DE60314596T2 - Nichtfliessende unterfüllungszusammensetzung - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Underfill-Verkapselungsmaterial, das in No-Flow-Underfill-Verfahren eingesetzt werden kann.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Underfill-Verkapselungsmaterial-Compounds, die aus Epoxiden hergestellt werden, um die Verbindungen zwischen einer elektronischen Komponente und einem Substrat in einem mikroelektronischen Gerät zu schützen und zu verstärken. Mikroelektronische Geräte enthalten viele Typen elektrischer Schaltkreiskomponenten, hauptsächlich Transistoren, die in Chips mit integriertem Schaltkreis (IC-Chips) eingebaut sind, aber auch Widerstände, Kondensatoren und andere Komponenten. Diese elektronischen Komponenten sind unter Bildung von Schaltkreisen wechselseitig verbunden und gegebenenfalls mit einem Träger oder Substrat verbunden und darauf getragen, zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte. Die integrierte Schaltkreiskomponente kann einen einzelnen reinen Chip, einen einzelnen verkapselten Chip oder eine verkapselte Packung aus mehreren Chips umfassen. Der einzelne reine Chip kann an einem Leiterrahmen befestigt sein, der wiederum verkapselt ist und mit der gedruckten Leiterplatte verbunden ist, oder er kann direkt an der gedruckten Leiterplatte befestigt sein.
  • Ob die Komponente ein reiner Chip ist, der mit einem Leiterrahmen verbunden ist, oder eine Packung ist, die mit einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen Substrat verbunden ist, die Verbindungen werden zwischen elektrischen Enden an der elektronischen Komponente und entsprechenden elektrischen Enden am Substrat hergestellt. Ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbindungen verwendet polymeres oder metallisches Material, das in Bondhügeln auf die Komponenten- oder Substratenden aufgetragen wird. Die En den werden ausgerichtet und miteinander in Kontakt gebracht und die resultierende Anordnung wird erhitzt, um das metallische oder polymere Material aufzuschmelzen und die Verbindung fest werden zu lassen.
  • Während ihrer normalen Gebrauchsdauer wird die elektronische Anordnung Zyklen stark variierender Temperaturbereiche unterworfen. Infolge der Unterschiede beim Wärmeausdehnungskoeffizienten für die elektronische Komponente, das verbundene Material und das Substrat kann dieses thermische Cycling die Komponenten der Anordnung beanspruchen und bewirken, dass sie versagt. Um das Versagen zu verhindern, wird die Lücke zwischen der Komponente und dem Substrat mit einem polymeren Verkapselungsmittel gefüllt, das hierin Underfill oder Underfill-Verkapselungsmaterial genannt wird, um das verbundene Material zu verstärken und etwas der Beanspruchung bzw. Spannung des thermischen Cyclings zu absorbieren. Außerdem hilft das Material, Schlagenergie zu absorbieren und die so genannte "Drop Test"-Leistungsfähigkeit zu verbessern.
  • Zwei herausragende Verwendungen für die Underfill-Technik sind zur Verstärkung von Bauelementen bzw. Packungen, die in der Industrie als Chip-Scale-Packages (CSP) bekannt sind, bei denen eine Chip-Packung an einer gedruckten Leiterplatte befestigt ist, und für einen Flip-Chip-and-Grid-Array (BGA), in dem ein Chip durch einen Ball-and-Grid-Array an einer gedruckten Leiterplatte befestigt ist.
  • In herkömmlichen Kapillar-Flow-Underfill-Anwendungen erfolgt die Verteilung und Härtung nach dem Aufschmelzen der metallischen oder polymeren Zwischenverbindung. In diesem Verfahren wird zunächst ein Fluxmittel auf die Metall-Pads auf dem Substrat aufgebracht. Als nächstes wird der Chip auf den fluxierten Bereich des Substrats oben auf die Lötstelle gelegt. Die Anordnung wird dann erhitzt, um die Lötverbindung wieder fließen zu lassen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine abgemessene Menge an Underfill-Verkapselungsmaterial entlang einer oder mehrerer peripherer Seiten der elektronischen Anordnung verteilt und die Kapillarwirkung innerhalb der Komponente-zu-Substrat-Lücke zieht das Material nach innen. Nachdem die Lücke gefüllt ist, kann weiteres Underfill-Verkapselungsmaterial entlang der vollständigen Anordnungsperipherie verteilt werden, um eine Verringerung der Spannungs- bzw. Beanspruchungskonzentrationen zu unterstützen und die Lebensdauer der zusammengebauten Struktur zu verlängern. Das Under fill-Verkapselungsmaterial wird anschließend unter Erreichung seiner optimalen Endeigenschaften gehärtet.
