DE60224581T2 - Doppelaufhärtungs-b-stapelbare unterfüllung für das wafer-niveau - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzungen, die zur Anwendung auf einen Silicium-Wafer vor Singulation geeignet sind. Die Zusammensetzungen beinhalten zwei getrennt härtende Chemien.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mikroelektronische Vorrichtungen enthalten Millionen von elektrischen Schaltkreiskomponenten, die elektrisch miteinander verbunden sind und elektrisch an einen Träger oder ein Substrat gebunden sind und mechanisch auf einem Träger oder einem Substrat getragen werden. Die Verbindungen werden zwischen elektrischen Enden an der elektronischen Komponente und entsprechenden elektrischen Enden an dem Substrat gebildet.
  • Ein Verfahren zur Bildung dieser Verbindungen nutzt polymeres oder metallisches Material, das in Bondhügeln auf die Komponenten- oder Substratenden aufgebracht wird. Die Enden werden ausgerichtet und miteinander in Kontakt gebracht und die resultierende Anordnung wird erwärmt, um das metallische oder polymere Material aufzuschmelzen und die Verbindung zu verfestigen.
  • Während ihrer normalen Lebensdauer wird die elektronische Anordnung Zyklen erhöhter und gesenkter Temperaturen unterworfen. Infolge der Differenzen beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die elektronische Komponente, das Verbindungsmaterial und das Substrat, kann dieses thermische Cycling die Komponenten der Anordnung beanspruchen und verursachen, dass sie versagt. Um ein Versagen zu verhindern, wird die Lücke zwischen der Komponente und dem Substrat mit einem polymeren Kapselungsmaterial gefüllt, welches im Folgenden als Underfill oder Underfill-Kapselungsmaterial bezeichnet wird, um das verbundene Material zu verstärken und einiges der Beanspruchung bzw. der Spannung des thermischen Cyclings zu absorbieren.
  • Zwei hervorstechende Verwendungen für Underfill-Technologie sind zur Verstärkung von Packungen, die in der Industrie als Chip Scale-Packungen (CSP) bekannt sind, in denen eine Chip-Packung an einem Substrat befestigt ist, und Flip-Chip-Packungen, in denen ein Chip durch einen Array von Zwischenverbindungen an einem Substrat befestigt ist.
  • Bei herkömmlichen Underfill-Anwendungen erfolgt das Underfill-Verteilen und -Härten nach dem Aufschmelzen der metallischen oder polymeren Verbindung. Wenn die Verbindung eine Lötmetallzusammensetzung ist, wird zunächst ein Fluxmittel auf die Metallend-Pads auf dem Substrat aufgetragen. Der Halbleiter-Chip wird auf den gefluxten Bereich der Lötstelle gelegt. Die Anordnung wird dann erwärmt, um die Lötverbindung aufzuschmelzen oder die polymere Verbindung aufzuschmelzen. Als nächstes wird eine abgemessene Menge an Underfill entlang einer peripheren Seite oder mehrerer peripherer Seiten der elektronischen Anordnung verteilt und die Kapillarwirkung innerhalb der Komponente-zu-Substrat-Lücke zieht das Material nach innen. Nachdem der Spalt gefüllt ist, kann zusätzliches Underfill-Kapselungsmaterial entlang der vollständigen Anordnung peripher verteilt werden, um die Verringerung der Spannungskonzentrationen zu unterstützen und die Ermüdungszeit der zusammengesetzten Struktur zu verlängern. Das Underfill-Kapselungsmaterial wird anschließend gehärtet, um seine optimierten Endeigenschaften zu erreichen.
  • In einem anderen herkömmlichen Verfahren wird das Underfill auf dem Substrat verteilt. Ein mit Bondhügeln versehener Chip wird mit der aktiven Fläche nach unten auf dem Underfill platziert und die Anordnung wird erwärmt, um die Lötmittel- oder polymeren Verbindungen zu entwickeln und das Underfill zu härten.
  • Kürzlich wurden Anstrengungen unternommen, um das Verfahren zu modernisieren und die Effizienz zu erhöhen, indem das Underfill-Kapselungsmaterial direkt auf den Halbleiter-Wafer gegeben wird, bevor dieser in einzelne Chips zerteilt wird. Dieses Verfahren, welches über verschiedene Verfahren, einschließlich Siebdruck, Schablonendruck und Schleuderbeschichtung, durchgeführt werden kann, sorgt für eine einzelne Applikation von Underfill auf einen Halbleiter-Wafer, welcher später in viele einzelne Chips zerteilt wird.
  • Die Präambel von Anspruch 1 ist aus dem Dokument US-B-6 242 513 bekannt.
