CN101233190B - 绝缘材料、布线板和半导体器件 - Google Patents

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Abstract

在半导体器件中，由这样的绝缘材料形成所述插件衬底的布线层作为最上层，当温度为10至30℃时，该绝缘材料的杨氏模量不大于1GPa，断裂伸长率不低于50％。这种绝缘材料包含：与环氧树脂或环氧树脂固化剂反应的活性弹性体；环氧树脂；环氧树脂固化剂；和在其结构中具有双键和极性基团如羟基或羧基的交联丁苯橡胶。因此，可得到半导体器件，其具有抗温度循环的连接可靠性很高，并包括布线板，其中在所述绝缘层和所述无电镀铜层之间得到很高的粘合性。

Description

绝缘材料、布线板和半导体器件
技术领域
本发明涉及形成布线板的绝缘材料，涉及使用所述绝缘材料的布线板，还涉及配有所述布线板的半导体器件。 
背景技术
为了获得更小的半导体器件，近年来开发了一种方法，利用该方法将多个焊球以矩阵的形式排列在布线板表面上，并将半导体芯片安装到所述焊球上。这种半导体器件的例子为FCBGA(反转芯片球形栅格阵列)和WLCSP(晶片级芯片尺寸封装)。还已知其中将多个包埋有布线的树脂层层化的多层布线板，例子包括MLTS(Multi Layer ThinSubstrate(多层薄衬底))(商标名)结构。 
然而，常规方法具有下述问题。换句话说，作为半导体芯片材料的硅和形成布线板的树脂具有彼此不同的热膨胀系数。出于这个原因，在所述半导体器件冷却到室温时，即使将所述半导体芯片安装到所述布线板上从而在安装过程中未施加力，由于所述半导体芯片的收缩和所述布线板的收缩彼此不同，在所述半导体器件内产生翘曲，并对所述焊球施加了力。而且，当所述半导体器件重复经受由所述半导体芯片的运行所产生的热和外界温度的变化所致的加热和冷却循环时，所述焊球可能经历疲劳破裂，并变得断开。 
通常，试图通过由尽可能刚性的树脂形成所述布线板来避免这个问题并改善半导体器件的连接可靠性。这样意图通过提高所述布线板的刚性来使所述半导体器件的翘曲和所述布线板的变形最小化。例如，在专利文件1中，公开了一种使用弹性模数为10GPa或更高的绝缘材料作为所述布线板的材料的方法。 
日本公开专利申请2002-198462号 
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，上述现有技术具有下述问题。换句话说，涉及温度循环的半导体器件的连接可靠性仍然不足，即使当如专利文件1所述，由具有10GPa或更高的弹性模数的材料形成所述布线板时也是如此。问题在于，当在所述表面上进行无电(electroless)镀铜以形成所述铜布线时，基础材料，即形成如专利文件1所述的布线板的绝缘材料的主要组分，通常具有与铜布线的低粘合性。由于这个事实，通常将用于改善所述基础材料与所述铜布线之间的粘合性的粘合剂添加到所述基础材料中。然而，根据基础材料的类型，这样的粘合剂具有可变的效果，使用常规添加剂与一些基础材料的组合不能获得改善镀敷粘合性的效果。 
根据上述内容设计了本发明，目的是提供具有与温度相关的高连接可靠性并具有所述绝缘层与所述无电镀铜之间的良好粘合性的布线板，提供形成所述布线板的绝缘材料，并提供具有所述布线板的半导体器件。 
解决所述问题的手段
本发明的绝缘材料包括：与环氧树脂或环氧树脂固化剂反应的活性弹性体；环氧树脂；环氧树脂固化剂；和在其结构内具有双键和极性基团的交联橡胶，其中在10至30℃的温度范围内，杨氏模量为1GPa或更小。 
所述极性基团可以是羟基或羧基，所述交联橡胶为交联的丁苯橡胶。 
(E×100)/(A+B+C+E)的值优选为3～25％，更优选5～20％，其中A质量％为所述活性弹性体的含量，B质量％为所述环氧树脂的含量，C质量％为所述环氧树脂固化剂的含量，E质量％为所述交联橡胶的含量。 
所述活性弹性体优选为在所述弹性体的结构中不含氰酸酯基团的聚酰胺弹性体，或者在所述弹性体的结构中包含不饱和双键和环氧基团的柔性环氧树脂。 
(A×100)/(A+B+C+E)的值优选为50～80％。 
(B×100)/(A+B+C+E)的值优选为20％或更小。从而改善了断裂伸长率。 
本发明的所述布线板使用上述绝缘材料。 
在本发明中，通过在10至30℃的温度范围内由具有1GPa或更小的相对低杨氏模量的绝缘材料形成所述布线板，在已经安装半导体芯片或其它外部元件以在所述布线板上形成半导体器件后，当所述布线板受热或冷却时，所述布线板能够跟随外部元件的热膨胀。从而能够减少所述半导体器件的翘曲，并能够减少施加至所述布线板和所述外部元件之间的连接部分的力。因此，能够改善所述半导体器件的与温度循环相关的连接可靠性。当通过无电镀敷在由所述绝缘材料组成的绝缘层上形成镀铜时，能够改善所述绝缘层和所述镀铜层之间的粘合性，因为所述绝缘材料的结构中包含具有双键和极性基团的交联橡胶。 
本发明的半导体器件配备有上述布线板。 
发明效果 
根据本发明，通过由在10至30℃的温度范围内具有1GPa或更小 的杨氏模量的绝缘材料形成所述布线板，当在所述布线板上安装外部元件时，所述布线板能够跟随外部元件的热膨胀。因此，能够减少所述布线板的翘曲，能够防止所述连接部分的破裂，并能够改善与温度循环相关的连接可靠性。能够改善所述无电镀铜层与由所述绝缘材料组成的所述绝缘层之间的粘合性，因为所述绝缘材料的结构中包含具有双键和极性基团的交联橡胶。 
附图简述 
图1是显示本发明实施方案的半导体器件的剖视图； 
图2是显示所述半导体器件的特征的示意图； 
