-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Bereitstellen einer Paste, die zum Bonden eines Halbleiters eingesetzt
wird und die eine hervorragende niedrige Spannung, Adhäsion und
Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
-
In den letzten Jahren wurden Halbleiterchips
größer und
Halbleiterbaugruppen wurden dünner.
In diesem Zusammenhang wurde die Zuverlässigkeitsvoraussetzung für die darin
verwendeten Harzmaterialien zunehmend Jahr für Jahr strenger und die Eigenschaften
der Paste, die zum Bonden eines Halbleiterchips an einen Führungsrahmen
verwendet wird, werden zunehmend wichtig, da die Eigenschaften die
Zuverlässigkeit der
Baugruppe beeinflussen.
-
Hinsichtlich der Zuverlässigkeit
der Baugruppe ist die Lötrissbeständigkeit
besonders wichtig, wenn die Baugruppe eine Wärmespannung während der
Befestigung durchmacht. Um eine höhere Lötrissbeständigkeit zu erhalten, muss
nicht nur das Abdichtmaterial für
einen Halbleiter, sondern auch die Paste eine niedrige Spannung,
niedrige Wasserabsorption und hohe Adhäsion aufweisen. Es wurde festgestellt,
dass diese Eigenschaften durch eine Paste erfüllt werden, die eine Kombination
eines flüssigen
Epoxidharzes, einer Verbindung mit drei phenolischen Hydroxylgruppen
in dem Molekül
und eines Silberpulvers, wie in der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 179833/1995 beschrieben, verwendet.
-
Da Halbleiter seit kurzem mehr Wärme während des
Betriebs bilden, ist es notwendig, dass die dabei verwendete Paste
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
zur Ableitung der gebildeten Wärme
aufweist. Damit es ermöglicht
wird, dass die in der vorstehenden Literaturstelle beschriebene
Paste eine höhere
Wärmeleitfähigkeit aufweist,
muss das Silberpulver in einer großen Menge verwendet werden.
Dies führte
zu einer Erhöhung
der Pastenviskosität
und einer verminderten Streichbarkeit der Paste. Folglich war eine
Lösung
für diese
Probleme notwendig.
-
Ferner besteht die Verbindung mit
drei phenolischen Hydroxylgruppen in dem Molekül aus hochschmelzenden Kristallen.
Sie ist in der Paste als ein Feststoff dispergiert. Selbst nach
dem Aushärten
der Paste verbleibt sie teilweise nicht umgesetzt und dieser Status
wird beobachtet, selbst wenn die Aushärtungstemperatur höher ist
als der Schmelzpunkt der Verbindung. Es wird angenommen, dass das
Vorhandensein einer solchen wärmeisolierenden
Schicht einer ausgehärteten
Paste eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit
verleiht, und eine Lösung
für dieses
Problem war ebenfalls nötig.
-
Die Erfinder haben eine Untersuchung
durchgeführt,
um ein Verfahren zum Bereistellen einer Paste zu entwickeln, die
die Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Paste beibehält und die
außerdem
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Als ein Ergebnis wurde die Erfindung entwickelt.
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bereitstellen
einer wärmeleitenden
Paste bereitgestellt, umfassend
-
- (A) ein Epoxidharz, das bei Raumtemperatur
flüssig
ist und mindestens zwei Epoxygruppen in dem Molekül besitzt,
- (B) ein Epoxygruppen-enthaltendes reaktives Verdünnungsmittel
mit einer Viskosität
von 100 cp oder weniger bei Raumtemperatur,
- (C) eine Phenolverbindung als Aushärtungsmittel, die bei Raumtemperatur
kristallin ist, mit der nachstehenden allgemeinen Formel (1): worin R ein Wasserstoffatom
oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen ist, und
- (D) ein Silberpulver, worin die Menge des Silberpulvers (D)
70–90
Gew.-% der gesamten Paste ausmacht, das Silberpulver (D) ein atomisiertes
Silberpulver, das aus flockenförmigen
Partikeln mit Längen
von 10 μm bis
50 μm und
Dicken von 1 μm
bis 5 μm
besteht, in einer Menge von mindestens 30 Gew.-% des gesamten Silberpulvers
enthält,
und die Paste dadurch hergestellt wird, dass zuerst die Komponente
(C) mit den Komponenten (A) und (B) oder mit der Komponente (B)
durch Schmelzen gemischt wird und sodann das erhaltene Gemisch mit
der Komponente (D) oder mit den Komponenten (D) und (A) verknetet
wird.