  • Um als ein Waferlevel-Underfill-Kapselungsmaterial einsetzbar zu sein, muss das Underfill verschiedene Eigenschaften haben. Das Material muss einfach gleichmäßig auf den Wafer aufzutragen sein, so dass der ganze Wafer eine konsistente Beschichtung hat. Während der abschließenden Befestigung der einzelnen Chips an einem Substrat muss das Underfill fluxen, um eine Abrundungsbildung (fillet formation) zu ermöglichen, die Lötmittel-Bondhügel fluxieren, wenn Lötmittel verwendet wurde, und eine gute Adhäsion bereitstellen. Ganz gleich, ob die Verbindung des Chips mit dem Substrat mit dem Lötmittel oder mit polymerem Material durchgeführt wird, es sollte ein Härten des Underfills erfolgen, nachdem die Verbindung gebildet ist, und sie sollte rasch erfolgen.
  • Eine weitere wichtige Eigenschaft ist, dass das Underfill fähig sein muss, nach Auftragung auf den Wafer fest zu werden, damit es das saubere Zerteilen des Wafers in einzelne Chips nicht stört. Die Verfestigung des Underfill-Kapselungsmaterials erfolgt durch ein Verfahren, das als so genanntes B-Stufe bezeichnet wird, was bedeutet, dass das Underfill-Material ein anfängliches Erwärmen durchmacht, nachdem es auf dem Wafer platziert wurde, was in einer glatten, nicht-klebrigen Beschichtung ohne Restlösungsmittel resultiert.
  • Wenn das Ausgangs-Underfill-Material ein Feststoff ist, wird der Feststoff in einem Lösungsmittel dispergiert oder gelöst, um eine Paste zu bilden, und die Paste wird auf den Wafer aufgetragen. Das Underfill wird dann erwärmt, um das Lösungsmittel zu verdampfen, wodurch ein festes, aber ungehärtetes Underfill auf dem Wafer zurückbleibt. Wenn das Ausgangs-Underfill-Material eine Flüssigkeit oder eine Paste ist, wird das Underfill auf dem Wafer verteilt und erwärmt, um es partiell zu einem festen Zustand zu härten.
  • Das B-Stufen-Erwärmen erfolgt typischerweise bei einer Temperatur unter 150°C, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von etwa 100°C bis etwa 150°C. Das abschließende Härten des Underfill-Kapselungsmaterials muss bis nach einem Lötmittelfluxen (wenn Lötmittel das Verbindungsmaterial ist) und der Bildung der Verbindung, welche bei einer Temperatur von 183°C im Fall des eutektischen Zinn-Blei-Lötmittels erfolgt, verzögert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Underfill-Zusammensetzung, die zwei chemische Zusammensetzungen umfasst, die Härtungstemperaturen oder Härtungstemperaturbereiche haben, die ausreichend getrennt sind, um zu ermöglichen, dass die Zusammensetzung mit der niedrigeren Härtungstemperatur, hierin im Folgenden die erste Zusammensetzung, härtet, ohne dass die Zusammensetzung mit der höheren Härtungstemperatur, hierin im Folgenden die zweite Zusammensetzung, härtet. In der Praxis wird die erste Zusammensetzung während eines B-Stufen-Verfahrens gehärtet, und die zweite wird ungehärtet bleiben, bis ein abschließendes Härten erwünscht ist, zum Beispiel bei der endgültigen Befestigung eines Halbleiter-Chips an einem Substrat. Das vollständig gehärtete Material wird zu einem ausreichend hohen Molekulargewicht vernetzt oder polymerisiert, welches wirksam ist, um ihm strukturelle Integrität zu verleihen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Jede, die erste und die zweite Zusammensetzung, ist eine oder mehrere monomere, eine oder mehrere oligomere, oder eine oder mehrere polymere Verbindung(en) oder ein oder mehrere monomeres/monomere, ein oder mehrere oligomeres/oligomere oder ein oder mehrere polymeres/polymere Harz(e) oder Kombinationen von diesen, die gemeinsam reagieren, um zu polymeren oder zu vernetzen. Beides, Polymerisation und Vernetzung, werden als Härtung/Härten bezeichnet. Die Zusammensetzungen werden im Allgemeinen ein Härtungsmittel oder einen Härtungs-Initiator zusätzlich zu der monomeren, oligomeren oder polymeren Spezies enthalten, und können gegebenenfalls ein Lösungsmittel enthalten. In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen werden die erste und die zweite Zusammensetzung hier als das gesamte B-Stufen-geeignete Underfill bezeichnet.
  • Die erste Zusammensetzung wird eine Flüssigkeit oder einen Feststoff, gelöst oder dispergiert in einem Lösungsmittel, umfassen. Die zweite Zusammensetzung wird bei Raumtemperatur ein festes oder halbfestes Material sein, dispergierbar oder auflösbar entweder in der flüssigen ersten Zusammensetzung oder in demselben Lösungsmittel oder einem kompatiblen Lösungsmittel wie für die erste Zusammensetzung. Die Wahl der ersten und zweiten Zusammensetzungen wird zum Teil durch die Temperatur, bei der die endgültige Verbindung des Halbleiter-Chips mit seinem Substrat hergestellt wird, bestimmt werden.
