DE4216680C2 - Epoxidharzmasse und deren Verwendung zur Einkapselung von Halbleiter-Bauteilen - Google Patents
Epoxidharzmasse und deren Verwendung zur Einkapselung von Halbleiter-BauteilenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung sind Epoxidharzmassen mit verbessertem Fluß
oder verbessertem Fließverhalten, die zu Produkten ausgehärtet werden
können, die einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, eine hohe Glas
umwandlungstemperatur und eine niedrige Feuchtigkeitsabsorption auf
weisen, sowie die Verwendung von solchen gehärteten Epoxidharzmassen zur Einkapselung
von Halbleiterbauteilen.
Die derzeitige Hauptentwicklung der modernen Halbleiterindustrie um
faßt in Harz eingekapselte Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise
(IC), stark integrierte Schaltkreise (LSI) und superstark integrierte Schalt
kreise (super LSI). Von den verschiedenen Harzen zum Einkapseln von
Halbleiterbauteilen werden in größtem Umfang Epoxidharzmassen einge
setzt, die härtbare Epoxidharze enthalten, welche mit Härtern und ver
schiedenen Additiven vermischt sind, da diese Massen im allgemeinen ge
genüber den sonstigen hitzehärtbaren Harzen bessere Formbarkeit, Haf
tung, elektrische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften und Feuch
tigkeitseigenschaften aufweisen. Die derzeitige Entwicklung dieser Halb
leiterbauteile ist auf einen zunehmend höheren Grad der Integration bei
gleichzeitig vergrößerter Chip-Größe gerichtet. Andererseits sollen die
Packungen oder Gehäuse in ihren äußeren Abmessungen kleiner und dün
ner sein, um den Anforderungen an Kompaktheit und geringes Gewicht bei
elektronischen Bauteilen zu entsprechen. Bei der Befestigung von Halblei
ter-Bauteilen auf Leiterplatten wird aus Gründen der erhöhten Bauteil
dichte auf den Leiterplatten und einer verminderten Leiterplattendicke die
Oberflächenmontage der Halbleiterbauteile in stärkerem Umfang ange
wandt.
Eine übliche Methode der Oberflächenmontage von Halbleiterbauteilen
besteht darin, vollständige Halbleiterbauteile in ein Lotbad einzutauchen
oder sie durch eine heiße Zone aus geschmolzenem Lot hindurchzuführen.
Die bei diesen Verfahren auftretenden Hitzeschocks führen zur Bildung
von Rissen der einkapselnden Harzschichten oder zur Ablösung dieser
Harzschichten an der Grenzfläche zwischen den Leiterbahnen oder den
Chips und dem einkapselnden Harz. Solche Risse und Ablösungsstellen
sind umso schwerwiegender dann, wenn die für das Einkapseln des Halb
leiterbauteils verwendeten Harzschichten Feuchtigkeit aufgenommen ha
ben, bevor sie den bei der Oberflächenmontage auftretenden Hitzeschocks
ausgesetzt werden. Da die einkapselnden Harzschichten bei ihrer Herstel
lung unvermeidbar Feuchtigkeit aufnehmen, zeigen mit Epoxidharzen eingekap
selte Halbleiterbauteile nach der Montage in gewissen Fällen eine geringere Zuver
lässigkeit und damit einen höheren Ausschluß.
Die US 4 551 508 beschreibt Naphthalinringe tragende Polyglycidylether, ein
Verfahren zu deren Herstellung sowie daraus hergestellte, gehärtete Produkte mit
guter Wärmebeständigkeit und geringer Wasserabsorption.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die oben angesproche
nen Probleme des Standes der Technik zu lösen und eine neue und verbesserte
Epoxidharzmasse anzugeben, die ein verbessertes Fließverhalten zeigt und zu
Produkten ausgehärtet werden kann, die einen niedrigen Ausdehnungskoeffizien
ten, eine hohe Glasübergangstemperatur (Tg), niedrige Spannungen und eine ge
ringe Feuchtigkeitsabsorption aufweisen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung dieser Epoxidharz
masse zur Schaffung eines Halbeiterbauteils, welches mit einem gehärtete Pro
dukt dieser Epoxidharzmasse eingekapselt ist und welches auch nach den wäh
rend der Oberflächenmontage auftretenden thermischen Schocks seine Zuverläs
sigkeit beibehält.
