을 평가하였다. 다이 전단 시험 부품은 금 금속화된 알루미나 기판 상에 접착제 페이스트 배합물 21 약 1.5 밀리그램을 분배함으로써 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고; 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
소결된 다이 부착 부품의 접착력을 승온에서의 다이 전단 강도를 측정하기 위해 프로그램가능한 가열 플레이트가 장착된 데이지 본드테스터를 사용하여 시험하고; 다이 전단 강도 값을 21℃, 250℃, 300℃ 및 350℃에서 측정하여 표 7에 제시하였다. 다이 전단 강도는 실온에서의 40 MPa에서부터 350℃에서의 12.1 MPa로의 꾸준한 감소를 제시하였다. 온도가 증가함에 따라 다이 전단 강도의 감소가 관찰되었지만, 다이 전단 부품은 350℃까지 매우 우수한 구조적 완전성을 유지하였고, 여기서 부품의 다이 전단 파괴를 일으키기 위해서는 7.7 킬로그램의 힘이 요구되었다.
표 7. 온도; 21℃, 250℃, 300℃ 및 350℃의 함수로서 접착제 페이스트 배합물 21 다이 부착 부품의 다이 전단 강도
Figure 112018019962213-pct00012
260℃에서의 우수한 다이 전단 강도는, 반도체 장치가 종종 이 온도에서 땜납 리플로우 공정을 거치고, 다이는 우수한 접착을 유지할 필요가 있기 때문에 중요하다. 300℃ 내지 350℃에서의 우수한 다이 전단 강도는 특출하고, 다이 부착 부품의 접착 또는 기능적 특성을 손상시키지 않으면서 고온 2차 공정을 가능하게 한다.
실시예 8: 열 사이클링 시험
접착제 페이스트 배합물 21로 제조된 다이 부착 부품으로 열 사이클링 시험을 수행하고; 접착제 페이스트 배합물 21은 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 다이 전단 시험 부품은 은 금속화된 알루미나 기판 상에 접착제 페이스트 배합물 약 1.5 밀리그램을 분배함으로써 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고; 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
열 사이클링 시험은 ESPEC 열 충격 챔버에서 수행하며, 여기서 부품은 1 사이클 카운트 동안 +175℃ (30분 유지) 및 -55℃ (30분 유지)의 온도 구역 사이를 왕복하였다. 열 사이클링 시험은 부품/장치의 장기 신뢰도를 평가하기 위해 설계된 가속 시험이다. 접착제 본드라인에서 높은 응력을 갖는 다이 부착 부품/장치는 종종 열 사이클링 시험에 노출되면 극심한 다이 전단 강도 저하 (균열 형성 때문에), 또는 다이의 기판으로부터의 층간박리를 나타낸다.
접착제 페이스트 배합물 21로 소결된 다이 부착 부품을 제조하고, +175℃ 및 -55℃의 250 및 480 사이클에 적용하였다. 다이 전단 강도 값을 데이지 본드테스터를 사용하여 측정하여 표 8에 제시하였다.
표 8. 200℃까지 소성된 접착제 페이스트 배합물 21 다이 부착 부품; 금 금속화된 알루미나 상의 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이의 열 사이클링 시험 (TCT)
Figure 112018019962213-pct00013
250 및 480 사이클 후의 다이 전단 강도에서 접착력의 적은 감소가 관찰되었지만; 다이 전단 강도 값은 매우 우수하게 유지되었다. 이들 데이터는 이들 부품에 대해 허용가능한 접착제 본드라인 응력 수준이 존재함을 나타낸다.
실시예 9: 고온 저장 시험
200℃ 초과의 온도에서의 접착제의 열 안정성은 고출력 반도체 장치의 발달과 함께 점점 더 중요해지고 있다. 접착제가 간헐적 노출의 경우에는 승온 (>200℃)에서 만족스럽게 기능 수행을 할 수 있지만, 연속 고온 사용 접착제는 고출력, 고온 장치의 작동 조건을 충족시킬 필요가 있다.