-
Das erfindungsgemäß verwendete Epoxidharz (A)
muss bei Raumtemperatur flüssig
sein. Ein Epoxidharz, das bei Raumtemperatur fest ist, wird nicht
bevorzugt, da ein Lösungsmittel
und/oder ein reaktives Verdünnungsmittel
in einer großen
Menge benötigt
wird, um das Epoxidharz zu verflüssigen,
und dies führt
zu einer Verminderung der Eigenschaften (z. B. Adhäsion und
Wärmeleitfähigkeit)
der gehärteten
Paste. Jedoch ist eine gemischte Verwendung eines flüssigen Harzes
und eines festen Harzes erlaubt, solange das gemischte Harz flüssig ist.
Beispiele der Komponente (A) umfassen einen Diglycidylether, der
durch die Umsetzung von Bisphenol A, Bisphenol F oder Phenolnovolak
mit Epichlorhydrin erhalten wird und der bei Raumtemperatur flüssig ist,
und ein alicyclisches Epoxid wie Vinylcyclohexendioxid, Dicyclopentadienoxid
oder alicyclisches Diepoxyadipat.
-
Das reaktive Verdünnungsmittel (B) muss eine
Viskosität
von 100 cp oder weniger bei Raumtemperatur aufweisen, um eine wirksame
Verdünnung
zu zeigen. Eine Viskosität
höher als
diese führt
zu einer verminderten Verdünnungswirkung.
Die Viskosität
wird unter Verwendung von z. B. einem Ubbelohde-Viskosimeter gemessen.
-
Beispiele der Komponente (B) sind
Styroloxid, Ethylhexylglycidylether, Phenylglycidylether, Credylglycidylether
und Butylphenylglycidylether. Diese Verbindungen können einzeln
oder in einem Gemisch von zwei oder mehreren Verbindungen verwendet
werden.
-
Die erfindungsgemäß verwendete, bei Raumtemperatur
kristalline phenolische Verbindung (C), dargestellt durch die allgemeine
Formel (1), ist in der Paste in einer Menge von 0,1–20 Gew.-%
der Gesamtpaste enthalten. Wenn die Menge weniger als 0,1 Gew.-%
beträgt,
ist die erhaltene Paste nicht fähig,
eine genügend geringe
Spannung oder geringe Wasserabsorption aufzuweisen. Wenn die Menge
mehr als 20 Gew.-% beträgt,
weist die erhaltene Paste eine erhöhte Viskosität auf und
die phenolischen Hydroxylgruppen bleiben sogar nach dem Aushärten der
Paste bestehen, was zu einer erhöhten
Wasserabsorption führt.
Andere Aushärtungsmittel
können
zusammen mit der Komponente (C) verwendet werden, solange die Eigenschaften
der Paste nicht beeinträchtigt
werden. Beispiele solcher Aushärtungsmittel
sind ein Säureanhydrid
wie Hexahydrophthalsäureanhydrid,
Methylhydrophthalsäureanhydrid,
Nadicsäure-Anhydrid
oder dergleichen, ein Polyphenol wie ein Phenolharz des Novolak-Typs
oder dergleichen und eine Aminverbindung wie Imidazol, Dicyandiamid
oder dergleichen.