Es hat sich nunmehr gezeigt, daß diese Aufgabe gelöst werden kann durch Vermi
schen (A) eines Naphthalinringe enthaltenden Epoxidharzes, (B) eines Biphenyl
enthaltenden Epoxidharzes, (C) eines bestimmten Phenolharzes und (D) eines an
organischen Füllstoffes, wodurch man eine Epoxidharzmasse erhält, die ein ver
bessertes Fließverhalten zeigt und zu Produkten ausgehärtet werden kann, die ei
nen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, eine hohe Glasübergangstemperatur
(Tg) und geringe Spannungen aufweist, gekennzeichnet durch eine Verminderung
des Elastizitätsmoduls in einem Temperaturbereich oberhalb der Glasübergangs
temperatur (Tg). Im Gegensatz zu herkömmlichen Epoxidharzmassen des Standes
der Technik, die mit Hilfe einer Verfahrensweise hergestellt worden sind, die dar
auf abstellt, einen niedrigen Elastizitätsmodul zu erzeugen, was jedoch durch
Nachteile, wie einer Verminderung des Tg-Wertes und einem Festigkeitsverlust
einhergeht, ergibt die erfindungsgemäße Epoxidharzmasse gehärtete Produkte
mit verbesserten Eigenschaften, die mit herkömmlichen Epoxidharzmassen nicht
erhalten werden können, das heißt, gehärtete Produkte, die frei sind von einer Ver
minderung des Tg-Wertes unabhängig von einem niedrigen Elastizitätsmodul und
die nur wenig zur Feuchtigkeitsabsorption neigen. Die Epoxidharzmasse kann oh
ne weiteres verformt und zum Einbetten von Halbleiterbauteilen verwendet
werden. Darüber hinaus zeigen die mit den gehärteten Produkten der erfindungsgemäßen
Epoxidharzmasse eingekapselten Halbleiterbauteile ei
ne hohe Zuverlässigkeit auch nach thermischen Schocks während der
Oberflächenmontage. Daher können die erfindungsgemäßen Epoxidharz
massen für das Einkapseln von Halbleiterbauteilen beliebiger Art einge
setzt werden, einschließlich der Typen SOP, SOJ, TSOP und TQFP, da die
ses Harz deutlich verbesserte Eigenschaften als Einkapselungsmittel für
durch Oberflächenmontage einzusetzende Halbleiterbauteile zeigt.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Epoxidharzmasse enthaltend
- (A) ein Naphthalinringe enthaltendes Epoxidharz der nachfolgend angegebenen allgemeinen Formel (1),
- (B) ein Biphenyl enthaltendes Epoxidharz der nachfolgend angegebe nen allgemeinen Formel (2),
- (C) ein Phenolharz der nachfolgend angegebenen allgemeinen Formel (3) und
- (D) einen anorganischen Füllstoff.
Formel (1)
In der obigen Formel (1) bedeuten R1 ein Wasserstoffatom oder eine Alkyl
gruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, OG eine Gruppe der Formel
k eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5, l eine ganze Zahl mit einem
Wert von 0 bis 3, m eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 2 und n 1 oder
2. Wenn n den Wert 2 besitzt, können die beiden Gruppen OG an einen oder
beide Ringe des Naphthalinringes gebunden sein.
Formel (2)
In der obigen Formel (2) bedeuten R2 ein Wasserstoffatom, ein Halogena
tom oder eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen
und q eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5.
Formel (3)
In der obigen Formel (3) ist R3 aus Gruppen der folgenden Formel
in denen einige oder sämtliche
Wasseratome durch Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen er
setzt sein können, ausgewählt, während R4 ein Wasserstoffatom oder eine Alkyl
gruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und r eine ganze Zahl mit einem Wert
von 0 bis 5 bedeuten.
Wie oben bereits erwähnt, umfaßt die erfindungsgemäße Epoxidharzmasse
das Naphthalinringe enthaltende Epoxidharz (A), das Biphenylgruppen
enthaltende Epoxidharz (B), das Phenolharz (C) und den anorganischen
Füllstoff (D).
Der Bestandteil (A) ist ein Epoxidharz der folgenden allgemeinen Formel
(1), welches substituierte Naphthalinringe enthält:
In der obigen Formel (1) bedeuten R1 ein Wasserstoffatom und eine Alkyl
gruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, OG Gruppen der Formel
k eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5, l eine ganze Zahl mit einem
Wert von 0 bis 3, m eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 2 und n 1 oder
2. Wenn n den Wert 2 besitzt, können die beiden Gruppen OG an einem
Ring oder an beiden Ringen des Naphthalinringes stehen.
Nicht beschränkende Beispiele für Naphthalinringe enthaltende Epoxid
harze sind im folgenden angegeben:
In den obigen Formeln steht R für ein Wasserstoffatom oder eine einwertige
Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, OG für Gruppen
der Formel
und a für 1 oder 2, während b, c, d und e jeweils ganze Zahlen mit einem
Wert von mindestens 2 darstellen.
Der Bestandteil (B) ist ein Biphenylgruppen enthaltendes Epoxidharz der
folgenden allgemeinen Formel (2):
In der obigen Formel (2) stehen R2 für ein Wasserstoffatom, ein Halogena
tom oder eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstof
fatomen und q für eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5. Wenn man
das Biphenylgruppen enthaltende Epoxidharz mit dem Naphthalinringe
enthaltenden Epoxidharz kombiniert, ergibt sich eine signifikante Verbes
serung der Haftung des gehärteten Produkts.
