DE60038253T2

DE60038253T2 - Verbindungsmaterial

Info

Publication number: DE60038253T2
Application number: DE60038253T
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Kanuma-Shi Yagi; Motohide Kanuma-shi Takeichi; Junji Kanuma-shi Shinozaki
Original assignee: Sony Chemicals Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2020-09-16
Also published as: HK1066238A1; EP1085790B9; EP1277819A1; CN1255868C; EP1085790B1; KR100652915B1; US6566422B1; DE60011720D1; JP3371894B2; EP1277819B1; CN1510092A; DE60038253D1; DE60011720T2; KR20010050461A; JP2001160568A; CN1299852A; CN1192071C; EP1085790A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsmaterial zum Binden und Verbinden von Elementen, die miteinander zu verbinden sind und jeweils eine Mehrzahl von Elektroden gegenüber denen von einem anderen Element aufweisen, insbesondere ein Verbindungsmaterial enthaltend ein wärmehärtbares Harz.
BESCHREIBUNG DER DAMIT VERBUNDENEN TECHNIKEN
Zum Zusammenbau eines Halbleiters, wie IC, LSI usw., auf einer Substratleiterplatte, ist eine Praxis eingesetzt worden, bei der ein Halbleiterchip, wie ein Tragchip, unter Verwendung eines Verbindungsmaterial direkt auf der Substratleiterplatte montiert ist. Hierbei erfolgt die Bindung von einem solchen Chip mit einer Leiterplatte, indem sie eine Stellung gebracht werden, in der die Elektroden oder Anschlüsse, die auf dem Chip oder auf der Leiterplatte angeordnet sind, in zueinander entsprechend gegenüberstehenden Beziehung sind, während das Verbindungsmaterial dazwischen gebracht wird, woraufhin das Verbindungsmaterial gehärtet wird, um eine mechanisch feste Bindung von ihnen und eine sichere elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den entsprechenden Elektroden gleichzeitig zu erreichen.
Bei einem solchen Verbindungsmaterial ist ein wärmehärtbares Harz als grundlegender Bestandteil verwendet worden. Das Verbindungsmaterial wird zwischen die Substratleiterplatte und den Halbleiterchip eingefügt und sie werden in einer solchen Stellung gehalten, dass die Elektroden oder Anschlüsse, die elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden sind und sich darauf befinden, in einer entsprechend gegenüberliegenden Beziehung zueinander sind, worauf die sich ergebende Anordnung von beiden Seiten wärmegepresst wird durch Pressen unter Erwärmen, damit das wärmehärtbare Harz gehärtet wird, um dadurch eine feste Bindung von ihnen zu erhalten. Hierbei wird die mechanische Bindung des Chips mit der Substratleiterplatte bereitgestellt, indem die Bindungsstärke (Haftfestigkeit) des Harzes und der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den entsprechenden Elektroden oder Anschlüssen erreicht wird durch einen Pressreibungskontakt, der durch die Wärmehärtung des Harzes fixiert wird. Diese elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden kann durch direkten Kontakt der Elektroden miteinander oder durch Vermittlung durch eine Verbrückung durch elektrisch leitfähige Teilchen, die im Verbindungsmaterial in einem verteilten Zustand enthalten sind, erreicht werden.
Es ist erforderlich, dass die Substratleiterplatte mit darauf montierten/montiertem Halbleiterchip(s) eine Wärmebeständigkeit aufweisen, um den Bedingungen im Schritt des Fließens des Lötmittels zu widerstehen, bei dem die Substratplatte hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Die sich ergebende Zusammenstellung der Leiterplatte kann unter Umgebungsbedingungen von relativ hoher Temperatur und relativ hoher Feuchtigkeit in Betrieb genommen werden, so dass es solchen Bedingungen widerstehen sollte. Aber die Wärmebeständigkeit und die Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen von herkömmlichen Verbindungsmaterialien genügen nicht und so ist ein Problem aufgetaucht, bei dem das Auftreten von fehlerhafter elektrischer Verbindung in der Anordnung manchmal nicht nur bei den Prüfungstests für die Wärmebeständigkeit und für die Beständigkeit gegen Umgebungsbedingungen, wie Wärmeschocktest, Schnellkochtest (PCT, pressure cooker test) und Lötmittelaufschmelztest nachgewiesen wird, sondern auch in den praktischen Produktionsverfahrensschritten, wenn die Zusammenstellung einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Eine solche fehlerhafte elektrisch leitfähige Verbindung tritt häufig in Anordnungen mit Halbleiterchips mit Mustern mit engem Abstand auf, bei denen eine große Anzahl von Elektroden in einem begrenzten Bereich angeordnet sind.