-
Das als eine Hauptkomponente in der
erfindungsgemäßen Paste
verwendete Silberpulver (D) enthält 30
Gew.-% oder mehr, basierend auf dem gesamten Silberpulver, eines
atomisierten Silberpulvers, das aus flockenförmigen Partikeln mit Längen von
10 μm bis
50 μm und
Dicken von 1 μm
bis 5 μm
besteht. Wenn die Längen
der flockenförmigen
Partikel des atomisierten Silberpulvers länger als 50 μm sind, weist
die erhaltene Paste eine geringe Streichfähigkeit auf und führt zu einer
Nadelverstopfung während
einer Verteilung. Wenn die Längen
kleiner als 10 μm
sind, zeigt die erhaltene Paste keine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
Wenn die Dicken größer als
5 μm sind,
weist die erhaltene Paste ein Problem beim Beschichten auf; wenn
die Dicken kleiner als 1 μm
sind, zeigt die erhaltene Paste keine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
Das aus flockenförmigen
Partikeln bestehende atomisierte Silberpulver kann dadurch erhalten
werden, dass geschmolzenes Silber bei hohem Druck injiziert wird,
um grobe Silberpartikel auszubilden, und diese in flockenförmige Partikel unter
Verwendung einer Kugelmühle
oder dergleichen verarbeitet werden. Das in einer Paste für einen
Halbleiter verwendete Silberpulver ist im Allgemeinen ein reduziertes
Silberpulver, das z. B. dadurch erhalten wird, dass Silbernitrat
chemisch reduziert wird, um grobe Silberpartikel zu erhalten, und
diese sodann in flockenförmige
Partikel unter Verwendung einer Kugelmühle oder dergleichen verarbeitet
werden, und besteht im Allgemeinen aus feineren Flocken. Mit einem
solchen reduzierten Silberpulver ist es unmöglich, eine erfindungsgemäße Paste
zu erhalten, die das Silberpulver mit der vorstehend beschriebenen
Partikelgrößenverteilung
enthält.
Das atomisierte Silberpulver muss in dem Silberpulver (D) in einer
Menge von 30 Gew.-% oder mehr enthalten sein. Wenn die Menge weniger
als 30 Gew.-% beträgt,
weist die Verwendung des atomisierten Silberpulvers keine Wirkung
auf die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
auf. Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Partikelform
des von dem atomisierten Silberpulver verschiedenen Silberpulvers,
aber das andere Sil berpulver weist vorzugsweise eine Partikelgrößenverteilung
auf, die kleiner ist als die des atomisierten Silberpulvers.
-
Es ist nötig, dass die Menge des zugesetzten
gesamten Silberpulvers 70–90
Gew.-% der gesamten Paste beträgt.
Wenn die Menge kleiner als 70 Gew.-% ist, wird keine genügend hohe
Wärmeleitfähigkeit
erhalten. Wenn die Menge mehr als 90 Gew.-% beträgt, weist die erhaltene Paste
eine zu hohe Viskosität
auf, die keine praktische Anwendbarkeit besitzt.
-
Der Gesamtanteil der Komponenten
(A) und (B) in der gesamten Paste ist der Rest der Paste, der dadurch
erhalten wird, dass der Gesamtanteil der Komponenten (C) und (D)
von der Gesamtpaste abgezogen wird. Das Gewichtsverhältnis von
(A)/(B) beträgt
vorzugsweise 80/20 bis 50/50. Wenn das Verhältnis höher als 80/20 ist, wird die
Viskosität
der erhaltenen Paste zu hoch, was zu Problemen bei dem Betrieb führt. Wenn
das Verhältnis
kleiner als 50/50 ist, erhöht
sich die Menge des reaktiven Verdünnungsmittels (B), das sich
während des
Aushärtens
davon verflüchtigt,
und was den Führungsrahmen,
die Chipoberfläche
oder dergleichen verunreinigt, was sodann zu einer Grenzflächenfreisetzung
eines einkapselnden Harzes nach dessen Formen führt.
-
Erfindungsgemäß wird, um eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit
zu erhalten, ein besonderes Verfahren zum Herstellen der Paste verwendet,
wodurch das Problem, das die Verbindung mit drei phenolischen Hydroxylgruppen
in dem Molekül,
dargestellt durch die allgemeine Formel (1), sogar nach dem Aushärten der Paste
teilweise nicht umgesetzt verbleibt, gelöst wird. Das heißt, dass
zuerst das Epoxidharz (A), das reaktive Verdünnungsmittel (B) und die Verbindung
(C), dargestellt durch die allgemeine Formel (1), oder das reaktive Verdünnungsmittel
(B) und die Verbindung (C), dargestellt durch die allgemeine Formel
(1), durch Schmelzen gemischt werden und sodann das erhaltene Schmelzgemisch
mit dem Silberpulver (D) oder mit dem Silberpulver (D) und dem Epoxidharz
(A) zusammen mit den optionalen Additiven wie Aushärtungsbeschleunigern, Antischaummitteln,
Kopplungsmitteln und dergleichen unter Verwendung einer Walze oder
dergleichen verknetet wird. Das Mischen durch Schmelzen wird vorzugsweise
bei 200°C
oder darunter durchgeführt.
