JP2022111634A - 導電性ペースト、高熱伝導性材料および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
導電性ペーストのはみ出しを抑制するには、導電性ペーストの濡れ広がり性が低いことが好ましいことから、導電性ペーストの濡れ広がり性と、はみ出しの抑制とはトレードオフの関係にあった。
すなわち、本発明は、以下に示すことができる。
BF型粘度計を用い、回転数0.5rpmで測定された粘度(25℃)が、100Pa・s以上であり、回転数5rpmで測定された粘度(25℃)が、21Pa・s以下である、導電性ペーストが提供される。
前記導電性ペーストを硬化して得られる高熱伝導性材料が提供される。
基材と、
前記基材上に接着層を介して搭載された半導体素子と、を備え、
前記接着層は、請求項1~12のいずれか1項に記載の導電性ペーストを硬化してなる、半導体装置が提供される。
本実施形態の導電性ペーストが下記粘度(1)および下記粘度(2)のいずれも満たすことにより、リードフレーム等の金属片と半導体素子との間の濡れ広がり性に優れており熱伝導性や接続性に優れるとともに、半導体素子の直下領域からのはみ出し(裾引き、フィレットの形成)が抑制され低汚染性に優れており、これらの特性のバランスに優れる。すなわち、本発明の導電性ペーストを用いて得られる半導体装置は熱伝導性、接続信頼性および汚染性がバランスよく改善されており、結果として製品信頼性に優れる。
(2)回転数5rpmで測定された粘度(25℃)は、21Pa・s以下、好ましくは20Pa・s以下、さらに好ましくは19Pa・s以下、特に好ましくは18Pa・s以下である。粘度(2)の上限値は特に限定されないが、半導体素子の直下領域からのはみ出し抑制の観点から、1Pa・s以上程度である。
前記粘度(1)および前記粘度(2)の数値範囲は適宜組み合わせることができる。
導電性ペーストの粘度が上記比の範囲にあれば、チキソトロピー性に優れ、リードフレーム等の金属片と半導体素子との間の濡れ広がり性におり優れるとともに、半導体素子の直下領域からのはみ出しがより抑制されており、これらの特性のバランスにさらに優れる。
Auめっきした銅フレーム上に、本実施形態の導電性ペーストを、塗布厚みが25±5μmとなるように塗布し、次いで、長さ2.0mm×幅2.0mm×厚さ350±5μmのAuめっきしたシリコンチップを当該導電性ペースト上に配置して、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、200℃で2時間さらに175℃で4時間熱処理することで硬化体を得て、該硬化体について、上記Auめっきした銅フレームと、上記シリコンチップとの260℃におけるダイシェア強度を測定する。
銅フレーム上に、前記導電性ペーストを、塗布厚みが15±5μmとなるように塗布し、次いで、長さ1.3mm×幅1.2mm×厚さ350±5μmのシリコンチップを当該導電性ペースト上に荷重50gfで載置し、当該導電性ペーストを銅フレームとシリコンチップとの間に濡れ広げた場合において、当該導電性ペーストが前記シリコンチップの直下領域から拡展した距離(濡れ広がった距離、裾引き長さ、フィレット長さ)を測定する。
本実施形態の導電性ペーストは、導電性充填剤を含むことができる。
導電性充填剤は、導電性ペーストに対して熱処理が施されることにより、凝集して金属粒子連結構造を形成する。すなわち、導電性ペーストを加熱して得られるダイアタッチペースト層において、金属粉同士は互いに凝集して存在する。これにより、導電性や熱伝導性、基材への密着性が発現される。
本実施形態の導電性ペーストは、熱硬化性樹脂を含むことができる。
熱硬化性樹脂としては、シアネート樹脂、エポキシ樹脂、ラジカル重合性の炭素-炭素二重結合を1分子内に2つ以上有する樹脂、およびマレイミド樹脂から選択される一種または二種以上を用いることができる。これらの中でも、本発明の効果および熱伝導性ペーストの接着性を向上させる観点からは、エポキシ樹脂を含むことが特に好ましい。
本実施形態の導電性ペーストは、硬化剤を含むことができる。これにより、導電性ペーストの硬化性を向上させることができる。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、ジヒドラジド化合物、酸無水物、およびフェノール化合物から選択される一種または二種以上を用いることができる。これらの中でも、ジシアンジアミドおよびフェノール化合物のうちの少なくとも一方を含むことが、製造安定性を向上させる観点から特に好ましい。