Die Erfindung nicht einschränkende Beispiele von Epoxidharzen mit Biphenylgruppen
sind im folgenden angegeben:
Von diesen Biphenylgruppen enthaltenden Epoxidharzen ist das Harz der
Formel (4) besonders bevorzugt, da es eine Epoxidharzmasse mit niedriger
Viskosität und einem Gesamtchlorgehalt von bis zu 500 ppm ergibt.
Die erfindungsgemäße Epoxidharzmasse enthält als Epoxidharzgrundla
ge sowohl das Naphthalinringe enthaltende Epoxidharz (A), als auch das
Biphenylgruppen enthaltende Epoxidharz (B). Wenngleich der Anteil die
ser Epoxidharz-Bestandteile nicht kritisch ist, ist es bevorzugt, die Be
standteile (A) und (B) in einem Gewichtsverhältnis von (A) zu (B) von 1/1
bis 9/1 und insbesondere von 5/1 bis 8/1 zu vermischen. Ein (A)/(B)-Ver
hältnis von weniger als 1 würde zu einer etwas erhöhten Feuchtigkeitsab
sorption, einem etwas niedrigeren Tg-Wert und einer verringerten Hitzebe
ständigkeit führen. Bei einem (A)/(B)-Verhältnis von mehr als 9 würde die
Haftung geringer und die Schmelzviskosität zu hoch sein, um die Epoxidharzbestandteile
während der Herstellung vollständig zu dispergieren,
was zu Problemen bei der Formbarkeit und der physikalischen Eigen
schaften der gehärteten Produkte führt.
Essentielle Epoxidharze, die in den erfindungsgemäßen Epoxidharzmassen
verwendet werden, sind daher das Naphthalinringe enthaltende Epo
xidharz und das Biphenylgruppen enthaltende Epoxidharz der oben ange
gebenen Definition, wenngleich man zusätzlich irgendwelche üblichen
Epoxidharze verwenden kann. Typische zu verwendende Epoxidharze sind
Epoxidharze mit mindestens zwei Epoxygruppen im Molekül, beispiels
weise Epoxidharze des Bisphenol-A-Typs, Epoxidharze des Phenol-Novo
lak-Typs, Epoxidharze des Allylphenol-Novolak-Typs, Epoxidharze des
Triphenolalkan-Typs und Polymere davon, Epoxidharze des Dicyclopenta
dien-Typs. Epoxidharze des Phenolaralkyl-Typs, Epoxidharze des Glyci
dylester-Typs, cycloaliphatische Epoxidharze, heterocyclische Epoxid
harze und halogenierte Epoxidharze.
Vorzugsweise beträgt der Gesamtgehalt an Naphthalinringen in den Epo
xidharzen 5 bis 60 Gew.-%, insbesondere 10 bis 60 Gew.-%.
Bestandteil (C) ist ein Phenolharz, welches den Härter für die Epoxidharze
(A) und (B) darstellt. Das Phenolharz (C) entspricht der folgenden allgemei
nen Formel (3):
In der obigen Formel (3) stehen R3 für eine aus Gruppen der folgenden For
meln
und substituierten Gruppen dieser Art, in denen einige oder sämtliche
Wasserstoffatome durch eine C1-C5-Alkylgruppe ersetzt sind, R4 für ein
Wasserstoffatom oder eine C1-C4-Alkylgruppe und r für eine ganze Zahl
mit einem Wert von 0 bis 5.
Die Erfindung nicht einschränkende Beispiele von Phenolharzen der For
mel (3) sind im folgenden angegeben:
Das Phenolharz der Formel (3) ist zur Verbesserung der Rißbeständigkeit
beim Eintauchen des eingekapselten Materials nach der Feuchtigkeits
aufnahme in das Lot und zur Verringerung der Feuchtigkeitsabsorption
wirksam, kann jedoch in gewissen Fällen zu einer Erniedrigung des Tg-
Wertes führen, wenn es als einziger Härter verwendet wird. Daher ist es
statt der alleinigen Verwendung des Phenolharzes der Formel (3) er
wünschter, das Phenolharz der Formel (3) in Kombination mit anderen
Phenolharzen zu verwenden, beispielsweise Phenolharzen des Novolak-
Typs, Phenolharzen des Resol-Typs, Phenolharzen des Triphenolalkan-
Typs und Polymere davon sowie Naphthalinringe enthaltende Phenolharze
als auch andere Härter, wie Aminhärter und Säureanhydrid-Härter. Ins
besondere sind Mischungen aus dem Phenolharz der Formel (3) mit einem
Naphthalinringe enthaltenden Phenolharz am besten dazu geeignet, ohne
Absenkung des Tg-Wertes die Feuchtigkeitsabsorption auf ein Minimum
zu bringen. Beispiele für geeignete Naphthalinringe enthaltende Phenol
harze sind im folgenden angegeben:
In den obigen Formeln besitzen R, a, b und c die oben angegebenen Bedeu
tungen, während f für eine ganze Zahl mit einem Wert von mindestens 1
steht.