  • Das No-Flow-Underfill-Verfahren stellt eine effizientere Vorgehensweise bereit als die oben beschriebene zur Befestigung von elektronischen Komponenten an einem Substrat und zum Schützen der Anordnung mit einem Underfill-Verkapselungsmaterial. In dem No-Flow-Verkapselungsverfahren ist das Fluxmittel in dem Underfill-Material enthalten, das vor der Komponentenplatzierung auf die Anordnungsstelle aufgetragen wird. Nachdem die Komponente platziert wurde, wird sie an die Metall-Pad-Verbindungen auf dem Substrat gelötet, indem die gesamte Anordnung, die die Komponente, das Underfill-Material und das Substrat umfasst, durch einen Aufschmelzofen geführt werden. Während dieses Verfahrens fluxiert das Underfill-Material das Lötmetall und die Metall-Pads, die Lötverbindung schmilzt wieder und das Underfill-Material härtet. Auf diese Weise werden durch dieses Verfahren die getrennten Schritte des Aufbringens des Fluxmittels und das Nachhärten des Underfill-Materials eliminiert.
  • Das Löten und Härten des Underfill-Materials erfolgt während desselben Schritts des Verfahrens, wobei das Aufrechterhalten der geeigneten Viskosität und der geeigneten Härtungsrate des Underfill-Materials in dem No-Flow-Verkapselungsverfahren kritisch ist. Das Underfill-Material muss bei einer niedrigen Viskosität gehalten werden, um ein Schmelzen des Lötmetalls und die Bildung der Zwischenverbindungen zu ermöglichen. Es ist auch wichtig, dass das Härten des Underfill-Materials nach dem Härten des Lötmetalls nicht unnötig verzögert wird. Es ist wünschenswert, dass das Underfill-Material in dem No-Flow-Verfahren rasch nach dem Schmelzen des Lötmetalls härtet. Vorzugsweise wird die Viskosität geeignet sein, damit das Underfill-Material aus einer Spritze abgegeben bzw. verteilt werden kann.
  • Die meisten im Handel verfügbaren Underfill-Verkapselungsmaterialien verwenden Epoxid-Anhydrid-Chemie. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 6 180 696 ein Underfill-Material, das eine getrennte Anhydridkomponente enthält. In bestimmten Fällen hat die Verwendung von Anhydriden in Underfill-Materialien Toxizitätsprobleme aufgeworfen. Dementsprechend wäre es vorteilhaft, ein Underfill-Verkapselungsmaterial zu entwickeln, das keine freie Anhydridkomponente enthält. Vorzugsweise wird das System nach Beendigung des Aufschmelzprozesses vollständig gehärtet.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a ist ein Bild einer eutektischen Lötmetallkugel nach Fluxieren unter Verwendung der Formulierung des Underfill-Materials, das ein Imidazol-Anhydrid-Addukt enthält.
  • 1b ist ein Bild einer eutektischen Lötmetallkugel nach Fluxieren unter Verwendung der Formulierung des Underfill-Materials, das eine physikalische Mischung von Imidazol und Anhydrid enthält.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine härtbare Underfill-Verkapselungsmaterial-Zusammensetzung, die speziell in dem No-Flow-Verkapselungsverfahren einsetzbar ist. Die Zusammensetzung enthält ein thermisch härtbares Harzsystem, umfassend ein Gemisch aus wenigstens einem Epoxyharz und wenigstens einer Phenol enthaltenden Verbindung, zum Beispiel ein Phenol oder Phenolharz, ein Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator und ein Fluxmittel. Wenn gewünscht, können verschiedene Additive, zum Beispiel Luft freisetzende Mittel, Flow-Additive, Haftverstärker und Rheologie-Modifizierungsmittel, zugesetzt werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Harze, die in der Underfill-Verkapselungsmaterial-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind härtbare Verbindungen, was bedeutet, dass sie zur Polymerisation fähig sind. "Härten", wie der Ausdruck in dieser Beschreibung verwendet wird, wird bedeuten, unter Vernetzung polymerisieren. Vernetzung, wie der Begriff auf dem Fachgebiet verwendet wird, ist die Befestigung von zwei Polymerketten durch Brücken eines Elements, einer Molekülgruppe oder einer Verbindung, und wird im Allgemeinen beim Erwärmen erfolgen.
