专利名称：用于连接半导体芯片的粘合组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将半导体芯片连接到引线框上的小片连接粘合组合物，特别涉及具有优异的模数特性、结合力、粘合强度和使用性能的小片连接粘合组合物，这种粘合剂能够应用于尺寸范围很宽的半导体芯片。
一般情况下，半导体封装包括引线框/基片，其中半导体芯片通过粘合剂连接到引线框底盘上。
图1示出了一薄的方形扁平封装(TQFP)1，这是一种表面安装的半导体，其中半导体芯片2利用粘合层6安装于引线框3的半导体芯片底盘3a上。安装半导体芯片2上的焊盘(没有标出数字)和内引线3b通过导线4连接。半导体芯片2和导线4由模制包封树脂化合物5保护不受外界影响，例如外引线3C焊接于电路板上，这外引线3C用作外连接端。
在以上描述中，小片连接粘合剂组合物用于将半导体芯片2连接到引线框3的底盘3a上。这里，这种粘合组合物在固化后必须具有特别的物理和化学特性，并要具有足够好的使用性能。连接芯片用的粘合组合物所必须的物理特性包括低热膨胀系数、高粘合强度、高导热和导电性、及耐久性，而所需的化学特性包括高耐化学性和低杂质含量。关于粘合组合物的使用性能，必需具有合适的粘度和固化速率。
满足上述要求及一般使用的连接小片的粘合组合物包括环氧类树脂，其可以具有以下取代基含胺化合物的固化剂；稀释剂，例如环氧化物或丁基甲醇乙酸酯；粘合促进剂，例如硅烷或双氰胺；触变剂，例如胶态硅酸镁；及其它添加剂，例如硅树脂。这里，根据所需要的特性、及用途等，可以将该粘合组合物改性，以满足变化的要求。
具体说，Ag薄片一般用作填料，使连接小片粘合组合物具有优异的导热和/或导电性。由于在有机树脂系统中的良好分散性，银的优点是容易控制在分散和芯片定位时所需的该组合物的触变性。然而，银不能使半导体芯片与引线框的芯片底盘间具有足够粘合强度，因而降低了封装的可靠性。例如，会在半导体芯片和芯片底盘间的界面发生剥离和/或封装中的龟裂会发展。
在模数高的“硬”改性的小片连接用的组合物的情况下尤其如此。相反，这些问题在“软”改性组合物中不会发生。然而，在利用连接机器进行半导体芯片安装工艺后的引线连接方法(一种240℃的高温方法)时，会产生微小的振动，损害引线连接，这是“软”组合物所不能避免的。
更具体说，在粘合机器的毛细管压焊到半导体芯片表面的外缘时，半导体芯片下的粘合层受毛细管负荷的压力发生微小的变形。在毛细管从半导体芯片上脱开时，发生阻尼振动，损害导线连接中或半导体芯片安装的倾斜。因此，由于不能吸收微小的振动，所以“软”改性粘合组合物不适用于封装小半导体芯片。
与“硬”改性粘合组合物一样，模数介于“硬”和“软”粘合组合之间的“中间”改性粘合组合物，不能提供足够的粘合强度。所以仍存在着界面剥离和/或龟裂的问题。
本发明致力于解决上述问题。
本发明的目的是提供一种“中间”粘合组合物，具有高的模数，所以不会发生因导线焊合引起连接的缺陷。
本发明的另一目的是提供一种用于粘合半导体芯片的小片连接粘合组合物，它的基本粘合强度可防止界面剥离和/或龟裂的发生。
本发明再一目的是提供一种小片连接的粘合组合物，该组合物可用于各种尺寸的半导体芯片，并具有高的使用性能。
为实现上述目的，本发明提供一种用于粘合半导体芯片的小片连接粘合组合物。该粘合组合物包括粘合树脂成分、固化剂、稀释剂、固化促进剂、和触变剂以及无机填料成分。树脂成分约为10-50wt％，无机填料成分约为50-90wt％，包括铜成分和银成分。铜成分选自CuO、Cu2O和它们的混合物，其量约占所说无机填料成分总重的0.1-50wt％，银成分含量约占所说无机填料成分的总重的50-99.0wt％。
本发明的一个特征是铜成分约占所说无机填料成分总重的5-25wt％。
本发明另一特征是树脂成分占20-40wt％，无机填料成分占60-80wt％。
本发明再一特征是该组合物0℃的模数为2-4×109Pa，在25-150℃间的模数逐渐减小，在150℃以上减小到7×107-3×109Pa。