图3是显示在本发明的试验例中制造的评价板的示意图； 
图4是显示所述评价板的细节的俯视图；和 
图5是所述评价板的部分放大剖视图。 
符号说明 
1：半导体器件 
2：插件板 
3：布线 
4：通路 
5：安装垫 
6：球垫 
7：焊料块 
8：BGA球 
9：半导体芯片 
10：未充满的树脂 
11：加强件 
12：盖 
13、14、15：粘合剂层 
16：布线层 
41：梳状布线 
42：电极 
43：评价板 
44：FR-4板 
45：布线 
46：通路 
47、49、51：Cu图案 
48：建造(build-up)树脂层 
50：阻焊剂 
本发明的最佳实施方式 
下面参考附图详述本发明的实施方案。图1是显示本发明实施方案的半导体器件的剖视图，图2是显示所述半导体器件的特征的示意图。该实施方案的半导体器件1是FCBGA半导体器件，如图1所示。插件板2被设置在所述半导体器件1内。所述插件板2通过使多个布线层层化而形成，布线3由例如铜组成，连接至所述布线3的通路在所述布线层内形成。在布线层16上形成多个安装垫5(参见图2)，布线层16是所述插件板2的最上层。所述布线3、通路4和安装垫5也可以统称为“布线”。在所述插件板2的下表面上形成多个球垫6。当从所述插件板2的上表面的正上方观察时(下文称为“平面图”)，所述安装垫5和球垫6各自以矩阵的形式排列。 
在平面图中，所述球垫6大于所述安装垫5，所述球垫6的阵列间距大于所述安装垫5的阵列间距。所述安装垫5通过布线3和通路4连接至所述球垫6。焊料块7连接至所述安装垫5，BGA球8连接至所述球垫6。所述BGA球8大于所述焊料块7。 
半导体芯片9被安装在所述插件板2上。所述半导体芯片9由例如设置在硅衬底(未显示)上的多层布线层(未显示)组成，在所述硅衬底和所述多层布线层的表面上形成集成电路。在所述半导体芯片9内，所述多层布线层的表面具有设置在面对插件板2的一侧的表面上的I/O 垫(未显示)，所述I/O垫连接至所述焊料块7。从而使所述半导体芯片9的I/O垫通过所述焊料块7连接至所述安装垫5，并通过所述布线3、通路4和球垫6连接至所述BGA球8。未充满的树脂10沿着在所述插件板2和半导体芯片9之间的所述焊料块7的周边在填充。从而将所述半导体芯片9连接并固定到所述插件板2上。 
将由不锈钢或铜组成的加强件11设置到环绕着所述插件板12上的所述半导体芯片9的区域内。使用粘合剂层15将所述加强件11结合至所述插件板2上。所述加强件11在平面图中为框形，所述半导体芯片9被包容在所述框形的开放区域内。所述加强件11的上表面基本上与所述半导体芯片9处于相同的平面内。 
将由例如陶瓷组成的盖12设置到半导体芯片9和加强件11上。使用粘合剂层13将所述盖12结合至所述半导体芯片9，使用粘合剂层14将所述盖12结合至所述加强件11。在平面图内，所述盖12的形状基本上覆盖住所述插件板2。盖12用作半导体芯片9的散热器。通过BGA球8将半导体器件1安装到母板(未显示)或类似物上。 
布线层16被设置到插件板2的最上的布线层上，即位于面对所述半导体芯片9的表面上，在所述表面上形成所述安装垫5(参见图2)，该布线层16由这样的绝缘材料组成，该绝缘材料在温度为10至30℃(下文称为“室温”)时具有1GPa或更小的杨氏模量，并具有20％或更高的断裂伸长率。该绝缘材料包含：能够与环氧树脂或环氧树脂固化剂反应的活性弹性体(A)；环氧树脂(B)；环氧树脂固化剂(C)；和在材料结构内具有双键和极性基团的交联橡胶，作为添加剂(E)。 
交联橡胶在树脂组分内的比率，即(E×100)/(A+B+C+E)的值为3～25％，可以为例如5～20％，其中A质量％为所述活性弹性体的含量，B质量％为所述环氧树脂的含量，C质量％为所述环氧树脂固化剂的含量，E质量％为所述交联橡胶的含量。所述活性弹性体(A)在所述树脂 组分内的比率，即(A×100)/(A+B+C+E)的值为50～80％。所述环氧树脂(B)在所述树脂组分内的比率，即(B×100)/(A+B+C+E)的值为20％或更小。下面描述上述数字极限的原因。 
(E×100)/(A+B+C+E)的值：3～25％
当交联橡胶在所述绝缘材料的树脂组分内的比率，即(E×100)/(A+B+C+E)的值小于3％时，所述无电镀铜的结合特性有时不足。当该值超过25％时，所述绝缘材料的伸长率可能降低，或者所述绝缘材料的物理性能可能另外不足。因此，(E×100)/(A+B+C+E)的值优选为3～25％，更优选5～20％。 
(A×100)/(A+B+C+E)的值：50～80％
当所述活性弹性体(A)在所述绝缘材料的树脂组分内的比率，即(A×100)/(A+B+C+E)的值小于50％时，确保所述绝缘材料的韧性的所述活性弹性体是不足的，不能获得充分的断裂伸长率。如果该值超过80％，则所述绝缘材料的固化性变得不足，所述绝缘材料的耐化学性可能降低。因此，(A×100)/(A+B+C+E)的值优选为50～80％。 
(B×100)/(A+B+C+E)的值：20％或更小
当所述环氧树脂(B)在所述树脂组分内的比率，即(B×100)/(A+B+C+E)的值超过20％时，断裂伸长率可能不足。因此，(B×100)/(A+B+C+E)的值优选为20％或更小。 
上述具有双键和极性基团的交联橡胶(E)是具有羧基或羟基作为极性基团的交联丁苯橡胶，例子为由JSR制造的XSK-500(注册商品名)。在这种情况下，所述双键被包含在所述丁二烯部分内。 