  • Ingredienzien der Underfill-Verkapselungsmateriali-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfassen ein Gemisch aus einem oder mehreren Epoxyharzen und einer Phenol enthaltenden Verbindung, zum Beispiel Phenol oder Phenolharz, ein Imidazol-Anhydrid- Addukt, das als Katalysator wirkt, und ein Fluxmittel. Gegebenenfalls können Luftfreisetzungsmittel, Flow-Additive, Haftverstärker, Rheologie-Modifizierungsmittel, oberflächenaktive Mittel und andere Ingredienzien, enthalten sein. Die Ingredienzien werden spezifischerweise so gewählt, dass das gewünschte Gleichgewicht der Eigenschaften für die Verwendung der bestimmten Harze erhalten wird.
  • Beispiele für Epoxyharze, die zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Underfill-Zusammensetzung geeignet sind, umfassen monofunktionelle und multifunktionelle Glycidylether von Bisphenol-A und Bisphenol-F, aliphatische und aromatische Epoxide, gesättigte und ungesättigte Epoxide oder cycloaliphatische Epoxyharze oder eine Kombination davon. Beispiele für aliphatisches Epoxy umfassen Flex Epoxy 1.
  • Flex Epoxy 1
    Figure 00050001
  • Beispiele für aromatische Epoxide umfassen RAS-1, RAS-5 und Flex Epoxy-3.
  • Figure 00050002
  • Ein Beispiel für ein ungesättigtes Epoxid ist Cardolite NC513.
  • Figure 00060001
  • Beispiele für Nicht-Glycidylether-Epoxide umfassen 3,4-Epoxycyclohexylmehyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat, das zwei Epoxidgruppen, die Teil der Ringstrukturen sind, und eine Esterbindung enthält, Vinylcyclohexendioxid, das zwei Epoxidgruppen enthält, von denen eine Teil der Ringstruktur ist, 3,4-Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat und Dicyclopentadiendioxid.
  • Glycidyletherepoxide sind in der Erfindung bevorzugt, entweder getrennt oder in Kombination mit den Nicht-Glycidylether-Epoxiden. Ein bevorzugtes Epoxyharz dieses Typs ist Bisphenol-A-Harz. Ein anderes bevorzugtes Epoxid ist aliphatisches Epoxid, einschließlich Flex-1-Epoxy. Ein äußerst bevorzugtes Epoxyharz ist Bisphenol-F-Typ-Harz. Diese Harze werden im Allgemeinen durch die Reaktion von einem Mol Bisphenol-F-Harz und zwei Mol Epichlorhydrin hergestellt. Ein weiterer bevorzugter Typ von Epoxyharz ist Epoxy-Novolak-Harz. Epoxy-Novolak-Harz wird üblicherweise durch die Reaktion von phenolischem Harz und Epichlorhydrid hergestellt. Ein bevorzugtes Epoxy-Novolak-Harz ist Poly(phenylglycidylether)-co-formaldehyd. In der vorliegenden Erfindung kann auch Epoxyharz vom Biphenyltyp verwendet werden. Dieser Harztyp wird üblicherweise durch die Reaktion von Biphenylharz und Epichlorhydrin hergestellt. Dicyclopentadien-Phenol-Epoxy-Harz, Naphthalinharze, Epoxy-funktionelle Butadien-Acrylnitril-Copolymere, Epoxy-funktionelles Polydimethylsiloxan und Gemische davon sind weitere Typen von Epoxyharzen, die verwendet werden können. Im Handel verfügbares Harz des Bisphenol-F-Typs ist von CVC Specialty Chemicals, Maple Shade, New Jersey, unter der Bezeichnung 8230E und von Resolution Performance Products LLC unter der Bezeichnung RSL 1739 verfügbar. Epoxyharz vom Bisphenol-A-Typ ist im Handel von Resolution Technology als EPON 828 erhältlich, und eine Mischung aus Bisphenol-A und Bisphenol-F ist von Nippon Chemical Company unter der Bezeichnung ZX-1059 erhältlich.