本发明又一特征是该组合物的粘度在25℃时为8000-20000cps。
本发明还一特征是该组合物形成在半导体芯片和引线框底盘之间形成一个粘合层，固化后其粘合强度为100-170Kgf/cm2。
以下说明书、所附权利要求书及附图，可以更好地理解本发明的这些特征和其它特征、方面及优点，其中图1是常规TQFP型半导体封装的剖面示意图；图2是展示组合物样品模数随温度变化而变化的曲线图；图3a和3b是展示经历了预定时间的严格条件的小尺寸半导体芯片封装的界面剥离情况的扫描声波X射线断层图(SATs)；图4a和4b是展示经历了预定时间的严格条件的大尺寸半导体芯片封装的界面剥离情况的SATs；及图5是展示组合物粘度根据CuO和/或Cu2O含量变化的曲线图。
已知有许多种用于连接半导体芯片的小片连接粘合组合物。根据所需要的特性、及用途等，可以将该组合物改性，以满足变化的需求。除可以有取代基的环氧基树脂外，还采用用于粘合组合物的各种成分，包括胺固化剂，例如偶氮化合物；稀释剂，例如环氧化物和丁基甲醇乙酸酯；触变剂，例如胶态硅酸镁；及其它添加剂，例如硅。除环氧单体外，可以根据需要改变所有成分的量，并且这种调节不限制本发明。
这里所用的术语“硬改性的粘合组合物”是指在0-100℃的温度下模数为2.5-4×109Pa的环氧树脂基粘合组合物，在100-150℃的温度下该组合物的模数迅速减小，在150℃以上时其模数为2-4×108Pa。这里所用的术语“软改性的粘合组合物”是指在0℃时模数为2.5-4.5×109Pa的环氧树脂基粘合组合物，在0-70℃的温度下模数迅速减小，在70℃以上时其模数为1-4×107Pa。最后，这里所用的术语“中间粘合组合物”是指在0℃时模数为2-4×109Pa的粘合组合物，在25-150℃的温度下该组合物的模数迅速减小，在150℃以上时其模数为1×107-3×108Pa。然而，这些参数可以稍有改变，决不局限于此。
一般情况下，由于由硬粘合组合物硬化的粘合层具有高交联密度和低柔韧性，在导线焊合时只发生少量归因于连接机器的微小振动，因而导线连接中不焊合的比例较低。然而，由于粘合层与半导体芯片及底盘间的热膨胀系数间差别很大，所以粘合层会发生较严重的翘曲。这样，硬粘合组合物适于安装尺寸为100×100平方密耳的半导体小芯片。此外，它们具有高玻璃转变温度(Tg)，但粘合强度低。
与硬粘合层相比，由软粘合组合物硬化的粘合层的交联密度低，柔韧性高。因此，在导线焊合时这些粘合层经受由于连接机器引起的微小振动，导致了引线连接时有高比例的不焊合。有利的是，粘合层只发生轻度翘曲，因而使得软粘合组合物适于安装大到400×400平方密耳的半导体芯片。这种粘合层的Tg较低，但粘合强度很高。
关于由中间粘合组合物硬化的粘合层，它们的交联密度介于“硬”和“软”交联密度之间，所以具有中等柔韧性。中间粘合层在导线焊合时经受最小量由于连接机器引起的微小振动，所以导线连接时的不焊合比例低。它们的翘曲程度也处于中间值。然而，中间粘合组合物的粘合强度低。
因此，本发明涉及一种用于连接半导体芯片的粘合组合物，该组合物除具有高粘合强度外还具有合适的柔韧性(介于“硬”和“软”环氧树脂组合物之间)。该合适的柔韧性在导线焊合时不会使连接机器有微小振动，因而，降低了连接导线的不焊合比例，同时高粘合强度有效地防止了界面剥离和/或封装电裂。所以，该粘合组合物可有效地应用于大小不同的各种尺寸的半导体芯片。
本发明用于连接半导体芯片的粘合组合物包括用无机填料成分改性的环氧树脂，所说无机填料成分包括银和选自CuO、Cu2O及它们的混合物中的铜成分。在用于连接半导体芯片的该粘合组合物中，环氧树脂量接近10-50wt％，而无机填料量相应地约为10-90wt％。这里如果树脂成分低于组合物重量的10％，则很难得到与无机填料成分的均匀混合物，所得组合物流动性和使用性很差。另一方面，如果树脂成分超过组合物重量的50％，则极容易发生流出或切口蠕变现象。即，树脂组合物沿半导体芯片的侧面蠕升，污染半导体芯片的焊盘。所以，树脂成分含量优选约为组合物总重量的20-40wt％，更优选为约25-35wt％，最优选为约30wt％。