活性弹性体(A)优选为在弹性体的结构中不含氰酸酯基团的聚酰胺弹性体。活性弹性体(A)是包含酚式羟基的聚酰胺-聚丁二烯共聚物。通过使由下述化学式1表示的含酚式羟基的二羧酸、由下述化学式2 表示的不含酚式羟基的二羧酸、由下述化学式3表示的二胺、和由下述化学式4表示的在两端具有羧基的聚丁二烯或由下述化学式5表示的在两端具有氨基的聚丁二烯反应，从而获得所述含酚式羟基的聚酰胺-聚丁二烯共聚物(下文简称为“共聚物”)。所述含酚式羟基的聚酰胺-聚丁二烯共聚物由下述化学通式6或7表示。 
HOOC-R1-COOH 
在化学式1、6和7中，术语R1是具有酚式羟基的碳数为6至12的二价芳族化合物。上述化学式1所示的具有酚式羟基的二羧酸的例子包括：5-羟基间苯二酸、4-羟基间苯二酸、2-羟基邻苯二甲酸、3-羟基邻苯二甲酸和2-羟基对苯二甲酸。 
HOOC-R2-COOH 
在化学式2、6和7中，术语R2是不含酚式羟基的碳数为6至12的二价芳族化合物或碳数为1至10的二价脂族化合物。上述化学式2所示的不含酚式羟基的二羧酸的例子包括：邻苯二甲酸、间苯二酸、对苯二甲酸、二羧基萘、琥珀酸、富马酸、戊二酸、己二酸、1，3-环己二酸、4，4′-二苯基二羧酸和3，3′-亚甲基二苯甲酸。 
H2N-R3-NH2
在化学式3、6和7中，术语R3是具有6至12个碳数的二价芳族化合物或具有1至10个碳数的二价脂族化合物。在由上述化学式3表 示的二胺中，包含酚式羟基的二胺的例子包括：3，3′-二胺-4，4′-二羟基苯基甲烷、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)二氟甲烷、3，4′-二氨基-1，5′-苯二酚、3，3′-二羟基-4，4′-二氨基双酚、3，3′-二氨基-4，4′-二羟基双酚、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)酮、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)硫化物、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)醚、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)砜、2，2′-双(3-氨基-4-羟基苯基)丙烷、2，2′-双(3-氨基-4-氨基苯基)丙烷和2，2′-双(3-氨基-4-氨基苯基)甲烷；不含酚式羟基的二胺包括：3，3′-二氨基二苯基醚、3，4′-二氨基二苯基醚、4，4′-二氨基二苯基醚、二氨基萘、哌嗪、六亚甲基二胺、四亚甲基二胺、间二甲苯二胺、4，4′-二氨基二苯基甲烷、4，4′-二氨基二苯甲酮、2，2′-双(4-氨基苯基)丙烷、3，3′-二氨基二苯基砜和3，3′-二氨基二苯基。所述二胺没有限制，但特别优选的是3，4′-二氨基二苯基醚。 
Figure S2006800275188D00091
Figure S2006800275188D00092
在上面的化学式4和5中，和在下面的化学式6和7中，x和y为平均聚合度，为3至7的整数。 
Figure S2006800275188D00101
Figure S2006800275188D00102
在上面的化学式5和7中，和在下面的化学式8和9中，z、l(小写的L)、m和n是平均聚合度，其中z为5至15的整数，n＝l+m，n为2至200的整数，l(小写的L)和m满足m/(l+m)≥0.04的关系。 
在由化学式6和7表示的共聚物中，特别优选的共聚物是由下面的化学通式8和9表示的共聚物。 
Figure S2006800275188D00111
(其中or表示“或”) 
当所述共聚物的重均分子量(Mw)为100,000或更小时，能够在160～180℃的温度范围内获得充分的流动性。尤其是，当所述重均分子量为20,000或更小时，能够在100～160℃的温度范围内获得良好的流动性。因此，所述共聚物的重均分子量(Mw)优选为100,000或更小，更优选20,000或更小。 
在树脂结构中包含不饱和双键和环氧基团的柔性环氧树脂可以被 用作所述活性弹性体(A)，以代替在上述结构中不含氰酸酯基团的聚酰胺弹性体。 
其中官能团之间的距离大于所述环氧树脂固化剂(C)中所含的酚醛树脂官能团之间的距离的所述树脂(D)的例子由下面的化学式10表示。 
Figure S2006800275188D00121
在化学式10中，术语R4是氢或具有1至3个碳数的一价取代基。在该式中，a1为1至4的整数，a1′为1至3的整数，X为由下面化学式12表示的化合物X1或由下面化学式13表示的化合物X2，b为1至10的整数，c和d均为1。 
其中官能团之间的距离大于由化学式10表示的酚醛树脂的官能团之间的距离的树脂(D)，具有酚式羟基作为官能团，例如为环氧乙烷，所述树脂的例子为这样的环氧乙烷化合物，其中所述分子结构中酚式羟基之间的距离大于酚醛树脂中酚式羟基之间的距离。所述环氧乙烷化合物的例子由下面的化学式11表示。 
Figure S2006800275188D00131
在化学式11中，术语R4′是氢或具有1至3个碳数的一价取代基。在该式中，a2为1至4的整数，a2′为1至3的整数，X′为由下面化学式12表示的化合物X1或由下面化学式13表示的化合物X2，b′为1至10的整数，c′和d′均为1。 
Figure S2006800275188D00132
在化学式12中，术语R5是氢或具有1至3个碳数的一价取代基。在该式中，e为1至4的整数，f为0至9的整数。 
Figure S2006800275188D00141
在化学式13中，术语R6是氢或具有1至3个碳数的一价取代基。在该式中，g为1至4的整数，h为0至9的整数。 