  • Die gewünschte Phenol enthaltende Verbindung, zum Beispiel Phenol oder phenolisches Harz, wird mit dem nicht-phenolischen Harz kombiniert, um das Gemisch zu erzeugen. Speziell bevorzugte phenolische Harze sind phenolische Novolak-Harze. Speziell bevorzugtes Phenol sind Bisphenol-A- und Diallyl-Bisphenol-A-phenolische Harze, Im Handel verfügbare Beispiele für phenolische Novolak-Harze sind Durez 12686 (Oxychem), HRJ-2190 (Schenectady), SP-560 (Schenectady), HRJ-2608 (Schenectady), HRJ-1166 (Schenectady), HRJ-11040 (Schenectady), HRJ-2210 (Schenectady), CRJ-406 (Schenectady), HRJ-2163 (Schenectady), HRJ-10739 (Schenectady), HRJ-13172 (Schenectady), HRJ-11937 (Schenectady), HRJ-2355 (Schenectady), SP-25 (Schenectady), SP-1068 (Schenectady), CRJ-418 (Schenectady), SP-1090 (Schenectady), SP-1077 (Schenectady), SP-6701 (Schenectady), HRJ-11945 (Schenectady), SP-6700 (Schenectady), HRJ-11995 (Schenectady), SP-553 (Schenectady), HJR-2053 (Schenectady), SP-560 (Schenectady), BRWE5300 (Georgia-Pacific Resins), BRWE5555 (Georgia-Pacific Resins) und GP2074 (Georgia-Pacific Resins).
  • Zusätzlich zu den Harzen ist ein Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator in der Underfill-Zusammensetzung enthalten. Das Addukt verleiht dem Underfill-Material andere Eigenschaften als die Eigenschaften, die durch den Einschluss von Imidazol und Anhydrid als getrennte Komponenten verliehen werden. Bevorzugte Imidazole, die in dem Addukt enthalten sein können, umfassen nicht-N-substituierte Imidazole, zum Beispiel 2-Phenyl-4-methyl-imidazol, 2-Phenylimidazol und Imidazol. Andere verwendbare Imidazolkomponenten umfassen Alkyl-substituiertes Imidazol, N-substituiertes Imidazol und Gemische davon. Das Addukt umfasst auch eine Anhydridkomponente. Das bevorzugte Anhydrid ist vorzugsweise ein cycloaliphatisches Anhydrid und am bevorzugtesten Pyromellitsäuredianhydrid, das von Aldrich als PMDA erhältlich ist. Weitere bevorzugte Anhydride umfassen Methylhexamydrophthalsäureanhydrid, im Handel erhältlich als MHHPA von Lonza Inc. Intermediates and Actives. Andere Anhydride, die eingesetzt werden können, umfassen Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Nadinsäuremethylanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Dodecylbernsteinsäureanhydrid, Bisphenyldianhydrid, Benzophenonetetracarbonsäuredihydrid und Gemische davon.
  • In die Underfill-Zusammensetzung ist auch ein Fluxmittel eingearbeitet. Das Fluxmittel entfernt in erster Linie Metalloxide und verhindert eine Reoxidation. Obgleich viele ver schiedene Fluxmaterialien verwendet werden können, wird das Fluxmittel vorzugsweise aus der Gruppe der Carbonsäuren ausgewählt. Diese Carbonsäuren umfassen Kollophoniumgummi, Dodecandisäure (im Handel erhältlich als Corfree M2 von Aldrich), Adipinsäure, Weinsäure und Citronensäure. Das Fluxmittel kann auch aus der Gruppe ausgewählt werden, die Alkohole, Hydroxylsäure und Hydroxylbase umfasst. Bevorzugte Fluxmaterialien umfassen Polyole, zum Beispiel Ethylenglykol, Glycerin, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propandiol, D-Ribose, D-Cellobiose, Cellulose, 3-Cyclohexen-1,1-dimethanol und ähnliche Materialien.
  • Dem Underfill-Verkapselungsmaterial können auch weitere Ingredienzien zugesetzt werden, um eine Zusammensetzung mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Beispielsweise können monofunktionelle reaktive Verdünnungsmittel die Zunahme der Viskosität zunehmend verzögern, ohne dass die physikalischen Eigenschaften des gehärteten Underfill-Materials beeinträchtigt werden. Bevorzugte Verdünnungsmittel umfassen p-tert-Butylphenylglycidylether, Allylglycidylether, Glycerindiglycidylether, Glycidylether von Alkylphenol (im Handel verfügbar von Cardolite Corporation als Cordolite NC513) und Butandioldiglycidylether (im Handel verfügbar von Aldrich als BDGE), obgleich auch andere Verdünnungsmittel verwendet werden können. Oberflächenaktive Mittel können verwendet werden, um die Verhinderung der Porenbildung während des Flip-Chip-Bonding-Verfahrens und des anschließenden Aufschmelzens einer Lötmaterialverbindung und der Materialhärtung zu unterstützen. Verschiedene oberflächenaktive