JP3175073B2 - 窒化アルミニウム粉末 - Google Patents
窒化アルミニウム粉末Info
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Description
組成物等の複合材料に好適に使用得る新規な表面処理窒
化アルミニウムに関する。
性のパワートランジスタ、パワーIC、高速LSI、C
PU等の半導体素子は通常セラミックパッケージもしく
は高熱伝導性プラスチックパッケージ等により封止さ
れ、半導体装置化されている。上記セラミックパッケー
ジは、構成材料そのものが高熱伝導性、耐熱性を有し、
耐浸透性にも優れているため、温度、湿度に対して強
く、しかも中空パッケージのため機械的強度も高く信頼
性の高い封止が可能である。しかしながら、構成材料は
比較的高価なものであることと、量産性に劣る欠点があ
るため、最近では上記高熱伝導性プラスチックパッケー
ジを用いた樹脂封止が注目され、主流になりつつある。
この種の樹脂封止には、従来からエポキシ樹脂組成物が
使用されており、良好な成績を収めている。しかし、半
導体分野の技術革新によって高速化が進み、さらにパッ
ケージの小形化、薄形化が強く要求されてきており、こ
れにともなって封止材料に対して従来以上の特性(高熱
伝導性、低応力性、耐湿信頼性等)の向上が要望されて
いる。これに対応するため従来は比較的耐湿信頼性が高
く、線膨張係数が小さいと共に高熱伝導性を有するアル
ミナが充填材とし用いること等が検討されてきた。
るにはかなりの高充填化をしなければならないため、流
動性等に問題があり良い成型性が得られないという欠点
がある。この問題を解決するため、近年、アルミナより
も高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムを高熱伝導性
充填材とすることが検討されてきたが、窒化アルミニウ
ムは容易に水と反応するために著しく耐湿性が劣るとい
う欠点を持っている。この欠点を解消するために窒化ア
ルミニウム粉末の表面を溶融シリカで表面被覆すること
(特開平5−247181号)が提案されているが、十
分な耐湿性が得られない。本発明は、上記事情に鑑みな
されたもので、半導体装置封止用樹脂組成物等の複合材
料に好適に使用し得る新規な窒化アルミニウム粉末を提
供することを目的とする。なお、本発明の窒化アルミニ
ウムは、複合材料中の窒化アルミニウムの耐湿性を向上
させ、さらには窒化アルミニウム粉末表面にカーボンフ
ァンクショナル基のもつ特性を付与することができる。
上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、窒化ア
ルミニウム粉末の表面に酸化アルミニウム層及び酸化珪
素層を設けることにより、更には、この酸化珪素層の表
面を有機珪素化合物で処理することにより耐湿性が良好
な窒化アルミニウム粉末を得ることができることを見出
した。この窒化アルミニウム粉末は、とくに半導体封止
用樹脂組成物の充填材として非常に有用であることを知
見し、本発明をなすに至ったものである。以下、本発明
について更に詳しく説明すると本発明の窒化アルミニウ
ム粉末は窒化アルミニウム粉末の表面に酸化アルミニウ
ム層及び酸化珪素層を設けることにより、更には、この
酸化珪素層の表面を有機珪素化合物で処理することによ
り得られる新規な窒化アルミニウム粉末である。ここ
で、本発明に係わる窒化アルミニウム粉末は、例えばつ
ぎのようにして製造することができる。
表面に酸化アルミニウム層を形成させるために窒化アル
ミニウム粉末の表面を酸素存在下で加熱するか又は水等
で加水分解させ乾燥させる。この時、0.5ミクロン以
上の酸化アルミニウム層を容易に形成させるためには水
等で加水分解させることが望ましい。また、酸化アルミ
ニウム層を均一に形成させるためには、水又は水とアル
コール等の溶媒中で行うことが最も好ましい。しかし、
水等の溶媒を用いると乾燥時に窒化アルミニウム粉末の
凝集が生じてしまうという問題が起こる、これを防ぐた
めには噴霧式処理乾燥装置等で処理及び乾燥させること
が好ましい。また処理温度は特に限定されないが好まし
くは25〜120℃である。その後、上記の処理を施し
た窒化アルミニウム粉末の表面を、熱伝導率が高く化学
的に安定なα−アルミナ層にするために高温で処理す
る。この時の処理温度は十分なα化率を得るために10
00℃以上が好ましい。十分な耐湿性を得るためには酸
化アルミニウム層を厚くした方が良いが、厚くしすぎる
と熱伝導性が低下してしまうため、酸化アルミニウム層
は0.5〜5ミクロンが好ましい。この窒化アルミニウ
ム粉末の表面に設けられた酸化アルミニウム層の表面に
更に酸化珪素層を設けるわけであるが、この酸化アルミ
ニウム層表面をトリアルコキシシラン又はテトラアルコ
キシシランのようなアルコキシシラン又はシリカゾル等
の酸化珪素層を形成する為の材料で処理するわけである
が、この処理については大きく分けて無溶媒系(乾式)