Bei der Untersuchung nach dem Grund dafür wurde festgestellt, dass eine Abweichung oder Verschiebung in den festgelegten Positionen der Elektroden beim Verbinden von zwei Elementen miteinander, bei denen sich die linearen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden, unter Verwendung eines Verbindungsmaterials auftritt, wenn das Verbindungsmaterial auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) des Klebstoffharzes im Verbindungsmaterial gebracht wird, wie auch im Fall, wenn das Material einer solchen hohen Temperatur wie beim Aufschmelzen des Lötmittels ausgesetzt wird, wodurch eine fehlerhafte elektrisch leitfähige Verbindung verursacht wird. Hier wird angenommen, dass die Verringerung der Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen durch eine mögliche Zwischenschichtexfoliation der Bindungsschicht an den Grenzflächen zwischen der Verbindungsmaterialschicht und den Elementen nach einem lang anhaltenden Gebrauch verursacht sein kann, da die Eigenspannungen in der gehärteten Schicht des Verbindungsmaterials, die sich aus der Härtungskontraktion des Klebstoffharzes ergeben, die für ein Klebstoffharz, der eine hohe Haftfestigkeit zeigt, groß ist, an diesen Grenzflächen konzentriert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verbindungsmaterials zum Binden und Verbinden von Elementen, die jeweils darauf Elektroden in einer entsprechend gegenüberstehenden Beziehung zueinander aufweisen, wobei eine sichere elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den entsprechenden Elektroden erreicht wird, wobei das Verbindungsmaterial eine hohe Wärmebeständigkeit zeigt und nicht an dem Auftreten von fehlerhaften elektrischen Verbindungen leidet, selbst wenn die Elemente eine große Anzahl von Elektroden aufweisen, die in einem engen Intervall angeordnet sind, und selbst wenn das Verbindungsmaterial einer hohen Temperatur ausgesetzt ist.
Daher beruht die vorliegende Erfindung auf dem folgenden Verbindungsmaterial:

(1) Ein Verbindungsmaterial (das erste Verbindungsmaterial) wie in Anspruch 1 definiert.
(2) Das Verbindungsmaterial wie vorstehend in (1) definiert, wobei die Klebstoffkomponente 20 bis 75 Gew.-% des wärmehärtbaren Harzes, 25 bis 80 Gew.-% des anorganischen Füllstoffs und bis zu 40 Gew.-% eines thermoplastischen Harzes umfasst.
(3) Das Verbindungsmaterial wie vorstehend in (1) oder (2) definiert, wobei es ferner 0 bis 30%, bezogen auf das Volumen der Klebstoffkomponente, von elektrisch leitfähigen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1 bis 10 μm umfasst.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
Das erste Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung ist durch die Verwendung von charakteristischen Merkmalen der Materialeigenschaften definiert, wobei das erste Verbindungsmaterial bezüglich der Wärmebeständigkeit überlegen ist.
Für die Elemente, die miteinander durch das Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung zu verbinden sind, können jedes Paar von Elementen, die jeweils auf der einem anderen Element gegenüberstehenden Seite Elektroden, die jeweils gegenüber einer entsprechenden auf dem anderen Element in einem Paar stehen, insbesondere eine große Zahl von Elektroden, die elektrisch leitfähig mit entsprechenden Gegenelektroden auf dem anderen Element zu verbinden sind, als Ziel der Verbindung dienen. Die vorliegende Erfindung kann besonders geeignet sein für solche, bei denen die beiden Elemente, die miteinander zu verbinden sind, jeweils Elektroden aufweisen, die in einem begrenzten Bereich mit einem engeren Abstand, in einer geringen Breite und mit einem engen Intervall angeordnet sind, wie beim Zusammenstellen eines Halbleiterchips, wie eines Tragchips, auf einer Substratplatte. In vielen Fällen wird eine Substratplatte als Gegenelement für den zu verbindenden vorstehend genannten Halbleiterchip verwendet. Das Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung kann zum Zusammenbauen von Halbleiterchips und dgl. auf einer Substratplatte direkt oder unter Vermittlung von z. B. einem Zwischenschaltmittel verwendet werden. Hierbei können Substratplatten aus jedem beliebigen Material verwendet werden, z. B. Glas/Epoxy-Substratplatten, Harzplatten, Glasplatten und flexible Harzplatten.