由上面化学式10和11表示的树脂被这样构造，使得在官能团之间的距离大于由下面化学式14表示的酚醛树脂的官能团之间的距离。 
在本实施方案中，所述环氧树脂(B)没有特别限制，但优选是其中官能团之间的距离大于酚醛环氧树脂的官能团之间的距离的环氧树脂。其原因在于，这样的环氧树脂能够有效地形成IPN结构，结果是本实施方案的绝缘材料的断裂伸长率能够得到改善。其中官能团之间的距离大于酚醛环氧树脂官能团之间的距离的所述环氧树脂的例子包括：苯酚亚联苯基芳烷基环氧树脂、苯酚二甲苯芳烷基环氧树脂、苯酚二苯基醚芳烷基环氧树脂、双官能的二苯基环氧树脂、含蒽的酚醛 清漆环氧树脂、含芴的酚醛清漆环氧树脂、含双酚芴的酚醛清漆环氧树脂、苯酚亚联苯基三嗪环氧树脂和苯酚二甲苯三嗪环氧树脂。另外的例子为苯氧树脂，其在两端具有环氧基团，为双酚A、双酚F、双酚S或包含双酚骨架的树脂。按苯乙烯计，所述苯氧树脂的重均分子量为约20,000至100,000。任何这些环氧树脂均可单独使用，或在多重混合物中使用，作为所述环氧树脂(B)。 
在本实施方案的绝缘材料所含的环氧树脂(B)中，对除了上述在官能团之间具有长距离的环氧树脂以外的环氧树脂没有特别限制。例子包括：双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、双酚S环氧树脂、萘二酚环氧树脂、酚醛环氧树脂、甲酚酚醛环氧树脂、包含双酚F的酚醛清漆环氧树脂、包含双酚A的酚醛清漆环氧树脂、苯酚三嗪环氧树脂、甲酚三嗪环氧树脂、四苯酚乙烷环氧树脂、三苯酚乙烷环氧树脂、聚苯酚环氧树脂、脂族环氧树脂、芳酯环氧树脂、脂环族酯环氧树脂和醚酯环氧树脂。还可能使用二氨基二苯基甲烷、二亚乙基三胺、二氨基二苯基砜和其它胺化合物的缩水甘油化物。这些环氧树脂可以单独使用或在多重混合物中使用。 
在本实施方案的绝缘材料的环氧树脂固化剂(C)中，对除了上述其中官能团之间的距离大于酚醛树脂官能团之间的距离的树脂(D)以外的组分没有特别限制。这些组分的例子包括：双酚A酚醛树脂、双酚F酚醛树脂、双酚S酚醛树脂、二苯基异构体的二羟基醚、萘二酚树脂、酚醛树脂、甲酚酚醛树脂、苯酚二苯基醚芳烷基树脂、含萘的酚醛清漆树脂、含蒽的酚醛清漆树脂、含芴的酚醛清漆树脂、含双酚芴的酚醛清漆树脂、含双酚F的酚醛树脂、含双酚A的酚醛树脂、苯酚亚联苯基三嗪树脂、苯酚二甲苯三嗪树脂、苯酚三嗪树脂、甲酚酚醛三嗪树脂、四酚基乙烷树脂、三酚基乙烷树脂、聚苯酚树脂、芳酯酚醛树脂、脂环族酯酚醛树脂和醚酯酚醛树脂。 
除了上述树脂外，二氨基二苯基乙烷、二亚乙基三胺、二氨基二 苯基砜和其它胺基化合物也可以被包含作为所述环氧树脂固化剂(C)的组分。也可以使用苯氧树脂，其为双酚A、双酚F、双酚S、或包含双酚骨架的树脂，并在一端或两端具有羟基。按苯乙烯计，所述苯氧树脂具有例如约20,000至100,000的重均分子量。任何这些环氧树脂均可单独或在多重混合物中被用作所述环氧树脂固化剂(C)。 
本实施方案的所述绝缘材料可以包含无机填料。当在本发明中使用无机填料时，所述无机填料占本发明的所述活性弹性体(A)、所述环氧树脂(B)、所述环氧树脂固化剂(C)和所述无机填料的总重量的质量比优选为50质量％或更小。当所述无机填料的质量比超过50质量％时，断裂伸长率可能降低，杨氏模量可能增加，应力减少特性可能不足。 
已知的填料可以被用作所述无机填料，例子包括：熔凝硅石、晶体硅石、氧化铝、锆石、硅酸钙、碳酸钙、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铍、滑石(白云母)、鱼胶(云母)、二氧化钛、氧化锆和其它粉末，或由成型为球形的这些材料组成的珠子；钛酸钙、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铝和其它单晶纤维；氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌和其它金属水合物，使用环氧树脂、酚醛树脂和各种其它有机物质表面处理过的上述金属水合物；以及氢氧化镁和其中金属已成型为固溶体以改善耐酸性的各种其它氢氧化物。这些填料可以单独使用，或者将两种或多种组合使用。 
本实施方案的绝缘材料可以包含固化加速催化剂。通常用于固化环氧树脂和固化剂的催化剂可以被用作所述固化加速催化剂，但这并非设置任何限制。例子包括咪唑、二氮杂双环烯烃、二氮杂双环烯烃衍生物和叔胺。这些固化加速催化剂可以单独使用或将两种或多种组合使用。 
其它添加剂可以按需要用于本实施方案的绝缘材料中，所述添加剂包括硅橡胶、硅酮粉末、丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)、茚和其它柔性 赋予剂。而且，可以适当地添加有机硅烷化合物、有机钛酸盐化合物、有机铝酸盐化合物、以及其它偶合剂。尤其是，作为硅烷偶合剂的有机硅烷，即具有活性官能团的烷氧基硅烷可有效地改善本实施方案的绝缘材料的焊接耐热性和粘合性。烷氧基硅烷的具体例子包括：γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-苯基-γ-氨基丙基三乙氧基硅烷和其它氨基硅烷化合物；γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷和其它环氧硅烷化合物；γ-巯基丙基三甲氧基硅烷和其它巯基硅烷化合物；以及γ-脲基丙基三乙氧基硅烷和其它脲基硅烷化合物。 
