CN101864147A - 一种低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于倒装芯片封装的低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶，其由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂0～28.6％、有机硅改性环氧树脂0～28.6％、增韧剂0.57～15.4％、脂环族环氧树脂16.3～84.2％、潜伏性固化剂0.57～15.4％、促进剂0.55～5.56％、表面活性剂0.55～5.56％、偶联剂0.57～27％、无机填料7.4～66.7％、颜料0～7.9％。由于采用了上述组分配比，本发明克服了现有底部填充胶的缺陷并具有：①储存期稳定；②粘度低，流动性好，粘度为1000-2000厘泊；③线膨胀系数低，20-40ppm/℃；④固化速度快，130度5分钟固化⑤剪切强度为15MPa等优点。

Description

一种低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶

技术领域

本发明涉及芯片封装的底部填充胶，尤其涉及一种主要用于半导体设备的高集成化、倒装芯片半导体装置的微小间隙，能在短时间内封装，对于封装可靠性和高流动性的需要增强的低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶。

背景技术

随着IC芯片的高集积化和高密度化，以及IC组件的小型化发展，倒装芯片安装方式的应用越来越广泛。这种安装方式，不是通过焊线来连接的，而是通过又小又薄的焊料凸点连接IC芯片和印刷配线基板的。但是由于芯片、印刷配线基板、焊料的热膨胀系数不同，在冷热冲击试验的时候容易发生热应力。特别是在离芯片中央较远的焊料凸点的局部热应力容易集中，这时锡球容易发生裂纹，且回路的性能信赖性大大降低。因此，为了缓和热应力，通过液态热固性树脂组成物而形成了底部填充胶，它能够起到保护芯片回路面和锡球的作用。

具体的方法是，在芯片和印刷配线基本之间的间隙(间距：30-150um)中注入热固化性树脂组成物，固化密封之后形成底部填充胶。底部填充胶在常温下未固化前是种单组份液态的封装材料，成分主要是环氧树脂并通常会添加二氧化硅来增加其强度。底部填充胶的主要功能之一是将整个晶粒与基板粘附在一起，或至少沿着整个晶粒边缘，以降低实际上施加于接点的热应力，将整个晶粒与基板粘附在一起，其整体复合系统的线膨胀系数将介于晶粒与基板的线膨胀系数之间，因此可靠性得以提升。底部填充胶是否有效，与晶粒及基板的线膨胀系数差距有关，这种底部填充胶就是前面所述的能够吸收和缓和锡球的热应力，它物理化学特性是：

(1)底部填充胶的热膨胀系数降低后，随之调合锡球的热膨胀系数。

(2)底部填充胶或是底部填充配线基板表面的密封性良好时又必要的。

形成底部填充胶的热固性树脂组成物满足了这些条件的，对于外部的温度变化，间隙中的底部填充胶就能够和焊料一样膨胀收缩，并且强固各个界面的结合，分散组件的热应力，从而保持连接信赖性。

随着今年倒装芯片安装方式的快速普及，对信赖性更高的底部填充胶的需求更大。也就是说，随着底部填充胶的热膨胀系数的进一步降低，对于底部填充胶-芯片或是底部填充胶配线基板界面的粘结性就要求更高。

为了降低线膨胀系数，就要加大增韧剂和无机填料的填充量。但是提高底部填充胶的增韧剂和无机填料的填充量，会使得体系的粘度上升，并损害其流动性能，不能满足倒装芯片安装所需密封材料低粘度、高流动性的要求。而且，提高增韧剂的填充量，底部填充胶的耐冲击性能也会降低，从而较难维持底部填充胶和芯片以及运输时和基板等的粘结性。因此，必须找到一种既不增加填充材料的填充量又能降低底部填充材料热膨胀系数的方法。

发明内容

本发明为了解决的现有填充胶低粘度与低线膨胀系数综合性能不够理想的技术问题，提供一种低粘度、低线膨胀系数、高粘结能力、高可靠性的倒装芯片安装用的底部填充胶。

为解决上述技术问题，本发明提出的低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶，由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂-0～28.6％、有机硅改性环氧树脂-0～28.6％、增韧剂-0.57～15.4％、脂环族环氧树脂-16.3～84.2％、潜伏性固化剂-0.57～15.4％、促进剂-0.55～5.56％、表面活性剂-0.55～5.56％、偶联剂-0.57～27％、无机填料-7.4～66.7％、颜料-0～7.9％。