Das Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung enthält eine Klebstoffkomponente, die ein wärmehärtbares Harz und einen anorganischen Füllstoff umfasst. Das Verbindungsmaterial wird zwischen den Elementen, die miteinander zu verbinden sind, eingefügt, und die Elemente werden von beiden Seiten aufeinander gepresst, damit die Elektroden, die gegenüber auf der gegenüberliegenden Seite jedes Elements angeordnet sind, miteinander in Kontakt gebracht werden, während der Zwischenraum zwischen Nachbarelektroden, der mit dem Verbindungsmaterial zu füllen ist, gehalten wird. In diesem Zustand lässt man das Verbindungsmaterial härten, um gleichzeitig eine elektrische Verbindung und eine mechanische Bindung zu erreichen. Die elektrische Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden kann entweder durch einen direkten Kontakt der Elektroden oder unter Vermittlung durch elektrisch leitfähige Teilchen erreicht werden. Wenn der Oberflächenbereich des dickeren Teils der Elektrode, wie ein Steghöcker, klein ist (z. B. 1.000 μm² oder weniger), kann ein direkter Kontakt möglich sein, während ein Kontakt unter Vermittlung von elektrisch leitfähigen Teilchen für Elektroden mit größeren Oberflächenbereichen vorteilhaft ist. Die elektrisch leitfähigen Teilchen werden in das Verbindungsmaterial in einer darin dispergierten Form aufgenommen.
Als Hauptharz für das wärmehärtbare Harz, das gemäß der vorliegenden Erfindung in das Verbindungsmaterial aufzunehmen ist, können Harze, die durch gleichzeitigen Einsatz eines Härtungsmittels unter Einwirkung von Wärme oder Bestrahlung mit Strahlen, wie UV-Strahlen oder dgl., gehärtet werden können, und die aus 20 bis 75 Gew.-% der Klebstoffkomponente bestehen, verwendet werden und es sind wärmehärtbare Harze ausgewählt aus Epoxyharzen, Phenolharzen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polyesterharzen und Hydroxylgruppen enthaltenden Acrylharzen. Epoxyharze sind im Hinblick auf die Ausgewogenheit zwischen den beteiligten Parametern, wie Härtungstemperatur, Härtungszeit, Lagerstabilität usw., des Harzes am meisten bevorzugt.
Als Epoxyharze können solche vom Bisphenoltyp, solche vom Epoxy-Novolak-Typ und solche, die aus Epoxyverbindungen mit zwei oder mehr Oxirangruppen im Molekül erhalten werden, verwendet werden. Handelsprodukte dieser Epoxyharze können als solche auch eingesetzt werden.
Obwohl das Hauptharz des wärmehärtbaren Harzes der Klebstoffkomponente gewöhnlich durch gleichzeitigen Einsatz eines Härtungsmittels einer Härtung ausgesetzt werden kann, ist es zulässig, das Härtungsmittel auszulassen, wenn eine funktionelle Substituentengruppe, welche die Härtungsreaktion erleichtert, im Molekül des Hauptharzes vorhanden ist. Als Härtungsmittel können jene verwendet werden, die der Härtungsreaktion mit dem Hauptharz durch die Einwirkung von Wärme oder Bestrahlung ausgesetzt werden können, z. B. Imidazole, Amine, Säureanhydride, Hydrazide, Dicyandiamide und Isocyanate und auch modifizierte Produkte davon. Handelsprodukte können auch eingesetzt werden. Bei solchen Härtungsmitteln ist ein latentes Härtungsmittel bevorzugt.
