DE60109366T2 - Klebstoff auf der Basis von Epoxidharzen mit Allyl- oder Vinylgruppen zur Befestigung von Halbleitern - Google Patents

Klebstoff auf der Basis von Epoxidharzen mit Allyl- oder Vinylgruppen zur Befestigung von Halbleitern Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Chipbefestigungskleber mit verbesserter Adhäsion infolge des Vorliegens von Epoxyharz mit Allyl- oder Vinyl-Unsättigung.
  • Kleberzusammensetzungen werden bei der Herstellung und Montage bzw. Anordnung von Halbleiterbauteilen für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt, z.B. die Bindung von Chips mit integriertem Schaltkreis an Leitungsrahmen oder andere Substrate, und die Bindung von Schaltkreisbauteilen oder Anordnungen an Leiterplatten. Die Hauptanforderungen für diese Verwendungen sind ein schnelles Härten und eine hohe Klebefestigkeit, die traditionell mit Epoxyharzen erreicht werden. Epoxyharze können allerdings brüchig sein, und andere Harze wurden bewertet und verwendet, um Chipbefestigungsklebern Flexibilität, Hydrophobie und andere Eigenschaften zu verleihen. Die alternativen Harze wiederum zeigen nicht immer die starke Adhäsion, die von den Epoxyharzen bereitgestellt wird. Daher besteht ein Bedarf für Chipbefestigungskleber, die ein Gleichgewicht von Eigenschaften beinhalten, um alle Anforderungen an einen Kleber, der bei der Herstellung eines Halbleiterbauteils verwendet wird, zu erfüllen.
  • JP-11-147929-A lehrt Harzzusammensetzungen, welche Epoxyharze umfassen, die von Allyl-substituierten Bisphenolen und Epihalogenhydrinen abgeleitet sind. Die Zusammensetzungen sind für die Herstellung von Chip-Bonding-Pasten verwendbar.
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Kleberzusammensetzung, umfassend (a) ein Harz, das zum Härten durch Radikalpolymerisation fähig ist, d.h. dass es Kohlenstoff-Kohlenstoff-Unsättigung aufweist, oder das fähig ist durch Hydrosilylierung, d.h., dass es Siliciumhydrid-Gruppen hat, zu härten, (b) eine Epoxyverbindung, die Allyl- oder Vinyl-Unsättigung aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 2,6-Diglycidylphenylallylether, Glycidylvinylbenzylether und Glycidylvinylether, (c) ein Härtungsmittel für die Epoxyverbindung und (d) ein Härtungsmittel für das Harz und (e) gegebenenfalls einen Füllstoff oder mehrere Füllstoffe. Die Zusammensetzung kann auch Adhäsionspromotoren oder Haftvermittler enthalten. Die Erfinder haben entdeckt, dass der Zusatz der Epoxyverbindung, die Allyl- oder Vinyl-Unsättigung enthält, eine unerwartete Erhöhung bei der Adhäsionsleistungsfähigkeit für das Basisharz, das die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Unsättigung enthält, ergab. In einer anderen Ausführungsform ist diese Erfindung ein Halbleiterbauteil, das einen Halbleiterchip hat, der mit dem erfindungsgemäßen Kleber an ein Substrat befestigt ist.
  • Durch Radikale härtbare Harze, die als Kleber in mikroelektronischen Anwendungen verwendet werden können, umfassen z.B. Maleimide, z.B. die, die von Ciba Specialty Chemicals erhältlich sind; Siloxane und Polysiloxane, z.B. die, die von Gelest verfügbar sind; Polyether, z.B. die, die von BASF erhältlich sind; Polyester, z.B. die, die von Uniqema oder Bayer verfügbar sind, Poly(butadien)e, z.B. die, die von Elf-Atochem erhältlich sind; Polyurethane, z.B. die, die von Bayer oder BASF erhältlich sind; und Acrylatharze, z.B. die, die von Sartomer oder UCB Radcure erhältlich sind. Siloxane und Polysiloxane, die durch Hydrosilylierung härten, können lineare oder cyclische Polymere sein und werden wenigstens zwei Siliciumhydrid-Funktionalitäten pro Molekül haben. Die Polyether, Polyester und Polyurethane werden vorzugsweise eine terminale Unsättigung enthalten, können aber auch eine Unsättigung innerhalb der Polymerkette enthalten. Das besondere Harz wird vom Praktiker so gewählt, dass spezifische Materialeigenschaften in eine Endformulierung erhalten werden, z.B. rheologische Eigenschaften, hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften, Zähigkeit, Festigkeit oder Flexibilität. Das Harz wird in der Kleberzusammensetzung in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-% vorhanden sein.
  • Die Epoxyverbindungen mit Allyl- oder Vinylfunktionalität sind aus der Gruppe, bestehend aus 2,6-Diglycidylphenylallylether, Glycidylvinylbenzylether oder Glycidylvinylether, ausgewählt. Das Epoxy wird in der Kleberzusammensetzung in einem Bereich von 0,1 bis 30 Gew.-% vorliegen.