  • Im Fall eines eutektischen Zinn-Blei-Lötmittels zum Beispiel erfolgen Lötmittelfluxen und Verbindung bei einer Temperatur von 183°C. Das abschließende Härten des Underfill sollte rasch nach dem Fließen des Lötmittel-Bondhügels und der Verbindung erfolgen und kann bei der Lötmittelaufschmelztemperatur oder bei einer höheren Temperatur erfolgen. Dementsprechend wird in diesem Fall die zweite Zusammensetzung so gewählt, dass sie eine Härtungstemperatur nahe oder bei 183°C oder leicht darüber hat. Wenn ein polymeres Verbindungsmaterial verwendet wird, wird die zweite Zusammensetzung so gewählt werden, dass sie eine Härtungstemperatur bei oder nahe der Härtungstemperatur der polymeren Verbindung hat.
  • Die erste Zusammensetzung wird so gewählt, dass sie vor der Härtungstemperatur der zweiten Zusammensetzung härten wird und vor der Temperatur, bei der die Verbindung hergestellt wird, härten wird. Die Härtungstemperaturen der ersten und der zweiten Zusammensetzungen können um einen beliebigen Wert getrennt sein, der wirksam ist, um zwei unterschiedliche Härtungsprofile bereitzustellen, so dass die zweite Zusammensetzung nicht bei oder in dem Härtungsbereich der ersten Zusammensetzung härtet, obgleich ein unbedeutendes Härten der zweiten Zusammensetzung während des B-Stufen-Verfahrens tolerierbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Härtungstemperaturen der ersten und zweiten Zusammensetzung um wenigstens 30°C getrennt sein.
  • Typischerweise erfolgt das B-Stufen-Erwärmen, das heißt, das Härten der ersten Zusammensetzung, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 150°C. Ein beliebiges verwendetes Lösungsmittel sollte so gewählt werden, dass es in demselben Temperaturbereich, wie das Härten der ersten Zusammensetzung erfolgt, verdampft. Ein Härten der ersten Zusammensetzung und ein Verdampfen des Lösungsmittels während des B-Stufen-Verfahrens wird die gesamte Underfill-Zusammensetzung verfestigen, ein sauberes Zerteilen des Wafers erlauben und eine Porenbildung während des abschließenden Befestigungsverfahrens vermeiden.
  • Wenn auf die geeignete Befestigungstemperatur für den Halbleiter-Chip erwärmt wird, sollte die gesamte Underfill-Zusammensetzung schmelzen und ausreichend fließen, um die Oberfläche des Substrats vollständig zu benetzen. Eine effiziente Benetzung resultiert in einer guten Adhäsion.
  • Die Härtungsverfahren können durch Bestrahlung (zum Beispiel mit UV-Licht) für das erste B-Stufen-Härten initiiert und verbessert werden, und dann für das abschließende Härten durch Wärme initiiert und verbessert werden, oder beides, das B-Stufen- und das abschließende Härten können durch Wärme initiiert verbessert bzw. vorangetrieben werden.
  • Die erste und die zweite Zusammensetzung werden in einem Molverhältnis von 5:95 bis 95:5 vorliegen, wie es durch den Fachmann für spezifische Endverwendungen bestimmt werden kann. Kombinationen aus ersten Zusammensetzungen und zweiten Zusammensetzungen des gesamten B-Stufen-geeigneten Underfills umfassen:
    Erste: Thermisch härtbare Acryl-(zum Beispiel solche, die von Sartomer erhältlich sind), Maleimid-(zum Beispiel solche, die von Ciba Specialty Chemicals oder National Starch and Chemical Company erhältlich sind), und Vinyl-Verbindungen (zum Beispiel Vinylether und Vinylsilane, die von Aldrich erhältlich sind) mit Radikal-Härtungsmitteln. Zweite: Thermisch härtbare Epoxy-Verbindungen bzw. Epoxid-Verbindungen oder -Harze (zum Beispiel solche, die von National Starch, CIBA, Sumitomo oder Dainippon erhältlich sind) mit latenten Amin- oder Imidazol-Härtungsmitteln.
  • Erste: Thermisch härtbare Acryl-Verbindungen (zum Beispiel solche, die von Sartomer erhältlich sind) mit Radikal-Härtungsmitteln. Zweite: Thermisch härtbare Epoxy-Verbindungen bzw. Epoxid-Verbindungen oder -Harze (zum Beispiel solche, die von National Starch, CIBA, Sumitomo oder Dainippon erhältlich sind) mit latenten Amin- oder Imidazol-Härtungsmitteln.
