DE102005005750B4 - Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material und Thermoplast-Duroplast-Verbund - Google Patents

Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material und Thermoplast-Duroplast-Verbund Download PDF

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    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge

Abstract

Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials (7) mit einem duroplastischen Material (2), bei dem Partikel (8) in das duroplastische Material (2) und/oder in das thermoplastische Material (7) eingebracht werden, wobei als Partikel (8) Partikel aus Sulfo- oder Sulfophosphatgläsern verwendet werden und der Verbindungsprozess ein Verkapselungsprozess ist, der bei Temperaturen oberhalb von 260°C stattfindet, so dass die Partikel beim Erhitzen des thermoplastischen Materials (7) und des duroplastischen Materials (2) während des Verbindungsprozesses aufschmelzen und beim Abkühlen nach dem Verbindungsprozess erstarren und eine feste chemische Verbindung zwischen dem thermoplastischen Material (7) und dem duroplastischen Material (2) bewirken.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Thermoplast-Duroplast-Verbund, welcher mittels des Verfahrens hergestellt wurde.
  • Es besteht häufig die Notwendigkeit, Duroplast-Bauteile, insbesondere Halbleiterbauteile, die mit einem Gehäuse aus einem duroplastischen Material versehen sind, mit Thermoplastmassen wie Polyethylenterephthalat oder Polyphenylensulfid zu verspritzen oder vergießen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Halbleiterbauteil mit einer Halterung aus einem thermoplastischen Material versehen werden soll, um das Bauteil einbaufähig zu machen.
  • Dabei bzw. beim Verbinden oder Kombinieren von duroplastischen mit thermoplastischen Materialien allgemein besteht das Problem, eine gute Haftung zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien vorzusehen. Eine Möglichkeit bietet eine Verformung der Duroplastoberfläche, um eine verstärkte Haftung zwischen einem Duroplastteil und einem darauf aufzubringenden Thermoplastteil zu schaffen. Dies ist jedoch insbesondere bei Gehäusen von Halbleiterbauteilen nicht möglich.
  • Auch kann beispielsweise die Möglichkeit des Zweikomponentenspritzgießens, mittels welchem Verfahren Duroplast- Thermoplast-Komposite geschaffen werden können, nicht angewandt werden, da es sich um eine nachträgliche Anbringung von Bauteilen auf das bereits fertig verarbeitete Halbleiterbauteil handelt.
  • Verbundmaterialien aus Gläsern und Kunststoffen, insbesondere Thermoplasten, sind beispielsweise aus der DE 199 60 548 A1 bekannt. In der EP 0 685 515 A1 ist die Verwendung eines solchen Verbundmaterials als Gehäusemasse für Wellenleiterbauelemente offenbart. Verbundmaterialien aus Thermoplasten und Duroplasten sowie das Problem einer dauerhaften, zuverlässigen Verbindung dieser Materialien werden jedoch nicht erwähnt.
  • Wird ein thermoplastisches Material auf herkömmliche Weise auf ein duroplastisches Material nachträglich aufgebracht, besteht daher generell das Problem, dass die Haftung, die z. B. durch ein Verschweißen der Komponenten an deren Grenzflächen (Interdiffusion der Molekülketten) beim Kontakt des erhitzten thermoplastischen Materials bzw. der Thermoplast-Schmelze auf dem erkalteten Duroplastmaterial entsteht, nicht ausreichend ist und es daher oft zu einer Delamination kommt.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material sowie einen Thermoplast-Duroplast-Verbund zu schaffen, mittels welchem eine verbesserte Haftung zwischen den beiden Materialien vorgesehen wird und daher eine nachträgliche Ablösung vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Thermo plast-Duroplast-Verbund mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß bereitgestellt wird demnach ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material, wobei Partikel in das duroplastische Material und/oder in das thermoplastische Material eingebracht werden, die beim Erhitzen des thermoplastischen Materials und des duroplastischen Materials während des Verbindungsprozesses aufschmelzen und beim Abkühlen nach dem Verbindungsprozess erstarren, um so eine feste chemische Verbindung zwischen dem thermoplastischen Material und dem duroplastischen Material zu bewirken.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine deutliche Verbesserung der Haftung zwischen Duroplasten und Thermoplasten erzielt werden. Beispielsweise beim Umspritzen von Bauteilen mit den die Partikel enthaltenden Thermoplasten wird durch Aufschmelzen der Partikel und durch die dabei entstehenden. freien reaktiven Valenzen der geschmolzenen Partikel eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem Duroplast und dem Thermoplast realisiert. Außerdem sieht der mit den Partikeln versetzte Thermoplast weitere Vorteile vor, wie: eine hohe mechanische Festigkeit, erhöhte Isolations- und Durchschlagfestigkeit, eine hervorragende Chemikalienbeständigkeit insbesondere gegenüber Säuren, Basen und Wasser, eine erhöhte thermische Leitfähigkeit, gute Fließ- und Verarbeitungsfähigkeit und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit.