Wenn das Mischen durch Schmelzen bei einer Temperatur höher als
200°C durchgeführt wird,
findet eine lokale Reaktion zwischen Epoxidgruppen und phenolischen
Gruppen in beachtlichem Maß statt,
was zu einer Viskositätszunahme
führt.
Folglich kommt es dadurch, dass zuerst ein Mischen durch Schmel zen
durchgeführt
wird, um die Verbindung (C), die ein Aushärtungsmittel ist, zu lösen, zu
keiner Ausfällung
des Aushärtungsmittels
sogar während
einer Gefrierlagerung der Paste. Durch Herstellen einer Paste unter
Verwendung des Schmelzgemisches, in dem das Aushärtungsmittel gelöst ist,
gibt es keine Ansammlung von nicht-umgesetztem Aushärtungsmittel
sogar nach Aushärten
der Paste und eine signifikant verbesserte Wärmeleitfähigkeit wird erhalten.
-
In der erfindungsgemäßen Paste
wird durch Zusetzen eines Silberpulvers von partikulärer Form
die Richtungsabhängigkeit
der Wärmeleitung
vermindert und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit wird erhalten, verglichen
mit dem Fall, bei dem ein herkömmliches
aus flockenförmigen
Partikeln bestehendes Silberpulver verwendet wird. Ferner bleibt
dadurch, dass zuerst das Aushärtungsmittel,
d.h. die Verbindung, dargestellt durch die allgemeine Formel (1),
gelöst
wird, kein nichtumgesetztes Aushärtungsmittel
nach dem Aushärten der
Paste zurück
und eine sogar höhere
Wärmeleitfähigkeit
wird erhalten. Als ein Ergebnis kann eine Paste zum Bonden eines
Halbleiters erhalten werden, die die Eigenschaften des Aushärtungsmittels,
dargestellt durch die allgemeine Formel (1), beibehält und die
außerdem
eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
-
Die Erfindung wird hierin nachstehend
spezifisch durch Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
-
Schmelzgemisch 1
-
Die nachstehenden Materialien wurden
unter Rühren
in einem volumetrischen Kolben bei 170°C gemäß dem in Tabelle 1 gezeigten
Mischrezept gemischt.
-
Bisphenol A-Epoxidharz (Epoxid-Äquivalent
= 180, flüssig
bei Raumtemperatur, hierin nachstehend als Epoxidharz A bezeichnet)
t-Butylphenylglycidylether (Raumtemperatur-Viskosität nach Ubbelohde-Viskosimeter
= 16 cp, hierin nachstehend als BPGE bezeichnet) 1,1,1-Tris(p-hydroxyphenyl)ethan
(hierin nachstehend als THPE bezeichnet) Eine Stunde später wurde
ein Gemisch erhalten, worin THPE vollständig gelöst war. Dieses Gemisch wird
als Schmelzgemisch 1 bezeichnet.
-
Schmelzgemisch 2
-
Epoxidharz A, BPGE, THPE und Bisphenol
F als weiteres Aushärtungsmittel
wurden durch Rühren
unter den gleichen Bedingungen wie bei der Herstellung des Schmelzgemisches
1 gemäß dem in
Tabelle 1 gezeigten Mischrezept gemischt, wodurch ein einheitliches
Gemisch erhalten wurde. Dieses Gemisch wird als Schmelzgemisch 2
bezeichnet.
-
Schmelzgemisch 3
-
BPGE, THPE und Bisphenol F wurden
durch Rühren
unter den gleichen Bedingungen wie bei der Herstellung des Schmelzgemisches
1 gemäß dem in
Tabelle 1 gezeigten Mischrezept gemischt, wodurch ein einheitliches
Gemisch erhalten wurde. Dieses Gemisch wird als Schmelzgemisch 3
bezeichnet.
-
-
Beispiele 1–5 und Vergleichsbeispiele
1–5
-
Die vorstehend beschriebenen Schmelzgemische
1–3 wurden
mit den nachstehenden Silberpulvern, den nachstehenden anderen Aushärtungsmitteln,
den nachstehenden Aushärtungsbeschleunigern
und den nachstehenden Kopplungsmitteln gemäß dem in Tabelle 2 oder 3 gezeigten
Mischrezept gemischt.
-
- – Atomisiertes
Silberpulver (hierin nachstehend als Silberpulver A bezeichnet),
bestehend aus Partikeln mit Längen
von 10 μm
bis 40 μm
und Dicken von 2 μm
bis 5 μm.