Ein latentes Härtungsmittel wird während den Verarbeitungsschritten und der Lagerung bei normaler Temperatur und beim Trocknen bei relativ niedriger Temperatur (40 bis 100°C) keiner Härtungsreaktion unterworfen, aber es findet eine Härtungsreaktion unter Druck und unter Erwärmen (Warmpressen) bei einer Härtungstemperatur oder bei Einwirkung von Strahlung mit Strahlen wie UV-Strahlen statt. Für ein solches latentes Härtungsmittel ist eines besonders bevorzugt, bei dem das vorstehend genannte Härtungsmittel, wie ein Imidazol oder ein Amin, in Mikrokapseln eingekapselt ist, für das Handelsprodukte als solche eingesetzt werden können. Zur Aktivierung durch Erwärmen können solche mit einer Härtungs-Starttemperatur von 80 bis 150°C bevorzugt sein.
Der anorganische Füllstoff, der in das Verbindungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung aufzunehmen ist, dient zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit und insbesondere des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbindungsmaterial, indem er der Klebstoffkomponente enthaltend das wärmehärtbare Harz zugemischt wird. Als solche anorganische Füllstoffe sind solche bevorzugt, die als wärmebeständige und druckbeständige teilchenförmige Produkte mit mittleren Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis 15 μm, bevorzugt 0,1 bis 5 μm, und einer Mohs-Härte im Bereich von 3 bis 9, bevorzugt 5 bis 9, vorliegen. Beispiele für einen solchen anorganischen Füllstoff umfassen Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Calciumcarbonat und Aluminiumnitrid. Unter diesen ist Siliciumdioxid im Hinblick auf die mögliche feste Anpassung an organische Substanzen, Kosten und leichte Verfügbarkeit usw. bevorzugt. Für den praktischen Einsatz können Produkte von kristallinem Siliciumdioxid, Schmelzsiliciumdioxid und synthetischem Siliciumdioxid eingesetzt werden, wobei solche mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 bis 5 μm bevorzugt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein thermoplastisches Harz zu der Klebstoffkomponente gemischt, um dem Verbindungsmaterial die Fähigkeit zu verleihen, auf Substraten aufgetragen zu werden oder einen Film zu bilden. Die thermoplastischen Harze, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind ausgewählt aus Phenoxyharzen, Polyesterharzen, Acrylharzen, Polyurethanharzen und Butyralharzen.
Die Klebstoffkomponente des Verbindungsmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner andere Additive enthalten, wie Tenside, Haftvermittler, Ionenadsorptionsmittel, Antioxidationsmittel usw.
Das Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung, das die vorstehend beschriebene Klebstoffkomponente umfasst, kann elektrisch leitfähige Teilchen enthalten oder nicht. Daher kann es Teilchen aus einem Metall, wie einem Lötmetall, Nickelmetall oder dgl.; mit einem elektrischen Leiter beschichtete Teilchen, in denen Harzkernteilchen mit einem elektrisch leitfähigen Material durch Plattieren oder dgl. beschichtet sind; und mit Isolator beschichtete Teilchen, bei denen diese elektrisch leitfähigen Teilchen mit einem Isolierharz beschichtet sind, umfassen. Die mittlere Teilchengröße dieser elektrisch leitfähigen Teilchen kann im Bereich von 1 bis 20 m, bevorzugt im Bereich von 2 bis 10 μm, liegen.
Die Klebstoffkomponente in dem ersten Verbindungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst neben dem speziellen wärmehärtbaren Harz und dem thermoplastischen Harz und dem anorganischen Füllstoff bei Bedarf andere Harze und Additive. Die Verbindungsmaterialien umfassen die vorstehend beschriebene Klebstoffkomponente und bei Bedarf die vorstehend genannten elektrisch leitfähigen Teilchen.
