专利名称：填胶组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及封装组合物和将其应用于电连接的方法。更具体而言，本发明涉及用于集成电路芯片与其基板间的电连接的改良后的填胶组合物。
旨在提高电子线路中的连接和元件的耐久性的封装剂的使用是人所共知的。封装剂通常包含聚合物复合物。在集成电路芯片与其基板间的电连接中，此类封装剂可改善其寿命和耐久性。施涂封装剂后，通过烘烤进行固化处理，从而形成刚性的保护性覆盖层。
本发明的具体的封装剂配方和方法涉及倒装芯片粘接(Flip-Chip-Attach，FCA)封装技术。FCA封装剂目前用于陶瓷基板上。本发明包括了有机基板材料的使用。对于有机基板，封装剂固化前必须是低粘度的，并且热膨胀系数(CTE)必须约为陶瓷材料的三倍(即20ppm/℃对6.5ppm/℃)。更高的CTE引起的更大的芯片与基板之间的不匹配，而这需要封装剂耐受热循环的能力更高。
有机基板给封装剂的正确使用带来了额外的问题。与陶瓷基板相比，有机基板吸收更多的水分，并且更为柔软。它们在热应力下弯曲，而这将引起焊缝的变形。
在芯片直接贴装至模块(Direct-Chip-Attach-to-Module，DCAM)的工艺中，在封装后使焊缝回熔，这使得封装剂对芯片底部的粘附性和耐湿性成为关键。如果粘附性损失了，焊料会流入芯片与封装剂之间的缝隙。这将引起短路。在五百次-55℃至125℃的热循环后也发现了此类故障。
人们也观察到，缩短封装剂固化时间和降低温度也降低了避免损坏板卡组件上的其他元件的可能性。
通常有两种方法可以增强环氧封装剂的断裂韧性(a)降低交联密度，和(b)加入柔软的第二相颗粒。但是，加入柔软的第二相颗粒经常显著加大封装剂的粘度，并且降低玻璃化转变温度Tg。
本发明包含将封装剂韧性提高高至百分之五十而不过度改变粘度和玻璃化转变温度Tg的材料。
本发明的材料是一种包含细微的粉末的“核-壳”(core-shell)物质，其中该粉末的每一颗微粒都具有Tg显著高于室温的硬质外壳和Tg显著低于室温的软质核。硬壳物质一般包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，而软质核可以包括多种材料，例如丙烯酸酯和硅氧烷或基于丁二烯的橡胶。
可以用于本发明中的有机材料包括环氧化物、氰酸酯、双马来酰亚胺氰酸酯-环氧聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚砜和聚醚酮及其组合。封装剂也可以由发明人为Kuleska等、受让人为IBM的美国专利第6,106,891号中涉及的材料构成。该文献内容通过引用并入本文。
按照本发明的填胶树脂混合物也可以含有已知在环氧树脂的固化中起重要作用的加速剂。一般使用叔胺或咪唑类化合物。例如，适用的胺包括四甲基乙二胺、二甲基辛胺、二甲基氨基乙醇、二甲基苄胺、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-甲基吗啉、N-methylmorphomline、N-甲基哌啶、N-乙基吡咯烷、1，4-二氮双环(2，2，2)-辛烷和喹啉，而适用的咪唑类化合物则包括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。加速剂的添加浓度为0.01至2重量％，优选0.05至1％(均基于环氧树脂混合物)。
填充剂可包括二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼、钻石粉末、玻璃，并且所有这些材料本质上都是球形或类似球形的。
基板可以包括FR-4环氧化物和基于环氧化物、聚酰亚胺、氰酸酯、含氟聚合物、陶瓷填充的含氟聚合物、苯并环丁烯、全氟丁烷、聚苯硫醚、聚砜、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚苯喹喔啉、聚苯并噁唑和聚苯基苯并双噻唑及其组合和类似物的复合板。此外，在此类基于陶瓷的基板中也可使用基于无机物的基板。
在US-A-5,218,234中，说明了一种填充倒装芯片和基板之间的孔洞或间隙的填胶材料。该填胶材料为填充了惰性填充剂的环氧树脂。通过调整粘度使该材料可以在芯片下方流动。
在US-A-5,747,557中，组合物的丙烯酸橡胶的形式是乳胶，其表层是热塑性的。环氧树脂组合物具有高抗开裂性、高耐热性和良好的机械性质。
在US-A-4,822,545中，第一聚合物与具有结晶或半结晶熔点的第二聚合物共混。橡胶颗粒组合物含有具有塑料表层的弹性体。
本发明提供了一种因为包含了一种新型的“核-壳”物质而具有改良的机械性质的封装剂组合物。上述核-壳物质包含一种细微的粉末，该粉末的每一颗微粒都具有玻璃化转变温度Tg显著高于室温的硬质外壳和玻璃化转变温度Tg显著低于室温的软质内核。该硬质壳物质一般包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，而软质核可包括多种材料，例如丙烯酸酯和硅氧烷或基于丁二烯的橡胶。此类物质中的一种所具有的以重量计的配方是约14至25％的脂环族环氧树脂、约14至25％的甲基-六氢邻苯二甲酸酐、约1至2％的第一脂肪族多元醇、约0至1％的第二脂肪族多元醇、小于约1％的反应性芳香族化合物润湿剂、小于约1％的2-乙基-4-甲基咪唑、约40至60％的含二氧化硅(SiO2)的填充剂粉末、小于约1％的有机染料、小于约1％的核-壳增韧剂和约0.3至0.5％的环氧硅烷(例如Dow-CorningZ6040)。