  • Erste: Strahlungshärtbare cycloaliphatische Epoxy-Verbindungen (zum Beispiel CIBA CY179) mit Fotoinitiatoren. Zweite: Thermisch hartbare aromatische Epoxy-Verbindungen (zum Beispiel Eisphenol-A-diepoxid) mit phenolischen Härtern und Phosphin-basierten Härtungsmitteln.
  • Erste: Strahlungshärtbare Acryl-Verbindungen (zum Beispiel solche, die von Sartomer erhältlich sind) mit Fotoinitiatoren. Zweite: Thermisch härtbare Epoxy-Verbindungen bzw. Epoxid-Verbindungen (zum Beispiel solche, die von National Starch, CIBA, Sumitomo oder Dainippon erhältlich sind) mit latenten Amin- oder Imidazol-Härtungsmitteln.
  • Erste: Thermisch initiierte, durch freies Radikal härtbare Bismaleimid-Verbindungen (Elektronenakzeptoren) (zum Beispiel solche, die von Ciba Specialty Chemicals oder National Starch and Chemical Company erhältlich sind) mit (Elektronendonoren) Vinylethern, Vinylsilanen, Styrol-Verbindungen, Cinnamyl-Verbindungen. Zweite: Thermisch härtbare Epoxy-Verbindungen bzw. Epoxid-Verbindungen (zum Beispiel solche, die von National Starch, CIBA, Sumitomo oder Dainippon erhältlich sind) mit latenten Amin- oder Imidazol-Härtungsmitteln.
  • Beispiele für geeignete Epoxy-Harze umfassen monofunktionelle und multifunktionelle Glycidylether von Bisphenol-A und Bisphenol-F, aliphatische und aromatische Epoxide, gesättigte und ungesättigte Epoxide, cycloaliphatische Epoxy-Harze und Kombinationen von solchen.
  • Bevorzugte Epoxy-Harze sind Glycidyletherepoxide, entweder getrennt oder in Kombination mit Nicht-Glycidyletherepoxiden. Ein bevorzugtes Epoxy-Harz dieses Typs ist Bisphenol-A-epoxy-Harz. Harz des Bisphenol-A-Typs ist im Handel von Resolution Technologies als EPON 828 erhältlich. Ein anderes bevorzugte Epoxy-Harz ist Bisphenol-F-epoxy-Harz, hergestellt durch die Reaktion von einem Mol Bisphenol-F-Harz und zwei Mol Epichlorhydrin. Harze vom Bisphenol-F-Typ sind im Handel von CVC Specialty Chemicals, Maple Shade, New Jersey, unter der Bezeichnung 8230E und von Resolution Performance Products LLC unter der Bezeichnung RSL1739 erhältlich. Eine Mischung von Bisphenol-A und Bisphenol-F ist von Nippon Chemical Company unter der Bezeichnung ZX-1059 erhältlich.
  • Ein anderes geeignetes Epoxy-Harz ist Epoxy-Novolak-Harz, das durch die Reaktion von phenolischem Harz und Epichlorhydrin hergestellt wird. Ein bevorzugtes Epoxy-Novolak-Harz ist Poly(phenylglycidylether)-co-formaldehyd.
  • Andere geeignete Epoxy-Harze sind Biphenyl-epoxy-Harz, üblicherweise hergestellt durch die Reaktion von Biphenyl-Harz und Epichlorhydrin; Dicyclopentadien-Phenol-epoxy-Harz; Naphthalin-Harze; Epoxy-funktionelle Butadien-Acrylnitril-Copolymere; Epoxy-funktionelles Polydimethylsiloxan und Gemische der oben genannten.
  • Es können auch Nicht-Glycidylether-epoxide verwendet werden. Geeignete Beispiele umfassen 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat, welches zwei Epoxid-Gruppen, die Teil der Ringstrukturen sind und eine Ester-Verknüpfung enthält; Vinylcyclohexendioxid, welches zwei Epoxid-Gruppen enthält, von denen eine Teil der Ringstruktur ist; 3,4-Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat und Dicyclopentadiendioxid.
  • Weitere Beispiele für geeignete Epoxide bzw. Epoxy-Verbindungen umfassen:
    Figure 00080001
  • Ein bevorzugter Katalysator für die Epoxy-Zusammensetzungen, die in dem gesamten B-Stufen-geeigneten Underfill verwendet werden, ist ein Imidazol-Anhydrid-Addukt. Wenn das Härtungsmittel zu schnell wirkt, kann es die Formulierung gelieren und inhibiert das Fluxen bzw. Fließen des Lötmittels. Die Verwendung des Imidazol-Anhydrid-Addukts hält die Formulierungsviskosität bei einem ausreichend niedrigen Level, üblicherweise unter 5000 mPa·s bei 190°C, um sicherzustellen, dass ein Fluxen erfolgen kann.