Das erste Verbindungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus der Klebstoffkomponente, die besteht aus dem wärmehärtbaren Harz in einer Menge im Bereich von 20 bis 75 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 30 bis 70 Gew.-%, dem thermoplastischen Harz in einer Menge von bis zu 40 Gew.-%, bevorzugt bis zu 25 Gew.-%, dem anorganischen Füllstoff in einer Menge im Bereich von 25 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 70 Gew.-%, und einem oder mehreren anderen Additiven in einer Menge von 0 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 5 Gew.-%, wobei bei Bedarf elektrisch leitfähige Teilchen in einem Anteil von 0 bis 30%, bevorzugt 0 bis 20%, bezogen auf das Volumen der Klebstoffkomponente, aufgenommen werden.
Das Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung kann als Produkt in Form einer Paste oder Platte/Folie bereitgestellt werden.
Zur Herstellung einer Paste des Verbindungsmaterials können geeignete Bestandteile von den vorstehend angegebenen ausgewählt werden, um eine Paste ohne Einsatz eines Lösungsmittels zu bilden, obwohl es im allgemeinen praktisch ist, die Paste durch Lösen oder Dispergieren der Bestandteile in einem geeigneten Lösungsmittel zu bilden. Als Lösungsmittel können z. B. Alkohole, Ketone, Ester, Ether, Phenole, Acetal und Stickstoff enthaltende Kohlenwasserstoffe verwendet werden, worunter beispielhaft Toluol, MEK, Ethylacetat und Cellusolveacetat genannt werden können. Die Menge des zu verwendenden Lösungsmittels kann etwa 20 bis 40%, auf Basis des Gewichts der Harzkomponenten, betragen.
Zur Herstellung des Verbindungsmaterials in Form einer Platte/Folie wird die obige Paste des Verbindungsmaterials auf einem ablösbaren Film in einer Schicht aufgetragen, woraufhin das Lösungsmittel der Paste verdampft wird, um die Platte/Folie zu bilden.
Das erste Verbindungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung sollte von den vorstehend angegebenen Bestandteilen formuliert werden, so dass das sich ergebende Verbindungsmaterial nach Härtung einen Elastizitätsmodul im Bereich von 2 bis 10 GPa, eine Glasübergangstemperatur Tg im Bereich von 120 bis 200°C, bevorzugt von 140 bis 190°C, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten (α1) bei Temperaturen unterhalb der Tg von 50 ppm/°C oder weniger, bevorzugt 35 ppm/°C oder weniger, und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten (α2) bei Temperaturen über der Tg von 110 ppm/°C oder weniger, bevorzugt 100 ppm/°C oder weniger mit einem Unterschied von (α2 – α1) von 60 ppm/°C oder weniger, bevorzugt 50 ppm/°C oder weniger, durch Auswählen geeigneter Bestandteile und ihrer Anteile aufweist.
Die konkreten Verfahren zur Bestimmung der vorstehend genannten Eigenschaften sind wie folgt:

– Elastizitätsmodul wird durch das Verfahren gemäß JIS K-7198 bestimmt.
– Tg wird bestimmt als Temperatur am Peak von tan δ bei der Bestimmung des Elastizitätsmoduls
– Der lineare Ausdehnungskoeffizient wurde durch das Verfahren gemäß JIS K-7169 bestimmt.
– Die lineare Kontraktion wurde durch das Verfahren nach JIS K-6911 bestimmt.
– Das Feuchtigkeitsabsorptionsvermögen wurde bestimmt, indem die Probe bei 85°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 85% für 500 h gehalten und aus dem beobachteten Gewichtsunterschied der Probe vor und nach dieser Behandlung berechnet wurde.

BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Das Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung wird zwischen zwei miteinander zu verbindende Elemente, wie eine Substratleiterplatte und einen Halbleiterchip, die jeweils auf den gegenüberstehenden Seiten mit einer Mehrzahl von Elektroden versehen sind, eingefügt, während diese Elemente in einer Stellung gehalten werden, in der die Elektroden auf der gegenüberstehende Seite von jedem der Elemente in einer entsprechend gegenüberstehenden Beziehung zueinander sind, woraufhin die Elemente durch Zusammenpressen von beiden Seiten unter Erwärmen wärmegepresst werden, um das wärmehärtbare Harz zu härten, um eine feste Anordnung zu bilden. Bei Einsatz einer Paste des Verbindungsmaterials wird sie auf eines der Elemente über einen zu bindenden Bereich einschließlich der Elektroden aufgetragen, woraufhin das andere der Elemente auf die so beschichtete Seite des einen Elements vor oder nach Trocknen der aufgetragenen Schicht in einer solche Stellung platziert wird, so dass die Elektroden auf beiden Elementen in einer entsprechend gegenüberliegenden Beziehung zueinander sind, und anschließend die Zusammenstellung wärmegepresst wird, um das Härten des Harzes zu bewirken. Bei der Verwendung einer Platte/Folie des Verbindungsmaterials wird sie zwischen die beiden Elemente, die miteinander zu verbinden sind, eingefügt und anschließend die Zusammenstellung wärmegepresst, um das Härten des Harzes zu bewirken. Die Härtung kann nicht nur durch Erwärmen, sondern auch durch Bestrahlung mit Strahlen, wie UV-Strahlen, realisiert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahren durch Pressen des Verbindungsmaterials, das zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Elementen eingefügt ist, von beiden Seiten aufeinander unter Erwärmen wird das Verbindungsmaterial zuerst geschmolzen und aus dem Zwischenraum zwischen den gegenüberstehenden Elektroden zum freien Raum, in dem sich keine Elektrode befindet, herausgedrückt, bis die gegenüberstehenden Elektroden auf den Elementen miteinander in Kontakt gebracht worden sind, um dadurch die gegenüberstehenden Elektroden aufeinander zu pressen, um einen elektrisch leitfähigen Reibungskontakt zwischen ihnen aufzubauen, wobei das wärmehärtbare Harz im Verbindungsmaterial dann gehärtet wird, um die feste Anordnung aufzubauen. Wenn elektrisch leitfähige Teilchen enthalten sind, werden einige dieser Teilchen zwischen den gegenüberstehenden Elektroden beim Wärmepressen verbleiben und werden dort durch die gegenüberstehenden Elektroden gepresst, um eine Brücke von einem elektrisch leitfähigen Reibungskontakt zwischen diesen gegenüberstehenden Elektroden aufzubauen. Der Anteil des Verbindungsmaterials, der aus dem Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Elektroden in den elektrodenfreien Raum herausgedrückt wird, wird dort gehärtet, um eine feste fixierte Bindung zwischen den beiden Elementen aufzubauen. Auf diese Weise werden gleichzeitig die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden und die mechanische Bindung der beiden Elemente bereitgestellt.
Bei der Montage eines Halbleiterchips als einem zu verbindenden Element auf die Substratleiterplatte als zu verbindendem Gegenelement kann erstere mit letzterer durch das erste Verbindungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengestellt werden und die sich ergebende Zusammenstellung kann dann einem sogenannten Wiederaufschmelzlötverfahren bei hoher Temperatur (z. B. 220 bis 270°C) ausgesetzt werden. Hierbei wird eine fehlerhafte elektrische Verbindung nicht auftreten, da das erste Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls und der hohen Glasübergangstemperatur Tg zusammen mit den geringeren Werten für α1 und für α2 und einem geringen Wert für (α2 – α1) eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, so dass sich kaum eine Verschiebung oder ein Gleiten bei Temperaturen oberhalb der Tg ergibt.
Während der Prüfung zur Untersuchung der Wärmebeständigkeit durch Umgebungstests, einschließlich des Wärmeschocktests, des PCT- und des Lötwiederaufschmelztests ergibt sich auch keine fehlerhafte elektrische Verbindung der Elektroden.
Wie vorstehend erläutert weist das erste Verbindungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Wärmebeständigkeit auf und kann eine verbundene Anordnung ergeben, die kaum ein Auftreten von fehlerhafter Verbindung erfährt, selbst für Elemente mit einer großen Anzahl an Elektroden, die in einem engen Abstand angeordnet sind, und selbst bei Umgebungsbedingungen von hoher Temperatur, da das Verbindungsmaterial eine Klebstoffkomponente bestehend aus einem wärmehärtbaren Harz, einem thermoplastischen Harz und einem anorganischen Füllstoff in einer solchen Kombination und mit solchen Anteilen besteht, dass der Elastizitätsmodul, die Tg und der lineare Ausdehnungskoeffizient des gehärteten Verbindungsmaterials bei Temperaturen unterhalb der Tg und bei Temperaturen oberhalb der Tg in einem bestimmten Bereich sind.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mit Hilfe von Beispielen und Vergleichsbeispielen weiter beschrieben.