因此，本发明的主要目的是提供一种用于电连接(特别是FCA工艺)的改良的封装剂组合物。
本发明的另一目的是提供一种具有经改善的机械性质的用于电连接的封装剂组合物。
本发明的再另一个目的是提供一种抗低温开裂的用于电连接的封装剂组合物。
一般而言，本发明的特征是一种因为包含了一种新型“核-壳”物质而具有改良的机械性质的填胶组合物。上述核-壳物质包含一种细微的粉末，该粉末的每一颗微粒都具有玻璃化转变温度Tg显著高于室温的硬质外壳和玻璃化转变温度Tg显著低于室温的软质核。该硬质壳物质通常包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，而软质核可包括多种材料，例如丙烯酸酯和硅氧烷或基于丁二烯的橡胶。
在一个优选的实现方案中，该核-壳物质以约1至10重量％的量加入环氧树脂中，同时添加的还有旨在降低交联密度的约1至30重量％的反应性热塑性聚合物。
以重量计，优选的底层填充组合物包含1.约14至25％的脂环族环氧树脂；2.约14至25％的甲基-六氢邻苯二甲酸酐；3.约1至2％的第一脂肪族多元醇；4.约0至1％的第二脂肪族多元醇；5.小于约1％的反应性芳香族润湿剂；6.小于约1％的2-乙基-4-甲基咪唑；7.约40至60％的含二氧化硅(SiO2)的填充剂粉末，其颗粒度小于25微米；8.小于约1％的有机染料；9.小于约1％的核-壳增韧剂；和10.约0.3至0.5％的环氧硅烷(例如Dow-Corning Z6040)。
将酸酐和核-壳颗粒(EXL 2300)在高剪切下在80至100℃下预混合10分钟。将ERL-4221树脂和硅填充剂PQ-DP 4910也预混合。
对以上含核-壳物质的组合物进行热循环下的开裂和断裂韧性的测试。本发明的核-壳物质具有约1400×103至1600×103Pa-m(1350至1450psi-in1/2)的韧性，而最高等级的商品化的物质的韧性范围为937×103至1048×103Pa-m(850至950psi-in1/2)。
核-壳组合物的粘度从5Pa稍上升至10Pa(5000厘泊升至10,000厘泊)，但这是可以接受的，因为封装剂在大的DNP芯片下仍可以自由流动。当将封装剂在50至70℃下与被连接的芯片的边缘相接触时，封装剂通过毛细管作用在芯片下流动。
硅烷组分的加入减少了水分的吸收并减少了其对二氧化硅钝化芯片的粘附。这是具有重大意义的，因为这将电短路从过去的DCAM的C-4工艺的5至20％的水平降至零。显微镜检查显示没有缝隙，而所有过去检测过的体系都显示出了缝隙。
鉴于其他旨在适应具体操作要求和环境的变化和改动对于熟悉该领域的人员是显而易见的，本发明应被视为不仅限于出于将本发明公开的目的而选择的例子，并且包括了所有不构成偏离本发明的真正精神和范围的改动和变化。
权利要求
1.用于电连接的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含包括细微的粉末的“核-壳”物质，该粉末的每一颗微粒都具有玻璃化转变温度高于室温的外壳和玻璃化转变温度低于室温的核。
2.根据权利要求1的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含二氧化硅填料，其重量为全部封装剂组合物的重量的约40至60％。
3.根据权利要求1的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中所述封装剂组合物具有约882×103至2,760×103Pa-m(800至2,500psi-in1/2)的韧性。
4.根据权利要求1的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含硅烷组分。
5.根据权利要求1的二氧化硅填充的密封剂组合物，其中包括至少一种选自环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯及其组合的物质。
6.根据权利要求5的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中所述环氧树脂包括脂环族环氧树脂和/或缩水甘油环氧树脂。
7.根据权利要求5的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中所述环氧树脂包括脂环族环氧树脂，其重量为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
8.根据权利要求2的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含脂环族环氧树脂，其重量为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