250℃ 고온 저장 시험을 접착제 페이스트 배합물 21로 제조된 다이 부착 부품을 사용하여 수행하였다. 접착제 페이스트 배합물 21을 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 다이 전단 시험 부품은 금 금속화된 알루미나 기판 상에 접착제 페이스트 배합물 21 약 1.5 밀리그램을 분배함으로써 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고; 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
접착제 페이스트 배합물 21로 제조된 다이 부착 부품을 250℃ 퍼니스 내 공기 중에 250시간 동안 배치하여 고온 저장의 효과를 평가하였다. 다이 전단 강도 값을 데이지 본드테스터를 사용하여 측정하고, 계면 저항 값 (Rth)을 LFA를 사용하여 측정하여; 고온 저장 데이터를 표 9에 제시하였다.
표 9. 200℃까지 소성된 페이스트 배합물 21 다이 부착 부품; 금 금속화된 알루미나 상의 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이의 고온 저장 (250℃) 평가
Figure 112018019962213-pct00014
다이 전단 강도는 250℃ 고온 저장 시험 후에 40 MPa에서부터 26.4 MPa로 감소하였다. 다이 전단 강도의 상당한 감소가 관찰되었지만, 접착은 매우 우수하게 유지되었다. 그러나, 계면 저항 값은 시험 전체에 걸쳐 탁월하게 유지되었으며, 이는 접착제를 사용한 계면 본딩이 저하되지 않았음을 나타내고; 이는 다이 부착 부품을 통한 우수한 열 유량을 유지하는데 있어서 (열 소실) 매우 중요하다.
제2 고온 저장 시험을 공기 중 225℃에서 수행하였다. 이러한 경우에, 5mm x 5mm 금 금속화된 규소 다이가 은 금속화된 구리 리드프레임 기판에 본딩되었다. 이러한 다이 부착 조합은 때때로 고출력 장치의 구성을 위해 사용되며, 여기서 약 225℃의 작동 온도가 접착제 본드라인에서 관찰된다.
225℃ 고온 저장 시험을 접착제 페이스트 배합물 21로 제조된 다이 부착 부품을 사용하여 수행하였다. 접착제 페이스트 배합물 21을 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 다이 전단 시험 부품은 은 금속화된 구리 리드 프레임 기판 상에 접착제 페이스트 배합물 21 약 10 밀리그램을 분배함으로써 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고; 5mm x 5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4(a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
접착제 페이스트 배합물 21로 제조된 다이 부착 부품을 225℃ 퍼니스 (공기 중) 내에 250, 500 및 1000시간 동안 배치하여 225℃ 고온 저장의 효과를 평가하였다. 다이 전단 강도 값을 데이지 본드테스터를 사용하여 측정하고, 계면 저항 값 (Rth)을 LFA를 사용하여 측정하여; 225℃ 저장 데이터를 표 10에 제시하였다.
표 10. 200℃까지 소성된 페이스트 배합물 21 다이 부착 부품; 은 금속화된 구리 리드 프레임 상의 5mm x 5mm 금 금속화된 규소 다이의 고온 저장 (225℃) 평가
Figure 112018019962213-pct00015
다이 부착 부품은 225℃ 저장에서 탁월한 성능을 제시하며, 여기서 다이 전단 강도 값 (500시간까지) 및 Rth 값 (1000시간까지)은 둘 다 저하를 제시하지 않았다. 특히, 다이 전단 강도 부품은 은 도금된 구리 리드프레임 상의 5mm x 5mm 다이에서 파괴가 발생하는데 약 70 킬로그램의 전단력을 요구하였다.