Beispiel 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4 für das erste Verbindungsmaterial
<Herstellung des ersten Verbindungsmaterials>
Eine Paste des Verbindungsmaterials wurde hergestellt durch Kneten eines Epoxyharzes A (ein Produkt von Dainippon Ink & Chemicals Inc. mit der Handelsbezeichnung 4032 D) oder eines Epoxyharzes B (ein Produkt der Firma Yuka Shell mit der Handelsbezeichnung Epikote 1009) als wärmehärtbares Harz, eines Härtungsmittels auf Basis von Imidazol (ein Produkt der Firma Asashi Ciba mit der Handelsbezeichnung HX-3941 HP) als Härtungsmittel, eines Phenoxyharzes (ein Produkt von Tohto Kasei Co., Ltd. mit der Handelsbezeichnung YP 50) als thermoplastisches Harz und eines Siliciumdioxid-Handelsprodukts (ein Produkt der Firma Tatsumori mit der Handelsbezeichnung SOE 2 mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 μm) als anorganischen Füllstoff in in Tabelle 1 angegebenen Anteilen zusammen mit Toluol, wonach die sich ergebende Paste auf eine Abziehfolie aufgetragen wurde und die Beschichtungsschicht getrocknet wurde, um ein Verbindungsmaterial als Folie mit einer Dicke von 40 μm zu erhalten. Die so erhaltene Folie des Verbindungsmaterials wurde 5 min bei 200°C erwärmt, um die Härtung des Materials zu bewirken. Die Eigenschaften des gehärteten Verbindungsmaterials sind in Tabelle 1 angegeben.
<Test Materialeigenschaften>
Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurde die Abziehfolie mit der aufgetragenen Schicht des nicht gehärteten Verbindungsmaterials in Bänder mit einer Größe von 6 cm × 0,2 cm geschnitten, die dann einer Härtung bei 180°C für 5 min unterzogen wurden, woraufhin die gehärtete Schicht des Verbindungsmaterials von der PET-Abziehfolie zur Verwendung als zu prüfende Probenfolie abgelöst wurde. Zur Prüfung wurde Vibron DDV 01 FP (Handelsbezeichnung) der Firma Orientec verwendet und die Bestimmung erfolgte bei einer Schwingungsfrequenz von 11 Hz, einer Temperaturerhöhungsrate von 3°C pro Minute und einem Spannvorrichtungs-Abstand von 5 cm.
Die Temperatur am Peak von tan δ bei der Prüfung des Elastizitätsmoduls wurde als Tg bestimmt.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient wurde durch das Verfahren gemäß JIS K-7161 für eine Probe von 15 cm × 1 cm × 4 μm bei einem Eichmessabstand von 10 cm bestimmt.
<Bewertungstest>
Ein IC-Chip mit goldplattierten Bumps, die mit einem Abstand von 150 μm als Elektroden angeordnet waren, wurden auf einer Glas/Epoxy-Substratleiterplatte mit darauf aufgedruckten Kupfermustern als Gegenelektrode in einer entsprechend gegenüberstehenden Beziehung zu denen der Bumps unter Verwendung der vorstehenden Verbindungsmaterial-Probenfolie zusammengestellt. Die Bewertung der Wärmebeständigkeit erfolgte für die sich ergebende Anordnung durch den folgenden Wärmeschocktest und den folgenden Lötwiederaufschmelztest. Zur Bestimmung des elektrischen Widerstands wurde eine Verkettung eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben, wobei OP bedeutet, dass der beobachtete Verbindungswiderstand größer als 100 Ω war.
