專利名稱：填膠組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及封裝組合物和將其應(yīng)用于電連接的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及用于集成電路芯片與其基板間的電連接的改良后的填膠組合物。
旨在提高電子線路中的連接和元件的耐久性的封裝劑的使用是人所共知的。封裝劑通常包含聚合物復(fù)合物。在集成電路芯片與其基板間的電連接中，此類封裝劑可改善其壽命和耐久性。施涂封裝劑后，通過烘烤進行固化處理，從而形成剛性的保護性覆蓋層。
本發(fā)明的具體的封裝劑配方和方法涉及倒裝芯片粘接(Flip-Chip-Attach，F(xiàn)CA)封裝技術(shù)。FCA封裝劑目前用于陶瓷基板上。本發(fā)明包括了有機基板材料的使用。對于有機基板，封裝劑固化前必須是低粘度的，并且熱膨脹系數(shù)(CTE)必須約為陶瓷材料的三倍(即20ppm/℃對6.5ppm/℃)。更高的CTE引起的更大的芯片與基板之間的不匹配，而這需要封裝劑耐受熱循環(huán)的能力更高。
有機基板給封裝劑的正確使用帶來了額外的問題。與陶瓷基板相比，有機基板吸收更多的水分，并且更為柔軟。它們在熱應(yīng)力下彎曲，而這將引起焊縫的變形。
在芯片直接貼裝至模塊(Direct-Chip-Attach-to-Module，DCAM)的工藝中，在封裝后使焊縫回熔，這使得封裝劑對芯片底部的粘附性和耐濕性成為關(guān)鍵。如果粘附性損失了，焊料會流入芯片與封裝劑之間的縫隙。這將引起短路。在五百次-55℃至125℃的熱循環(huán)后也發(fā)現(xiàn)了此類故障。
人們也觀察到，縮短封裝劑固化時間和降低溫度也降低了避免損壞板卡組件上的其他元件的可能性。
通常有兩種方法可以增強環(huán)氧封裝劑的斷裂韌性(a)降低交聯(lián)密度，和(b)加入柔軟的第二相顆粒。但是，加入柔軟的第二相顆粒經(jīng)常顯著加大封裝劑的粘度，并且降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。
本發(fā)明包含將封裝劑韌性提高高至百分之五十而不過度改變粘度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的材料。
本發(fā)明的材料是一種包含細(xì)微的粉末的“核-殼”(core-shell)物質(zhì)，其中該粉末的每一顆微粒都具有Tg顯著高于室溫的硬質(zhì)外殼和Tg顯著低于室溫的軟質(zhì)核。硬殼物質(zhì)一般包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，而軟質(zhì)核可以包括多種材料，例如丙烯酸酯和硅氧烷或基于丁二烯的橡膠。
可以用于本發(fā)明中的有機材料包括環(huán)氧化物、氰酸酯、雙馬來酰亞胺氰酸酯-環(huán)氧聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、聚砜和聚醚酮及其組合。封裝劑也可以由發(fā)明人為Kuleska等、受讓人為IBM的美國專利第6,106,891號中涉及的材料構(gòu)成。該文獻內(nèi)容通過引用并入本文。
按照本發(fā)明的填膠樹脂混合物也可以含有已知在環(huán)氧樹脂的固化中起重要作用的加速劑。一般使用叔胺或咪唑類化合物。例如，適用的胺包括四甲基乙二胺、二甲基辛胺、二甲基氨基乙醇、二甲基芐胺、2，4，6-三(二甲基胺甲基)苯酚、N，N’-四甲基-二氨基-二苯基甲烷、N，N’-二甲基哌嗪、N-甲基嗎啉、N-methylmorphomline、N-甲基哌啶、N-乙基吡咯烷、1，4-二氮雙環(huán)(2，2，2)-辛烷和喹啉，而適用的咪唑類化合物則包括1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、1，2-二甲基咪唑、1，2，4，5-四甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰乙基-2-苯基咪唑和1-(4，6-二氨基-s-三嗪基-2-乙基)-2-苯基咪唑。加速劑的添加濃度為0.01至2重量％，優(yōu)選0.05至1％(均基于環(huán)氧樹脂混合物)。
填充劑可包括二氧化硅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氮化硼、鉆石粉末、玻璃，并且所有這些材料本質(zhì)上都是球形或類似球形的。
基板可以包括FR-4環(huán)氧化物和基于環(huán)氧化物、聚酰亞胺、氰酸酯、含氟聚合物、陶瓷填充的含氟聚合物、苯并環(huán)丁烯、全氟丁烷、聚苯硫醚、聚砜、聚醚酰亞胺、聚醚酮、聚苯喹喔啉、聚苯并噁唑和聚苯基苯并雙噻唑及其組合和類似物的復(fù)合板。此外，在此類基于陶瓷的基板中也可使用基于無機物的基板。
在US-A-5,218,234中，說明了一種填充倒裝芯片和基板之間的孔洞或間隙的填膠材料。該填膠材料為填充了惰性填充劑的環(huán)氧樹脂。通過調(diào)整粘度使該材料可以在芯片下方流動。
在US-A-5,747,557中，組合物的丙烯酸橡膠的形式是乳膠，其表層是熱塑性的。環(huán)氧樹脂組合物具有高抗開裂性、高耐熱性和良好的機械性質(zhì)。
在US-A-4,822,545中，第一聚合物與具有結(jié)晶或半結(jié)晶熔點的第二聚合物共混。橡膠顆粒組合物含有具有塑料表層的彈性體。