실시예 10: 다이 주위 블리드의 평가
접착제 페이스트 배합물 7 (실시예 1과 유사한 방식으로 제조됨)을 사용하여 에폭시 또는 열가소성 구성요소를 함유하지 않는 은-폴리메틸실세스퀴옥산 페이스트 (즉, 수지-무함유 페이스트)의 다이 부착 블리드 문제를 평가하였다. 다이 부착 부품은 은 금속화된 알루미나 기판 상에 접착제 페이스트 배합물 약 1.5 밀리그램을 사용하여 실시예 5와 유사한 방식으로 제조하고, 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다. 도 10에 제시된 바와 같이, 다이를 배치한 후 (페이스트가 여전히 습윤 상태일 때) 및 부품을 가공 (소결)한 후에 다이 부착 부품의 사진을 촬영하였다. 도 10에서 다이 배치 후의 부품의 영상은 습윤 페이스트의 경계 주위로 확산된 액체 구성요소의 블리드 링을 제시한다. 접착제 페이스트 배합물 7의 액체 구성요소는 단지 비히클로 이루어졌고, 이는 소결 공정 동안 분해/기화되는 것으로 간주되었다. 가공된 부품의 영상은 블리드 링의 증거를 제시하지 않았다.
다이 부착 부품 주위의 블리드는 가공 동안 유동하여 소결된 다이 부착 부품 주위에 물질의 링을 형성할 수 있는 액체 수지, 또는 유기 구성요소를 함유하는 다이 부착 페이스트의 경우에 심각한 문제일 수 있다. 특히, 다이 부착 부품 주위의 블리드는 기판 또는 회로 기판 상의 다이 배치가 밀접하고, 블리드 구역이 반도체 장치의 작동을 방해할 경우에 문제가 된다.
상기 표 3에 제시된 은-폴리메틸실세스퀴옥산 접착제 페이스트 배합물 1 내지 29의 경우에, 에폭시, 액체 수지 또는 열가소성 구성요소는 존재하지 않으며, 이들 접착제 페이스트 배합물은 "수지-무함유"로 간주된다. 이들 배합물에 사용된 페이스트 비히클은 소결 공정 동안 탁월한 번-아웃을 나타내므로, 따라서 비히클이 약간의 블리드를 제시할 수 있다 하더라도 열 가공 후에 잔류 물질의 블리드-링으로서의 가시적인 징후는 없었다. 비히클 구성요소는 제조된 다이 부착 부품/장치 또는 패키지의 기능적 수행능에 영향을 미칠 수 있는, 다이 부착 부품 가공의 번-아웃 부분 후의 잔류 물질이 없도록 보장하기 위해 신중히 선택되어야 한다.
실시예 11: 고성능 수지-무함유 접착제
고출력 장치는, 예를 들어 고온 안정성 (즉, ≥225℃), 저응력 다이 부착 본드라인 및 높은 열 전도율을 포함한 기능적 수행능을 보유하는 강건한 다이 부착 접착제를 요구한다. 이들 요건 중 일부를 만족시키는 다이 부착 접착제가 존재하지만, 이들 모두를 충족시키는 상업적으로 입수가능한 접착제는 찾기가 어렵다.
상기 기재된 수지-무함유 접착제 페이스트 배합물에 대한 접착제 성능 데이터는 고출력 반도체 장치에 대한 모든 성능 요건을 충족시킬 가능성을 제시한다. 예를 들어, 접착제 페이스트 배합물 21로 제조된 부품의 기능적 특성이 상기 표 3에 제시되어 있다. 접착제 페이스트 배합물 21을 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 다이 전단 시험 부품은 은 금속화된 알루미나 기판 상에 접착제 페이스트 배합물 약 1.5 밀리그램을 분배함으로써 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고; 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
페이스트 배합물 21로 제조된 부품의 기능적 수행능은 하기에 의해 강조된다:
(a) -55℃에서의 12.9, 25℃에서의 12.0 GPa 및 200℃에서의 9.1 GPa의 저장 탄성률;
(b) 25℃에서의 19.3 x 10-6/K 및 200℃에서의 24.3 x 10-6/K의 열 팽창 계수;
(c) 40 MPa의 다이 전단 강도; 및
(d) 103 W/mK의 1-층 열 전도율.