  • Beispiele für Härtungsmittel für die Basisharze sind Radikalinitiatoren, welche thermische Initiatoren oder Photoinitiatoren sein können. Die Initiatoren werden in der Kleberzusammensetzung in einer Menge von 0,1 % bis 10 %, vorzugsweise 0,1 bis 3,0 Gew.-%, vorhanden sein. Bevorzugte thermische Initiatoren umfassen Peroxide, z.B. Butylperoctoate und Dicumylperoxid, und Azoverbindungen, wie z.B. 2,2'-Azobis(2-methyl-propannitril) und 2,2'-Azobis(2-methyl-butannitril). Eine bevorzugte Reihe von Photoinitiatoren wird unter der Handelsbezeichnung Irgacure von Ciba Specialty Chemicals verkauft. In einigen Formulierungen kann sowohl ein Photohärten als auch ein thermisches Härten wünschenswert sein, beispielsweise kann der Härtungsprozess durch Bestrahlung gestartet werden und in einem späteren Verarbeitungsschritt kann das Härten durch Anwendung von Wärme vollendet werden.
  • Beispiele der Härtungsmittel für die Epoxyfunktionalität am Epoxyharz sind Lewis-Basen, z.B. Amine, wie Ancamine 2337xs, und 4,4'-Bis(paraaminocyclohexyl)methan, beide im Handel von Air Products erhältlich; Imidazole, wie z.B. Curezol 2E4MZ-CN, ein Produkt von Shikoku Chemicals; Amide, wie z.B. Dicyanamid, ein Produkt von Air Products; Polyamide, wie z.B. Versamide 140, ein Produkt von Henkel; tertiäre Amine, wie z.B. Amicure DBU, ein Produkt von Air Products. Alternativ können Lewis-Säuren, wie z.B. Rhodorasil 2074 [(Tolylcumyl)iodonium-tetrakis(pentafluorphenyl)borat], ein Produkt von Rhodia, oder GE UV9380C, ein Produkt von General Electric, verwendet werden, um ein kationisches Härten zu initiieren. Das Härtungsmittel für die Epoxyfunktionalität wird in der Zusammensetzung in einem Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% der Gesamtformulierung vorhanden sein.
  • Im Allgemeinen werden diese Zusammensetzungen innerhalb eines Temperaturbereichs von 70°C bis 250°C härten, und die Härtung wird innerhalb eines Bereichs von 10 Sekunden bis 3 Stunden erfolgen. Das Zeit- und Temperaturhärtungsprofil jeder Formulierung wird entsprechend den Komponenten der Formulierung variieren, allerdings können die Parameter eines Härtungsprofils durch den Fachmann ohne aufwendiges Experimentieren eingestellt werden.
  • In einigen Zusammensetzungen kann es wünschenswert sein, organische oder anorganische Füllstoffe zuzusetzen. Geeignete leitfähige Füllstoffe sind Ruß, Graphit, Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium, Siliciumcarbid, Bornitrid, Diamant und Aluminiumoxid. Geeignete nicht-leitende Füllstoffe sind Partikel aus Vermiculit, Glimmer, Wollastonit, Calciumcarbonat, Titandioxid, Sand, Glas, Quarzgut, hochdisperses Siliciumdioxid, Bariumsulfat und halogenierte Ethylenpolymere, z.B. Tetrafluorethylen, Trifluorethylen, Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, Vinylidenchlorid und Vinylchlorid. Obgleich die Füllstoffe optional sind, werden sie, wenn sie vorhanden sind, in Mengen von 20 bis 90 Gew.-% der Zusammensetzung vorliegen.
  • Geeignete Adhäsionspromotoren oder Haftvermittler sind Silane, Silicatester, Metallacrylate oder -methacrylate, Titanate und Verbindungen, die einen Chelatbildner, wie z.B. Phosphin, Mercaptan und Acetoacetat enthalten. Wenn Haftvermittler vorliegen, werden sie in Mengen von bis zu 10 Gew.-% und vorzugsweise in Mengen von 0,1 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% vorliegen.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, wobei diese nicht als Beschränkung auf die Erfindung gedacht sind.
  • Halbleiterbauteile, die aus einem Siliciumchip, befestigt an einem Bondpad am Leitungsrahmen mit einem Klebstoff, dem Chip und dem Leitungsrahmen bestehen und in ein Formkompound eingekapselt sind, werden auf ihre Zuverlässigkeit unter Verwendung eines Testprotokolls von JEDEC Soplid State Technology Association, identifiziert als JESD22-A112, getestet. In diesem Verfahren wird das Halbleiterbauteil 85°C und 85 % relativer Feuchtigkeit für 168 Stunden unterworfen, wonach es in einem Infrarotofen 240°C ausgesetzt wird, wobei ein Standardlötmetall-Anstiegsprofil über 5 Minuten verwendet wird. Ein Versagen des Bauteils bei der Zuverlässigkeit zeigt sich als Delaminierung irgendeiner der Bauteilgrenzflächen oder als gerissenes Formungskompound.
