CN102030968A - 用于半导体器件封装的环氧树脂组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体封装用树脂组合物,特别涉及提高粘接性和耐湿性的环氧树脂组合物及其制备方法。本发明通过在组合物中添加1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7的水溶液,调节合适的酸碱度,增强了硅烷偶联剂与结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末表面的反应性,使结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末表面快速形成均匀的硅烷偶联剂的单分子覆盖层。本发明的组合物包括环氧树脂、酚醛树脂固化剂、固化促进剂、无机填料、硅烷偶联剂、DBU水溶液、脱模剂和着色剂。本发明的环氧树脂组合物有效地提高了环氧树脂组合物的粘接性和耐湿性。通过采用本发明的环氧树脂组合物封装的集成电路的可靠性考核数据可以得出结论。

Description

用于半导体器件封装的环氧树脂组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体封装用树脂组合物,特别涉及到一种提高粘接性和耐湿性的环氧树脂组合物及其制备方法。
背景技术
为了提高半导体封装用环氧树脂组合物的耐湿性,通常是采用硅烷偶联剂对环氧树脂组合物中的填料部分进行预处理。关于硅烷偶联剂对填料的预处理方法,公知的方法包括干式法和湿式法;其中,干式法是将硅烷偶联剂喷洒在二氧化硅粉末表面上,所述方法的缺点是硅烷偶联剂喷洒在二氧化硅粉末(以下,简称硅微粉)表面分布不均匀;湿式法是将二氧化硅粉末通过高速搅拌分散在水或溶剂中,然后加入硅烷偶联剂,所述方法虽然使硅烷偶联剂与二氧化硅粉末充分接触,但由于反应性差,处理效果不好,使制得的环氧树脂组合物在经过高温固化后的材料的强度下降,特别是抗弯强度仅为1000kg/cm2左右。
为了克服上述缺点,1988年日本住友电木株式会社申请的专利(JP1242658)中报道了先将二氧化硅(石英)粉碎,再添加硅烷偶联剂,但其效果仍使硅烷偶联剂与二氧化硅粉末接触不均匀,并且由于硅烷偶联剂水解反应不充分,所以硅烷偶联剂对二氧化硅粉末表面处理的效果不好。
1986年日本富士通株式会社申请专利(JP62-212420),提出将含氨基硅烷偶联剂包覆在无机填料上,为了使氨基硅烷偶联剂包覆充分,需增加氨基硅烷偶联剂的用量;但是,当氨基硅烷偶联剂的用量较多时,使制得的树脂组合物成型时流动性差。
1989年东芝株式会社(JP2-218735)、1988年松下电工株式会社(JP2124923)、1988年松下电工株式会社(JP2-86648)、1989年日东电工株式会社(JP3-68158)分别报道了用各种含有氨基、环氧基的硅烷偶联剂的处理二氧化硅粉末来提高粘接性和耐湿性。1990年日东电工株式会社(JP4-388560)为了提高封装树脂的耐湿性,公布了无机填料是由颗粒直径(粒径)为20-70微米的二氧化硅(X)和经氨基硅烷偶联剂覆盖处理的平均粒径为0.1-10微米的二氧化硅粉末(Y)混合而成。但无机填料平均粒径为20-40微米时,所制备的环氧树脂组合物在经过高温固化后的材料的抗弯强度仅为1000kg/cm2
上述已有技术中的无机填料用硅烷偶联剂处理后,硅烷偶联剂在二氧化硅粉末表面包覆仍存在不均匀性。
发明内容
本发明的目的是为了提高环氧树脂组合物的耐湿性和粘接性能,克服已有技术中硅烷偶联剂处理二氧化硅的不均匀性,提出一种用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其中通过添加1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7(以下简称DBU)的水溶液,调节反应体系的酸碱度,以增强硅烷偶联剂与二氧化硅粉末表面的反应性,使二氧化硅粉末表面快速形成均匀的硅烷偶联剂的单分子覆盖层。
本发明的另一目的是提供一种用于半导体器件封装的环氧树脂组合物的制备方法。
本发明的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,以环氧树脂的重量份为基准,在该环氧树脂组合物中包括以下组分及含量:
组分名称                 重量份
1、环氧树脂              100
2、酚醛树脂固化剂        5~100
3、固化促进剂            0.1~10
4、无机填料              300~800
5、硅烷偶联剂            2~6
6、DBU水溶液             0.5~5
7、脱模剂                0.1~5
8、着色剂                0.1~5
所述的DBU水溶液的浓度优选为0.5~5%(重量百分数)。
所述的环氧树脂可以选自邻甲酚醛环氧树脂、联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、杂环型环氧树脂和多官能团环氧树脂等所组成的组中的至少一种。