이러한 접착제 페이스트 배합물의 기능적 특성은 200℃의 가공 온도에서 탁월한 열 안정성을 제시하며, 광범위한 온도에 걸쳐 저장 탄성률 및 열 팽창 계수와 같은 특성의 최소한의 변화를 제시하였다.
중간 정도의 저장 탄성률 값 및 낮은 열 팽창의 조합은 저응력 본드라인을 위해 바람직하다. 탁월한 다이 전단 강도와 커플링된 저응력 본드-라인은 고신뢰도 다이 부착 구성요소 및 장치의 제조를 위해 요구되는 특성이다. 이러한 접착제 페이스트 배합물은 또한 고출력 장치로부터 열이 효율적으로 빠져나가도록 하기 위해 필요한, 탁월한 열 전도율을 나타냈다. 이러한 접착제 페이스트 배합물의 조합된 기능적 수행능은 이를 고출력, 고온 다이 부착 구성요소 또는 장치를 위한 우수한 후보로 만든다.
실시예 12: 공중합체가 함유된 수지-무함유 접착제
낮은 저장 탄성률 접착제는 큰 다이 부착 적용, 또는 다이와 기판 사이에 열 팽창에서의 큰 차이가 있는 다이 부착 적용을 위해 바람직하다. 접착제 배합물 중 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말의 사용이 감소된 저장 탄성률을 야기하지만, 제한이 있다. 단독으로 또는 폴리메틸실세스-퀴옥산과 조합하여 공중합체 첨가의 사용은 접착제의 저장 탄성률을 추가로 감소시킬 수 있다.
상기 표 3에 제시된 바와 같은 조성을 갖는 접착제 페이스트 배합물 17 및 18은 단지 공중합체를 사용하여 제조되며; 접착제 페이스트 배합물 17 및 18을 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 부품을 기능 시험을 위해 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하였다. 다이 부착 부품은 금 금속화된 알루미나 기판 상에 페이스트 약 1.5 밀리그램을 사용하여 제조하고; 2.5mm x 2.5mm 금 금속화된 규소 다이를 다이 부착을 위해 사용하였다. 다이 부착 부품을 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
접착제 저장 탄성률은 페이스트의 공중합체 함량이 5 중량%로 증가함에 따라 급속히 감소하며, 25℃에서의 3.3 GPa 및 200℃에서의 2.5 GPa의 저장 탄성률 값이 접착제 17에 대해 측정되었다.
실시예 13. 유기/무기 열 전도성 접착제
유기/무기 수지-유형 또는 소결-유형 열 전도성 접착제는 다이 부착 부품 제조의 이점을 제공하며, 그 중에는 다이 또는 기판 본딩 표면의 금속화 부재가 있다. 반도체 장치를 위한 무가공 (즉, 비-금속화) 다이 및 무가공 기판 구성요소의 사용은 다이 부착 구성요소의 금속화의 추가 비용으로 인한, 장치의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
열경화성 수지 및/또는 열가소성 수지 구성요소의 첨가는 장치의 기능적 특성 및 적용 특이적 요건을 변경하기 위해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 큰 다이 (예를 들어, 15mm x 15mm) 적용은 종종 균일한 무공극 본드라인 마이크로구조를 얻기 위해 접착제 페이스트 배합물에 열경화성 수지 및/또는 열가소성 수지 구성요소를 요구한다.
게다가, 열경화성 수지 및/또는 열가소성 수지는 은 구성요소의 소결 특성이 장치의 금속화된 다이 및 금속화된 기판 구성요소와의 강력한 금속간 결합을 형성하는데 충분하지 않을 경우에 접착을 개선시키기 위해 첨가될 수 있다.
상기 표 4에 제시된 접착제 페이스트 배합물은 에폭시 수지, 열가소성 수지 또는 수지 구성요소 둘 다의 조합을 사용하여 제조되며; 접착제 페이스트 배합물을 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 개별 은 구성요소, 예컨대 나노-은 페이스트 또는 은 분말, 또는 상기 은 구성요소의 조합을 함유하는 배합물을 포함한, 광범위한 페이스트 배합물을 제공하였다.