而且，在能够与铜表面结合的防锈剂中所用的组分，即三唑化合物、除巯基硅烷化合物以外的巯基化合物和咪唑铜络合物可以作为所述绝缘材料和所述铜箔表面之间的粘性改进剂添加到本实施方案的绝缘材料中。三唑化合物的例子包括1，2，3-苯并三唑和甲苯基三唑。巯基化合物的例子包括2，4，6-三巯基-s-三嗪、2-二正丁基氨基-4，6-二巯基-s-三嗪和2-苯胺基-4，6-二巯基-s-三嗪。咪唑铜络合物的例子为2-甲基咪唑铜(2)络合物。这些组分可以单独使用或将两种或多种组分组合使用。 
阻燃剂可以按需要添加到本实施方案的绝缘材料中。所述阻燃剂的例子包括卤素阻燃剂、氮阻燃剂、磷阻燃剂和无机阻燃剂。卤素阻燃剂的例子包括溴化双酚A树脂和环氧化的溴化双酚A树脂。作为氮基阻燃剂的加成化合物的例子包括三聚氰胺和异氰脲酸化合物。作为氮基阻燃剂的活性化合物的例子包括苯酚三嗪固化剂和环氧树脂。磷阻燃剂的例子包括红磷、磷酸盐化合物和有机磷化合物。无机阻燃剂的例子包括上述金属水合物、钼酸锌、锡酸锌，和其中钼酸锌或锡酸锌覆盖着滑石或硅石表面的化合物。而且，当将卤素阻燃剂与氧化锑组合使用时，能够获得极好的阻燃性。 
本实施方案的绝缘材料可以包含除上述物质以外的已知物质，只要不会减少使用所述绝缘材料的半导体器件的可靠性。可以添加的其它物质的例子包括颜料、抗氧化剂和有机溶剂。 
在本实施方案的半导体器件1中，通过多个焊料块7将半导体芯片9安装到插件板2的最上层，将由在10至30℃的温度范围内具有1GPa或更小的杨氏模量的树脂组成的布线层16设置在所述插件板的最上层，如图2所示。图2未显示除上述元件以外的组成元件。 
接下来，参考图1描述用于制造本实施方案的半导体器件的方法。首先，制备由铜或另一种金属材料组成的两个支撑板(未显示)，并将两个支撑板层压到一起。接下来，将Ni(镍)层、Au(金)层、Ni层和Cu(铜)层按所述顺序镀敷，以在所述层压支撑板的两侧形成多层膜。通过只留下要在其中形成安装垫5的部分，并除去剩余部分，将所述多层膜图案化。将半固化的树脂膜成层以包埋所述图案化的多层膜。所述树脂膜由如下绝缘材料形成，该绝缘材料的断裂伸长率为20％或更高，并且在10至30℃的温度范围内杨氏模量为1GPa或更小。然后将所述膜加热并固化以形成绝缘层。接下来，使用激光等在绝缘层内形成孔以到达所述多层膜。所述孔的内部用金属镀膜覆盖以形成通路4。从而在所述两个支撑板的两个表面上形成其中多层膜和通路5被包埋在所述绝缘层内的第一布线层。 
接下来，在所述第一布线层上形成布线层3从而与通路4连接，将半固化的树脂膜层化并加热固化从而包埋所述布线层3，以形成绝缘层。通路4被成形为与所述绝缘层内的所述布线层3连接，并形成其中在所述绝缘层内的所述布线层3和所述通路4被包埋的第二布线层。接下来，使用所述与第二布线层相同的方法依次形成第三层和其它布线层。在形成所有布线层后，将最后形成的布线层化学镀敷或蚀刻以形成球垫6。从而将多个布线层层化到所述层压支撑板的两个表面上以形成插件板2。 
接下来，将所述两个支撑板相互分开。使用碱性溶液除去所述支撑板。然后使用酸性溶液除去所述多层膜的Ni层。从而形成安装垫5， 其中Au层、Ni层和Cu层按所述顺序形成。其后通过所述插件板2内的粘合剂层15将加强件11结合到形成安装垫5的一侧的表面上，以制造“具有加强件的板”。 
除了用于制造所述“具有加强件的板”的方法外，将焊料块7接合到所述半导体芯片9的I/O垫(未显示)上以制造“具有焊料块的芯片”。接下来，将所述“具有焊料块的芯片”连接到所述“具有加强件的板”上，使得所述“具有焊料块的芯片”的焊料块7被连接到所述“具有加强件的板”的安装垫5上。随后填充未充满的树脂10，加热，并固化，从而包埋所述半导体芯片9和所述插件板2之间及其附近的焊料块7。 
接下来，通过粘合剂13和14将盖12结合到所述加强件11和半导体芯片9的上表面，即与结合有所述插件板2的表面相反的一侧的表面。然后将BGA球8结合到在所述插件板2的下表面上形成的所述球垫6，从而制造半导体器件1。 
当除去所述支撑板时，只除去了中心部分，而外周部分保留为框的形式。所述支撑板的剩余部分可以被用作加强件11。从而可以同时进行所述支撑板的去除和所述加强件11的形成，所述粘合剂层15变得不必要。 
下面描述按上述方式构造的实施方案的运行。通过BGA球8将所述半导体器件1安装到母板(未显示)上，如图1和2所示。所述母板为例如FR-4板或FR-5板，是其中玻璃布已浸入到例如环氧树脂中的玻璃环氧板。 
通过母板将电源电势和信号输入到所述半导体器件1中。在这种情况下，通过由下列顺序组成的电流路径将所述电源电势和信号输入到所述半导体芯片9中：BGA球8，球垫6，通路4和布线层3，安装 垫5，和焊料块7。所述半导体芯片9贮存信号，进行计算，并基于输入的电源电势和信号以其它方式处理信息，并输出结果。通过由下列顺序组成的电流路径将所述输出信号输出到所述母板上：焊料块7，安装垫5，通路4和布线层3，球垫6，和BGA球8；然后通过所述母板输出到外部。 
这时，所述半导体芯片9的运行引起放热。一些热被所述盖12吸收，但所述盖12的热容是有限的。因此，一些热通过所述焊料块7传导到所述插件板2上，剩余的热积聚在所述半导体芯片9内。结果是，所述半导体芯片9、焊料块7和插件板2的温度不可避免地上升。因此，所述半导体芯片9和插件板2热膨胀。由于形成所述半导体芯片9的衬底的硅的热膨胀系数和主要形成所述插件板2的绝缘材料的热膨胀系数彼此不同，所以热膨胀的量彼此不同。结果是，通过所述焊料块7在所述半导体芯片9和插件板2之间施加相互的剪切力。 