9.根据权利要求2的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含脂环族环氧树脂和甲基-六氢邻苯二甲酸酐，其重量分别为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
10.根据权利要求9的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含硅烷组分。
11.用于电连接的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包含a)二氧化硅填料，其重量为全部封装剂组合物的总重量的约40至60％；和b)一种环氧树脂和一种酸酐，其重量分别为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
12.根据权利要求11的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中b)是脂环族环氧树脂和甲基-六氢邻苯二甲酸酐，其重量分别为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
13.根据权利要求11的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中所述组合物具有约882×103至2,760×103Pa-m(800至2,500psi-in1/2)的韧性。
14.根据权利要求11或12的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中包括硅烷组分。
15.据权利要求11或12的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中所述环氧树脂包括脂环族环氧树脂和/或缩水甘油环氧树脂。
16.据权利要求11或12的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中所述酸酐包括甲基-六氢邻苯二甲酸酐。
17.根据权利要求16的二氧化硅填充的封装剂组合物，其中还包含润湿剂。
21.封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中所述基板包含有机材料从而形成芯片载体，其步骤包含将二氧化硅填充的封装剂组合物施于集成电路芯片和与之相连接的基板上，所述组合物包含一种其玻璃化转变温度Tg低于室温的内核材料和基本包围所述内核材料的其玻璃化转变温度Tg高于室温的核-壳材料的颗粒，上述核材料的；将所述封装后的集成电路芯片和基板固化；和使所述集成电路芯片和所述基板间的焊缝回熔。
18.根据权利要求17的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中二氧化硅填料的量为全部封装剂组合物的重量的约40至60％。
19.根据权利要求17的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中所述封装剂组合物具有约882×103至2,760×103Pa-m(800至2,500psi-in1/2)的韧性。
20.根据权利要求17的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中包括至少一种选自环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯及其组合的物质。
21.根据权利要求20的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中所述环氧树脂包括脂环族环氧树脂和/或缩水甘油环氧树脂。
22.根据权利要求20的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中所述环氧树脂包括脂环族环氧树脂，其重量为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
23.根据权利要求18的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中所述组合物包含脂环族环氧树脂，其重量为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
24.根据权利要求18的封装集成电路芯片和与之相连接的基板的方法，其中包含脂环族环氧树脂和甲基-六氢邻苯二甲酸酐，其重量分别为全部封装剂组合物的重量的约14至25％。
25.根据权利要求17或24的封装集成电路芯片和与之相联系的基板的方法，其中包含硅烷组分。
全文摘要
一种因为包含了一种新型“核－壳”物质而具有改良的机械性质的填胶组合物。核－壳物质包含一种细微的粉末，该粉末的每一颗微粒都具有玻璃化转变温度T
文档编号C08L33/00GK1511341SQ02804861
公开日2004年7月7日 申请日期2002年1月31日 优先权日2001年2月12日
发明者K·帕帕托马斯, K 帕帕托马斯 申请人:国际商业机器公司