无机填料成分包括约0.1-50wt％选自CuO、Cu2O和它们的混合物的铜成分和约50-99wt％的银。铜成分用于加强粘合性，而银的作用是容易控制环氧树脂的触变性，并提供热传导性。银片可以以球面或鳞片形加入，优选是鳞片形，以提供较好的流动性。然而，本发明形状的选择是任意的。
优选的是，本发明组合物在25℃时的粘度为约8000-20000cps。例如，如果组合物的粘度低于8000cps，极有可能发生流出或切口蠕变。另一方面，如果组合物的粘度高于20000cps，则组合物很难用自动分配器处理。
半导体芯片利用本发明的组合物安装于底盘上后，根据各成分的含量，固化的粘合层具有约100-170kgf/cm2的粘合强度。
本发明组合物中铜成分选自CuO、Cu2O及它们的组合，能够有效地防止界面剥离和/或封装龟裂，因而极大地增强了半导体封装的可靠性。
下面介绍本发明的机理。首先，由于在CuO和/或Cu2O的氧与树脂包封剂中的环氧模塑料(EMC)的环氧环(-CH-CH-)之间形成强的氢键，粘合组合物与树脂包封剂的EMC间界面的粘合强度比仅采用银时强。因此，尽管半导体芯片(热膨胀系数为2-4ppm/℃)与EMC及铜(热膨胀系数为16-17ppm/℃)制造的芯片底盘间有很大差异，但可以有效防止图1的粘合带7中的界面剥离和/或封装龟裂，使倾斜粘合层从安装于该底盘上的半导体芯片的下部外缘挤出。此外，通常EMC中所含的例如硅烷或硅烷醇等固化促进剂与CuO和/或Cu2O之间存在氢键，所以提供了附加的粘合强度。因此，夹在半导体芯片和底盘间的粘合层中存在CuO和/或Cu2O可以使粘合层比采用常规的Ag填料时更紧密地粘合于EMC上，可以更有效地防止界面剥离和/或封装龟裂。另外，在粘合组合物还包括例如SiH4等固化促进剂时，氢键还形成于固化促进剂与铜成分之间，因而有效地防止了界面剥离和/或封装龟裂。另外，由于铜成分CuO和/或Cu2O与非镀铜制造的半导体芯片底盘具有良好的兼容性，所以在采用铜成分作填料时可以得到比仅采用Ag时更高的粘合强度。
在本发明的粘合组合物中，选自CuO、Cu2O及它们的混合物的铜成分的用量占无机填料总重量的约0.1-50wt％，优选是约5-25wt％的量，更优是7-20wt％的量，最优选是8-15wt％。例如，如果铜成分的量低于0.1wt％。则不能实现想要的粘合强度。另一方面，如果铜成分的量高于50wt％，则所得组合物具有高于20000cps的粘度，这种粘度下使用性能迅速下降，例如，很难分散组合物。
根据无机填料的总重量，Ag的用量约50-99.9wt％，优选是约70-95wt％。例如，如果Ag的量低于50wt％，则不容易控制组合物的触变性，所以对使用性具有不良影响。此外，Ag量不足会使组合物热传导性很差，降低了半导体芯片工作时所产生的热的发散率。另一方面，如果Ag量高于99.9wt％，则对粘合强度几乎没有改进，所以很可能发生界面剥离和/或封装龟裂。如果需要，本发明的粘合组合物还可以包括其它类型的无机填料。
树脂组合物样品和材料以下按表1所示配制粘合半导体芯片用的粘合组合物。表1中，树脂成分由75wt％的环氧基树脂和25wt％的添加剂构成，所说添加剂包括胺、环氧化物、硅烷、胶态硅酸镁及CAB-O-SIL烟熏硅石，该树脂成分的用量占无机成分总重的30wt％。
在温度以5℃/分钟的速度从-50℃升高到250℃时，测量这些组合物的模数。利用热分析仅(例如Perkin-Elmer销售的标记为7 Series ThermalAnalysis系统)观察模数的变化，结果如图2所示。
表1
1基于100wt％的无机填料的wt％2基于无机填料的总重的wt％3基于无机填料的总重的wt％(I)比较例I的组合物采用改性环氧树脂系，例如ABLESTIK销售的商标名为“ABLEBOND”84-1LMISR 4的那种，其25℃时的粘度为8000cps、121℃的热传导率为2.5W/m°K、玻璃转变温度为120℃、热膨胀系数为40×10-6in/in/℃。
图2中，这种“硬”粘合组合物表示为曲线A。