  • Bevorzugte Imidazole zur Bildung des Addukts umfassen nicht-N-substutierte Imidazole, zum Beispiel 2-Phenyl-4-methylimidazol, 2-Phenylimidazol und Imidazol. Andere verwendbare Imidazol-Komponenten für das Addukt umfassen Alkyl-substituierte Imidazole, N-substituierte Imidazole und Gemische von solchen.
  • Bevorzugte Anhydride zur Bildung des Addukts sind cycloaliphatische Anhydride, zum Beispiel Pyromellitsäuredianhydrid, das im Handel als PMDA von Aldrich erhältlich ist. Andere geeignete Anhydride umfassen Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (im Handel erhältlich als MHHPA von Lonza Inc. Intermediates and Actives), Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Nadinsäuremethylanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Dodecylbernsteinsäureanhydrid, Bisphenyldianhydrid, Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid und Gemische von solchen.
  • Zwei bevorzugte Addukte sind ein Komplex aus 1 Teil 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäureanhydrid und 4 Teilen 2-Phenyl-4-methylimidazol und ein Komplex aus 1 Teil 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 2 Teilen 2-Phenyl-4-methylimidazol. Die Addukte werden durch Lösen der Komponenten in einem geeigneten Lösungsmittel, zum Beispiel Aceton, unter Wärme hergestellt. Beim Abkühlen fällt das Addukt aus.
  • Zusätzlich zu der ersten und zweiten Zusammensetzung kann das gesamte B-Stufengeeignete Underfill gegebenenfalls ein Lösungsmittel, einen anorganischen Füllstoff und ein Fluxmittel umfassen. Andere optionale Komponenten, die unter Geheimhaltung des die Formulierung erstellenden Fachmanns sind, umfassen ein oder mehrere Lufttrennmittel, Fließadditive, Haftungsvermittler, Rheologie-Modifizierungsmittel und oberflächenaktive Mittel. Die Komponenten werden spezifisch gewählt, um das gewünschte Gleichgewicht der Eigenschaften für die Verwendung der ausgewählten Chemiesätze zu erhalten.
  • Beispiele für geeignete Cinnamyl-Donoren zur Verwendung mit Maleimiden umfassen:
    Figure 00100001
    worin C36 ein lineares oder verzweigtes Alkyl mit 36 Kohlenstoffen darstellt, das von Linol- und Ölsäure abgeleitet ist.
  • Beispiele geeignete Styrol-Donoren zur Verwendung mit Maleimiden umfassen:
    Figure 00100002
    Figure 00110001
    worin C36 ein lineares oder verzweigtes Alkyl mit 36 Kohlenstoffen darstellt, das von Linol- und Ölsäuren abgeleitet ist.
  • Die Underfill-Zusammensetzung kann auch ein Fluxmittel enthalten, um Metalloxid aus den elektrischen End-Pads zu entfernen und eine Reoxidation zu verhindern. Es kann eine Vielzahl unterschiedlicher Fluxmaterialien verwendet werden, obgleich das bevorzugte Fluxmittel eine Carbonsäure oder ein Carbonsäureanhydrid sein wird. Bevorzugte Fluxmittel bzw. Flussmittel umfassen Polysebacinsäurepolyanhydrid, Kollophoniumgummi, Dodecandisäure (im Handel erhältlich als Corfree M2 von Aldrich), Adipinsäure, Weinsäure und Citronensäure. Andere geeignete Fluxmittel umfassen Alkohole, Hydroxysäuren und Hydroxybasen. Bevorzugte Fluxmaterialien umfassen Polyole, zum Beispiel Ethylenglykol, Glycerin, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxa]-1,2-propandiol, D-Ribose, D-Cellobiose, Cellulose und 3-Cyclohexen-1,1-dimethanol.
  • Gegebenenfalls können Lösungsmittel verwendet werden, um die Viskosität der Zusammensetzung zu modifizieren, und wenn sie verwendet werden, sollten sie so gewählt werden, dass sie während des B-Stufen-Erwärmens verdampfen. Typischerweise wird ein B-Stufen-Erwärmen im Bereich von etwa 100°C bis etwa 150°C erfolgen. Beispiele für Lösungsmittel, die verwendet werden können, umfassen Ketone, Ester, Alkohole, Ether und andere Lösungsmittel, die stabil sind und die Komponenten der Zusammensetzung lösen. Bevorzugte Lösungsmittel umfassen γ-Butyrolacton und Propylenglykolmethylethylacetat.
  • Geeignete Füllstoffe für Underfill-Materialien sind nicht-leitende und umfassen Teilchen aus Vermiculit, Glimmer, Wollastonit, Calciumcarbonat, Titandioxid, Sand, Glas, Quarz, hochdispersem Siliziumdioxid, Bariumsulfat und halogenierten Ethylenpolymeren, zum Beispiel Tetrafluorethylen, Trifluorethylen, Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, Vinylidenchlorid und Vinylchlorid. Wenn Füllstoffe verwendet werden, werden sie im Allgemeinen in Mengen bis zu 98 Gew.-% der Formulierung vorliegen.