Materialien, die verwendet werden können, umfassen organische Acryl polymere, Silikone, Polyoxyethylen/Polyoxypropylen-Blockcopolymere, Polyoxyethylen/Polyoxypropylen-Blockcopolymere, auf Ethylendiaminbasis, Polyoxyalkylene auf Polyolbasis, Polyoxyalkylene auf Fettalkoholbasis, Fettalkoholpolyoxyalkylenalkylether und Gemische davon. Außerdem können Haftvermittler, Luftfreisetzungsmittel, Flowdditive, Haftungsbeschleuniger und andere Ingredienzien zugesetzt werden, wenn dies gewünscht wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Underfill-Verkapselungsmaterials der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gemisch aus wenigstens einem Epoxyharz und wenigstens einem Phenol/phenolischen Harz als Vernetzungsmittel, einem Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator, einem Fluxmittel und anderen Ingredienzien, wenn diese gewünscht sind. Das Harzgemisch wird etwa 0,1 Gew-% bis etwa 99,9 Gew.-% Epoxyharz und etwa 0,1 bis etwa 99,9 Gew.-% phenolisches Harz umfassen. Vorzugsweise wird das Gemisch etwa 40 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% Epoxyharz und etwa 5 bis etwa 60 Gew.-% Phenol/phenolisches Harz umfassen. Das Gemisch wird etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% der Underfill-Zusammensetzung ausmachen. Ein Imidazol-Anhydrid-Addukt wird auch als Katalysator verwendet. Das Addukt umfasst etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Underfill-Zusammensetzung und vorzugsweise etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Zusammensetzung. Es wird ein Fluxmittel zugesetzt, das etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Zusammensetzung ausmacht und vorzugsweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Zusammensetzung ausmacht. Schließlich können optionale Ingredienzien, zum Beispiel oberflächenaktive Mittel, Luftfreisetzungsmittel, Flow-Additive bzw. Fließadditive, Modifizierungsmittel der Rheologie und Haftungsbeschleuniger im Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Zusammensetzung zu der Zusammensetzung gegeben werden.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
  • BEISPIEL 1: Sechs Underfill-Zusammensetzungen wurden unter Verwendung von Bisphenol-F-Epoxy (RSL1739, phenolischem Epoxy (HRJ1166), 2-Phenyl-4-methylimidazol (2P4MZ) und Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA), sowohl als Addukt als auch getrennte Komponenten, formuliert. Für jede Zusammensetzung wurden die Epoxy- und phenolischen Harze abgewogen und in einen Glaskolben gegeben. Der Glaskolben wurde auf einer 150°C-Heizplatte erhitzt, um ein Mischen der Harze zu erreichen. Die Proben wurden dann auf Umgebungstemperatur gekühlt. Die restlichen Komponenten, einschließlich Katalysatoren, Fluxmittel und Luftfreisetzungsmittel, wurden in die Glaskolben gegeben. Die Proben wurden mit einem Holz-Stick gründlich gemischt und dann in einem Vakuumofen entgast. Das Molverhältnis PMDA zu 2P4MZ ist 1:2, welches dasselbe Molverhältnis von PMDA zu 2P4MZ wie im Addukt ist. Die Formulierungen sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1: Underfill-Formulierungen
    Bis-F-Epoxy- Phenolisches Harz 2P4MZ-PMDA-Addukt PMDA 2P4MZ Corfree M2
    A1 100 0,5
    A2 100 0,2045 0,2955
    B1 90 10 0,5
    B2 90 10 0,2045 0,2955
    C1 90 10 0,5 10
    C2 90 10 0,2045 0,2955 10
  • Das Härtungsverhalten jeder Formulierung wurde unter Verwendung eines Differential-Scanning-Calorimeters (DSC) charakterisiert. Tabelle 2 listet die Resultate des Härtungs-Peaks und der Enthalpie für jede Formulierung auf. Die Experimente wurden viermal mit einer Standardabweichung von 0,8°C bei der Peak-Temperatur durchgeführt. Tabelle 2: Härtungsverhalten von Underfill-Formulierungen
    Peak-Temperatur °C ΔH (J/g)
    A1 190,5 25,5
    A2 152,9 5,3
    B1 169,0 190,6
    B2 156,9 150,3
    C1 180,2 222,3
    C3 173,7 227,2
  • Die in Tabelle 2 angeführten Resultate veranschaulichen den Unterschied im Härtungsverhalten zwischen Underfill-Materialien, die ein Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator enthalten, und denen, die ansonsten identisch sind, die eine physikalische Mischung von Imidazol und Anhydrid enthalten, deutlich.