상기 논의된 바와 같이, 제조된 다이 부착 부품은 접착제 페이스트 배합물 46을 사용하여 제조하였다.
접착제 페이스트 배합물 46은 우수한 열적 특성을 달성하기 위해 꽤 낮은 함량의 에폭시 및 열가소성 구성요소를 함유하였다. 열 전도율 및 계면 저항 (Rth) 부품을 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고, 실시예 4의 (a)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 200℃에서 가공하였다.
접착제 페이스트 배합물 46은 금-주석 땜납에 대한 약 57 W/mK의 열 전도율 값을 초과한 62.1 W/mK의 매우 우수한 열 전도율을 제시하였다. 또한, 다이 및 기판 구성요소와의 소결된 접착제의 계면 본딩이 탁월하며; 여기서 0.012 cm2K/W의 계면 저항 값이 다이 부착 부품에 대해 측정되었다.
관련 기술분야의 통상의 기술자라면 에폭시 및 열가소성 물질 함량이 제조된 부품의 접착/열적 기능적 특성을 조정하기 위해 변경될 수 있음을 인식할 것이다.
실시예 14. 비-금속화된 (무가공) 다이 및 기판을 위한 유기/무기 열 전도성 접착제
비-금속화된 (무가공) 다이 및 기판이 장치 제조를 위한 바람직한 선택인 경우가 있으며, 여기서 구리 기판은 종종 제조된 장치 내에서의 열 소실을 보조하기 위해 사용된다. 또한, 이들 유형의 장치는 고온 가공에 민감할 수 있고, 보다 낮은 가공 온도 예컨대 175℃가 바람직하다.
표 4에 제시된 많은 유기/무기 열 전도성 접착제를 175℃에서 가공하면, 탁월한 기능적 특성을 나타냈다. 부품을 기능 시험을 위해 실시예 5에 기재된 방식으로 제조하고; 배합물 30 내지 44에 대한 데이터가 상기 표 4에 제공된다. 다이 부착 부품은 금 금속화된 알루미나 기판 상에 페이스트 약 1.5 밀리그램을 사용하여 제조하고; 부품을 실시예 4(b)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 175℃에서 가공하였다.
금속화 및 비-금속화된 구리 리드프레임 기판에 대한 본딩을 평가하기 위해 추가의 부품을 제조하고; 부품을 실시예 4(b)에 제시된 열 프로파일을 사용하여 175℃에서 가공하였다. 규소 다이의 구리 리드프레임 기판에 대한 본딩은 다이와 기판 구성요소 사이에 열 팽창에서의 큰 미스매치 때문에 접착제 본드라인 응력을 증가시킨다. 다이 부착 부품을 +150℃ 내지 -55℃에서의 짧은 열 사이클 시험 (46 사이클 동안)에 적용하여 접착제 본드라인에서의 응력-수준을 평가하였다. 다이 부착 부품 구성에 대한 세부사항 및 다이 전단 강도 데이터가 표 11에 제공된다.
표 11. 금속화 및 비-금속화된 다이 및 기판 구성요소에 본딩되고, 175℃까지 소성된 배합물 40 다이 부착 부품의 열 사이클링 시험 (+150℃/-55℃)
Figure 112018019962213-pct00016
금속화된 다이 및 금속화된 기판 부품에 대한 다이 부착 접착력 값은 탁월하였다. 무가공 다이 및 무가공 기판 장치의 다이 부착 접착력 값은 중간 정도였지만, 여전히 허용가능한 접착력을 제시하였다. 둘 다의 경우에서, 다이 부착 부품은 +150℃ 내지 -55℃에서의 열 사이클링에 노출 시 탁월한 성능을 제시하였고, 이는 접착제 본드라인에서의 허용가능한 응력 수준을 나타냈다.