で行う方法と溶媒中(湿式)で行う方法が挙げられる
が、被覆処理を均一に完全に行うためには、水、アルコ
ール等の溶媒中で行うことが最も好ましい。しかし、溶
媒を用いると窒化アルミニウム粉末乾燥時に凝集が生じ
てしまい、これを用いて封止樹脂組成物を調整すると流
動性等が著しく低下するという問題が起こる。これを防
ぐためには噴霧式処理乾燥装置等で処理及び乾燥させる
ことが好ましい。また被覆処理温度は特に限定されない
が好ましくは25〜120℃である。さらには被覆処理
を行う時に酢酸等の酸性触媒かジアゾビシクロウンデセ
ン等の塩基性触媒を用いることが好ましい。
表面を、酸化ケイ素層にするために高温で処理する。こ
の時の処理温度は十分な酸化ケイ素化を行うために25
0℃〜1200℃が好ましい。より好ましくは500℃
〜1100℃である。有機基を有するアルコキシシラン
類又はシランカップリング剤で表面処理された窒化アル
ミニウムを高温処理する場合は、炭化ケイ素等の生成を
防ぐために徐々に温度を上げて行く方が好ましい。さら
に、十分な耐湿性を得るためには酸化ケイ素層を厚くし
た方が良いが、厚くしすぎると熱伝導性が低下してしま
うため、酸化ケイ素層は0.5〜5ミクロンが好まし
い。このようにして得られる窒化アルミニウム粉末は耐
湿に極めてすぐれているものであるが、これらの表面を
更に有機珪素化合物で処理することにより特殊な性質の
窒化アルミニウム粉末を得ることができる。これは、得
られた表面が酸化珪素層で被覆されている窒化アルミニ
ウムの表面を更に有機珪素化合物で処理するわけである
が、ここで用いられる有機ケイ素化合物とはカーボンフ
ァンクショナルシランやアルコキシ基を有するシラン類
であり、カーボンファンクショナルシランとして具体的
にはγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ
−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−
(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキ
シシラン、N−β−(アミノエチル)γ−アミノプロピ
ルトリメトキシシラン、N−β−(アミノエチル)γ−
アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アミノプ
ロピルトリメトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノ
プロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリ
メトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、トリメト
キシシリルプロピルナジック酸無水物又アルコキシ基を
有するシラン類としてはエチルトリメトキシシラン、メ
チルトリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、テト
ラエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、メチル
トリエトキシシラン等が挙げられる。カーボンファンク
ショナルシランを用いた場合窒化アルミニウム粉末の表
面にそのカーボンファンクショナルの特性を付与できる
為カーボンファンクショナルシランが特に好ましい。
アルミニウム粉末表面に酸化珪素層を形成させる時と同
様に大きく分けて無溶媒系(乾式)で行う方法と溶媒中
(湿式)で行う方法が挙げられるが、表面処理を均一に
完全に行うためには、水、アルコール等の溶媒中で行う
ことが最も好ましい。しかし、溶媒を用いると窒化アル
ミニウム粉末乾燥時に凝集が生じてしまい、これを用い
て封止樹脂組成物の充填材として使用すると流動性等が
著しく低下するという問題が起こる。これを防ぐために
は噴霧式処理乾燥装置等で処理及び乾燥させることが好
ましい。また被覆処理温度は特に限定されないが好まし
くは25〜120℃である。この表面処理時に、有機珪
素化合物と加水分解触媒を併用することが好ましく、加
水分解触媒としては酢酸等の酸性触媒やアミン、ジアザ
ビシクロウンデセン等の塩基性触媒等が挙げられる。ま
た、使用される有機珪素化合物の量は全窒化アルミニウ
ム粉末重量の0.01〜10重量%であるが、好ましく
は0.1〜2重量%である。この加水分解処理後窒化ア
ルミニウム粉末表面に形成している酸化ケイ素層とを反
応させて強固な結合を形成させるために熱処理を行う。
処理温度は特に限定されないが50℃以下では強固な酸
化珪素層との結合が得られず又600℃以上では有機珪
素層が劣化されてしまう為50〜600℃であるがより
望ましくは80〜250℃である。
性にすぐれさらには窒化アルミニウム粉末表面にカーボ
ンファンクショナルの特性を自由に付与できる為複合材
料の充填材として好適であり、特に半導体封止用樹脂組
成物の充填材として好適に使用される。
するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではな
い。 [実施例1]純水1kgと平均粒径約25ミクロンの窒
化アルミ粉末1kgをガラス容器中で80℃、4時間撹
はんした後、噴霧式処理乾燥装置で150℃の雰囲気中
において乾燥させ、更に1200℃で3時間処理し、酸
化アルミニウム層を有する窒化アルミニウム粉末〔I〕
を得た。次に、噴霧式処理乾燥装置を用いて、50℃の
雰囲気中においてメチルトリメトキシシラン20gと水
8g、酢酸0.8g、メタノール20gの混合溶液を上
記窒化アルミニウム粉末〔I〕1kgに噴霧し、その後
雰囲気温度を150℃に上昇させ、粉末を乾燥させ更に
この粉末を150℃で2時間、さらに500℃で3時間
加熱し、最後に1000℃で3時間処理し、表面に酸化
珪素層を有する窒化アルミニウム粉末〔II〕1kgを得
た。さらに、上記の噴霧式処理乾燥装置で50℃の雰囲
気中において、この粉末〔II〕1kgにメチルトリメト
キシシラン10gと水5g、酢酸0.5g、メタノール
10gの混合溶液を噴霧し、その後雰囲気温度を150
℃に上昇させ、粉末を乾燥させ、新規表面処理窒化アル
ミニウム〔III 〕1kgを得た。
面に酸化珪素層を有する窒化アルミニウム粉末〔II〕を
用いメチルトリメトキシシラン10gの代りにγ−アミ
ノプロピルトリエトキシシラン10gを用いほかは実施
例1と全く同様にして窒化アルミニウム粉末〔IV〕を得
た。
面に酸化アルミニウム層を有する窒化アルミニウム粉末
〔I〕を用い、メチルトリメトキシシラン20gの代り
にビニルトリメトキシシラン20g及びメチルトリメト
キシシラン10gの代りにγ−グリシドキシプロピルト
リメトキシシラン10gを用いる他は実施例1と全く同
様にし窒化アルミニウム粉末〔V〕を得た。
50℃の雰囲気中においてメチルトリメトキシシラン1
0gと水5g、酢酸0.5g、メタノール10gの混合
溶液を平均粒径25ミクロンの窒化アルミ粉末1kgに
噴霧し、その後雰囲気温度を150℃に上昇させて粉末
を乾燥させ、窒化アルミ粉末〔VI〕1kgを得た。この
粉末を150℃で2時間加熱し、さらに500℃で3時
間加熱し、最後に1000℃で3時間処理し、酸化ケイ
素層を有する窒化アルミニウム粉末〔VII〕1kgを得
た。
メトキシシラン10gの代りにγ−グリシドキシプロピ
ルシラン10g、γ−アミノプロピルトリエトキシシラ
ン10gを用い他は実施例4と全く同様にしそれぞれ窒
化アルミニウム粉末〔VIII〕及び〔IX〕を得た。
れた窒化アルミニウム粉末〔I〕〜〔IX〕800重量部
と、樹脂成分としてYX4000(油化シェルエポキシ
(株)社製)45重量部、XL−225(三井東圧化学
工業(株)社製)48重量部、ブロム化エポキシ樹脂
(AER−755旭チバ(株)社製)7重量部、さらに
硬化促進剤としてテトラフェニルホスホニウムテトラフ
ェニルボレート3重量部、離型剤としてカルナバワック
ス1.2重量部、添加剤としてγ−グリシドキシプロピ
ルトリメトキシシラン2.0重量部、三酸化アンチモン
8重量部を混合し、ロール混練り機を用いて溶融混練し
て目的の組成物を製造した。
率耐湿性の試験を行った。その結果を表に示す。 「熱伝導率」それぞれの組成物を175℃、70kg/
cm2 、成形時間2分の条件でトランスファー成形した
後180℃で4時間後硬化させ得られた50mmφ×6
mmの試験片を上部ヒーターと熱量計及び下部ヒーター
の間にサンドイッチ状に挿入し、空気圧にて一定に密着
させ、50℃で定常状態に達した後の試験片両面間の温
度差、熱量計出力から自動的に熱コンダクタンスを算出
し、この熱コンダクタンスの値と試験片の厚さとの積か
ら熱伝導率を求めた。 「耐湿性」それぞれの組成物を用いて2本のアルミニウ
ム配線を有する半導体チップを、175℃、70kg/
cm2 、成形時間2分の条件でトランスファー成形した
後180℃で4時間後硬化させた。この半導体装置10
0個について120℃の高圧水蒸気中で耐湿試験を行
い、アルミニウム腐食による50%断線不良発生の起こ
る時間を測定した。
アルミニウム粉末〔II〕〜〔V〕は、〔I〕,〔VI〕〜
〔IX〕に比べて、熱伝導性、耐湿性にすぐれたエポキシ
樹脂組成物を得ることができる。
Claims (4)
- 【請求項1】 窒化アルミニウム粉末の表面に酸化アル
ミニウム層及び酸化珪素層が設けられた窒化アルミニウ
ム粉末。 - 【請求項2】 窒化アルミニウム粉末の表面に酸化アル
ミニウム層及び酸化珪素層が設けられた窒化アルミニウ
ム粉末の表面が有機珪素化合物で表面処理された窒化ア
ルミニウム粉末。 - 【請求項3】 有機珪素化合物がアルコキシ基を有する
ものである請求項2の窒化アルミニウム粉末。 - 【請求項4】 有機珪素化合物がカーボンファンクショ
ナルシランである請求項2の窒化アルミニウム粉末。
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