本發(fā)明提供了一種因為包含了一種新型的“核-殼”物質(zhì)而具有改良的機械性質(zhì)的封裝劑組合物。上述核-殼物質(zhì)包含一種細(xì)微的粉末，該粉末的每一顆微粒都具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg顯著高于室溫的硬質(zhì)外殼和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg顯著低于室溫的軟質(zhì)內(nèi)核。該硬質(zhì)殼物質(zhì)一般包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，而軟質(zhì)核可包括多種材料，例如丙烯酸酯和硅氧烷或基于丁二烯的橡膠。此類物質(zhì)中的一種所具有的以重量計的配方是約14至25％的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、約14至25％的甲基-六氫鄰苯二甲酸酐、約1至2％的第一脂肪族多元醇、約0至1％的第二脂肪族多元醇、小于約1％的反應(yīng)性芳香族化合物潤濕劑、小于約1％的2-乙基-4-甲基咪唑、約40至60％的含二氧化硅(SiO2)的填充劑粉末、小于約1％的有機染料、小于約1％的核-殼增韌劑和約0.3至0.5％的環(huán)氧硅烷(例如Dow-CorningZ6040)。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于電連接(特別是FCA工藝)的改良的封裝劑組合物。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有經(jīng)改善的機械性質(zhì)的用于電連接的封裝劑組合物。
本發(fā)明的再另一個目的是提供一種抗低溫開裂的用于電連接的封裝劑組合物。
一般而言，本發(fā)明的特征是一種因為包含了一種新型“核-殼”物質(zhì)而具有改良的機械性質(zhì)的填膠組合物。上述核-殼物質(zhì)包含一種細(xì)微的粉末，該粉末的每一顆微粒都具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg顯著高于室溫的硬質(zhì)外殼和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg顯著低于室溫的軟質(zhì)核。該硬質(zhì)殼物質(zhì)通常包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，而軟質(zhì)核可包括多種材料，例如丙烯酸酯和硅氧烷或基于丁二烯的橡膠。
在一個優(yōu)選的實現(xiàn)方案中，該核-殼物質(zhì)以約1至10重量％的量加入環(huán)氧樹脂中，同時添加的還有旨在降低交聯(lián)密度的約1至30重量％的反應(yīng)性熱塑性聚合物。
以重量計，優(yōu)選的底層填充組合物包含1.約14至25％的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂；2.約14至25％的甲基-六氫鄰苯二甲酸酐；3.約1至2％的第一脂肪族多元醇；4.約0至1％的第二脂肪族多元醇；5.小于約1％的反應(yīng)性芳香族潤濕劑；6.小于約1％的2-乙基-4-甲基咪唑；7.約40至60％的含二氧化硅(SiO2)的填充劑粉末，其顆粒度小于25微米；8.小于約1％的有機染料；9.小于約1％的核-殼增韌劑；和10.約0.3至0.5％的環(huán)氧硅烷(例如Dow-Corning Z6040)。
將酸酐和核-殼顆粒(EXL 2300)在高剪切下在80至100℃下預(yù)混合10分鐘。將ERL-4221樹脂和硅填充劑PQ-DP 4910也預(yù)混合。
對以上含核-殼物質(zhì)的組合物進行熱循環(huán)下的開裂和斷裂韌性的測試。本發(fā)明的核-殼物質(zhì)具有約1400×103至1600×103Pa-m(1350至1450psi-in1/2)的韌性，而最高等級的商品化的物質(zhì)的韌性范圍為937×103至1048×103Pa-m(850至950psi-in1/2)。
核-殼組合物的粘度從5Pa稍上升至10Pa(5000厘泊升至10,000厘泊)，但這是可以接受的，因為封裝劑在大的DNP芯片下仍可以自由流動。當(dāng)將封裝劑在50至70℃下與被連接的芯片的邊緣相接觸時，封裝劑通過毛細(xì)管作用在芯片下流動。
硅烷組分的加入減少了水分的吸收并減少了其對二氧化硅鈍化芯片的粘附。這是具有重大意義的，因為這將電短路從過去的DCAM的C-4工藝的5至20％的水平降至零。顯微鏡檢查顯示沒有縫隙，而所有過去檢測過的體系都顯示出了縫隙。
鑒于其他旨在適應(yīng)具體操作要求和環(huán)境的變化和改動對于熟悉該領(lǐng)域的人員是顯而易見的，本發(fā)明應(yīng)被視為不僅限于出于將本發(fā)明公開的目的而選擇的例子，并且包括了所有不構(gòu)成偏離本發(fā)明的真正精神和范圍的改動和變化。
權(quán)利要求
1.用于電連接的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含包括細(xì)微的粉末的“核-殼”物質(zhì)，該粉末的每一顆微粒都具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于室溫的外殼和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的核。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含二氧化硅填料，其重量為全部封裝劑組合物的重量的約40至60％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中所述封裝劑組合物具有約882×103至2,760×103Pa-m(800至2,500psi-in1/2)的韌性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含硅烷組分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅填充的密封劑組合物，其中包括至少一種選自環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、氰酸酯及其組合的物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中所述環(huán)氧樹脂包括脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和/或縮水甘油環(huán)氧樹脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中所述環(huán)氧樹脂包括脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，其重量為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，其重量為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和甲基-六氫鄰苯二甲酸酐，其重量分別為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含硅烷組分。