所述的酚醛树脂固化剂的使用量,相对于100重量份环氧树脂使用量,优选为45~100重量份。
所述的酚醛树脂固化剂可以选自苯酚线型酚醛树脂、苯甲酚线型酚醛树脂、单羟基或二羟基萘酚醛树脂、对二甲苯与苯酚或萘酚缩聚的酚醛树脂、双环戊二烯型酚醛树脂、氨基酚醛树脂、三聚氰胺酚醛树脂、苯撑型酚醛树脂和联苯型酚醛树脂等所组成的组中的至少一种。
所述固化促进剂的使用量,相对于100重量份环氧树脂使用量,优选为0.5~5重量份。
所述的固化促进剂是咪唑化合物、叔胺化合物、有机膦化合物等所组成的组中的至少一种。
所述的咪唑化合物选自2-甲基咪唑、2,4-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、2-(十七烷基)咪唑等所组成的组中的至少一种;所述的叔胺化合物选自三乙胺卞基二甲胺、α-甲基卞基二甲胺、2-(二甲胺基甲基)苯酚、2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚、1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一碳烯-7等所组成的组中的至少一种;所述的有机膦化合物选自三苯基膦、三甲基膦、三乙基膦、三丁基膦、三(对甲基苯基)膦、三(壬基苯基)膦等所组成的组中的至少一种。
所述的无机填料是结晶型二氧化硅粉末、熔融型二氧化硅粉末或它们的混合物等。
所述的结晶型二氧化硅粉末和熔融型二氧化硅粉末的中位径(D50)都为10~40微米,优选中位径都为18~25微米。
此外,从环氧树脂组合物的流动性与高填充量角度出发,所述的无机填料都优选为球形粉末。
所述的硅烷偶联剂选自:γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、2-(3,4环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、苯胺基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷等所组成的组中的至少一种。所述硅烷偶联剂的结构式如下:
分子式            名称
Figure BSA00000227002100041
γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷
Figure BSA00000227002100042
2-(3,4环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷
Figure BSA00000227002100043
苯胺基丙基三甲氧基硅烷
4   HSCH2CH2CH2Si(OCH3)3    γ-巯基丙基三甲氧基硅烷
所述硅烷偶联剂是在分子中含有两种可反应官能团R和R’的低分子化合物,其通式如下:R’-Si-(OR)3,其中R’为:
Figure BSA00000227002100044
Figure BSA00000227002100045
R为CH3-,C2H5-。
R’-Si-(OR)3水解后可以与结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末表面上的羟基发生化学反应生成Si-O-Si健结构,从而使硅烷偶联剂在结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末的表面形成一层单分子层。
在上述的反应中,硅烷偶联剂的水解反应速度对于硅烷偶联剂在结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末的表面能否形成一层单分子层起到关键的作用。为加快硅烷偶联剂的水解和键合反应速度,需要通过调节反应体系的酸碱性来实现。
为了赋予组合物颜色,可以加入本领域常用的着色剂,如碳黑等;所述的脱模剂可以为本领域常用的脱模剂,如巴西棕榈蜡(简称:巴蜡)等。
通过本发明者的长期研究,发现加入预先制备的DBU水溶液可以满足硅烷偶联剂在结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末的表面反应而形成一层单分子层要求,调节反应体系的酸碱性的pH值优选为9~10,其pH值9~10的调节,可通过DBU水溶液在体系中的0.5~5重量份进行调节。
本发明中用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,为满足其它方面的性能,还可以再加入本领域常用的各种添加剂,如阻燃剂(如三氧化二锑)和/或低应力改进剂(如硅油)等。
本发明的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物的制备方法,主要是通过高速混合器(转速可为50~300转/分),将上述用于半导体器件封装的环氧树脂组合物所需的各个组份按比例加入并高速混合均匀;再通过一台热的双滚筒炼胶机对混合组份进行熔融混炼;然后,将熔融态的热的混合物进行轧片、冷却和粉碎而制得。该方法包括以下步骤:
(1)DBU水溶液的制备
将DBU缓慢滴加到去离子水中,搅拌,配制成DBU在水中的含量优选为0.5~5%(重量百分数);
(2)环氧树脂组合物的制备
以环氧树脂的重量份为基准,在常温搅拌(转速可为50~300转/分)下,将无机填料300~800重量份加入到混合器中,先喷入硅烷偶联剂2~6重量份,再喷入步骤(1)制备的DBU水溶液0.5~5重量份,然后加入环氧树脂100重量份、酚醛树脂固化剂5~100重量份(优选45~100重量份)、固化促进剂0.1~10重量份(优选为0.5~5重量份)、脱模剂0.1~5重量份和着色剂0.1~5重量份;混合均匀后,从高速混合器中放出粉料,在70~95℃预热的双滚筒炼胶机上进行加热混炼,再将混炼好的物料进行轧片、冷却至常温、粉碎制得粉状的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物。最后,可将粉状的组合物物料通过预成型机轧制成为所需尺寸的饼料。
步骤(1)所述的将DBU缓慢滴加到去离子水中的滴加时间优选为5~15分钟。
本发明的环氧树脂组合物,在使用中需经高频预热,再在160~190℃的模具中低压传递模塑成型,可以封装集成电路芯片或其它半导体器件。
本发明通过在组合物中添加1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7的水溶液,将反应体系调节到合适的酸碱度,增强了硅烷偶联剂与结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末表面的反应性,使结晶型二氧化硅粉末和/或熔融型二氧化硅粉末表面快速形成均匀的硅烷偶联剂的单分子覆盖层。通过所述硅烷偶联剂的单分子覆盖层在环氧树脂组合物被加热固化时与其中的树脂组分的健合反应,或增加了环氧树脂组合物与被封装半导体材料的结合力,因此,本发明的环氧树脂组合物有效地提高了环氧树脂组合物的粘接性和耐湿性。通过采用本发明的环氧树脂组合物封装的集成电路的可靠性考核数据可以得出结论。
本发明的环氧树脂组合物用于塑封的集成电路,经高压锅蒸煮试验(PCT,121℃,2个大气压)和温循试验(TCT,-50℃/5分~150℃/5分)测定,表明本发明的环氧树脂组合物具有较高的耐湿性(PCT考核就是验证这个指标)及抗开裂性能,抗弯强度达到140~160MPa。
具体实施方式
实施例1
(1)DBU水溶液的制备
在具有搅拌的容器中,在常温下将计量的DBU缓慢滴加到去离子水中,配制成DBU在水中的含量为2%(重量百分数),滴加时间为5分钟,然后持续搅拌反应3分钟。
(2)环氧树脂组合物的制备
以邻甲酚醛环氧树脂(CNE195XL-4)的重量份为基准,在常温高速搅拌下,将中位径为25微米的结晶型二氧化硅粉末500重量份加入到高速混合器中(高速搅拌器的转速为200转/分),先喷入硅烷偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷5重量份,再喷入步骤(1)制备的DBU水溶液2重量份,然后加入邻甲酚醛环氧树脂100重量份、苯酚线性酚醛树脂(TD2131)50重量份、2-甲基咪唑0.5重量份,巴蜡1重量份、碳黑1重量份后进行搅拌混合10分钟(转速为200转/分);混合均匀后,从混合器中放出粉料,在70~80℃预热的双滚筒炼胶机上进行加热混炼,再将混炼好的物料取下,轧片、冷却至常温、粉碎制得粉状的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物。最后,可将粉状的组合物物料通过预成型机轧制成为所需尺寸的饼料。
将得到的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,经高频预热,再在175℃的模具中低压传递模塑成型,封装集成电路芯片。通过对集成电路的可靠性能进行考核来验证环氧树脂组合物的粘接性和耐湿性结果见表1和2。
实施例2
采用与实施例1相同的制备方法来制备用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,实施例1中步骤(1)制备的DBU水溶液为0.5重量份,其它组分和实施例1相同,组分配比和性能见表1和表2。
实施例3
采用与实施例1相同的制备方法来制备用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,实施例1中步骤(1)制备的DBU水溶液为5重量份,其它组分和实施例1相同,组分配比和性能见表1和表2。
实施例4
采用与实施例1相同的制备方法来制备用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,喷入硅烷偶联剂为2-(3,4环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷,其它组分和实施例1相同,组分配比和性能见表1和表2。
实施例5
采用与实施例1相同的制备方法来制备用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,喷入硅烷偶联剂为苯胺基丙基三甲氧基硅烷,其它组分和实施例1相同,组分配比和性能见表1和表2。