  • Härtungsmittel, zum Beispiel Radikal-Initiatoren, thermische Initiatoren und Fotoinitiatoren werden in einer wirksamen Menge vorliegen, um die Zusammensetzung zu härten. Im Allgemeinen werden solche Mengen im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% des gesamten organischen Materials (das heißt, ausgenommen anorganische Füllstoffe) in der Zusammensetzung vorliegen. Bevorzugte Radikal-Initiatoren umfassen Peroxide, zum Beispiel Butylperoctoate und Dicumylperoxid, im Handel erhältliche Produkte, wie USP90MD (ein Produkt von Witco) und Azo-Verbindungen, zum Beispiel VAZO52 und VAZO64 (Produkte von Dupont), 2,2'-Azobis(2-methylpropannitril) und 2,2'-Azobis(2-methylbutannitril). Bevorzugte Fotoinitiatoren sind solche, die von Ciba Specialty Chemicals unter der Marke Irgacure verkauft werden.
  • Für einige erste Zusammensetzungen kann es vorteilhaft sein, einen Härtungsbeschleuniger, zum Beispiel Kobaltneodecanoat, einzuschließen, um die Härtungstemperatur zu senken. Wenn Härtungsbeschleuniger zugesetzt werden, werden sie in einer Menge von etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-% der organischen Komponenten der ersten Zusammensetzung, ausgenommen die organischen Komponenten der zweiten Zusammensetzung und Füllstoffe, vorliegen. Es kann in einigen Fällen auch vorteilhaft sein, ein kationisches Härtungsmittel, zum Beispiel Rhodorsil 2074, zuzugeben.
  • Andere optionale Ingredienzien, die dem Ersteller der Rezeptur zur Verfügung stehen, sind Entschäumungsmittel, Adhäsionspromotoren, Netzmittel, Fließadditive und Rheologie-Modifizierungsmittel, die, wenn sie zugesetzt werden, typischerweise in Mengen von 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-% vorliegen.
  • Silicium-Wafer haben eine aktive Seite, an der das Mikroschaltkreissystem eingebettet ist, und eine passive Seite. Die Underfill-Zusammensetzungen mit dualer Härtung gemäß dieser Erfindung werden auf die aktive Seite des Silicium-Wafers mittels Schablonendruck aufgebracht. In einer weiteren Ausführungsform ist diese Erfindung ein Silicium-Wafer mit einer aktiven Seite, die ein Schaltkreissystem enthält, auf welches ein B-Stufen-geeignetes Underfill abgeschieden wurde, wobei das B-Stufen-geeignete Underfill eine erste Zusam mensetzung mit einer niedrigeren Härtungstemperatur, wie sie vorstehend beschrieben wurde, und eine zweite Zusammensetzung mit einer höheren Härtungstemperatur, wie sie vorher beschrieben wurde, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zusammensetzung vollständig gehärtet wurde.
  • BEISPIELE
  • BEISPIEL 1: Zwei Zusammensetzungen mit dualem Härtungsvermögen wurden hergestellt und untersucht, um die geeigneten Parameter für eine B-Stufe zu bestimmen und die geeignete Verbindungsbildung zu beweisen. Die Komponenten sind in Tabelle in Gewichtsteilen angegeben.
    TABELLE 1
    FORMULIERUNG A (Gewichtsteile)
    Epoxy Epon 1001 50
    2-Phenoxyethylacrylat 25,2
    Butylphenylmaleimid 25
    Kobaltneodecanoat 1
    t-Butylperoctoat 2
    Addukt von PMDA und 2P4Mz 2
    Dodecandisäure 10
    FORMULIERUNG B (Gewichtsteile)
    Epoxy Epon 1001 50
    2-Phenoxyethylacrylat 25,2
    Kobaltneodecanoat 1
    t-Butylperoctoat 2
    Addukt von PMDA und 2P4Mz 2
    Dodecandisäure 10
  • Die Erreichung geeigneter B-Stufen-Parameter ist sowohl für das Schneiden bzw. Zerteilen des Wafers als auch für die eventuelle Befestigung des Halbleiter-Chips an seinem Substrat wichtig. Wenn die Formulierung für weniger als die optimale Zeit erwärmt wird (ei ner B-Stufe unterzogen wird), wird das Underfill klebrig werden und wird den Zerteilungsprozess bzw. Schneideprozess beeinträchtigen. Wenn das Material auf eine zu hohe Temperatur oder für einen zu langen Zeitraum erwärmt wird (einer B-Stufe unterzogen wird), wird die zweite Zusammensetzung zu härten beginnen. Wenn die zweite Zusammensetzung zu härten beginnt, wird die "over-B-stages"-Beschichtung (die Beschichtung über die B-Stufe hinaus) auf dem Chip während der Befestigung des Chips an dem Substrat nicht fließen, was die Adhäsion des Underfill-Kapselungsmaterials und gegebenenfalls die Leistungsfähigkeit des Halbleiter-Package beeinträchtigt.