  • Das gleiche Ergebnis wird aber auch im umgekehrten Fall erreicht, in dem die Partikel in dem Duroplastmaterial vorgese hen werden. Dann schmelzen z. B. durch die Verkapselung eines Halbleitergehäuses mit dem Thermoplasten die Partikel, wobei die Verarbeitungstemperatur des Thermoplasten oberhalb von 270°C liegt, im oberflächennahen Bereich auf und reagieren mit den reaktiven Gruppen des Thermoplasten, wodurch eine sehr hohe Verbindungsfestigkeit zustande kommt.
  • Auch können die Partikel sowohl in dem thermoplastischen Material als auch in dem duroplastischen Material vorgesehen werden.
  • Als aufschmelzbare Partikel werden Glaspartikel verwendet, und zwar Sulfo- oder Sulfophosphatgläser, welche in einer Menge zwischen 15 und 80 Gew.% dem thermoplastischen oder dem duroplastischen Material zugesetzt werden. Bevorzugt ist ein niedrigschmelzendes Sulfophosphatglas, d. h. ein Sulfophasphatglas mit niedriger Schmelztemperatur, insbesondere einer Schmelztemperatur unterhalb von 300°C.
  • Der Verbindungsprozess findet in Form eines Verkapselungsprozesses bei Temperaturen oberhalb von 260°C statt, wobei die Temperatur von 260°C auch der maximalen Löttemperaturspitze für Leistungshalbleitergehäuse entspricht.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Verkapselungsprozess die Verkapselung eines mit einem duroplastischen Material vergossenen Halbleiterbauelements mit einem thermoplastischen Material.
  • Als thermoplastisches Material werden vorzugsweise die folgenden Materialien verwendet: flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyphe nylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polysulfon (PSU).
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn als thermoplastisches Material ein Hochleistungsthermoplast, insbesondere ein Hochtemperaturbeständiger Thermoplast verwendet wird.
  • Vorzugsweise werden als duroplastisches Material Harze, insbesondere Epoxidharz oder Silikone verwendet.
  • Gemäß einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Partikel als Zusatzfüllstoff in duroplastische Pressmassen eingearbeitet. Dies optimiert die Material- und Verarbeitungseigenschaften, und das Eigenschaftsprofil der Pressmasse bzw. Harzvorstufe kann gezielt maßgeschneidert werden.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, dass die Partikel in das duroplastische Material eines Halbleitergehäuses eingebracht werden.
  • Weiterhin können die Partikel gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens in das thermoplastische Material einer Gehäusehalterung eingebracht werden.