Vorzugsweise ist das Phenolharz der Formel (3) in einer Menge von minde
stens 10 Gew.-%, bevorzugter von etwa 30 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die
gesamten als Bestandteil (C) verwendeten Phenolharze, enthalten.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet man zusätz
lich zu dem Naphthalinringe enthaltenden Epoxidharz (A), dem Biphenyl
gruppen enthaltenden Epoxidharz (B) und dem Phenolharz (C) zur weite
ren Verbesserung der Eigenschaften ein Silicon-modifiziertes Copolymer
(E).
Bevorzugte Silicon-modifizierte Copolymere, die erfindungsgemäß ver
wendet werden könne, sind Reaktionsprodukte, die man durch Umsetzen
eines Alkenylgruppen enthaltenden epoxidierten Novolakharzes
und/oder eines Alkenylgruppen enthaltenden Naphthalinharzes mit ei
nem Organohydrogenpolysiloxan erhält, insbesondere durch Additionsreaktion
zwischen den Alkenylgruppen in dem ersteren Harz und den SIH-
Gruppen in dem letzteren Material.
Das Alkenylgruppen enthaltende epoxidierte Novolakharz kann beispiels
weise dadurch hergestellt werden, daß man ein Alkenylgruppen enthal
tendes Phenolharz mit Epichlorhydrin epoxidiert oder ein an sich gut be
kanntes Epoxyharz teilweise mit 2-Allylphenol etc. umsetzt. Bevorzugte
Alkenylgruppen enthaltende epoxidierte Novolakharze sind epoxidierte
Phenol- und Kresol-Novolakharze, die eine Alkenylgruppe enthalten. Bei
spiele für solche Alkenylgruppen enthaltende epoxidierte Novolakharze
sind im folgenden angegeben:
In den obigen Formeln stehen p und s für positive Zahlen im Bereich von 1
< p < 10 und 1 < s < 3.
Das Alkenylgruppen enthaltende Naphthalinharz, welches das Copolymer
bildet, entspricht vorzugsweise der folgenden allgemeinen Formel (10):
In der obigen Formel (10) steht A für mindestens einen Vertreter der Hydro
xylgruppen und Gruppen OG umfassenden Gruppe oder für eine Alkenyl
gruppen enthaltende organische Gruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen
mit der Maßgabe, daß sowohl die Hydroxylgruppe und/oder die Gruppe
der Formel OG und die Alkenylgruppen enthaltende organische Gruppe in
einem Molekül enthalten sind, während R1, OG, k, l, m und n die oben an
gegebenen Bedeutungen besitzen. Beispiele für eine Alkenylgruppe ent
haltende organische Gruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen sind Vinyl-,
Allyl- und Vinyl- oder Allyl-Gruppen enthaltende Gruppen der folgenden
Formel (11):
Andere Alkenylgruppen enthaltende organische Gruppen können eben
falls verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie mit einer ∼SiH-Gruppe ei
nes Organohydrogenpolysiloxans eine Additionsreaktion einzugehen in
der Lage sind.
Einige, die Erfindung nicht einschränkende Beispiele für das Alkenyl
gruppen enthaltende Naphthalinharz der Formel (10) sind im folgenden
angegeben:
Zur Herstellung der Silicon-modifizierten Copolymere werden Organohy
drogenpolysiloxane mit Alkenylgruppen enthaltenden epoxidierten Novo
lakharzen und/oder Alkenylgruppen enthaltenden Naphthalinharzen der
oben definierten Art einer Additionsreaktion unterworfen. Die hierbei ver
wendeten Organohydrogenpolysiloxane entsprechen der folgenden allge
meinen Formel (12):
HhRj 4SiO(4-h-j)/2 (12)
worin R4 für eine substituierte oder unsubstituierte einwertige Kohlen
wasserstoffgruppe, h für eine Zahl mit einem Wert von 0,01 bis 0,1 und j für
eine Zahl mit einem Wert von 1,8 bis 2,2 stehen und die Beziehung gilt:
1,81 < h + j < 2.3.
Bezüglich des Organohydrogenpolysiloxans der obigen Formel (2) ergeben
sich keine besonderen Einschränkungen, vorausgesetzt, daß die Verbin
dung mindestens eine Gruppe der Formel ∼SIH im Molekül aufweist. Be
vorzugt liegt die Anzahl der Siliciumatome im Bereich von 20 bis 400 und
die Anzahl der Gruppen der Formel ∼SiH im Bereich von 1 bis 5 pro Mole
kül. Beispiele für die substituierte oder unsubstituierte einwertige Koh
lenwasserstoffgruppe R4 der Formel (12) sind Alkylgruppen, wie Methyl
gruppen und Ethylgruppen, Arylgruppen, wie die Phenylgruppe, Haloge
nalkylgruppen und Cycloalkylgruppen. Bevorzugte Polysiloxane sind an
beiden Enden Wasserstoffendgruppen aufweisendes Methylpolysiloxan,
an beiden Enden Wasserstoffendgruppen aufweisendes Methylphenylpolysiloxan
und an beiden Enden Wasserstoffendgruppen aufweisendes Me
thyl-(2-trimethoxysilyl-ethyl)-polysiloxan.