实施例6
采用与实施例1相同的制备方法来制备用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,喷入硅烷偶联剂为γ巯基丙基三甲氧基硅烷,其它组分和实施例1相同,组分配比和性能见表1和表2。
实施例7
(1)DBU水溶液的制备
在具有搅拌的容器中,在常温下将计量的DBU缓慢滴加到去离子水中,配制成DBU在水中的含量为0.5%(重量百分数),滴加时间为10分钟,然后持续搅拌反应2分钟。
以联苯型环氧树脂(YX4000H)的重量份为基准,在常温高速搅拌下,将中位径为25微米的熔融型的球形二氧化硅粉末800重量份加入到高速混合器中(高速搅拌器的转速为300转/分),先喷入硅烷偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷5重量份,再喷入步骤(1)制备的DBU水溶液2重量份,然后加入联苯型环氧树脂(YX4000H)100重量份、苯撑型酚醛树脂(MEH7800SS)100重量份、三苯基膦1重量份,巴蜡1重量份、碳黑1重量份后进行搅拌混合10分钟(转速为300转/分);混合均匀后,从混合器中放出粉料,在70~80℃预热的双滚筒炼胶机上进行加热混炼,再将混炼好的物料取下,轧片、冷却至常温、粉碎制得粉状的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物。最后,可将粉状的组合物物料通过预成型机轧制成为所需尺寸的饼料。
实施例8
(1)DBU水溶液的制备
在具有搅拌的容器中,在常温下将计量的DBU缓慢滴加到去离子水中,配制成DBU在水中的含量为3%(重量百分数),滴加时间为10分钟,然后持续搅拌反应5分钟。
(2)环氧树脂组合物的制备
以邻甲酚醛环氧树脂和联苯型环氧树脂混合的重量份为基准,在常温高速搅拌下,将中位径为10微米的熔融型球形二氧化硅粉末350重量份和中位径为40微米的熔融型球形二氧化硅粉末350重量份加入到高速混合器中(高速搅拌器的转速为100转/分),先喷入硅烷偶联剂2-(3,4环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷3重量份和γ巯基丙基三甲氧基硅烷3重量份的混合物,再喷入步骤(1)制备的DBU水溶液3重量份,然后加入邻甲酚醛环氧树脂(CNE195XL-4)50重量份和双环戊二烯型环氧树脂(HP7200)50重量份、苯酚线性酚醛(TD2131)25重量份、苯撑型酚醛(MEH7800SS)50重量份,2-甲基咪唑0.3重量份、三苯基膦0.3重量份、巴蜡3重量份、碳黑0.1重量份后进行搅拌混合10分钟(转速为100转/分);混合均匀后,从混合器中放出粉料,在70~80℃预热的双滚筒炼胶机上进行加热混炼,再将混炼好的物料取下,轧片、冷却至常温、粉碎制得粉状的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物。最后,可将粉状的组合物物料通过预成型机轧制成为所需尺寸的饼料。
将得到的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,经高频预热,再在175℃的模具中低压传递模塑成型,封装集成电路芯片。
比较例1、2、3、4、5
采用与实施例1、4、5、6、7相同的制备方法来制备用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,只是用于半导体器件封装的环氧树脂组合物中未添加DBU水溶液,组分配比和性能见表3和表4。
Figure BSA00000227002100091
Figure BSA00000227002100101
从上述实施例中的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,在用于塑封集成电路后,对塑封的集成电路进行性能测试,塑封集成电路经高压锅蒸煮试验(PCT,121℃,2个大气压)和温循试验(TCT,-50℃/5分~150℃/5分)测定,表明本发明的环氧树脂组合物具有较高的耐湿性(PCT考核验证)及抗开裂性能(TCT考核验证),抗弯强度达到143~160MPa。

Claims (9)

1.一种用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是,以环氧树脂的重量份为基准,在该环氧树脂组合物中包括以下组分及含量:
组分名称                                  重量份
环氧树脂                                  100
酚醛树脂固化剂                            5~100
固化促进剂                                0.1~10
无机填料                                  300~800
硅烷偶联剂                                2~6