所述底部填充胶中的有机硅改性环氧树脂的制备方法的步骤如下：

以100克硅胶系环氧树脂和27克的双酚F型环氧树脂作为溶剂，再添加1克的1，8-二氮杂二环5.4.0十一碳-7-烯，在氮气流下以180摄氏度条件下，反应3个小时合成制得。

本发明提供的底部填充胶主要用作为倒装芯片(Flip chip)电路的封装材料，它是将液体树脂填充在IC芯片与有机基板之间的狭缝中，并且将连接焊点密封保护起来。降低硅芯片和有机基板之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配；保护器件免受湿气、离子污染物、辐射和诸如机械拉伸、剪切、扭曲、振动等有害的操作环境的影响；增强Flip chip封装的可靠性。

由于采用了上述组分配比，本发明具有以下优点：①储存期稳定，在40℃时贮存1个月后，粘度变化率为20％，室温下的贮存期为3个月，在2-10℃下的贮存期为6个月；②粘度低，流动性好，粘度为1000-2000厘泊；③线膨胀系数低，20-40ppm/℃；④固化速度快，130度5分钟固化⑤剪切强度为15MPa。

具体实施方式

本发明提出低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶，可以由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂-0～28.6％、有机硅改性环氧树脂-0～28.6％、增韧剂-0.57～15.4％、脂环族环氧树脂-16.3～84.2％、

潜伏性固化剂-0.57～15.4％、促进剂-0.55～5.56％、表面活性剂-0.55～5.56％、偶联剂-0.57～27％、无机填料-7.4～66.7％、颜料-0～7.9％。

其中，双酚型环氧树脂可选用双酚A型环氧树脂，如壳牌公司的828环氧树脂，陶氏公司的331环氧树脂；也可以选用双酚F型环氧树脂，如壳牌公司的862环氧树脂，环氧值为0.45-0。8，其分子量为1000到5000。为了达到低粘度的要求，选择的粘度范圈为3000-8000厘泊，以满足在狭小的IC和基板的间隙中能够保持良好的流动性。

有机硅改性环氧树脂可以由以100g硅胶系环氧树脂(SL9906、东芝硅胶社制)和27g双酚F型环氧树脂(羟基当量100)作为溶剂，再添加1g1，8-二氮杂二环(5.4.0)十一碳-7-烯，在氮气流下以摄氏温度180度条件，反应3个小时而合成制得。

增韧剂可以选用丁二烯·丙烯腈橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯·丁二烯橡胶等弹性体材料。即可以从中任选一种材料，也可以选用两种或两种以上的材料混合使用。增韧剂的配合量在0.57-15.4％之间较为合适。如果用量较低，线膨胀系数则会增大，用量较高，机械强度则会降低。

脂环族环氧树脂为4221脂环族环氧树脂，其粘度范围为300-1000厘泊，环氧当量为130g/eq。

潜伏性固化剂可选用潜伏性固化剂，也可以选择芳香族胺系固化剂或是酸酐系固化剂等。芳香族胺系固化剂具体是指，二乙基甲苯二胺、二甲基硫甲苯二胺、二甲基甲苯二胺等。芳香族胺系固化剂或是酸酐系固化剂低粘度下活化期长，固化物的机械特性、电气特性、耐热特性、耐药品特性优良。

促进剂可选用含咪唑结构的化合物，胺类化合物，重氮双环烯烃类等。这些固化促进剂可以一种单独使用，也可以选用两种或两种以上混合使用。配合量可适时调整，但最好是总量的0.55-5.56％重量。

表面活性剂可选用3-氨丙基乙基二甲氧基硅烷、2-3，4-环氧环乙基乙基三乙氧基硅烷、对苯乙烯三甲氧基硅烷、3-异氰酸酯丙酯三乙氧基硅烷等。表面处理剂是用来进行无机填料表面处理的，比如通过在无机氧化物的表面喷雾等，然后进行涂布和加热处理。这时对无机氧化物表面处理的程度进行适当调整。

偶联剂可以选用选择3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油丙基甲基二甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、N-b-N-乙烯基苄基氨乙基-r-氨丙基甲氧基硅烷·盐酸盐、氨基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧酰硅烷、r-巯基丙基三甲氧基硅烷、r-氯丙基三甲氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、十八烷基二甲基3-三甲氧基丙基氯化铵、甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷等。用硅烷偶联剂进行表面处理的时候，是为了提高无机填料和环氧树脂的亲和性，提高无机填料的分散性和耐湿耐热性，以及树脂的流动性。