Die Erfindung nicht einschränkende Beispiele für Organopolysiloxane der
Formel (12) sind nachfolgend als Verbindungen (13) bis (17) gegeben:
Das Organopolysiloxan der Formel (12) besitzt vorzugsweise einen Polymerisationsgrad
von 20 bis 500 und noch bevorzugter von 30 bis 200. Bei
der Anwendung von Organopolysiloxanen mit einem Polymerisationsgrad
von weniger als 20 erhält man in gewissen Fällen eine Masse mit geringerer
Elastizität und einem niedrigen Tg-Wert. Es ist technisch sehr schwierig.
Organopolysiloxane mit einem Polymerisationsgrad von mehr als 500 zu
synthetisieren, wobei dann, wenn dieses möglich ist, die aus solchen Or
ganopolysiloxanen hergestellten Copolymere schwierig in der Epoxidharz
masse dispergiert werden können, so daß dann die Ziele der Erfindung
nicht erreicht werden können.
Im allgemeinen neigen Organopolysiloxane mit einem bestimmten Silici
umgehalt zu einer Steigerung der Rißbeständigkeit und des Tg-Wertes, jedoch
auch zu einer geringeren Dispergierbarkeit und Haftung an Bauele
menten in dem Maße, in dem der Polymerisationsgrad ansteigt. Die Dispergierbarkeit
und die Haftung an den Halbleiterbauelementen kann
durch Einfügen einer der nachfolgend angegebenen modifizierenden
Gruppe in die Seitenkette erreicht werden, wie es durch die obige Formel
(17) belegt wird:
Das Silicon-modifizierte Copolymer, welches als zusätzlicher Bestandteil
(E) in die erfindungsgemäße Epoxidharzmasse eingemischt werden kann,
erhält man durch Umsetzen eines Alkenylgruppen enthaltenden epoxidierten
Novolakharzes und/oder eines Alkenylgruppen enthaltenden
Naphthalinharzes mit einem ∼SiH-Gruppen enthaltenden Organohydro
genpolysiloxan der Formel (12) der oben definierten Art bei erhöhter Tem
peratur in Gegenwart eines an sich bekannten Additionskatalysators, bei
spielsweise eines Platinkatalysators, typischerweise Hexachloroplatin
säure.
Das Silicon-modifizierte Copolymer (E) dient dazu, der Epoxidharzmasse
besonders verbesserte Eigenschaften zu verleihen, einschließlich eines
hohen Tg-Wertes, eines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und einer
hohen Rißbeständigkeit als Folge der Tatsache, daß das Silicon-modifi
zierte Copolymer mit den (härtbaren) Epoxidharzen nicht mischbar ist und
daher in der Epoxidharzmasse eine Meer-Insel-Struktur ausbildet. Dem
zufolge besitzt das Copolymer vorzugsweise einen Löslichkeitsparameter
von 7,3 bis 8,5, insbesondere von 7,6 bis 8,2. Ein Copolymer mit einem
Löslichkeitsparameter innerhalb dieses Bereiches kann durch Umsetzen
eines Organopolysiloxans mit einem Alkenylgruppen enthaltenden epoxidierten
Novolakharz und/oder einem Alkenylgruppen enthaltenden Naph
thalinharz unter Einhaltung der Beziehung: 0,7 < A/B < 7 hergestellt wer
den, worin A für das ∼SiH-Äquivalent des Organopolysiloxans und B für
das Molekulargewicht des Alkenylgruppen-haltigen Harzes stehen.
Das Silicon-modifizierte Copolymer wird vorzugsweise in Mengen von 0 bis
etwa 500 Gewichtsteilen, bevorzugterweise von etwa 5 bis etwa 40 Gewichtstei
len pro 100 Gewichtsteile der Epoxidharze (A) + (B) eingemischt. Mehr als
50 Gewichtsteile des Copolymers können in gewissen Fällen der Verbesse
rung der Haftung abträglich sein.
Die Masse enthält vorzugsweise Epoxygruppen und phenolische Hydroxyl
gruppen in solchen Mengen, daß das Verhältnis der Menge der Epoxygrup
pen (x Mol) zu der Menge der phenolischen Hydroxylgruppe (y Mol) x/y im
Bereich von 1/2 bis 2/3 liegt. Außerhalb dieses Bereiches ergibt sich eine
Beeinträchtigung des Härtungsverhaltens und der geringen Spannungen.
Demzufolge werden die Epoxidharze (A) und (B), das Phenolharz (C) und
das Silicon-modifizierte Copolymer (E) vorzugsweise derart vermischt,
daß diese Anforderung erfüllt ist.