  • Das Testvehikel, das verwendet wird, um die Fähigkeit der Zusammensetzungen, einer B-Stufe unterzogen zu werden, und die geeigneten Parameter für die B-Stufe zu bestimmen, war ein Glasobjektträger, der mit Bondhügeln aus eutektischen Lötmittelkugeln mit 20 mil Durchmesser versehen war. Die Formulierungen A und B wurden unabhängig zu einer Höhe von 20 mil mittels Schablonendruck auf die Testvehikel aufgetragen. Die Testvehikel wurden unter Vakuum in einem NAPCO-Vakuumofen, Modell 5831, mit einer Vakuumablesung bei 73,66 cm (29 inch) Hg für 30 Minuten und bei jedem 10 Minuten-Intervall bis zu 100 Minuten auf 130°C erwärmt. Nach jedem Erwärmungzeitraum wurden die Testvehikel durch visuelle Betrachtung und Berührung mit der Hand bezüglich einer nicht klebrigen, einheitlichen und glatten Beschichtung untersucht.
  • Die Testvehikel wurden auch bezüglich eines Härtens der zweiten Zusammensetzung untersucht. Nach jedem Zeitraum zur Erwärmung, wie es oben beschrieben wurde, wurde das Testvehikel mit der Underfill-Seite nach unten auf ein Stück FR-4-Board mit Kupfer-Finish gelegt. Diese Anordnung wurde dann durch einen typischen Aufschmelzofen mit einem typischen Aufschmelztemperaturprofil mit der höchsten Temperatur bei 240°C geführt. Die Anordnung wurde visuell durch den Glasobjektträger bezüglich des Fluxens der Lötmittelkugeln und der Befestigung zwischen dem Glasobjektträger-Testvehikel und dem FR-4-Board untersucht. Vergrößerte Lötmittelkügelchen sind ein Hinweis für Fließen. Das Fehlen von Fließen ist ein Hinweis für ein Härten der zweiten Zusammensetzung, was das Lötmittel einschränken würde und es am Fließen hindern würde. Das Fehlen von Fließen verhindert auch die Befestigung des Testvehikels an dem FR-4-Board.
  • Die Resultate des Tests sind in Tabelle 2 angegeben und zeigen, dass für diese Formulierungen ein B-Stufen-Erwärmen eine nicht-klebrige Beschichtung und kein Härten der zweiten Zusammensetzung erreichen kann.
    TABELLE 2 B-Stufen-Zeiten und -Resultate
    130°C für eine Zeit von (min klebrig Zweite Zusammensetzung gehärtet
    30 ja nein
    40 ja nein
    50 nein nein
    60 nein nein
    70 nein ja
    80 nein ja
    90 nein ja
    100 nein ja
  • Eine visuelle Betrachtung und die Daten zeigen, dass die optimale B-Stufen-Zeit bei 130°C im Vakuumofen für die Zusammensetzungen mit einer Dicke von 20 mil 50 bis 60 Minuten ist. Unter diesen B-Stufen-Bedingungen wurde eine glatte, nicht-klebrige und porenfreie Beschichtung auf dem Glasobjektträger gebildet. Wenn das Material in kürzerer Zeit als diese Zeit gehärtet wurde, war das Underfill noch klebrig. Wenn das Material länger als 60 Minuten einer B-Stufe unterzogen wurde, zeigte die Anordnung, nachdem der Glasobjektträger auf dem FR-4-Board befestigt war, weder ein Nicht-Fließen der Lötmittelkügelchen noch eine schlechte Befestigung zwischen den beiden Teilen oder beides.
  • Es sollte betont werden, dass der optimale B-Stufen-Zeitraum von der Dicke des Underfill-Verkapselungsmittels und der chemischen Zusammensetzung der Formulierungen abhängt. Im Allgemeinen gilt, je dicker das Underfill-Verkapselungsmittel ist, desto länger ist der erforderliche B-Stufen-Zeitraum. Eine Bestimmung der optimalen B-Stufen-Zeit liegt im Rahmen des Fachwissens eines Fachmanns mit den Offenbarungen dieser Beschreibung.
  • BEISPIEL 2. Dieses Beispiel beweist die Fähigkeit der dualen härtbaren Underfill-Zusammensetzungen, eutektisches Pb/Sn-Lötmittel zu fluxen und die Bildung einer Verbindung mit dem Substrat zu ermöglichen. Hier wurden dieselben Formulierungen A und B wie in Beispiel 1 verwendet. Eutektische Lötmittelkügelchen mit 20 mil im Durchmesser wurden auf einen Glasobjektträger platziert. Das Underfill-Material wurde zu einer Dicke von etwa 20 mil durch Schablonendruck auf die Glasobjektträger aufgetragen. Die Glasobjektträger wurden dann auf eine Heizplatte, die bei 135°C vorerhitzt war, gelegt und für 50 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Es wurde eine glatte, porenfreie, nicht-klebrige Beschichtung erhalten.