无无机填料包括滑石粉、烧结粘土、未烧结粘土、云母、玻璃硅酸盐、氧化钛、氧化铝、球状硅微粉、熔融硅微粉、结晶硅微粉、碳酸钙、碳酸镁、水滑石等碳酸盐、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙等氢氧化物、硫酸钡、硫酸钙、亚硫酸钙等硫酸盐或是亚硫酸盐、硼酸锌、偏硼酸钡、硼酸铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅等氮化物。这些材料可单独使用也可多种混合使用。其中低粘度化低线膨胀系数的球状石英能有效降低体系的粘度及线膨胀系数。

底部填充胶的流动性非常依赖于填料的粒径分布。一般分布越大，粒径越大的填料，组成物的粘度较低流动性也好。但是为了低粘度化而使用大粒径的填料，固化时粒径大的填料就会沉淀，间隙中的线膨胀系数变得不均匀，影响到连接信赖性。且对于基材和芯片间的间隙需要底部填充胶具有非常好的流动性，所以填料的粒径要比间隙小才适合，最大粒径在间隙的50％以下较佳。相反，粒径过小的话，比表面积会增大，线膨胀系数就越小，但会造成高粘度从而影响流动性。所以无机填料平均粒径在0.5-1.5um，且最大粒径在50um以下的填料时最佳选择。从接续信赖性和流动性来看，平均粒径2-10um，最大粒径在25um以下的粒度分布，是填料的最佳选择。

无机填料的含量占到7.4-66.67％较好，若含量较少，线膨胀系数会变大，冷热试验时容易发生裂缝；含量较高，粘度会增高，会降低流动性。无机填料含量的选择使得底部填充胶的线膨胀系数保持在20-40ppm/℃。

颜料可选用无机颜料炭黑。

下面结合具体实施倒对本发明做进一步说明。根据本发明的配方，按重量百分含量配置下列不同比例的制备织本发明底部填充胶的原料：

实施例1

双酚型F环氧树脂：0％、有机硅改性环氧树脂：0％、低粘度丁二烯橡胶：0.57％、脂环族环氧树脂：84.2％、二乙基甲苯二胺：0.57％、PN-23胺类化合物促进剂：0.55％、3-氨丙基乙基二甲氧基硅烷：0.55％、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷：0.57％、粒径为5um的球形硅微粉：12.9％、炭黑：0.09％。

实施例2

双酚型F环氧树脂：28.6％、有机硅改性环氧树脂：28.6％、低粘度丁二烯橡胶：2％、脂环族环氧树脂：16.3％、酸酐固化剂：2％、PN-23胺类化合物促进剂：1.5％、3-氨丙基乙基二甲氧基硅烷：1.25％、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷：1.25％、粒径为5um的球形硅微粉：18％、炭黑：0.5％。

实施例3

双酚型F环氧树脂：10.3％、有机硅改性环氧树脂：10.3％、低粘度丁二烯橡胶：15.4％、脂环族环氧树脂：20％、酸酐固化剂：15.4％、HX3722胺类化合物促进剂：5.56％、3-氨丙基乙基二甲氧基硅烷：5.56％、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷：0.68％、粒径为5um的球形硅微粉：16％、炭黑：0.8％。

实施例4

双酚型F环氧树脂：2％、有机硅改性环氧树脂：6.3％、低粘度丁二烯橡胶：8％、脂环族环氧树脂：40.5％、酸酐固化剂：8％、PN-23胺类化合物促进剂：0.8％、对苯乙烯三甲氧基硅烷：0.7％、3-缩水甘油丙基甲基二甲氧基硅烷：27％、粒径为2um的球形硅微粉：7.4％、炭黑：0％。

实施例5

双酚型F环氧树脂：0％、有机硅改性环氧树脂：0％、低粘度丁二烯橡胶：0.9％、脂环族环氧树脂：30％、酸酐固化剂：0.6％、PN-23胺类化合物促进剂：0.6％、对苯乙烯三甲氧基硅烷：0.6％、3-缩水甘油丙基甲基二甲氧基硅烷：0.6％、粒径为2um的球形硅微粉：66.7％、炭黑：0％。

