CN101880515A - 一种高可靠性、低粘度的底部填充胶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用作为半导体装置和基板之间封装的高可靠性、低粘度的底部填充胶，其由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂-0～12.8％、脂环族环氧树脂-11.4～62.5％、多官能型环氧树脂-0.44～13％、固化剂-11.4～62.5％、固化促进剂-0.86～5.7％、无机填料-11.6～51.1％、硅烷偶联剂-00.4～4.2％、碳黑-0～4.2％。本发明以含有分子量为400以上的双酚型环氧树脂、无机填充材料以及硅烷偶联剂为必须成分，具有良好的流动性和耐热循环性高可靠性。

Description

一种高可靠性、低粘度的底部填充胶

技术领域

本发明涉及一种芯片封装的底部填充胶，尤其涉及一种用于基板上倒装芯片(FCOB)封装内倒装芯片(FCiP)封装的高可靠性、低粘度的底部填充胶。

背景技术

21世纪，由于无线通讯、便携式计算机、宽带互联网络产品及汽车导航电子产品的需求，电子器件集成度越来越高，芯片面积不断扩大，集成电路引脚数不断增多，与此同时要求芯片封装尺寸进一步小型化和微型化，集成电路向着更加轻、薄、小的方向发展。因此，发展趋势出现了许多新的封装技术和封装形式。倒装芯片互联技术是其中最主要的封装技术之一，倒装芯片技术具体内容是将芯片面朝下与基板互联，使凸点成为芯片电极与基板布线层的焊点，进行牢固的焊接，它提供了更高的封装密度，更短的互联距离，更好的电性能和更高的可靠性。液体单组份环氧底部填充胶是一种适用于倒装芯片电路的封装材料，它是将液体环氧树脂填充在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。

现在电子产品设计工艺中随着焊料凸点结合部间隙狭窄化，对底部填充胶的流动性和热循环处理时的接续可靠性要求越来越高，这就要求底部填充胶向低粘度化、无机填充材料的填充即要求低线膨胀化的方向发展。但是因为无机填充材料和其他有机材料例如环氧树脂等的比重很不一样，容易引起沉淀，活化期也会缩短。为了抑制沉淀的产生，需要调整无机填充材料的粒径。为了达到底部填充胶的低粘度化就必须降低无机填料的含量，这样就会使得线膨胀系数提高而减低部分可靠性。如何保证底部填充胶即具有较高的流动性又可以保持较低的线膨胀系数是业界亟待解决的技术问题

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，而提供一种在热循环处理时，能保持良好的可靠性和固化性，同时粘度低、流动性好的底部填充胶。

为实现上述目的，本发明提出的高可靠性、低粘度的底部填充胶，由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂-0～12.8％、脂环族环氧树脂-11.4～62.5％、多官能型环氧树脂-0.44～13％、固化剂-11.4～62.5％、固化促进剂-0.86～5.7％、无机填料-11.6～51.1％、硅烷偶联剂-0.04～4.2％、碳黑-0～4.2％。

本发明的粘度低，抗跌落性好、耐冷热循环冲击性等可靠性高，主要用于板上倒装芯片(FCOB)和封装内倒装芯片(FCiP)的封装，通过采用底部填充可以分散芯片表面承受的应力进而提高了整个产品的可靠性。

本发明通过硅烷偶联剂与环氧树脂的缩水基反应，硅烷醇和无机填料反应，从而在无机填料的周围形成类似环氧树脂和硅烷偶联剂的膜状物。而且还能够减小无机填充材料比重，抑制沉淀，增长活化期。环氧树脂和无机填充剂的润湿性和流动性也增强。硅烷偶联剂的含量以占无机填充剂的0.04-4.2％较佳，0.5-3％重量更佳。这样，就能够增强流动性和接续可靠性性以及活化期。本发明以含有分子量为400以上的双酚型环氧树脂、无机填充材料以及硅烷偶联剂为必须成分，具有良好的流动性和耐热循环性高可靠性。