Claims (36)

  1. 하기를 포함하는 조성물:
    (a) 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자를 포함하는 열 전도성 은 구성요소 20 내지 85 중량%;
    (b) 하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소:
    (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%,
    (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 두 성분의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량%, 및
    (iii) 상기 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 상기 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%; 및
    (c) (i) 1종 이상의 용매 또는 (ii) 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클로서의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%.
  2. 제1항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말로 본질적으로 이루어지고, 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말이 0.8 마이크로미터 내지 20 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 것인 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가 공중합체 분말로 본질적으로 이루어지고, 공중합체 분말이 2 마이크로미터 내지 50 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 것인 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 은 나노-입자가 350℃ 미만의 온도에서 소결되는 것인 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 열 전도성 은 구성요소가 0.5 내지 50 마이크로미터의 입자 직경을 갖는 은 분말 20 내지 70 중량%를 추가로 포함하는 것인 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 열 전도성 은 구성요소가 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 갖는 구리 입자를 추가로 포함하는 것인 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 열 전도성 은 구성요소가 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 갖는 은 코팅된 구리 입자를 추가로 포함하는 것인 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가 (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 혼합물을 함유하는 공중합체 분말로 본질적으로 이루어지는 것인 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가 (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 두 성분의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말의 조합으로 본질적으로 이루어지는 것인 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 구성요소 (c)가 1종 이상의 분산제 및 1종 이상의 계면활성제로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 첨가제를 추가로 포함하는 것인 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 첨가제가, 1 중량% 이하의 양으로 함유된 1종 이상의 분산제를 포함하는 것인 조성물.
  12. 제2항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말이 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말인 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 용매가 2-에틸-1,3-헥산디올인 조성물.
  14. 상부 본딩 구성요소, 기판, 및 상부 본딩 구성요소를 기판에 결합시키는 접착제를 포함하는 물품이며, 여기서 접착제는 제1항에 따른 조성물인 물품.
  15. 제14항에 있어서, 상부 본딩 구성요소가 세라믹 다이, 유리 다이 및 금속 다이로 이루어진 군으로부터 선택되고; 기판이 세라믹, 구리, 구리 합금 및 회로 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 물품.
  16. 제15항에 있어서, 상부 본딩 구성요소가 반도체 다이인 물품.
  17. 하기를 포함하는 조성물:
    (a) (i) 5 내지 500 나노미터의 입자 직경을 갖는 은 나노-입자 0.5 내지 85 중량%, (ii) 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 갖는 은 입자 0.5 내지 86 중량% 및 (iii) 상기 은 나노-입자 및 상기 은 입자의 조합 60 내지 85 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 열 전도성 은 구성요소;
    (b) (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%, (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 두 성분의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량%, 및 (iii) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소;
    (c) (i) 열경화성 수지를 포함하는 열경화성 수지 구성요소, (ii) 열가소성 수지 및 (iii) 열경화성 수지 구성요소 및 열가소성 수지의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 수지 0.5 내지 14 중량%; 및
    (d) (i) 1종 이상의 용매 또는 (ii) 1종 이상의 용매를 함유하는 비히클로서의 전체 용매 함량 3 내지 12 중량%.
  18. 제17항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말로 본질적으로 이루어지고, 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말이 0.8 마이크로미터 내지 20 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 것인 조성물.
  19. 제18항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말이 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말인 조성물.
  20. 제17항에 있어서, 열 전도성 은 구성요소가 0.5 내지 5 마이크로미터의 직경을 갖는 은 입자 65 내지 86 중량%를 포함하는 것인 조성물.
  21. 제20항에 있어서, 접착제 조성물이 200℃ 미만의 온도에서 가공되는 것인 조성물.
  22. 제17항에 있어서, 열 전도성 은 구성요소가 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 갖는 구리 입자를 추가로 포함하는 것인 조성물.
  23. 제17항에 있어서, 열 전도성 은 구성요소가 0.5 내지 50 마이크로미터의 직경을 갖는 은 코팅된 구리 입자를 추가로 포함하는 것인 조성물.