In Tabelle 1 drückt "Bew. A" den elektrischen Widerstand aus, der bei der verbundenen Anordnung beobachtet wird, nachdem sie einen Wärmeschocktest durch wiederholte Heizzyklen unterworfen wurde, bei denen die Anordnung alternativ bei –55°C und +125°C für jeweils 15 min bis zu 1.000 Zyklen gehalten wurde. "Bew. B" wird durch den elektrischen Widerstand ausgedrückt, der durch die verbundene Anordnung beobachtet wird, wenn sie einem Lötwiederaufschmelztest durch Erwärmen unter einer Wiederaufschmelzbedingung einschließlich der höchsten erreichbaren Temperatur von 260°C ausgesetzt worden ist.

Aus den in Tabelle 1 angegebenen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die verbundenen Anordnungen der Beispiele 1 und 2 eine höhere Wärmebeständigkeit zeigen, während die der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 das Auftreten von fehlerhafter elektrischer Verbindung zeigten, vermutlich aufgrund des höheren linearen Ausdehnungskoeffizienten α2 für die Vergleichsbeispiele 1 und 4, aufgrund der größeren Werte von (α2 – α1) für Vergleichsbeispiel 2 und aufgrund des größeren Elastizitätsmoduls für Vergleichsbeispiel 3. TABELLE 1

			Beispiel		Vergleichsbeispiel
			1	2	1	2	3	4
Klebstoffkomponente (Gew.-Teile)
Epoxyharz A			45	45	45	45	45	-
Epoxyharz B			-	-	-	-	-	30
Härtungsmittel			25	25	25	25	25	45
Phenoxyharz			30	30	30	30	30	-
Siliciumdioxid¹)			50	70	0	20	85	0
Materialeigenschaften
Elastizitätsmodul	(GPa)	6,0	9,0	1,6	3,7	13,2	2,2
Tg	(°C)	160	160	160	160	160	143
α1	(ppm/°C)	33	14	55	45	8	57
α2	(ppm/°C)	75	50	130	108	37	160
(α2 – α1)	(ppm/°C)	42	36	75	63	29	103
Bewertung
anfängt. elektrischer Widerstand (Ω)			32	32	32	32	32	32
Bew. A: bei 1.000 Zyklen (Ω)			34	34	OP	34	OP	50
Bew. B: nach Wiederaufschmelzen (Ω)			34	34	OP	OP	OP	OP

Anmerkung 1): Prozent, bezogen auf das Gewicht der Klebstoffkomponente

Claims

Verbindungsmaterial zum Binden und Verbinden von Elementen, die jeweils in Bezug zueinander entsprechend positionierte Elektroden oder Anschlüsse darauf aufweisen, umfassend eine Klebstoffkomponente bestehend aus 20 bis 75 Gew.-% eines wärmehärtbaren Harzes ausgewählt aus Epoxyharzen, Phenolharzen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polyesterharzen und Hydroxylgruppen enthaltenden Acrylharzen, 25 bis 80 Gew.-% eines anorganischen Füllstoffs und bis zu 40 Gew.-% eines thermoplastischen Harzes ausgewählt aus Phenoxyharzen, Polyesterharzen, Acrylharzen, Polyurethanharzen und Butyralharzen; wobei das Material, nachdem es gehärtet wurde, kennzeichnende Merkmale aufweist, umfassend einen Elastizitätsmodul im Bereich von 2 bis 10 GPa, eine Glasübergangstemperatur (Tg) im Bereich von 120 bis 200°C, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten (α1) von 50 ppm/°C oder weniger bei Temperaturen unterhalb der Tg und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten (α2) von 110 ppm/°C oder weniger bei Temperaturen oberhalb der Tg, wobei die Differenz (α2 – α1) 60 ppm/°C nicht überschreitet.
Verbindungsmaterial wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Klebstoffkomponente 30 bis 70 Gew.-% des wärmehärtbaren Harzes, 30 bis 70 Gew.-% des anorganischen Füllstoffs und 0 bis 20 Gew.-% eines thermoplastischen Harzes umfasst.
Verbindungsmaterial wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, welches ferner 0 bis 30%, bezogen auf das Volumen der Klebstoffkomponente, an elektrisch leitfähigen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1 bis 10 μm umfasst.
Gegenstand, umfassend mindestens zwei Elemente mit auf gegenüberliegenden Flächen davon entsprechend positionierten Elektroden oder Anschlüssen, die durch ein Verbindungsmaterial wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 definiert miteinander verbunden sind.