Der Bestandteil (D) ist ein anorganischer Füllstoff, der aus den üblicherweise für
Epoxidharze verwendeten ausgewählt werden kann. Beispiele hierfür sind
Siliciumdioxide, wie Schmelzsiliciumdioxid und kristallines Siliciumdio
xid. Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Titano
xid und Glasfasern. Von diesen Materialien ist Schmelzsiliciumdioxid be
vorzugt, wobei Schmelzsiliciumdioxid mit einer durchschnittlichen Teil
chengröße von etwa 3 bis 15 µm im Hinblick auf den Verformungsvorgang
besonders bevorzugt ist. Das Schmelzsiliciumdioxid besitzt vorzugsweise
eine sphärische Form, da sich hierdurch hohe Beladungsanteile erzielen
lassen und geringere Spannungen gegenüber der Chipoberfläche ausge
übt werden. Der anorganische Füllstoff wird vorzugsweise an der Oberflä
che mit einem Silan-Kupplungsmittel behandelt, bevor er einge
mischt wird, um in dieser Weise die Grenzflächenfestigkeit zwischen dem
Harz und dem Füllstoff zu steigern.
Diese anorganischen Füllstoffe können einzeln oder in Form von Mischun
gen aus zwei oder mehreren Füllstoffen dieser Art angewandt werden. Der
Füllstoff wird vorzugsweise in einer Menge von etwa 100 bis etwa 1000 Ge
wichtsteile, insbesondere etwa 200 bis etwa 700 Gewichtsteile pro 100 Ge
wichtsteile der Gesamtmenge der Bestandteile (A), (B) und (C) verwendet,
wenngleich der Füllstoffgehalt nicht besonders beschränkt ist.
Man kann einen Härtungskatalysator in die erfindungsgemäße Epoxid
harzmasse einmischen. Hierzu verwendete Härtungskatalysatoren schlie
ßen Imidazole, tertiäre Amine und Phosphorverbindungen ein. Die be
vorzugten Härtungskatalysatoren sind Mischungen aus 1,8-Diazabicy
clo[5.4.0]undecen-7 und Triphenylphosphin in einem Gewichtsverhältnis
von 0 : 1 bis 1 : 1, insbesondere von 0,01 : 1 bis 0.5 : 1.
Ein höherer Anteil von 1.8-Diazabicyclo[5.4.0]-undecen-7 oberhalb dieses
Bereiches kann in gewissen Fällen zu einem niedrigeren Tg-Wert führen.
Die zugesetzte-Menge des Härtungskatalysators ist nicht besonders be
schränkt, wenngleich er vorzugsweise in einer Menge von 0,2 bis 2 Ge
wichtstelle, bevorzugter in einer Menge von 0,4 bis 1,2 Gewichtsteilen pro
100 Gewichtsteile der Gesamtmenge der Bestandteile (A), (B) und (C) zuge
geben wird.
Die erfindungsgemäße Masse kann gewünschtenfalls weiterhin verschie
dene, an sich bekannte Zusätze enthalten. Beispiele für solche Zusätze
sind die Spannung herabsetzende Mittel, wie thermoplastische Harze,
thermoplastische Elastomere, organische synthetische Kautschuke und
Silicone; Formtrennmittel, wie Wachse (beispielsweise Carnaubawachs)
und Fettsäuren (beispielsweise Stearinsäure) und Metallsalze davon; Pigmente,
wie Ruß Kobaltblau und rotes Eisenoxid; Flammschutzmittel, wie
Antimonoxid und Halogenide; Oberflächenbehandlungsmittel, wie Silane
(beispielsweise Glycidoxypropyltrimethoxysilan) und Alkyltitanate; Antioxidantien;
Halogen-einfangende Mittel; andere Additive und Mischungen
davon.
Die erfindungsgemäßen Epoxidharzmassen können durch gleichmäßiges
Vermischen und Durcharbeiten von vorbestimmten Mengen der erforderli
chen Bestandteile und Vermahlen der Mischung in einer auf 70 bis 95°C
vorerhitzten Mahleinrichtung, beispielsweise einem Kneter, einer Walzen
mühle und einem Extruder, hergestellt und dann abgekühlt und zerklei
nert werden. Die Reihenfolge des Vermischens der Bestandteile ist dabei
nicht kritisch.
Die erfindungsgemäßen Massen können mit Vorteil zum Einkapseln ver
schiedenartiger Halbleiterbauteile einschließlich der Typen SOP, SOJ,
TSOP und TQFP eingesetzt werden. Die Massen können in üblicher Weise
geformt werden, beispielsweise durch Transferverformen, Spritzverfor
men und Gießen. In häufigsten Fällen werden die Epoxidharzmassen bei
einer Temperatur von etwa 150 bis etwa 180°C während 30 bis etwa 180
Sekunden geformt und dann bei einer Temperatur von etwa 150 bis etwa
180°C während etwa 2 bis etwa 16 Stunden nachgehärtet.
Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele dienen der weiteren Er
läuterung der Erfindung. Sämtliche Teile sind auf das Gewicht bezogen.