经过性能测试有：

(1)浸透性

用金属板18*18mm，在25摄氏度下保持间隙70um，用注射器将组成物从金属板一边滴下，3分钟内间隙被组成物填充

浸透性好：表示3分钟内填充完

浸透性不好：表示组成物要3分钟以上才能填充完，或者浸透中止

(2)热处理时的可靠性

使用载有10*10mmBGA(0.5mm间距、121引脚、焊球直径0.35mm)的回路基板，在BGA和基板之间用组成物填充，然后进行1000个热循环处理(-40摄氏度/125摄氏度每10分钟1个循环)

可靠性好：1000个循环结束时，没有发生导通不良

可靠性不好：1000个循环结束时，发生导通不良

(3)活化期(25摄氏度)

用30ml注射器装入30g组成物，保持竖立状态静置24小时后按照(1)步骤评价浸透性，测试间隙填充时间是否达到初始值的1.5倍的实验。

活化期长：未达到初始值的1.5倍

活化期短：超过初始值的1.5倍，或是浸透中止

通过性能测试比较，本发明的底部填充胶和目前市场上的产品对比数值如下：

根据以上数据比较，本发明提供的底部填充胶解决了目前市场上的产品的粘度大、流动性差、活化期短、可靠性低、耐热性差等问题。提供了一种可靠性高、粘度低的底部填充胶。

具体实施方式

本发明所述的高可靠性、低粘度的底部填充胶，由下列重量百分含量的原料配置而成：双酚型环氧树脂-0～12.8％、脂环族环氧树脂-11.4～62.5％、多官能型环氧树脂-0.44～13％、固化剂-11.4～62.5％、固化促进剂-0.86～5.7％、无机填料-11.6～51.1％、硅烷偶联剂-0.04～4.2％、碳黑-0～4.2％。

其中，所述的双酚型环氧树脂可选用双酚A型、双酚AD型、双酚F型、酚醛树脂、有机羧酸类缩水甘油醚等。这些可以单独使用，也可以两种以上混合使用，如壳牌公司的828环氧树脂，陶氏公司的331环氧树脂；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。

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，可以提高填充胶的可靠性和耐温性。

多官能型环氧树脂是含有二环戊二烯骨骼的二环戊二烯型环氧树脂、苯酚酚醛型环氧树脂、甲酚酚醛型环氧树脂、三苯基甲烷型环氧树脂、三缩水甘油基异氰酸酯、朕苯型环氧树脂、含萘基环环氧树脂等。这些材料可以单独使用，也可以采用两种或两种或两种以上混合使用。多官能型环氧树脂的含有量占总量的0.44-13％。如果含有量过少，就难以增强耐热性减弱了底部填充胶的可靠性，而如果含有量过大，组成物的粘度又会增高，从而损坏了底部填充胶的流动性。

聚氨酯改性的环氧树脂是通过双酚型环氧树脂2分子以上的羟基和末端含有异氰酸酯的聚氨酯聚合物反应，使双酚型环氧树脂2分子以上含有聚氨酯聚合物构造而成的。上述双酚型环氧树脂，具体的有双酚A型，双酚F型，双酚AD型等。上述的聚氨酯聚合物具体的有：2价以上的聚醚多元醇、聚酯多元醇、蓖麻油衍生物等羟基化合物和异氰酸酯化合物的反应物。