  • Die Zusammensetzungen C1 und C2 wurden auch bezüglich ihrer Fähigkeit zum Fluxieren untersucht. Ein Tropfen jeder Formulierung wurde auf einem OSP-Cu-Substrat verteilt und in den Flüssigkeitstropfen wurde eine 20 mil eutektische Lötmittelkugel gegeben. Das gesamte Bauteil wurde für 2 Minuten auf einer 150°C-Heizplatte erhitzt und dann auf eine 240°C-Heizplatte transferiert. Die Fähigkeit zum Fluxieren wurde durch die Beobachtung der Vergrößerung der Lötmittelkugel auf der 240°C-Heizplatte bestimmt. Wie in den 1a und 1b gezeigt ist, war die Vergrößerung der Lötmittelkugel unter Verwendung der Formulierung C1, die das Imidazol-Anhydrid-Addukt enthielt, viel größer als die Größe der Lötmittelkugel, die unter Verwendung von Formulierung C2, die die physikalische Mischung des Imidazols und des Anhydrids enthielt, gebildet wurde. Diese größere Lötmittelkugel, die durch Formulierung C1 gebildet wurde, zeigt, dass die Lötmittelkugel unter Verwendung des Imidazol-Anhydrid-Addukts viel einfacher zu fluxieren ist.
  • BEISPIEL 2: Es wurden sechs Underfill-Zusammensetzungsformulierungen nach dem in Beispiel 1 angegebenen Verfahren hergestellt. Das in jeder Formulierung verwendete Epoxy war entweder RSL1739, Flex-1 Epoxy oder eine Mischung von RSL1739 und einem zweiten Epoxy. Zusätzlich zu dem Epoxy waren HRJ1166 als die phenolische Komponente, ein 2P4MZ-PMDA-Imidazol-Anhydrid-Addukt-Katalysator und ein Fluxmittel aus Dodecandisäure (Corfree M2) enthalten. Die Viskosität jeder Zusammensetzung wurde untersucht und die Resultate sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3: Viskosität von Epoxy/phenolisches Produkt/Imidazol-Anhydrid-Addukt-Underfill-Materialien
    Epoxy (g) Phenolisches HRJ1166 (g) 2P4MZ-DMDA-Addukt (g) Corfree M2 (g) Viskosität (cP)
    C1 RSL1739 90 10 0,5 10 16091
    D RSL1739 85 NC513 5 10 0,5 10 7474
    E RSL1739 85 BDGE 5 10 0,5 10 5831
    F Flex-1 80 20 3 10 6158
    G RSL1739 45 Flex-1 45 10 1 10 3075
    H RSL1739 70 Flex-1 20 10 0,5 10 6493
  • Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, war die Viskosität jeder Underfill-Zusammensetzung, die das Imidazol-Anhydrid-Addukt enthielt, unter 20000 cPs, was für ein gutes Verteilen durch eine Spritze sorgt.
  • BEISPIEL 3: Für Underfill-Zusammensetzungen ist es vorteilhaft, dass eine Härtungsreaktion möglich ist, die bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von 183°C der eutek tischen Sn/Pb-Lötmittelhügel erfolgt. Ein minimales Härten sollte idealerweise unter der Schmelztemperatur des Lötmittelhügels liegen und eine vollständige Härtung in einem Aufschmelzprozess ermöglichen, eine schnelle Härtungsreaktion sollte bei einer Temperatur gerade höher als die Schmelztemperatur der Lötmittelkugel erfolgen. Die Unterfill-Zusammensetzungen von Beispiel 2 wurden durch DSC charakterisiert, und die Resultate sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4: DSC-Resultate der Underfill-Zusammensetzungen
    Peak-Temperatur °C ΔH (J/g)
    C2 180,2 222,3
    D 181,4 227,7
    E 181,7 230,4
    F 179,7 139,2
    G 184,04 157,5
    H 182,4 271.4
  • Wie in Tabelle 4 gezeigt ist, liegt die Peak-Temperatur der Formulierungen, die das Imidazol-Anhydrid-Addukt enthalten, im Allgemeinen im Bereich von 180°C bis 185°C, was ein guter Hinweis ist, dass die Härtung der Underfill-Zusammensetzung ausreichend verzögert ist, um zu ermöglichen, dass die Lötmittelkugel schmilzt, bevor sich das Vernetzungsnetzwerk bildet.