在这种情况下，在本实施方案中，由具有1GPa或更小的相对低杨氏模量的绝缘材料形成所述布线层16，它是所述插件板2的最上层。因此，所述布线层16能够随着所述半导体芯片9的热膨胀而变形。结果是，在所述半导体芯片9和插件板2之间施加的力被减少，不会对所述焊料块7施加大的力。按照类似的方式，当所述半导体器件1由于环境温度的变化而受热或冷却时，所述半导体9和插件板2之间施加的热应力通过所述布线层16的变形而减少，不会对所述焊料块7施加过大的力。结果是，所述半导体器件1不会翘曲，所述焊料块7不会变得破裂。 
如上所述，在本实施方案中，所述插件板2的最上层，即所述半导体芯片9侧面的布线层16，由这样的材料形成，该材料在温度为10至30℃时具有1GPa或更小的相对低的杨氏模量。因此，即使由于所述半导体芯片9的运行或环境温度的变化而对所述半导体器件1应用温度循环时，也不会对所述焊料块7施加过大的力，并且能够防止所 述焊料块7变得破裂。通过重复对所述焊料块7应用热应力而引起的疲劳，有可能防止所述焊料块7变得破裂。因此，所述半导体器件1具有与温度循环相关的高连接可靠性。相比，通常由具有尽可能高的杨氏模量的材料即硬质材料形成布线层，以减少由热应力引起的变形。出于这个原因，热应力集中在所述焊料块上，从而使所得焊料块变得破裂。 
由于形成所述布线层1 6的材料的断裂伸长率为20％或更高，因此即使所述布线层16随着所述半导体芯片9的热膨胀而变形，也不会在所述布线层16中产生裂缝和其它缺陷，并且所述半导体器件1的可靠性很高。 
在本实施方案中，形成所述布线层16的绝缘材料的材料结构中包含具有双键和极性基团的交联橡胶。因此，无电镀铜性能是良好的，当使用无电镀敷方法在所述布线层16上形成所述Cu层时，所述Cu层与所述布线层16之间的粘合性更高。通过向所述绝缘材料中添加上述交联的橡胶，使所述绝缘材料的杨氏模量稳定并保持在1GPa或更小。 
上述实施方案中显示了一个实施例，其中只有所述布线层16(其为所述插件板12的最上层)是由在室温下具有1GPa或更小的杨氏模量的树脂形成的，但本发明不限于这种构造，包括所述最上层的两个或多个布线层可以由包含交联橡胶(E)并且具有1GPa或更小的杨氏模量的绝缘层形成，或者所述插件板2的所有所述布线层均可由这种绝缘材料形成。从而整个插件板2可以变形，并且能够进一步增强减少热应力的效果。 
除了所述插件板2的最上层外，所述插件板2的最底部布线层，即面对插件板2中的母板(未显示)的布线层，也优选由上述绝缘材料形成。所述插件板2的最底部布线层因此能够随着所述母板的热膨胀而变形，并且能够减少施加给BGA球8的热应力。结果是，能够防止所 述半导体器件1的翘曲和所述BGA球8的疲劳破裂，并能改善与温度循环相关的连接可靠性。形成上述插件板2的最底部布线层的绝缘材料的断裂伸长率的量优选为50％或更高。 
可以将球垫6和BGA球8设置到所述插件板2的安装有所述半导体芯片9的一侧的表面上，并可以将所述BGA球8连接到所述母板上。可以设置焊膏来代替焊料块7。 
实施例 
下面通过与未落入权利要求范围内的比较例进行比较来详述本发明实施方案的效果。在本实施例中，真实制造了上面实施方案中所述的绝缘材料；使用所述树脂材料制造了层合膜、单侧铜层压薄片、FCBGA半导体器件和其它样品材料；并评价结果。首先描述形成所述实施例和比较例的树脂材料的组分。表1显示这些组分中的每一种，即活性弹性体(A)、环氧树脂(B)和环氧树脂固化剂(C)。其中官能团之间的距离大于酚醛树脂官能团之间的距离的树脂(D)是所述环氧树脂固化剂(C)的一种类型。表2显示了添加到所述树脂材料中的所述添加剂(E)。 
Figure 2006800275188A00800221
在表1所示的活性弹性体(A)中，所述柔性环氧树脂(A3)是由Daicel Chemical Industries制造的Epofriend AT501(注册商品名)，苯乙烯百分比含量为40质量％。柔性环氧树脂(A4)是由Daicel ChemicalIndustries制造的Epofriend AT504(注册商品名)，苯乙烯百分比含量为70质量％。 
Figure 2006800275188A00800231
在表2所示的添加剂(E)中，丁苯橡胶(E1)是具有OH基团、COOH基团或其它极性官能团的交联丁苯橡胶。具体地，所述橡胶可以是由JSR制造的XSK-500(注册商品名)，并且可以使用L711ST/MEK溶液。固体浓度为20质量％，粘度为460mPas。所述包含环氧的聚丁二烯橡胶(E2)为由Daicel Chemical Industries制造的Epolead PB3600(注册商品名)，分子量为5,900，环氧当量为200g/eq。所述末端环氧化的聚丁二烯橡胶(E3)为由Nagase Chemtex制造的Denarex R-45EPT(注册商品名)，环氧当量为1,570g/eq。所述芯-壳丙烯酸橡胶粒子(E4)是由Mitsubishi Rayon制造的Metablen KW-4426(注册商品名)。所述碳酸钙(E5)是由Maruo Calcium制造的Caltex 5(注册商品名)。 
(1)用于制备清漆溶液的方法 
从上述组分中选择许多组分，如表4至6所示，将所选择的组分与固化加速催化剂一起溶解并分散到有机溶液中。表3显示了用于这 种情况的固化加速催化剂和有机溶液。例如，通过将作为固化加速催化剂的表3所示的0.05质量％咪唑催化剂添加到树脂材料中，所述树脂材料包含作为活性弹性体(A)的67.5质量％低级CN聚酰胺弹性体(A1)、作为环氧树脂(B)的16.84质量％苯酚亚联苯基芳烷基环氧树脂(B1)、作为环氧树脂固化剂(C)的5.66质量％对甲酚酚醛树脂(C1)、和作为添加剂(E)的10质量％丁苯橡胶(E1)，其中所述树脂材料的质量((A)+(B)+(C)+(E))为100质量％，从而制得表4所示的2号(实施例)，为混合物。将该混合物溶解并分散到有机溶剂(N，N-二甲基甲酰胺：DMF)中，以制备清漆溶液，其中不挥发性组分(即除所述有机溶剂外的组分)的总量为30质量％。 