  • Frühere Experimente der Erfinder, die auf Versagen des Klebstoffs, der den Chip an dem Leitungsrahmen befestigt, untersuchten, wurden unter Verwendung von nicht-eingekapselten Anordnungen eines Chips, der mit den Chipbefestigungsklebern an einem Leitungsrahmen befestigt war, durchgeführt. In diesen Experimenten wurden die nicht-eingekapselten Anordnungen in einem Ofen bei 175°C für 30 Minuten gehärtet. Nach dem Härten wurden die Anordnungen in zwei Gruppen aufgeteilt. Die erste Gruppe wurde auf die Scherfestigkeit nach Aussetzen einer heißen trockenen Umgebung, die aus 240°C für 1 Minute, gefolgt von 175°C für 4 Stunden, bestand, getestet.
  • Die zweite Gruppe wurde auf Chipscherfestigkeit nach Aussetzen einer heißen nassen Umgebung, die aus 85 % relativer Feuchtigkeit bei 85°C für 168 Stunden bestand, getestet.
  • Nach der Behandlung wurde jede Gruppe an Anordnungen auf 250°C erhitzt, wonach der Chip von seinem Substrat durch Scherung entfernt wurde. Einige der Anordnungen zeigten ein Versagen des Klebemodus des Klebstoffs, der den Chip an den Leitungsrahmen befestigte, andere zeigten ein Versagen des Klebemodus des Klebers, der den Chip an den Leitungsrahmen befestigte.
  • Solche Kleber, die beim Kohäsionsmodus (bzw. kohäsiven Modus) versagten, korrelierten mit einer höheren Zuverlässigkeit im JEDEC-Testverfahren bei eingekapselten Bauteilen unter Verwendung desselben Klebers, während die Kleber, die beim Adhäsionsmodus (bzw. adhäsiven Modus) versagten und eine saubere Metalloberfläche lieferten, mit einer geringeren Zuverlässigkeit im JEDEC-Testverfahren an eingekapselten Bauteilen unter Verwendung desselben Klebstoffs korrelierten.
  • In den folgenden Beispielen wurden Formulierungen mit und ohne das Epoxy mit Allyl- oder Vinylfunktionalität auf Scherfestigkeit des heißen trockenen Chips (gemessen in kg Kraft) und auf Scherfestigkeit des heißen feuchten Chips unter Verwendung der oben beschriebenen Protokolle getestet. Der getestete Chip war ein Siliciumchip, 12,5 mm × 12,5 mm × 0,38 mm, der an einem blanken Kupfer- oder einem Silber-plattierten Leitungsrahmen befestigt war.
  • Die Kleberzusammensetzung und Leistungsfähigkeits-Testdaten sind in den folgenden Tabellen angeführt und zeigen, dass die Kleberformulierungen, die Epoxy mit Allyl- oder Vinylfunktionalität enthalten, während des Schertests mit heißem feuchtem Chip im Kohäsionsmodus versagten, während die Formulierungen ohne das Epoxy, das Allyl- oder Vinylfunktionalität enthält, im Adhäsionsmodus versagten. Daher zeigen die Daten, dass die Formulierungen, die die Epoxyverbindung mit Vinyl- oder Allyl-Unsättigung enthalten, die Kleberleistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauteils verbessern. Die Zusammensetzungen sind in Gew.-% angegeben. Beispiel 1
    Figure 00070001
    Beispiel 2
    Figure 00080001
    Anmerkung: Für beide Formulierungen war die Haftung an einem Ag-plattierten Leitungsrahmen zufriedenstellend. Beispiel 3
    Figure 00090001

Claims (3)

  1. Chipbefestigungskleberzusammensetzung, umfassend (a) ein Harz, das zum Härten durch Radikalpolymerisation oder durch Hydrosilylierung fähig ist, und das in einer Menge von 10 Gew.-% bis 80 Gew.-% vorliegt; (b) eine Epoxyverbindung mit Vinyl- oder Allylfunktionalität, die aus der Gruppe, bestehend aus 2,6-Diglycidylphenyl-allylether, Glycidylvinylbenzylether und Glycidylvinylether, ausgewählt ist und in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 30 Gew.-% vorliegt; (c) ein Härtungsmittel für die Epoxyverbindung, das in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% vorliegt; (d) ein Härtungsmittel für das Harz, das in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-% vorliegt und (e) gegebenenfalls einen Füllstoff, der in einer Menge von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% vorliegt.
  2. Chipbefestigungskleber nach Anspruch 1, wobei das Harz aus der Gruppe, bestehend aus Maleimiden, Polyethern, Polyestern, Poly(butadien)en, Pulyurethanen, Acrylaten, Siloxanen und Polysiloxanen, ausgewählt ist.
  3. Chipbefestigungskleber nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff vorhanden ist und aus der Gruppe, bestehend aus Ruß, Graphit, Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium, Siliciumcarbid, Bornitrid, Diamant, Aluminiumoxid, Vermiculit, Glimmer, Wollastonit, Calciumcarbonat, Titandioxid, Sand, Glas, Quarzgut, hochdispersem Siliciumdioxid, Bariumsulfat, Tetrafluorethylen, Trifluorethylen, Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, Vinylidenchlorid und Vinylchlorid ausgewählt ist.
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