- – Reduziertes
Silberpulver (hierin nachstehend als Silberpulver B bezeichnet),
bestehend aus Partikeln mit Längen
von 1 μm
bis 30 μm
und Dicken von 2 μm
oder weniger.
- – Reduziertes
Silberpulver (hierin nachstehend als Silberpulver C bezeichnet),
bestehend aus Partikeln mit Längen
von 1 μm
bis 30 μm
und Dicken von 1 μm
oder weniger.
- – Dicyandiamid
als weiteres Aushärtungsmittel.
- – 2-Phenyl-4-methylimidazol
(2P4MI) als Aushärtungsbeschleuniger.
- – Epoxysilan
(γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan)
als Kopplungsmittel.
-
Jedes der erhaltenen Gemische wurde
unter Verwendung einer Drei-Walzen-Mühle verknetet, um eine Paste
zu erhalten. Die Paste wurde in eine Vakuumkammer bei 2 mm Hg 30
Minuten zum Entschäumen
gegeben. Die erhaltene Paste wurde hinsichtlich ihrer Eigenschaften
gemäß den nachstehenden
Verfahren vermessen. Die Messergebnisse sind in den Tabellen 2 und
3 gezeigt.
-
Wärmeleitfähigkeit
-
Ein Teststück mit einer Dicke von etwa
1 mm wurde hergestellt und hinsichtlich des Wärmeableitungskoeffizienten
durch ein Laserblitzverfahren, hinsichtlich spezifischer Wärme durch
DSC (Differenz-Scanning-Kalorimetrie) und hinsichtlich der Dichte
durch das Archimedes-Verfahren vermessen. Die Wärmeleitfähigkeit des Teststücks wurde
aus einem Produkt der drei vorstehend erhaltenen Daten berechnet.
-
Haftfestigkeit 1
-
Unter Verwendung einer der vorstehend
erhaltenen Pasten wurde ein Quadrat-Siliciumchip von 2 × 2 mm auf
einen silberplattierten Kupferrahmen gebondet. Sodann wurde die
Paste bei 175°C
60 Minuten ausgehärtet.
Die ausgehärtete
Paste wurde hinsichtlich der Scherstabilität bei Raumtemperatur oder bei
250°C unter
Verwendung eines Zug-Druck-Kraftmessgeräts oder eines Zugmessgeräts vermessen.
-
Haftfestigkeit 2
-
Unter Verwendung einer der vorstehend
erhaltenen Pasten wurde ein Quadrat-Siliciumchip von 9 × 9 mm auf
einen silberplattierten Kupferrahmen gebondet; sodann wurde die
Paste bei 175°C
60 Minuten ausgehärtet.
Die ausgehärtete
Paste wurde hinsichtlich der Abziehfestigkeit bei 250°C unter Verwendung
eines Zug-Druck-Kraftmessgeräts vermessen.
-
Wölbung
-
Unter Verwendung einer der vorstehend
erhaltenen Pasten wurde ein Siliciumchip von 15 × 6 × 0,3 mm (Dicke) auf einen
silberplattierten Kupferrahmen mit einer Dicke von 200 μm gebondet;
sodann wurde die Paste bei 175°C
60 Minuten ausgehärtet.
Die maximale vertilkale Verschiebung des Chips in seiner Längsrichtung
wurde als ein Maßstab
für die
geringe Spannung der ausgehärteten
Paste unter Verwendung eines Oberflächen-Rauhheit-Testgeräts bestimmt.
-
-
-
Wie aus den Tabellen 2 und 3 ersichtlich,
wird in jedem der erfindungsgemäßen Beispiele,
die eine Kombination eines speziellen Silberpulvers und eines speziellen
Verfahrens zur Pastenherstellung verwenden, eine hohe Wärmeleitfähigkeit
und ferner eine hohe Haftfestigkeit erhalten, wenn heiße und niedrige
Spannung (geringe Wölbung)
beibehalten bleiben. Währenddessen
wird in den Vergleichsbeispielen, die nur ein spezielles Silberpulver
(das ist ein Merkmal der Erfindung) oder ein Schmelzgemisch (das
ist ebenfalls ein Merkmal der Erfindung) verwenden, keine ausreichende
Wärmeleitfähigkeit
erhalten.