(ii)比较例II的组合物采用改性环氧树脂系，例如Johnson Mathey所售的商品名为JM 2500AN的那种，其25℃的粘度为3000-6000cps，121℃的热传导率为0.5W/m°K、玻璃转变温度为65℃。
图2中，这种“软”粘合组合物表示为曲线B。
(iii)实施例的组合物通过加入CuO/Cu2O和Ag并利用所属领域公知的改性方法，由比较例II的组合物制备中间环氧树脂组合物。
图2中，该“中间”粘合组合物表示为曲线C。
(iv)比较例III-V的组合物通过加入Ag，但不加CuO/Cu2O，并利用所属领域公知的改性方法，制备表示为图2的曲线D、E和V的随温度模数改变的“中间”粘合组合物。
(v)被模塑成树脂包封剂的EMC采用从Sumitomo Co.购得的标记为EME 7320 CR型的EMC。这种EMC具有以下参数Tg140℃热膨胀系数↑1 1.3×10-5/℃↑2 5.2×10-5/℃模塑条件在175℃/120秒固化后固化的条件175℃/6小时(vi)引线框TQFP 100LD底盘尺寸5×5mm2144LD底盘11.5×11.5mm2(vii)试验芯片98×98平方密耳和415×381平方密耳(viii)观察Sonix制造的扫描声波X射线断层仪粘合强度的测量利用Guadgroup Co.制造的Sebastian装置，在室温下进行双头螺栓提拉测试，每个样品总共测量五次然后取平均测量结果，由固化的粘合层断裂时的强度，来确定每个样品的粘合强度。结果示于以下的表2中。关于比较例2的组合物，其粘合层表现出大于150kgf/cm2的值，测量的上限，断裂发生在其它区域，而不在粘合层自身。
表2
以kgf/cm2为单位
表2的数据表明，比较例II的“软”组合物样品具有最高的粘合强度，实施例的“中间”组合物样品具有可与“软”组合物样品相比的110-155kgf/cm2的高粘合强度。另一方面，比较例III-IV的“中间”组合物样品的粘合强度只比比较例I的“硬”组合物样品稍好。
因此，从该数据可知，本发明的“中间”粘合组合物的未预料到的高粘合强度归因于加入了CuO和/或Cu2O。
界面剥离测试分别利用实施例和比较例I-IV的改性粘合组合物，将尺寸为98×98平方密耳和415×381平方密耳的半导体芯片安装于5×5mm2和1.5×11.5mm2的底盘上，之后进行导线连接，然后用树脂包封剂。然后，在将半导体芯片和底盘置于60％的相对湿度和30#的温度下168小时，对所得封装进行焊接模拟。利用SAT确定界面是否发生剥离。
图3示出了安装于尺寸为5×5mm2的底盘上尺寸为98×98平方密耳的半导体芯片的X射线断层图，图4示出了安装于尺寸为11.5×11.5mm2的底盘上尺寸为415×381平方密耳的半导体芯片。图中，暗部分表示发生界面剥离的部分。而图3a和4a是其外引线在215℃下汽相焊接(VPS)的封装的X射线断层图，图3b和4b是在235℃进行红外软熔的封装的X射线断层图。
利用“硬”粘合组合物A，在安装小尺寸半导体芯片的封装中造成了微小的界面剥离，如图3a和3b的方格A中所示，而在安装有大尺寸半导体芯片的封装中发生了显著的界面剥离，如图4a和4b的方格A中所示。不管芯片的尺寸如何，在215℃下进行VPS的封装比在235℃下进行IR软熔的封装更抗界面剥离。从这些结果可知，组合物样品A仅适用于小尺寸封装。
利用“软”粘合组合物B，在安装有小尺寸半导体芯片的多数封装中发生了界面剥离，如图3a和3b的方格B所示。另一方面，在安装有大尺寸半导体芯片的半导体封装中只发生了少量界面剥离，如图4a和4b的方格B所示。这些结果表明组合物样品B适用于只具有大尺寸芯片的大尺寸封装。不管芯片的大小如何，在215℃下进行VPS的封装比在235℃下进行IR软熔的封装更抗界面剥离。这表明处理温度越高，高达极限值，越容易发生界面剥离。