Man bereitet Epoxidharzmassen durch gleichförmiges Vermischen der
nachfolgend angegebenen Bestandteile in der Schmelze in einer beheizten
Zweiwalzenmühle, Abkühlen und Zerkleinern der Mischungen. Die hierbei
eingesetzten Bestandteile sind die nachfolgend angegebenen Epoxidhar
ze, Phenolharze und das Silicon-modifizierte Copolymer, wobei diese Be
standteile in den in der Tabelle 1 angegebenen Mengen eingesetzt werden,
0,6 Gewichtsteile eines nachfolgend angegebenen Härtungskatalysators,
0,5 Gewichtsteile Triphenylphosphin. 250 Gewichtsteile kugelförmigen
Schmelzsiliciumdioxids mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von
15 µm und einer spezifischen Oberfläche von 1,4 m2/g. 250 Gewichtsteile
eines sphärischen Schmelzsiliciumdioxids mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von 10 µm und einer spezifischen Oberfläche von 2,5 m2/g.
70 Gewichtsteile eines sphärischen Schmelzsiliciumdioxids mit einer
durchschnittlichen Teilchengröße von 1,0 µm und einer spezifischen
Oberfläche von 10 m2/g, 8 Gewichtsteile Antimontrioxid, 1,5 Gewichtstei
le Ruß, 1 Gewichtsteil Carnaubawachs und 3 Gewichtsteile γ-Glycidoxy
propyltrimethoxysilan.
Das Copolymer (I) ist ein Additionsreaktionsprodukt (mit einem Organo
polysiloxangehalt von 34 Gew.-% und einem Epoxidäquivalent von 310)
aus den nachfolgend angegebenen Verbindungen, wobei die Zahlenwerte
Durchschnittswerte darstellen:
Das Copolymer (II) ist ein Additionsreaktionsprodukt (mit einem Organo
polysiloxangehalt von 34 Gew.-% und einem Epoxidäquivalent von 410)
aus den nachfolgend angegebenen Verbindungen, wobei auch hier die
Zahlenwerte Durchschnittswerte darstellen:
Man bereitet den Härtungskatalysator durch Vermischen von 1.8-Diaza
bicyclo[5.4.0]undecen-7 und einem Phenolnovolak-Harz (TD2131®),
in einem Gewichtsverhältnis von
20/80, Aufschmelzen der Bestandteile während 30 Minuten bei 130°C und
Versprühen des Produktes auf eine Teilchengröße von weniger als 50 µm.
Mit diesen Massen wurden die folgenden Untersuchungen (A) bis (G)
durchgeführt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zu
sammengestellt.
Man verwendet eine Form gemäß dem EMMI-Standard und führt die Mes
sung bei 180°C und 6.9 MPa (70 kg/cm2) durch.
Man stellt Teststäbe mit den Abmessungen 10 × 4 × 100 mm durch Verfor
men bei 180°C und 6,9 MPa (70 kg/cm2) während 2 Minuten und Nachhär
ten während 4 Stunden bei 180°C her und prüft sie nach der JIS-Norm
K6911 bei 215°C.
Man untersucht Prüfstäbe mit einem Durchmesser von 4 mm und einer
Länge von 15 mm gemäß der TMA-Methode durch Erhitzen der Prüfstäbe
mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5°C/min.
Man verbindet Siliciumchips mit den Abmessungen 2 × 4 × 0,4 mm mit
Kleingehäuse-Leiterrahmen (Packung) (Legierung 42) mit schmalem Um
fang (SOP, small ontime package) mit den Abmessungen 4 × 12 × 1,8 mm
und kapselt das Ganze mit den Epoxidharzmassen durch Formen während
2 Minuten bei 180°C und 6,9 MPa (70 kg/cm2) und Nachhärten während 4
Stunden bei 180°C ein. Die Packungen läßt man dann während 24 und 48
Stunden in einer heißen feuchten Atmosphäre mit einer Temperatur von
85°C und einer relativen Feuchtigkeit von 85% stehen und taucht sie dann
während 10 Sekunden in ein Lotbad mit einer Temperatur von 250°C ein.
Anschließend werden die Packungen zerstört, um das Auftreten von innen
liegenden Rissen zu beobachten. In der nachfolgenden Tabelle ist das Ver
hältnis von Risse aufweisenden Packungen zur Gesamtzahl der unter
suchten Packungen angegeben.
Man verbindet 1-Mega-Dram-Chips mit kleinen Verbindungsrahmen
(SOJ) mit 20 Pins und kapselt sie dann mit der Epoxidharzmasse ein durch
Verformen während 2 Minuten bei 180°C und 6,9 MPa (70 kg/cm2) und
Nachhärten während 4 Stunden bei 180°C. Man läßt die erhaltenen
Packungen während 24 Stunden in einer feuchten Atmosphäre von 121 C
und einer relativen Feuchtigkeit von 100% stehen und taucht sie dann
während 10 Sekunden in ein Lotbad mit einer Temperatur von 260°C ein
und läßt sie dann erneut während 300 Stunden in einer feuchten heißen
Atmosphäre mit einer Temperatur von 121°C und einer relativen Feuchtig
keit von 100% stehen. In der Tabelle ist das Verhältnis der Packungen mit
gebrochenen Al-Leitungsdrähten zu der Gesamtanzahl der untersuchten
Packungen wiedergegeben.