  • Die Fluxierfähigkeit der Zusammensetzungen von Beispiel 3 wurde getestet, wobei das in Beispiel 1 ausgeführte Heizplattenverfahren verwendet wurde, außer, dass zwei unterschiedliche Substrate, ein OSP-Cu-Substrat und ein Ni/Au-Substrat, verwendet wurden. Alle Formulierungen in Beispiel 3 wiesen eine Vergrößerung der Lötmittelhügel im Bereich von etwa 100% bis etwa 300% auf, was anzeigt, dass die Underfill-Materialien eine ausgezeichnete Fluxierfähigkeit bereitstellen. Gleichzeitig wurde die Oberflächenklebrigkeit dieser Bauelemente untersucht, nachdem die Proben auf Umgebungstemperatur abgekühlt worden waren, nachdem sie eine Minute auf der 240°C-Heizplatte erhitzt worden waren. Unter diesen Bedingungen wurden bei allen Formulierungen nicht-klebrige Oberflächen beobachtet. Schließlich wurden die Formulierungen D, F, G und K unter Verwendung von PB8 und TV46ps auf Ni/Au-endbehandelten Platten getestet, wobei PB-8 ein "Peripheral-Array-Flip-Chip" mit einer Chip-Größe von 200 × 200 mil, 8 mil Pitch, 4 mil Gap und 88 l/Os ist, und TV-46 ein "Full-Area-Array-Mikro-BGA" mit einer Chip-Größe von 226 × 310 mil, 13 mil Gap und 46 l/Os ist. Etwa 6 bis 14 mg der Proben wurden unter Verwendung einer Spritze auf dem Substrat verteilt. Die Platte wurde dann auf die "Pick-and-Place"-Apparatur, hergestellt von Universal Instrument, gelegt und die Chips wurden automatisch genommen und auf die Platte gelegt. Das gesamte Bauelement wurde zu einem Reflow-Ofen bzw. Aufschmelzofen transportiert und durch den Standard-Reflow-Prozess geführt, bei dem die Tränkzeit etwa 2 Minuten bei 150°C ist und die Lötmittel-Fluxier- und Harzhärtezeit etwa 1 Minute ei einem Temperaturanstieg von 150°C auf 240°C beträgt. Dieser Reflow-Prozess lässt die Lötmittelhügel fluxieren und eine Verbindung zwischen dem Chip und der Platte bilden. Eine 100%-Verbindung wurde mit allen vier Formulierungen unter Verwendung der PB8-Chips entwickelt, und die Formulierungen F und G erzielten eine 100%-Verbindung unter Verwendung der TV46-Chips. Durch DSC wurde kein restliches Härten beobachtet, nachdem die Proben den Reflow-Prozess passiert hatten.
  • BEISPIEL 4: Ein Tropfen von jeder der Underfill-Zusammensetzungen von Tabelle 4 wurde auf einen 1'' × 3''-Glasobjektträger aufgebracht. Vier 20 mil-Lötmittelkugeln wurden dann in das Innere jedes Tröpfens eingebettet und an ein 1'' × 1''-Deckgläschen wurde auf jedes Tröpfchen auf dem Glasobjektträger gelegt. Die Packung wurde für 2 Minuten auf einer 150°C-Heizplatte erhitzt und dann auf eine 240°C-Heizplatte transferiert, die sie für eine weitere Minute erhitzte. Die Packung wurde auf Umgebungstemperatur abkühlen gelassen. Nach dem Abkühlen wurde die Packung auf das Vorliegen von Blasen oder Porenbildungen betrachtet. Außer Poren, die in den Underfill-Materialien bei der Formulierung E eingeschlossen waren, wurde keine Blasen- oder Porenbildung beobachtet. Dies zeigt, dass eine Epoxy- oder phenolische Harz-Zusammensetzung, die ein Imidazol-Anhydrid-Addukt mit einem Fluxmittel verwendet, ein Underfill-Material produzieren wird, das Poren und Blasen minimiert.
  • BEISPIEL 5: Die Underfill-Zusammensetzung kann auch in Verbindung mit einem bleifreien Lötmittel (Sn 96,5/Ag 3,5; Schmelzpunkt 225°C) verwendet werden. Vier Underfill-Zusammensetzungen wurden entsprechend dem in Beispiel 1 ausgeführten Verfahren hergestellt. Die Zusammensetzungen sind in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5: Underfill-Formulierungen und Viskosität
    Epoxy Phenolisches Corfree M2 2P4MZ-PMDA-Addukt DSC (Peak °C/ΔH J/g) Viskosität (cP)
    I Flex-1 74 HRJ4626 26 10 3 160/160 8724
    J Flex-1 66,4 Dially-Bisphenol A 33,6 10 3 173/158 3031
    K Flex-1 66,4 Dially-Bisphenol A 33,6 10 5 172/180 3440
    L RSL1 739 Dially-Bisphenol A 48 10 0,5 184/234 29450
  • Die Fluxierfähigkeit dieser Zusammensetzungen wurde unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Heizplattenverfahrens, außer, dass bleifreie Lötmittelkugeln und Ni/Au-Substrat anstelle der Zinn-/Blei-Lötmittelkugeln und des OSP-Cu-Substrats verwendet wurden, untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Fluxieren eine Vergrößerung von 300% des Durchmessers der bleifreien Lötmittelkugeln für jede getestete Zusammensetzung bewirkte.