本実施形態の導電性ペーストは、(メタ)アクリレート化合物を含むことができる。(メタ)アクリレート化合物は、導電性ペーストに含まれるバインダー樹脂の架橋反応に関与する反応性基を有する反応性希釈剤として用いられる。
(メタ)アクリレート化合物としては、(メタ)アクリル基を1つのみ有する単官能アクリルモノマー、または(メタ)アクリル基を2つ以上有する多官能アクリルモノマーを用いることができる。
本実施形態の導電性ペーストは、有機溶剤を含むことができる。有機溶剤は熱可塑性樹脂の架橋反応に関与する反応性基を有していない非反応性溶剤として用いられる。
有機溶剤を含むことにより、得られる導電性ペーストの流動性を調整して、濡れ広がり性やはみ出し抑制を改善することができ、添加剤のブリードアウトを抑制することができる。
アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ジアセトンアルコール(4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン)、2-オクタノン、イソホロン(3、5、5-トリメチル-2-シクロヘキセン-1-オン)もしくはジイソブチルケトン(2、6-ジメチル-4-ヘプタノン)、γ-ブチロラクトン等のケトン類;
酢酸エチル、酢酸ブチル、ジエチルフタレート、ジブチルフタレート、アセトキシエタン、酪酸メチル、ヘキサン酸メチル、オクタン酸メチル、デカン酸メチル、メチルセロソルブアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、1,2-ジアセトキシエタン、リン酸トリブチル、リン酸トリクレジルもしくはリン酸トリペンチル等のエステル類;
テトラヒドロフラン、ジプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、エトキシエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、1,2-ビス(2-ジエトキシ)エタンもしくは1,2-ビス(2-メトキシエトキシ)エタン等のエーテル類;
酢酸2-(2ブトキシエトキシ)エタン等のエステルエーテル類;
2-(2-メトキシエトキシ)エタノール等のエーテルアルコール類;
トルエン、キシレン、n-パラフィン、イソパラフィン、ドデシルベンゼン、テレピン油、ケロシンもしくは軽油等の炭化水素類;
アセトニトリルもしくはプロピオニトリル等のニトリル類;
アセトアミドもしくはN,N-ジメチルホルムアミド等のアミド類;
低分子量の揮発性シリコンオイル、または揮発性有機変性シリコンオイル等が挙げられる。
本実施形態の導電性ペーストは、上述の成分に加え、必要に応じて、当該分野で通常用いられる種々のさらなる成分を含み得る。さらなる成分としては、シランカップリング剤、硬化促進剤、ラジカル重合開始剤、低応力剤、無機フィラー等が挙げられるが、これらに限定されず、所望の性能に応じて選択することができる。
導電性ペーストの調製方法は、特に限定されないが、たとえば上述した各成分を予備混合した後、3本ロールを用いて混練を行い、さらに真空脱泡することにより、ペースト状の組成物を得ることができる。この際、たとえば予備混合を減圧下にて行う等、調製条件を適切に調整することによって、導電性ペーストの長期作業性を向上することができる。
例えば、10Pa・s以上であり、好ましくは20Pa・s以上であり、より好ましくは30Pa・s以上である。これにより、導電性ペーストの作業性を向上させることができる。一方で、導電性ペーストの粘度の上限値は、例えば、1×103Pa・s以下であり、好ましくは5×102Pa・s以下であり、より好ましくは2×102Pa・s以下である。これにより、塗布性を向上させることができる。
本実施形態の導電性ペーストの用途について説明する。
本実施形態に係る導電性ペーストは、硬化することにより高熱伝導性材料として用いることができ、例えば、基板と半導体素子とを接着し、高熱伝導性および高導電性を付与するために用いられる。ここで、半導体素子としては、例えば、半導体パッケージ、LEDなどが挙げられる。
本実施形態に係る導電性ペーストは、従来の導電性ペーストと比べて、接続信頼性および汚染性が改善されており、製品信頼性が向上されている。これにより、発熱量が大きい半導体素子を基板に搭載する場合や半導体パッケージのサイズが小さい場合に好適に用いることができる。なお、本実施形態において、LEDとは、発光ダイオード(Light Emitting Diode)を示す。
図1は、本実施形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