  • Vorzugsweise werden das Halbleitergehäuse und die Gehäusehalterung miteinander verbunden, so dass das Halbleiterbauelement dadurch einbaufähig gemacht wird.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Thermoplast-Duroplast-Verbund vorgesehen, wobei ein thermoplastisches Material und/oder ein duroplastisches Material Partikel aufweist, durch deren Aufschmelzung beim Erhitzen des thermoplastischen Mate rials und des duroplastischen Materials während des Verbindungsprozesses ein fester Verbund zwischen den Materialien entsteht, nachdem die Partikel beim Abkühlen nach dem Verbindungsprozess erstarrt sind. Durch die in dem thermoplastischen und/oder duroplastischen Material vorgesehenen Partikel wird eine stabile dauerhafte Bindung zwischen dem Thermoplast und dem Duroplast geschaffen.
  • Das duroplastische Material und/oder das thermoplastische Material weist Sulfo- oder Sulfophosphatglaspartikel auf.
  • Vorteilhafte thermoplastische Materialien sind flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polysulfon (PSU).
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das thermoplastische Material ein Hochleistungsthermoplast ist.
  • Weiterhin sind vorteilhafte duroplastische Materialien Kunstharze, insbesondere Epoxidharz oder Silikonharz.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet das duroplastische Material ein Gehäuse eines Halbleiterbauelements und das thermoplastische Material bildet eine Gehäusehalterung auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements, wobei das Gehäuse und die Gehäusehalterung durch die Glaspartikel fest miteinander verbunden sind.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit thermoplastischer Verkapselung;
  • 2 einen weiteren schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit thermoplastischer Verkapselung.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein verkapseltes Halbleiterbauelement 1. Das Halbleiterbauelement 1 weist einen Chip 3 auf, der über Leitungen 4 elektrisch verbunden werden kann. Der Chip 3 ist von einem Gehäuse 5 aus einem duroplastischen Material 2 umgeben. Angrenzend an das duroplastische Material 2 des Gehäuses 5 ist eine Umhüllung 6 bzw. Einkapselung vorgesehen, die aus einem thermoplastischen Material 7 besteht.
  • In dem thermoplastischen Material 7 sind gleichmäßig verteilt Partikel 8, hier Sulfoglaspartikel in einer Menge von 50 Gew.%, eingebettet. Die Partikel 8 schmelzen beim Verkapselungsprozess des Halbleiterbauelements 1 vollständig auf und bilden, nachdem sie dann wieder abgekühlt und erstarrt sind, eine feste chemische Verbindung mit dem duroplastischen Material 2 des Gehäuses 5, da beim Umspritzen des Halbleiterbauelements 1 mit diesem Thermoplast-Blend die Glaskomponente aufgeschmolzen wird und die dabei entstehenden freien, reaktiven Valenzen der geschmolzenen Glaspartikel eine hohe Verbindungsfestigkeit zu dem umspritzten Bauelement realisieren.
  • Außerdem weist die Umhüllung 6 aus diesem Thermoplast-Blend eine hohe mechanische Festigkeit, erhöhte Isolations- und Durchschlagfestigkeit, eine hervorragende Chemikalienbeständigkeit, eine erhöhte thermische Leitfähigkeit, gute Fließ- und Verarbeitungsfähigkeit und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit auf. So wird ein stabiler Thermoplast-Duroplast-Verbund 9 mit insgesamt hervorragenden Eigenschaften geschaffen.
  • In 2 ist ein weiterer schematischer Querschnitt durch ein verkapseltes Halbleiterbauelement 1 dargestellt, wobei wieder, analog zu dem Aufbau des in 1 gezeigten Halbleiterbauelements 1, ein Chip 3, der Leitungen 4 zum elektrischen Verbinden des Halbleiterbauelements 1 aufweist, von einem Gehäuse 5 umgeben ist. Das Gehäuse 5 ist auch aus einem duroplastischen Material 2 hergestellt, weist aber im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten duroplastischen Material 2 Partikel 8 gleichmäßig darin verteilt auf. Die Partikel 8 sind Sulfoglaspartikel und sind dem duroplastischen Material 2 in einer Menge von ca. 50 Gew.% zugesetzt worden. Eine äußere Umhüllung 6 bzw. Verkapselung des Halbleiterbauelements 1 ist auf das Gehäuse 5 aufgespritzt und geht durch die in dem duroplastischen Material 2 vorhandenen Partikel 8 eine feste Verbindung mit diesem ein.