利用从“软”粘合组合物改性来的本发明的“中间”组合物样品C，对于安装有小尺寸半导体芯片的VPS处理过的封装来说，具有令人满意的结果，或没有界面剥离，如图3a的方格C所示，而对于IR软熔处理过的封装来说，也具有满意的结果，如图3b的方格C所示。在安装有大尺寸半导体芯片的所有半导体封装中，在采用组合物样品C时，也可以得到很好的结果，如图4a和4b所示。因此，不管半导体芯片的尺寸如何，本发明的组合物样品C皆具有较好的结果。因此，组合物C可用于大尺寸范围的半导体芯片。
相反，利用也由“软”粘合组合物改性得到的“中间”组合物D、E和F，则不能得到令人满足的结果，样品D和F具有与样品A类似的结果。尽管样品E对于安装有小尺寸半导体芯片的VPS处理过的封装来说具有好的结果，但在其它情况下结果很差。由此可知，即使改性成“中间”组合物，发现组合物样品D、E和F也只适用于具有小尺寸半导体芯片的小尺寸封装。
总之，图3和5的数据展示了组合物样品C的防界面剥离效果是由于加入了CuO和/或Cu2O。
使用性测试和粘度测量制备六种组合物样品，每种包括以重量计30份树脂成分和100份无机填料成分，无机填料中CuO/Cu2O分别以占填料总重的0％、10％、20％、30％、40％和50％的量存在，所含的Ag量相应的为100％、90％、80％、70％、60％和50％。在25℃测量组合物样品的粘度。结果示于图5。
如图5所示，在不含CuO/Cu2O时，粘度为8350cps，在CuO/Cu2O达到40％时粘度逐渐增大到高达14600cps。此值后，粘度开始急剧增大，在CuO/Cu2O时达到50％时，粘度达18400cps。
在采用自动分配器来在半导体芯片底盘上散布粘合组合物的情况下，在粘合组合物的粘度为15000cps时，自动分配器不能有效地工作。在粘度高达20000cps时，分配器不能工作。
因此，根据树脂成分与无机填料成分的相对量可以稍微调整CuO/Cu2O的加入量，运CuO/Cu2O的加入量要占无机填料成分总重的约0.1-50wt％。
如上所述，本发明的组合物提供了相当大的模数，所以不会因由连接机器造成引线连接的缺陷，同时提供高粘合强度，从而防止了发生界面剥离和/或电裂。另外，除提供基本的使用性能外，本发明的组合物可应用于尺寸范围很大的半导体芯片。
尽管以上具体介绍了本发明，但应明白，这里所提出的基本发明构思的许多变化和改变可以落入如所附权利要求书所限定的本发明构思和范围内，这对于所属技术领域的技术人员来说是清楚的。
权利要求
1.一种用于连接半导体芯片的粘合组合物，包括粘合树脂成分、固化剂、稀释剂、固化促进剂和触变剂及无机填料成分，其中所说树脂成分约为10-50wt％，所说无机填料成分约为50-90wt％，其中无机填料成分包括铜成分和银成分，所说铜成分选自CuO、Cu2O和它们的混合物，其约占所说无机填料成分总重的0.1-50wt％，所说银成分约占所说无机填料成分的总重的50-99.0wt％。
2.权利要求1的粘合组合物，其中粘合树脂组合物是环氧树脂组合物。
3.权利要求1或2的粘合组合物，其中所说铜成分约占所说无机填料成分总重的5-25wt％。
4.权利要求1或2的粘合组合物，其中所说树脂成分为20-40wt％，所说无机填料成分为60-80wt％。
5.权利要求2的粘合组合物，其中所说组合物0℃的模数为2-4×109pa，在25-15℃的温度该模数逐渐下降，在150℃以上下降到7×107-3×109Pa。
6.权利要求2的粘合组合物，其中所说组合物在25℃时粘度为8000-20000cps。
7.权利要求1的粘合组合物，其中所说组合物在半导体芯片和引线框底盘间形成一个粘合层，固化后其粘合强度为100-170kgf/cm2。
全文摘要
这里公开了一种用于连接半导体芯片的粘合树脂组合物,该组合物包括粘合树脂成分、固化剂、稀释剂、固化促进剂和触变剂及无机填料成分。树脂成分约为10—50wt%,无机填料成分约为50—90wt%,无机填料成分包括铜成分和银成分。铜成分选自CuO、Cu
文档编号C09J201/00GK1242404SQ9911095
公开日2000年1月26日 申请日期1999年7月7日 优先权日1998年7月7日
发明者郭在成, 文炳勋 申请人:亚南半导体株式会社, 阿姆科技术公司, 国家淀粉及化学品投资控股公司