本実施形態に係る半導体装置100は、基材30と、導電性ペーストの硬化物である接着剤層10を介して基材30上に搭載された半導体素子20とを備える。半導体素子20と基材30は、たとえばボンディングワイヤ40等を介して電気的に接続される。また、半導体素子20は、たとえば封止樹脂50により封止される。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例について説明する。
まず、基材30の上に、導電性ペーストを塗工し、次いで、その上に半導体素子20を配置する。すなわち、基材30、導電性ペースト、半導体素子20がこの順で積層される。導電性ペーストを塗工する方法としては限定されないが、具体的には、ディスペンシング、印刷法、インクジェット法などを用いることができる。
本実施形態の導電性ペーストは、基材30と半導体素子20との間の濡れ広がり性に優れており熱伝導性や接続性に優れるとともに、半導体素子20の直下領域からのはみ出し(フィレットの形成)が抑制されており、これらの特性のバランスに優れる。すなわち、本発明の導電性ペーストを用いて得られる半導体装置は熱伝導性、接続信頼性および汚染性が改善されており、結果として製品信頼性に優れる。
(熱硬化性樹脂)
-エポキシ樹脂1:ビスフェノールF・エピクロルヒドリンのジグリシジルエーテル(日本化薬社製、RE-303SL、エポキシ当量160g/eq)
-硬化剤1:硬化剤1:ビスフェノールF(DIC社製、DIC-BPF)
-アクリルモノマー1:2-フェノキシエチルメタクリレート(共栄社化学社製、ライトエステルPO)
-アクリルモノマー2:ポリエチレングリコールジアクリレート(新中村化学社製、NKエステルA-1000)
-アクリルモノマー3:1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート(共栄社化学社製、ライトエステル1,6HX)
-ラジカル開始剤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、過酸化物)
(硬化促進剤)
-硬化促進剤1:2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール(四国化成社製、キュアゾール2PHZ-PW)
-銀フィラー1:球状銀粒子(DOWAエレクトロニクス社製、AG-DSB-114、D50:0.7μm)
-銀フィラー2:フレーク状銀粒子(福田金属箔粉工業社製、HKD-16、メジアン径2.0μm)
-銀フィラー3:フレーク状銀粒子(徳力本店社製、TC-765、メジアン径2.1μm)
-溶剤1:トリプロピレングリコールモノn-ブチルエーテル(日本乳化剤社、BFTG)
-溶剤2:γ-ブチロラクトン(和光純薬工業社、GBL)
-銀粉1:フレーク状銀粉(平均粒径:5.0μm、徳力化学株式会社製、TKR-4A)
<ペースト状接着剤組成物の作製>
まず表1の「ワニス組成」に記載の配合量の成分を、常温で、3本ロールミルで混練することにより、ワニス状混合物を作製した。次いで、得られたワニス状混合物を、表1の「ペースト組成」に記載の配合量で用い、銀粉および溶剤を混合し、常温で、3本ロールミルで混練することにより、ペースト状の組成物(導電性ペースト)を得た。
(粘度)
BF粘度計(ブルックフィールド社製)を用いて、25℃、回転数0.5rpmにおける粘度aと、25℃、回転数5rpmにおける粘度bを測定した。得られた結果から粘度比(a/b)を算出した。結果を表1に示す。
銅フレーム上に、得られた導電性ペーストを、塗布厚みが15±5μmとなるように塗布し、次いで、長さ1.3mm×幅1.2mm×厚さ350±5μmのシリコンチップを当該導電性ペースト上に荷重50gfで載置し、当該導電性ペーストを銅フレームとシリコンチップとの間に濡れ広げた。2値化により、シリコンチップの面積100%に対して濡れ広がった面積を算出した。
図3に、実施例2の導電性ペーストを用いて作成した試験片における半導体チップの上面写真を示し、図4に、比較例3の導電性ペーストを用いて作成した試験片における半導体チップの上面写真を示す。
上記の濡れ広がり性試験と同様に、導電性ペーストを銅フレームとシリコンチップとの間に濡れ広げた。レーザー顕微鏡(キーエンス社製、VK-X1000)により、当該導電性ペーストが前記シリコンチップの端部から拡展した距離(裾引き長さ、フィレット長さ)を測定した。
Auめっきした銅フレーム上に、得られた導電性ペーストを、塗布厚みが25±5μmとなるように塗布し、次いで、長さ2.0mm×幅2.0mm×厚さ350±5μmのAuめっきしたシリコンチップを当該導電性ペースト上に配置した。次いで、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、200℃で2時間さらに175℃で4時間熱処理することで硬化体を得た。この硬化体について、上記Auめっきした銅フレームと、上記シリコンチップとの260℃におけるダイシェア強度を測定した。