  24. 상부 본딩 구성요소, 기판, 및 상부 본딩 구성요소를 기판에 결합시키는 접착제를 포함하는 물품이며, 여기서 접착제는 제17항에 따른 조성물인 물품.
  25. 제24항에 있어서, 상부 본딩 구성요소가 세라믹 다이, 유리 다이 및 금속 다이로 이루어진 군으로부터 선택되고; 기판이 세라믹, 구리, 구리 합금 및 회로 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 물품.
  26. 제25항에 있어서, 상부 본딩 구성요소가 반도체 다이인 물품.
  27. 은 및 제1 용매를 함유하는 열 전도성 접착제의 저장 탄성률을 감소시키는 방법이며, 상기 접착제를 하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소와 블렌딩하는 것을 포함하고:
    (i) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 0.5 내지 12 중량%,
    (ii) (I) 폴리오르가노실세스퀴옥산 및 (II) 폴리디오르가노실록산의 두 성분의 교락 중합체 네트워크를 함유하는 공중합체 분말 0.5 내지 8 중량%, 및
    (iii) 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말 및 공중합체 분말의 조합 0.5 내지 12 중량%,
    여기서 상기 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소의 중량%는 상기 접착제 및 상기 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소를 합한 양을 기준으로 하는 것인 방법.
  28. 제27항에 있어서, 열 전도성 접착제가 수지-유형 접착제인 방법.
  29. 제27항에 있어서, 열 전도성 접착제가 소결-유형 접착제인 방법.
  30. 제27항에 있어서, 열 전도성 접착제가 무기 은-유리 소결-유형 접착제인 방법.
  31. 제27항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가 폴리메틸실세스퀴옥산 미세 분말인 폴리오르가노실세스퀴옥산 미세 분말인 방법.
  32. 제27항에 있어서, 폴리오르가노실세스퀴옥산 구성요소가, 폴리메틸실세스퀴옥산 및 폴리디메틸실록산의 두 성분의 교락 중합체 네트워크인 공중합체 분말인 방법.
  33. 제27항에 있어서, 제2 용매를 첨가하여 생성된 접착제의 레올로지를 조정하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 제1 용매 및 제2 용매는 동일하거나 또는 상이한 것인 방법.
  34. 상부 본딩 구성요소, 기판, 및 상부 본딩 구성요소를 기판에 결합시키는 접착제를 포함하는 물품이며, 여기서 접착제는 제27항에 따라 제조된 감소된 저장 탄성률을 갖는 열 전도성 접착제인 물품.
  35. 제34항에 있어서, 상부 본딩 구성요소가 세라믹 다이, 유리 다이 및 금속 다이로 이루어진 군으로부터 선택되고; 기판이 세라믹, 구리, 구리 합금 및 회로 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 물품.
  36. 제35항에 있어서, 상부 본딩 구성요소가 반도체 다이인 물품.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102588747B1 (ko) * 2015-10-02 2023-10-13 미쓰이금속광업주식회사 본딩 접합 구조
CN115197421A (zh) 2017-01-27 2022-10-18 积水化学工业株式会社 固化性树脂组合物、粘接剂、酰亚胺低聚物、酰亚胺低聚物组合物以及固化剂
TWI655693B (zh) * 2017-02-28 2019-04-01 日商京瓷股份有限公司 半導體裝置之製造方法
JP6766160B2 (ja) * 2017-07-31 2020-10-07 バンドー化学株式会社 金属接合用組成物
WO2019188436A1 (ja) 2018-03-28 2019-10-03 積水化学工業株式会社 硬化性樹脂組成物、接着剤、接着フィルム、回路基板、層間絶縁材料、及び、プリント配線板
WO2020189446A1 (ja) * 2019-03-20 2020-09-24 住友ベークライト株式会社 半導体パッケージ、半導体パッケージの製造方法、およびそれに用いる熱伝導性組成物
KR102576953B1 (ko) * 2019-09-05 2023-09-11 스미또모 베이크라이트 가부시키가이샤 열전도성 조성물 및 반도체 장치
KR20210048012A (ko) * 2019-10-22 2021-05-03 주식회사 엘지화학 반도체용 접착제 조성물 및 이를 이용한 반도체용 접착 필름
KR102636434B1 (ko) * 2021-09-29 2024-02-14 주식회사 테라온 전력 반도체 패키지용 칩 본딩 조성물

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014089818A (ja) * 2012-10-29 2014-05-15 Namics Corp 熱硬化型導電性ペースト