固化剂有重附加型、催化型、缩合型等3种。其中重附加型固化剂有，二乙烯三胺(DETA)、三乙烯四胺(TETA)、间苯二甲二胺(MXDA)等脂肪族聚胺、二氨二苯甲烷(DDM)、m-苯二胺(MPDA)、二氨二苯磺酸(DDS)等芳香族聚胺，还有二胺二酰胺(DICY)、含有机酸双肼酞嗪的聚胺化合物、六氢苯酐(HHPA)、甲基四氢邻苯二甲酸(MTHPA)等脂环族酸酐、偏苯三酸酐(TMA)、均苯四甲酸酐(PMDA)、二苯甲酮四羧酸(BTDA)等芳香族酸酐、酚醛树脂、苯酚聚合物等多酚化合物、封闭型异氰酸酯等异氰酸酯化合物、含羧酸的聚酯树脂等有机酸类。作为催化性固化剂的有，苄基二甲基胺(BDMA)、2，4，6-三二甲基氨甲基苯(DMP-30)等3级胺化合物、2-甲基咪唑、2-以及-4-甲基咪唑(EMI24)等咪唑化合物、BF3络化物等路易斯酸。缩合型固化剂有，酚醛型酚醛树脂、含羟甲基的尿素树脂、含羟甲基的三聚氰胺树脂等。这些固化剂可以单独使用也可以两种或两种以上混合使用。其中六氢苯酐或是甲基四氢邻苯二甲酸(MTHPA)以及咪唑化合物组合使用效果最佳。100重量的环氧树脂，50-150重量的固化剂含量比较合适，更佳的是70-130重量。

固化促进剂为含咪唑结构的咪唑系或是胺系(胺类化合物)的一种。比如，1-3级胺类或是1-3级胺类盐、三唑类或是三唑类盐、咪唑类以及咪唑类盐、二氮杂二环十一碳烯(DUB)或是二氮杂二环十一碳烯盐、三苯基砜(北宇化学TTP)等。除了含有上述单一的化学结构外，配置了含有咪唑结构的化合物变化而来的核周围热固化性树脂膜的微细球(微胶囊)或是胺加合物粒子等固化促进剂。

无机填料为二氧化硅，石英，氧化铝，氮化铝等。无机填充材料由于惰性使线膨胀较小，促使底部填充胶的线膨胀系数也变小。因而能够使底部填充胶的线膨胀系数和组件以及PCB相近，能够控制焊料凸点结合部的应力集中，提高可靠性。无机填料中使用的二氧化硅为球状硅微粉更加合适。这样能够降低滚动阻力和粒子之间的摩擦，增强底部填充胶的流动性。

无机填料的含量最好在25-45％之间，就能够保持良好的流动性性和接续可靠性。球形硅微粉的平均粒径为0.1-10um，其比例占到无机填料总量的95％以上较佳。

硅烷偶联剂为氨基硅烷类、巯基硅烷类、异氰酸酯硅烷类等。其中最合适的是氨基硅烷类。作为氨基硅烷的有，3-氨丙三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、M-2-氨乙基3-氨丙基三甲氧基硅烷、M-2-氨乙基3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-b氨乙基r-氨丙基三乙氧基硅烷等。

颜料可选用无机颜料炭黑。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。根据本发明的配方，配置下列不同比例的制备底部填充胶的物料。