实施例6

双酚型F环氧树脂：6％、有机硅改性环氧树脂：2.5％、低粘度丁二烯橡胶：8.5％、脂环族环氧树脂：18％、酸酐固化剂：3％、PN-23胺类化合物促进剂：3％、对苯乙烯三甲氧基硅烷：3％、3-缩水甘油丙基甲基二甲氧基硅烷：13.1％、粒径为2um的球形硅微粉：35％、炭黑：7.9％。

按上述实施例的重量百分比配方来配制底部填充胶，先进行加热处理，并同时搅拌、溶解、混合、分散，从而得到本底部填充胶，再用高速分散机将混合料分散均匀后，经40目以上的筛分过滤后进行真空脱泡处理，最后由灌装机灌装。

对本发明的底部填充胶进行性能测试：用DSC测试130摄氏度的固化速度，剪切强度按GB/T7124-1986标准进行测试，TMA测试线膨胀系数和玻璃化转变温度，BROOKFIELD粘度计测试粘度。测试本发明的性能结果如下

固化时间：          130℃    5分钟

玻璃化转变温度：    60℃

粘接强度：          15MPa

粘度：              1500cps

线膨胀系数：        20-40ppm/℃

耐冷热冲击性：      -40℃-130℃可承受1000个循环

返修性：            易返修

由于采用了上述组分配比，本发明具有以下优点：①储存期稳定，在40℃时贮存1个月后，粘度变化率为20％，室温下的贮存期为3个月，在2-10℃下的贮存期为6个月；②粘度低，流动性好，粘度为1000-2000厘泊；③线膨胀系数低，20-40ppm/℃；④固化速度快，130度5分钟固化⑤剪切强度为15MPa。

Claims (10)

1.一种低粘度、低线膨胀系数的底部填充胶，其特征在于，由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂-0～28.6％、有机硅改性环氧树脂-0～28.6％、增韧剂-0.57～15.4％、脂环族环氧树脂-16.3～84.2％、

潜伏性固化剂-0.57～15.4％、促进剂-0.55～5.56％、表面活性剂-0.55～5.56％、偶联剂-0.57～27％、无机填料-7.4～66.7％、颜料-0～7.9％。

2.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的双酚型环氧树脂为双酚A型、双酚AD型、双酚F型、酚醛树脂、有机羧酸类缩水甘油醚中的至少一种，环氧值为0.45一0.8，其分子量范围为1000到5000，粘度范围为3000-8000厘泊。

3.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述增韧剂是丁二烯·丙烯腈橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯·丁二烯橡胶的任一种弹性体。

4.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的脂环族环氧树脂为4221脂环族环氧树脂，其粘度范围为300-1000厘泊。

5.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的潜伏性固化剂为芳香族胺系固化剂或酸酐系固化剂。

6.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的促进剂是含咪唑结构的化合物，胺类化合物，重氮双环烯烃类中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的表面活性剂是3-氨丙基乙基二甲氧基硅烷、对苯乙烯三甲氧基硅烷、3-异氰酸酯丙酯三乙氧基硅烷的任一种。

8.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述偶联剂为3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油丙基甲基二甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、N-b-N-乙烯基苄基氨乙基-r-氨丙基甲氧基硅烷·盐酸盐、氨基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧酰硅烷、r-巯基丙基三甲氧基硅烷、r-氯丙基三甲氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、乙烯基三b-甲氧基乙氧基硅烷、十八烷基二甲基3-三甲氧基丙基氯化铵、甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷的任一种。

9.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的无机填料包括滑石粉、烧结粘土、未烧结粘土、云母、玻璃硅酸盐、氧化钛、氧化铝、球状硅微粉、熔融硅微粉、结晶硅微粉、碳酸钙、碳酸镁、水滑石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙等氢氧化物、硫酸钡、硫酸钙、亚硫酸钙、亚硫酸盐、硼酸锌、偏硼酸钡、硼酸铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅中的至少一种。

10.一种如权利要求1所述底部填充胶中的有机硅改性环氧树脂的制备方法，步骤如下：

以100克硅胶系环氧树脂和27克的双酚F型环氧树脂作为溶剂，再添加1克的1，8-二氮杂二环5.4.0十一碳-7-烯，在氮气流下以180摄氏度条件下，反应3个小时合成制得。