1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7水溶液    0.5~5
脱模剂                                    0.1~5
着色剂                                    0.1~5
所述的固化促进剂是咪唑化合物、叔胺化合物、有机膦化合物所组成的组中的至少一种;
所述的无机填料是结晶型二氧化硅粉末、熔融型二氧化硅粉末或它们的混合物;
所述的1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7水溶液的重量百分数浓度为0.5~5%。
2.根据权利要求1所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的环氧树脂选自邻甲酚醛环氧树脂、联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、杂环型环氧树脂和多官能团环氧树脂所组成的组中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的酚醛树脂固化剂为45~100重量份。
4.根据权利要求1或3所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的酚醛树脂固化剂选自苯酚线型酚醛树脂、苯甲酚线型酚醛树脂、单羟基或二羟基萘酚醛树脂、对二甲苯与苯酚或萘酚缩聚的酚醛树脂、双环戊二烯型酚醛树脂、氨基酚醛树脂、三聚氰胺酚醛树脂、苯撑型酚醛树脂和联苯型酚醛树脂所组成的组中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的咪唑化合物选自2-甲基咪唑、2,4-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、2-(十七烷基)咪唑所组成的组中的至少一种;
所述的叔胺化合物选自三乙胺卞基二甲胺、α-甲基卞基二甲胺、2-(二甲胺基甲基)苯酚、2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚、1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一碳烯-7所组成的组中的至少一种;
所述的有机膦化合物选自三苯基膦、三甲基膦、三乙基膦、三丁基膦、三(对甲基苯基)膦、三(壬基苯基)膦所组成的组中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的结晶型二氧化硅粉末和熔融型二氧化硅粉末的中位径都为10~40微米。
7.根据权利要求6所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的结晶型二氧化硅粉末和熔融型二氧化硅粉末的中位径都为18~25微米。
8.根据权利要求1所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物,其特征是:所述的硅烷偶联剂选自:γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、2-(3,4环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、苯胺基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷所组成的组中的至少一种。
9.一种根据权利要求1~8任意一项所述的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物的制备方法,其特征是,该方法包括以下步骤:
(1)1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7水溶液的制备
将1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7缓慢滴加到去离子水中,搅拌,配制成1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7在水中的重量百分数含量为0.5~5%;
(2)环氧树脂组合物的制备
以环氧树脂的重量份为基准,在常温搅拌下,将无机填料300~800重量份加入到混合器中,先喷入硅烷偶联剂2~6重量份,再喷入步骤(1)制备的1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7水溶液0.5~5重量份,然后加入环氧树脂100重量份、酚醛树脂固化剂5~100重量份、固化促进剂0.1~10重量份、脱模剂0.1~5重量份和着色剂0.1~5重量份;混合均匀后,从混合器中放出粉料,在70~95℃预热的双滚筒炼胶机上进行加热混炼,再将混炼好的物料进行轧片、冷却至常温、粉碎制得粉状的用于半导体器件封装的环氧树脂组合物。
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