  • Der beschichtete Objektträger wurde dann (mit der beschichteten Seite nach unten) auf ein Stück eines FR-4-Substrats mit Kupfer-Finish gelegt. Das FR-4-Substrat (mit dem beschichteten Glasobjektträger auf seiner Oberseite) wurde auf eine Heizplatte gelegt, die auf 240°C vorerhitzt war. Es wurde beobachtet, dass sich die Lötmittelkügelchen in der Fläche vergrößerten und der Objektträger auf dem Substrat kollabierte, was anzeigt, dass das Lötmittel floss und eine Verbindung zwischen Chip und Substrat gebildet wurde. Das Underfill benetzte auch das Substrat und floss unter Bildung eines vollständigen Randes um den Glasobjektträger.
  • Unter Verwendung genau derselben Underfill-Zusammensetzungen und Verfahren wurden ähnliche Resultate an einem OPS (Organic Solderable Passivation) beschichteten Kupfersubstrat erhalten.

Claims (12)

  1. Silicium-Wafer, der an einer Oberfläche des Wafers ein B-Stufen-geeignetes Underfill-Material abgeschieden hat, wobei das B-Stufen-geeignete Underfill-Material zwei chemische Zusammensetzungen, eine erste Zusammensetzung und eine zweite Zusammensetzung, umfasst, die ausreichend getrennte Härtungstemperaturen oder Härtungstemperaturbereiche haben, um die Zusammensetzung mit der niedrigeren Härtungstemperatur, die erste Zusammensetzung, ohne Härten der Zusammensetzung mit der höheren Härtungstemperatur, die zweite Zusammensetzung, härten zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zusammensetzung gehärtet wurde und die zweite Zusammensetzung ungehärtet ist.
  2. Silicium-Wafer nach Anspruch 1, bei dem Härtungstemperaturen der ersten und der zweiten Zusammensetzung um wenigstens 30°C getrennt sind.
  3. Silicium-Wafer nach Anspruch 1, bei dem die erste Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Acryl-Verbindungen, cyclialiphatischen Epoxid-Verbindungen, Bismaleimid-Verbindungen und Bismaleimid-Verbindungen in Kombination mit Vinylether-, Vinylsilan-, Styrol- oder Cinnamyl-Verbindungen.
  4. Silicium-Wafer nach Anspruch 4, bei dem die zweite Zusammensetzung eine Epoxid-Verbindung ist
  5. Silicium-Wafer nach Anspruch 4, bei dem die zweite Zusammensetzung eine Epoxy-Verbindung und ein Imidazol/Anhydrid-Addukt ist.
  6. Silicium-Wafer nach Anspruch 5, bei dem das Imidazol/Anhydrid-Adduk ein Komplex aus 1 Teil 1,2,4,5-Bezoltetracarbonsäureanhydrid und 4 Teilen 2-Phenyl-4-methylimidazol oder ein Komplex aus 1 Teil 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 2 Teilen 2-Phenyl-4-methylimidazol ist.
  7. B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei chemische Zusammensetzungen, eine erste Zusammensetzung und eine zweite Zusammensetzung, umfasst, die ausreichend getrennte Härtungstemperaturen oder Härtungstemperaturbereiche haben, um die Zusammensetzung mit der niedrigeren Härtungstemperatur, die erste Zusaammensetzung, ohne Härten der Zusammensetzung mit der höheren Härtungstemperatur, die zweite Zusammensetzung, härten zu lassen.
  8. B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzung nach Anspruch 7, bei der die Härtungstemperaturen der ersten und der zweiten Zusammensetzung um wenigstens 30°C getrennt sind.
  9. B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzung nach Anspruch 7, bei der die erste Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Acryl-Verbindungen; cycloaliphatischen Epoxy-Verbindungen, Bismaleimid-Verbindungen und Bismaleimid-Verbindungen in Kombination mit Vinylether-, Vinylsilan-, Styrol- oder Cinnamyl-Verbindungen.
  10. B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzung nach Anspruch 7, bei der die zweite Zusammensetzung eine Epoxid-Verbindung ist.
  11. B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzung nach Anspruch 10, bei der die zweite Zusammensetzung eine Epoxid-Verbindung mit einem Imidazol/Anhydrid-Addukt ist.
  12. B-Stufen-geeignete Underfill-Zusammensetzung nach Anspruch 9, bei der das Imidazol/Anhydrid-Addukt ein Komplex aus 1 Teil 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäureanhydrid und 4 Teilen 2-Phenyl-4-methylimidazol oder ein Komplex aus 1 Teil 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 2 Teilen 2-Phenyl-4-methylimidazol ist.
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