Man formt Scheiben mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke
von 2 mm während 2 Minuten bei 180°C und 6,9 MPa (70 kg/cm2) und
Nachhärten während 4 Stunden bei 180°C. Die Scheiben läßt man dann
während 24 Stunden in einer Atmosphäre mit einer Temperatur von 121°C
und einer relativen Feuchtigkeit von 100% stehen, bevor man die Wasser
absorption (%) bestimmt.
Man formt Zylinder mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Höhe von
5 mm während 2 Minuten bei 175°C und 6,9 MPa (70 kg/cm2) auf Platten
aus der Leglerung 42 auf und härtet das Material während 4 Stunden bei
180°C nach. Unter Anwendung eines Zugprüfgerätes bestimmt man die
Kraft, die dazu erforderlich ist, den geformten Zylinder von der Legie
rungsplatte (42) abzutrennen.
Tabelle 2
Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, zeigt die Masse, die kein Naphthalinringe
enthaltendes Epoxidharz der Formel (1) und ein Biphenylgruppen enthal
tendes Epoxidharz der Formel (2) enthält (Vergleichsbeispiel 1), die Masse,
die entweder eines dieser Epoxidharze (Vergleichsbeispiele 2 und 3), die
Masse, welche beide Epoxidharze, jedoch kein Phenolharz der Formel (3)
enthält (Vergleichsbeispiel 4) eine schlechte Feuchtigkeitsbeständigkelt
und niedrige Werte mindestens bezüglich einer der Eigenschaften Tg, Riß
beständigkeit und Haftung.
Im Gegensatz dazu lassen sich die Massen, die sowohl ein Naphthalinringe
enthaltendes Epoxidharz, als auch ein Biphenylgruppen enthaltendes
Epoxidharz und ein Phenolharz enthalten (Beispiele 1 bis 8) zu Produkten
aushärten mit einem hohen Tg-Wert und einer verbesserten Rißbeständigkeit,
Feuchtigkeitsbeständigkeit und Haftung.
Die erfindungsgemäßen Massen zeigen ein gleichmäßiges Fließverhalten
und lassen sich zu Produkten mit niedrigem Elastizitätsmodul, insbesondere
bei Temperaturen oberhalb des Tg-Wertes und einem niedrigen linea
ren Ausdehnungskoeffizienten, einem hohen Tg-Wert unabhängig von nie
drigen Spannungen und einer minimalen Feuchtigkeitsabsorption aus
härten. Die mit den erfindungsgemäßen Massen eingekapselten Halblei
terbauteile bleiben auch dann sehr zuverlässig, wenn sie nach der Ober
flächenmontage Hitzeschocks unterworfen worden sind.
Claims (7)
1. Epoxidharzmasse, enthaltend
- (A) ein Naphthalinringe enthaltendes Epoxidharz der folgenden allge
meinen Formel (1)
in der
R1 ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffato men,
OG eine Gruppe der Formel
k eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5,
l eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 3,
m eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 2 und
n 1 oder 2
bedeuten, wobei die OG-Gruppen entweder an einen Ring oder beide Ringe des Naphthalinringes gebunden sein können; - (B) ein Biphenyl enthaltendes Epoxidharz der folgenden allgemeinen
Formel (2):
in der
R2 ein Wasserstoffatom, ein Halogenatom oder eine einwertige Koh lenwasserstoffgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen und
q eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5 bedeuten; - (C) ein Phenolharz der folgenden allgemeinen Formel (3):
in der
R3 aus Gruppen der Formeln
in denen einige oder sämtliche Wasserstoffatome durch Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen ersetzt sein können, gewählt ist,
R4 ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlen stoffatomen und
r eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 5 bedeuten; und (D) einen anorganischen Füllstoff.
2. Epoxidharzmasse nach Anspruch 1, worin die Bestandteile (A) und
(B) in einem Gewichtsverhältnis von 1/1 bis 9/1 vorhanden sind.
3. Epoxidharzmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bestandteile (A) und (B) 5 bis 60 Gew.-% Naphthalinringe enthalten.
4. Epoxidharzmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bestandteile (A), (B) und (C) Epoxidgruppen und phenolische Hydro
xylgruppen in solchen Mengen enthalten, daß das Molverhältnis von Epo
xidgruppen zu phenolischen Hydroxylgrupen im Bereich von 1/2 bis 3/2
liegt.
5. Epoxidharzmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
100 bis 1000 Gewichtsteile des Füllstoffs (D) pro 100 Gew.-Teile der ver
einigten Bestandteile (A), (B) und (C) vorhanden sind.
6. Epoxidharzmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sie zusätzlich (E) ein Silicon-modifiziertes Copolymer enthält.
7. Verwendung der Epoxidharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6
zur Einkapselung von Halbleiterbauteilen.
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