  • Die Umhüllung 6 besteht aus einem thermoplastischen Material 7, dem jedoch keine Partikel 8 zugesetzt wurden. Durch die Verkapselung des Gehäuses 5 des Halbleiterbauelements 1 mit dem thermoplastischen Material 7 schmelzen durch den Wärmeeintrag, welcher durch die Verarbeitungstemperatur des thermoplastischen Materials 7 bei einer Temperatur oberhalb 270°C vorgesehen wird, die Sulfoglaspartikel im oberflächennahen Bereich auf und reagieren mit den reaktiven Gruppen des thermoplastischen Materials, wodurch die sehr hohe Verbindungsfestigkeit zustande kommt.
    • 1
    Halbleiterbauelement
    2
    duroplastisches Material
    3
    Chip
    4
    Leitungen
    5
    Gehäuse
    6
    Umhüllung
    7
    thermoplastisches Material
    8
    Partikel
    9
    Thermoplast-Duroplast-Verbund

Claims (14)

  1. Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials (7) mit einem duroplastischen Material (2), bei dem Partikel (8) in das duroplastische Material (2) und/oder in das thermoplastische Material (7) eingebracht werden, wobei als Partikel (8) Partikel aus Sulfo- oder Sulfophosphatgläsern verwendet werden und der Verbindungsprozess ein Verkapselungsprozess ist, der bei Temperaturen oberhalb von 260°C stattfindet, so dass die Partikel beim Erhitzen des thermoplastischen Materials (7) und des duroplastischen Materials (2) während des Verbindungsprozesses aufschmelzen und beim Abkühlen nach dem Verbindungsprozess erstarren und eine feste chemische Verbindung zwischen dem thermoplastischen Material (7) und dem duroplastischen Material (2) bewirken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verkapselungsprozess die Verkapselung eines mit einem duroplastischen Material (2) vergossenen Halbleiterbauelements (1) mit einem thermoplastischen Material (7) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als thermoplastisches Material (7) ein flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polysulfon (PSU) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als thermoplastisches Material (7) ein hochtemperaturbeständiges Thermoplast verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als duroplastisches Material (2) ein Kunstharz, insbesondere ein Epoxidharz oder Silikonharz verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Partikel (8) als Zusatzfüllstoff in duroplastische Pressmassen eingearbeitet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Partikel (8) in das duroplastische Material (2) eines Halbleitergehäuses (5) eingebracht werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Partikel (8) in das thermoplastische Material (7) einer Gehäusehalterung eingebracht werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Halbleitergehäuse (5) und die Gehäusehalterung miteinander verbunden werden.
  10. Thermoplast-Duroplast-Verbund (9), bei welchem ein thermoplastisches Material (7) und/oder ein duroplastisches Material (2) Partikel (8) aus Sulfo- oder Sulfophosphatgläsern aufweist, durch deren Aufschmelzen beim Erhitzen des thermoplastischen Materials (7) und des duroplastischen Materials (2) während des Verbindungsprozesses ein fester Verbund zwischen den Materialien entsteht, nachdem die Partikel (8) beim Abkühlen nach dem Verbindungsprozess erstarrt sind.
  11. Thermoplast-Duroplast-Verbund nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (7) ein flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polysulfon (PSU) ist.
  12. Thermoplast-Duroplast-Verbund nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (7) ein hochtemperaturbeständiges Thermoplast ist.
  13. Thermoplast-Duroplast-Verbund nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Material (2) ein Kunstharz, insbesondere Epoxidharz oder Silikonharz ist.
  14. Thermoplast-Duroplast-Verbund nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Material (2) ein Gehäuse (5) eines Halbleiterbauelements (1) bildet und das thermoplastische Material (7) eine Gehäusehalterung auf dem Gehäuse (5) des Halbleiterbauelements (1) bildet.
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