11.用于電連接的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包含a)二氧化硅填料，其重量為全部封裝劑組合物的總重量的約40至60％；和b)一種環(huán)氧樹脂和一種酸酐，其重量分別為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中b)是脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和甲基-六氫鄰苯二甲酸酐，其重量分別為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中所述組合物具有約882×103至2,760×103Pa-m(800至2,500psi-in1/2)的韌性。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中包括硅烷組分。
15.據(jù)權(quán)利要求11或12的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中所述環(huán)氧樹脂包括脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和/或縮水甘油環(huán)氧樹脂。
16.據(jù)權(quán)利要求11或12的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中所述酸酐包括甲基-六氫鄰苯二甲酸酐。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的二氧化硅填充的封裝劑組合物，其中還包含潤濕劑。
21.封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中所述基板包含有機材料從而形成芯片載體，其步驟包含將二氧化硅填充的封裝劑組合物施于集成電路芯片和與之相連接的基板上，所述組合物包含一種其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg低于室溫的內(nèi)核材料和基本包圍所述內(nèi)核材料的其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg高于室溫的核-殼材料的顆粒，上述核材料的；將所述封裝后的集成電路芯片和基板固化；和使所述集成電路芯片和所述基板間的焊縫回熔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中二氧化硅填料的量為全部封裝劑組合物的重量的約40至60％。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中所述封裝劑組合物具有約882×103至2,760×103Pa-m(800至2,500psi-in1/2)的韌性。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中包括至少一種選自環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、氰酸酯及其組合的物質(zhì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中所述環(huán)氧樹脂包括脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和/或縮水甘油環(huán)氧樹脂。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中所述環(huán)氧樹脂包括脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，其重量為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中所述組合物包含脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，其重量為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的封裝集成電路芯片和與之相連接的基板的方法，其中包含脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和甲基-六氫鄰苯二甲酸酐，其重量分別為全部封裝劑組合物的重量的約14至25％。
25.根據(jù)權(quán)利要求17或24的封裝集成電路芯片和與之相聯(lián)系的基板的方法，其中包含硅烷組分。
全文摘要
一種因為包含了一種新型“核－殼”物質(zhì)而具有改良的機械性質(zhì)的填膠組合物。核－殼物質(zhì)包含一種細(xì)微的粉末，該粉末的每一顆微粒都具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T
文檔編號C08L33/00GK1511341SQ02804861
公開日2004年7月7日 申請日期2002年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月12日
發(fā)明者K·帕帕托馬斯, K 帕帕托馬斯 申請人:國際商業(yè)機器公司