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0682764B2 (ja) 1985-11-28 1994-10-19 日東電工株式会社 半導体装置
JP3262570B2 (ja) 1991-09-06 2002-03-04 ジーイー東芝シリコーン株式会社 シリコーン系感圧接着剤組成物
US5827921A (en) 1995-11-29 1998-10-27 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Silicone-based aqueous emulsion composition
JP4019254B2 (ja) * 2002-04-24 2007-12-12 信越化学工業株式会社 導電性樹脂組成物
JP4387085B2 (ja) 2002-05-27 2009-12-16 住友ベークライト株式会社 ダイアタッチペースト及び半導体装置
KR20060007011A (ko) * 2003-04-01 2006-01-23 아길라 테크놀로지스, 인코포레이티드 열 전도성 접착제 조성물 및 장치 부착 방법
KR100834351B1 (ko) * 2006-11-24 2008-06-02 제일모직주식회사 멀티칩 패키지　밀봉용 에폭시 수지 조성물　및 이를이용한 멀티칩 패키지
JP5352970B2 (ja) 2007-07-04 2013-11-27 住友ベークライト株式会社 樹脂組成物および半導体装置
WO2009025787A2 (en) * 2007-08-20 2009-02-26 Diemat, Inc. Adhesives with thermal conductivity enhanced by mixed silver fillers
JP5112089B2 (ja) * 2008-01-28 2013-01-09 京セラケミカル株式会社 接着剤組成物
WO2009117345A2 (en) 2008-03-17 2009-09-24 Henkel Corporation Adhesive compositions for use in die attach applications
JP2010003848A (ja) 2008-06-19 2010-01-07 Momentive Performance Materials Inc 発光装置
JP5247557B2 (ja) * 2009-03-25 2013-07-24 帝人株式会社 無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体及びその製造方法
JP5544819B2 (ja) 2009-10-20 2014-07-09 住友金属鉱山株式会社 エポキシ基含有接着剤樹脂組成物及びそれを用いた光半導体用接着剤
CN102019514A (zh) * 2010-06-01 2011-04-20 重庆大学 三甲基硅烷基聚倍半硅氧烷颗粒增强型锡银铜复合焊膏及其制备方法
EP3796336A1 (en) 2010-11-03 2021-03-24 Alpha Assembly Solutions Inc. Sintering materials and attachment methods using same
CN103260797B (zh) 2010-12-17 2015-12-02 古河电气工业株式会社 加热接合用材料、加热接合用涂层材料、涂层物以及电子部件的接合方法
JP5704256B2 (ja) * 2011-12-26 2015-04-22 東亞合成株式会社 絶縁膜用組成物及び絶縁膜
US10369667B2 (en) 2012-03-05 2019-08-06 Namics Corporation Sintered body made from silver fine particles
JP6140189B2 (ja) 2012-11-30 2017-05-31 ナミックス株式会社 導電ペースト及びその製造方法
TWI652694B (zh) * 2014-01-17 2019-03-01 日商納美仕有限公司 導電性糊及使用該導電性糊製造半導體裝置之方法
US20160330654A1 (en) * 2014-01-17 2016-11-10 Lg Electronics Inc. Communication method on basis of lowest priority information in wireless communication system and device for supporting same
JP7082492B2 (ja) 2018-01-19 2022-06-08 株式会社ミツトヨ 計測用ｘ線ｃｔ装置、及び、その干渉防止方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014089818A (ja) * 2012-10-29 2014-05-15 Namics Corp 熱硬化型導電性ペースト

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Publication number Publication date
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