得られたペースト状樹脂組成物を、テフロン板上に塗布し、窒素雰囲気下で、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、続けて200℃で120分間熱処理した。これにより、厚さ1mmの、ペースト状樹脂組成物の熱処理体を得た(「テフロン」は、フッ素樹脂に関する登録商標である)。
次いで、レーザーフラッシュ法により、熱処理体の厚み方向の熱拡散係数αを測定した。測定温度は25℃とした。
また、示差走査熱量(Differential scanning calorimetry:DSC)測定により、比熱Cpを測定した。
さらに、JIS K 6911に準拠して、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。
熱伝導率λ[W/(m・K)]=α[m2/sec]×Cp[J/kg・K]×ρ[g/cm3]
10 接着剤層
20 半導体素子
30 基材
32 ダイパッド
34 アウターリード
40 ボンディングワイヤ
50 封止樹脂
52 半田ボール
1 半導体素子
2 リードフレーム
3 導電性ペースト
3a 裾引き(フィレット)
Claims (13)
- BF型粘度計を用い、回転数0.5rpmで測定された粘度(25℃)が、100Pa・s以上であり、
回転数5rpmで測定された粘度(25℃)が、21Pa・s以下である、導電性ペースト。 - 下記試験条件で測定されたダイシェア強度が15N以上である、請求項1に記載の導電性ペースト。
(試験条件)
Auめっきした銅フレーム上に、前記導電性ペーストを、塗布厚みが25±5μmとなるように塗布し、次いで、長さ2.0mm×幅2.0mm×厚さ350±5μmのAuめっきしたシリコンチップを当該導電性ペースト上に配置して、30℃から200℃まで60分間かけて昇温し、200℃で2時間さらに175℃で4時間熱処理することで硬化体を得て、該硬化体について、上記Auめっきした銅フレームと、上記シリコンチップとの260℃におけるダイシェア強度を測定する。 - 硬化物の熱伝導率が9W/mK以上である、請求項1または2に記載の導電性ペースト。
- 下記試験条件で測定された下記フィレット長さが130μm以下である、請求項1~3のいずれかに記載の導電性ペースト。
(試験条件)
銅フレーム上に、前記導電性ペーストを、塗布厚みが15±5μmとなるように塗布し、次いで、長さ1.3mm×幅1.2mm×厚さ350±5μmのシリコンチップを当該導電性ペースト上に荷重50gfで載置し、当該導電性ペーストを銅フレームとシリコンチップとの間に濡れ広げた場合において、当該導電性ペーストが前記シリコンチップの直下領域から拡展した距離(フィレット長さ)を測定する。 - 前記試験条件で測定された、前記シリコンチップ面積100%に対する前記導電性ペーストの濡れ広がり面積が90%以上である、請求項4に記載の導電性ペースト。
- 導電性充填剤を含む、請求項1~5のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 前記導電性充填剤は、フレーク状銀粒子と球状銀粒子とを含む、請求項6に記載の導電性ペースト
- さらに熱硬化性樹脂を含む、請求項6または7のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂を含む、請求項8に記載の導電性ペースト。
- さらに(メタ)アクリレート化合物を含む、請求項6~9のいずれかに記載の導電性ペースト。
- さらに硬化剤を含む、請求項6~10のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 請求項1~11のいずれかに記載の導電性ペーストを硬化して得られる高熱伝導性材料。
- 基材と、
前記基材上に接着層を介して搭載された半導体素子と、を備え、
前記接着層は、請求項1~11のいずれか1項に記載の導電性ペーストを硬化してなる、半導体装置。
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WO2024143135A1 (ja) * | 2022-12-28 | 2024-07-04 | 住友ベークライト株式会社 | 導電性ペースト、硬化物及び半導体装置 |
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