在表4至6中，在对应于所述组分的行中所示的数值表示所述组分在所述树脂组分内的质量比。例如，在表4所示的2号(实施例)中，所述活性弹性体A1相对于整个树脂组分的质量比，即(A1×100)/(A+B+C+E)的值为67.50％，其中A1质量％是所述活性弹性体A1的含量。而且，A＝A1+A2+A3+A4，B＝B1，C＝C1+D1，E＝E1+E2+E3+E4+E5。简写“phr”指“每100份树脂”，表示当所述树脂的质量为100时所述固化加速催化剂的质量比(质量％)。 
Figure 2006800275188A00800241
Figure 2006800275188A00800251
Figure 2006800275188A00800261
Figure 2006800275188A00800271
(2)层合膜的构造 
使用涂布机将上述清漆溶液均匀地涂布到已涂有隔离剂的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜上，以获得靶厚度。然后在100℃的温度下将所述膜干燥5分钟，从而以恒定的速率挥发所述溶液。使用具有隔离剂和三层层合膜(即制造了具有“隔离PET层/树脂层/隔离PET层”结构的层合膜)的PET膜覆盖所述树脂表面。所述层合膜内的树脂层(包括所 述剩余的溶液)处于未固化的状态。 
(3)无电镀铜性质的评价 
将上述层合膜层化到双侧铜层叠板的铜箔上，在该双侧铜层叠板中，已经将铜箔层化到所述树脂板的两侧上，然后将所述膜固化。所述固化在1.5MP的压力和120℃的温度下运行30分钟，然后在3MP的压力和180℃的温度下运行120分钟。从而制造了具有层合膜的板。随后将所述层合膜去污。通过使用浸渍法进行所述去污处理，在所述浸渍法中将一系列步骤运行三次，即将所述板在去污溶液中浸泡1分钟，中和，然后洗涤。该方法一般由板制造商进行，尽管处理次数可能稍微变化。 
接下来，对所述板进行无电镀铜以在所述层合膜上形成镀铜层。通过观察外观并利用使用胶带的简单剥离试验评价所述镀铜层的粘合性。其中所述镀铜层的粘合性为优良的情况用“◎”标记，其中所述粘合性足够实践目的的情况用“○”标记，其中所述粘合性为差的情况用“×”标记。表4至6显示评价结果。 
(4)韧性评价 
在160℃的温度下，将所述层合膜在3MPa的压力下放置一小时，在180℃的温度下不应用压力而保持两小时，然后压模以制造具有50μm厚度的固化膜供张力测试。然后将所述固化膜剪切成具有10mm宽度和80mm长度的条，并且进行所述张力试验。所述张力试验的条件设置为：支撑所述固化膜的支撑件之间的距离为60mm，弹性应力速率为5mm/分钟。使用所述张力试验计算断裂伸长率和杨氏模量。 
(5)电路包埋性质的评价 
从所述层合膜(隔离PET层/树脂层/隔离PET层)上剥离在一侧上的隔离PET，暴露所述树脂层。制备常规的三层CCL，即具有由“PEN层/树脂层(由Ajinomoto Fine-Techno制造的ABF-GX(注册商品名))/铜 箔”组成的三层结构的常规三层CCL，在所述铜箔的表面上形成模拟铜布线电路的线条和间隔图案。所述图案中线条和间隔的宽度为100μm。将所述三层CCL铜箔表面叠加到所述层合膜的树脂层上，将镜面晶片安装到所述三层CCL上。 
因此制造了具有下列顺序的下列层的样品：隔离PET层/树脂层(实施例或比较例的树脂层)/铜箔-常规树脂层-PEN层-镜面晶片)。所述样品在180℃的温度下经受1MPa的压力30分钟，使所述层合膜的树脂层和所述图案化的铜箔结合。接下来，使用显微镜观察所述样品，观察所述铜箔内的图案包埋在所述树脂层内的程度，并评价电路包埋性质的质量。其中所述电路包埋性质为优良的情况用“◎”标记。表4至6显示评价结果。 
(6)单侧镀铜预浸材料的制造 
使用涂布机将所述清漆溶液均匀地涂布到所述铜箔的粗糙化表面(也称为无光泽表面)上，从而获得靶厚度。然后在100℃的温度下将所述膜干燥5分钟，从而以恒定的速率挥发所述溶液。使用具有隔离剂的PET膜覆盖所述树脂表面，制造具有三层结构(隔离PET层/树脂部分/铜箔)的单侧镀铜预浸材料。所述预浸材料内的树脂层(还包括所述剩余的溶液)处于未固化的状态。 
(7)FCBGA半导体器件的制造 
在上述单侧镀铜预浸材料的铜箔上形成布线。使用所述建造法层化所述单侧镀铜预浸材料的多个层以制造插件板。将半导体芯片安装到所述插件板上，围绕所述半导体芯片的外围提供框形加强件，使盖(散热器)结合到所述半导体芯片和加强板上。从而制造了图1所示的FCBGA半导体器件。 
(8)连接可靠性的评价 
为各树脂材料制备三十八种FCBGA半导体器件，并对所述半导 体器件进行温度循环试验。所述温度循环试验由室温开始，将温度减至-40℃，并在-40℃保持15分钟。然后将温度升至125℃，并在125℃保持15分钟以完成单个循环。加热和冷却时间恒定在15分钟。当温度循环试验运行1,000个循环时，其中在所述半导体芯片和包括所述FCBGA半导体器件的插件板之间的连接部分(焊料块)产生裂缝的情况被确定为缺陷情况。其中发生缺陷的情况的次数(缺陷产生计数)被用作连接可靠性的指标。换句话说，具有较少缺陷次数的FCBGA半导体器件被确定为连接可靠性更优良。表4至6显示评价结果。通过运行上述温度循环试验获得在表4至6中标为“连接可靠性”行的内容，该内容表示在所述三十八种FCGBA半导体器件中，各样品中产生缺陷的半导体器件数目。 