实施例1

本实施例由下列重量百分含量的原料配置而成：

双酚F型环氧树脂：            12.8％

脂环族环氧树脂：             11.4％

二环戊二烯型环氧树脂：              13％

甲基四氢邻苯二甲酸酸酐：            40％

PN-23胺系固化促进剂：               0.86％

球形硅微粉：                        21.9％

3-氨丙基三乙氧基硅烷：              0.04％

碳黑：                              0％

实施例2

本实施例由下列重量百分含量的原料配置而成：

双酚F型环氧树脂：                   0％

脂环族环氧树脂：                    62.5％

二环戊二烯型环氧树脂：              0.44％

甲基六氢邻苯二甲酸酸酐：            11.4％

HX-3788胺系固化促进剂：             0.86％

球形硅微粉：                        16.4％

3-氨丙基三乙氧基硅烷：              4.2％

碳黑：                              4.2％

实施例3

本实施例由下列重量百分含量的原料配置而成：

828环氧树脂：                       2.5％

脂环族环氧树脂：                    30％

二环戊二烯型环氧树脂：              1％

甲基六氢邻苯二甲酸酸酐：            13％

PN-23胺系固化促进剂：               1％

球形硅微粉：                        51.1％

3-氨丙基三乙氧基硅烷：              0.9％

碳黑：                              0.5％

实施例4

本实施例由下列重量百分含量的原料配置而成：

862环氧树脂：                       1％

脂环族环氧树脂：                    18％

苯酚酚醛型环氧树脂：                1％

甲基六氢邻苯二甲酸酸酐：            62.5％

PN-23胺系固化促进剂：               3％

球形硅微粉：                        11.6％

3-氨丙基三乙氧基硅烷：              2.4％

碳黑：                              0.5％

实施例5

本实施例由下列重量百分含量的原料配置而成：

862环氧树脂：               10％

脂环族环氧树脂：            20％

苯酚酚醛型环氧树脂：        1％

甲基六氢邻苯二甲酸酸酐：    29.3％

PN-23胺系固化促进剂：       5.7％

球形硅微粉：                30％

3-氨丙基三乙氧基硅烷：      2％

碳黑：                      2％

实施例6

本实施例由下列重量百分含量的原料配置而成：

862环氧树脂：               6％

脂环族环氧树脂：            36.64％

苯酚酚醛型环氧树脂：        6.1％

甲基六氢邻苯二甲酸酸酐：    30％

PN-23胺系固化促进剂：       0.86％

球形硅微粉：                19.7％

3-氨丙基三乙氧基硅烷：      0.4％

碳黑：                      0.3％

按上述实施例的重量百分比配方来配制底部填充胶，工艺步骤如下：

a、树脂混合预处理：将液态环氧树脂、多官能型环氧树脂、脂环族环氧树脂在50摄氏度下，抽真空混合搅拌1小时。

b、混合：将混合好的树脂物料与球形硅微粉混合均匀，然后加入固化剂、固化促进剂、硅烷偶联剂、颜料混合，满真空状态下混合搅拌2小时。所得的底部填充胶有以下性能：

固化时间：          130℃    5分钟

玻璃化转变温度：    65℃

粘接强度：          16MPa

粘度：              2000cps

耐冷热冲击性：      -40℃-130℃可承受1000个循环。

活化期(25℃)        30天

本发明通过配合硅烷偶联剂使其与环氧树脂的缩水基反应，硅烷醇和无机填料反应，从而在无机填料的周围形成类似环氧树脂和硅烷偶联剂的膜状物。而且还能够减小元机填充材料比重，抑制沉淀，增长活化期。环氧树脂和无机填充剂的润湿性和流动性也增强。硅烷偶联剂的含量以占无机填充剂的0.04-4.2％较佳，0.5-3％重量更佳。这样，就能够增强流动性和接续可靠性性以及活化期。本发明用作为底部填充(underfill)材料来密封半导体装置和基板的，具有良好的可靠性和流动性，同时能够增强稳定性。

Claims (9)

1.一种高可靠性、低粘度的底部填充胶，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-0～12.8％、脂环族环氧树脂-11.4～62.5％、多官能型环氧树脂-0.44～13％、固化剂-11.4～62.5％、固化促进剂-0.86～5.7％、无机填料-11.6～51.1％、硅烷偶联剂-0.04～4.2％、碳黑-0～4.2％。

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是双酚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0.45-0.8，其分子量范围为1000到5000。

3.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。

4.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的多官能型环氧树脂是含有二环戊二烯骨骼的二环戊二烯型环氧树脂、苯酚酚醛型环氧树脂、甲酚酚醛型环氧树脂、三苯基甲烷型环氧树脂、三缩水甘油基异氰酸酯、朕苯型环氧树脂、含萘基环环氧树脂中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的固化剂为六氢苯酐、甲基四氢邻苯二甲酸脂环族酸酐、偏苯三酸酐、均苯四甲酸酐、二苯甲酮四羧酸中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的固化促进剂为有含咪唑结构的咪唑系或胺类化合物。

7.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的无机填料为二氧化硅、石英、氧化铝、氮化铝的任一种。

8.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的二氧化硅为球状硅微粉。

9.根据权利要求1所述的底部填充胶，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为氨基硅烷类、巯基硅烷类、异氰酸酯硅烷类的任一种。