(9)绝缘可靠性的评价 
使用上述清漆溶液来制造用于评价绝缘可靠性的板。图3示意地表示所述评价板。图4是显示所述评价板的细节的俯视图。图5是所述评价板的部分放大剖视图。图5还显示所述布线45的扁平形状。供评价的板具有被设置为互相嵌套(inter-nested)的两个梳状布线41，如图3所示。具体地，所述两个梳状布线41被设置成一个梳状布线41的齿位于另一个梳状布线41的齿之间，并使梳状布线相互不接触。将所述梳状布线连接到正方形电极42上。 
将作为芯的FR-4板设置到所述评价板43上，如图4所示。所述板44的外部尺寸在纵向为24.4mm，在横向为8.0mm，厚度为0.8mm。在所述板44的纵向上，将两个电极42相互间隔地安装到所述板44的表面上。从上面看，所述电极42的一侧的长度为5.2mm。将两个梳状布线41设置成在所述电极42之间的区域内互相嵌套。将具有10个布线作为齿的布线45设置到每个梳状布线41中。各布线45的长度为8.7mm。在各布线45中形成三十个通路46。具体地，设置在所述评价板43内的通路总数为2×10×30＝600。这些600个通路46按矩阵(20×30)的形式排列。所述通路在两个方向上的阵列间隔为300μm。 
沿着布线45延伸的方向，将由Cu组成的Cu图案47间隔地设置到所述板44的表面上，如图5所示。设置具有50μm厚度的建造树脂层48以覆盖所述Cu图案47。所述建造树脂层48由表1至3所示的任意树脂形成。沿着所述布线45延伸的方向，将由CI组成的Cu图案49间隔地设置到所述建造树脂层48的表面上。从上面看，所述Cu图案47和49具有两个150μm直径的圆形部分和连接所述圆形部分的单个长方形部分。所述长方形部分的厚度为18μm。所述Cu图案49的长方形部分正好位于所述Cu图案47之间的区域上方，所述Cu图案49的圆形部分正好位于所述Cu图案47的圆形部分上方。 
将一个通路46设置在所述建造树脂层48的所述Cu图案47的圆形部分和所述Cu图案49的圆形部分中的各个圆形部分之间，所述通路46将所述Cu图案47和Cu图案49相互连接。所述通路46的形状为圆锥梯形，上部的直径为100μm，下部的直径为75μm。连接至相同的Cu图案47和Cu图案49的两个通路之间的距离为300μm，如上所述。将具有35μm厚度的阻焊剂50设置到所述建造树脂层48上，以覆盖所述Cu图案49。将具有18μm厚度的Cu图案51设置到所述板44反面的整个表面上。为了方便，图4未描绘所述建造树脂层48和阻焊剂50。 
使用以上述方式制造的评价板43进行HAST(高度加速的温度湿度应力试验)。试验条件为130℃的温度，85RH％的湿度，和在电极之间应用5V的电压。测量电极42之间的电阻减至1×109Ω或更小所需的时间，并将其用作绝缘可靠性的指标。测得的该时间越长，则绝缘可靠性越好。将该试验进行最大500小时。表4至6显示试验结果。在表4至6中，“超过500小时”条目表示所述电极之间的电阻没有减至1×109Ω或更小，即使将试验持续500小时也是如此。 
(10)评价结果 
表4至6所示的2号至5号、7号和9号是本发明的实施例。在这些实施例中，具有双键和极性基团的交联丁苯橡胶(E1)被添加作为用于所述绝缘材料的添加剂(E)，因此使用无电镀敷在所述层合膜上形成的镀铜层的粘合性很高。换句话说，无电镀铜性质良好。相比，表4至6所示的1号、6号、8号和10号至13号是比较例。在这些比较例中，在所述绝缘材料中没有添加具有双键和极性基团的交联丁苯橡胶(E1)，因此无电镀铜性质很差。上述实施例和比较例两者的韧性、电路包埋性质、连接可靠性和绝缘可靠性均良好。 
工业应用性 
本发明能够有利地用于FCBGA、WLCP和其中通过焊料块将半导体芯片安装到布线板上的其它半导体器件。 

Claims (8)

1.一种绝缘材料，包括：
与环氧树脂或环氧树脂固化剂反应的活性弹性体；
环氧树脂；
环氧树脂固化剂；和
在其结构中具有双键和极性基团的交联橡胶，所述极性基团是羟基或羧基，所述交联橡胶为交联的丁苯橡胶，其中
在10～30℃的温度范围内的杨氏模量为1GPa或更小，
其中(E×100)/(A+B+C+E)的值为3～25％，其中A质量％为所述活性弹性体的含量，B质量％为所述环氧树脂的含量，C质量％为所述环氧树脂固化剂的含量，E质量％为所述交联橡胶的含量。
2.如权利要求1所述的绝缘材料，其中所述(E×100)/(A+B+C+E)的值为5～20％。
3.如权利要求1所述的绝缘材料，其中所述活性弹性体为在其结构中不含氰酸酯基团的聚酰胺弹性体。
4.如权利要求1所述的绝缘材料，其中所述活性弹性体为在其结构中包含不饱和双键和环氧基团的柔性环氧树脂。
5.如权利要求1所述的绝缘材料，其中(A×100)/(A+B+C+E)的值为50～80％，其中A质量％为所述活性弹性体的含量，B质量％为所述环氧树脂的含量，C质量％为所述环氧树脂固化剂的含量，E质量％为所述交联橡胶的含量。
6.如权利要求1所述的绝缘材料，其中(B×100)/(A+B+C+E)的值为20％或更小，其中A质量％为所述活性弹性体的含量，B质量％为所述环氧树脂的含量，C质量％为所述环氧树脂固化剂的含量，E质量％为所述交联橡胶的含量。
7.一种使用权利要求1的绝缘材料的布线板。
8.一种半导体器件，其设有权利要求7的布线板。
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