Claims (18)

  1. No-Flow-Underfill-Verkapselungsmaterial, umfassend: a) ein thermisch härtbares Harzsystem, umfassend ein Gemisch aus wenigstens einem Epoxy-Harz und wenigstens einer Phenol enthaltenden Verbindung; b) ein Imidazol-Anhydrid-Addukt, und c) ein Fluxmittel.
  2. No-Flow-Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Epoxy-Harz ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend monofunktionelle und multifunktionelle Glycidylether von Bisphenol-A, monofunktionelle und multifunktionelle Glycidylether von Bisphenol-F, aliphatische Epoxide, aromatische Epoxide, gesättigte Epoxide, ungesättigter Epoxide, cycloaliphatische Epoxy-Harze, Epoxide mit den Strukturen
    Figure 00150001
    Figure 00160001
    und Gemische davon.
  3. No-Flow-Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Epoxy-Harz ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat, Vinylcyclohexendioxid, 3,4-Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat, Dicyclopentadiendioxid, Bisphenol-A-Harz, Bisphenol-F-Harz, Epoxy-Novolak-Harz, Poly(phenylglycidylether)-co-formaldehyd, Epoxy-Harz des Biphenyl-Typs, Dicyclopentadien-Phenol-Epoxy-Harzen, Naphthalin-Epoxy-Harzen, Epoxy-funktionellen Butadien-Acrylnitril-Copolymeren, Epoxy-funktionellen Polydimethylsiloxan und Gemischen davon.
  4. No-Flow-Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 1, wobei die Phenol enthaltende Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Phenol-Harz, Phenol und Gemische davon.
  5. No-Flow-Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 4, wobei die Phenol enthaltende Verbindung phenolisches Novolak-Harz, Diallylbisphenol-A, Bisphenol-A oder Gemische davon umfasst.
  6. No-Flow-Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 3, wobei das wenigstens eine Epoxy-Harz etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% des Verkapselungsmaterials ausmacht.
  7. No-Flow-Unterfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 4, wobei das Epoxy-Harz etwa 40 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% des Verkapselungsmaterials ausmacht.
  8. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Imidazol-Anhydrid-Addukt ein Addukt von Imidazol und Anhydrid, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Pyromellitsäuredianhydrid, Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Nadinsäuremethylanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Dodecylbernsteinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Bisphenyldianhydrid, Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid, 1-Cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazol, alkylsubstituiertes Imidazol, Triphenylphosphin, Oniumborat, nicht-N-substituierte Imidazole, 2-Phenyl-4-methylimidazol, 2-Phenylimidazol, Imidazol, N-substituiertes Imidazol und Gemische davon, umfasst.
  9. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 8, wobei das Imidazol-Anhydrid-Addukt ein Addukt von 2-Phenyl-4-methylimidazol und Pyromellitsäuredianhydrid umfasst.
  10. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 9, wobei das Imidazol-Anhydrid-Addukt etwa 0,01 Gew-% bis etwa 10 Gew.-% des Verkapselungsmaterials ausmacht.
  11. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 9, wobei das Imidazol-Anhydrid-Addukt etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des Verkapselungsmaterials ausmacht.
  12. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 1, wobei die Fluxkomponente ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Carbonsäuren, Kollophoniumgummi, Dodecandisäure, Adipinsäure, Weinsäure, Citronensäure, Alkohole, H2O, Hydroxysäure und Hydroxylbase, Polyole, zum Beispiel Ethylenglykol, Glycerin, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propandiol, D-Ribose, D-Cellobiose, Cellulose, 3-Cyclohexen-1,1-dimethanol und Gemische davon.
  13. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 12, wobei die Fluxkomponente Kollophoniumgummi, Dodecandisäure, Adipinsäure oder Gemische davon umfasst.
  14. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 12, wobei die Fluxkomponente etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% des Verkapselungsmaterials ausmacht.
  15. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 14, wobei die Fluxkomponente etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Verkapselungsmaterials ausmacht.
  16. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Verkapselungsmaterial außerdem eines oder mehrere aus der Gruppe, bestehend aus oberflächenaktiven Mitteln, Kopplungsmitteln, reaktiven Verdünnungsmitteln, Luftfreisetzungsmitteln, Fließadditiven, Adhäsionsförderungsmitteln und Gemischen davon, umfasst.
  17. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 16, wobei das oberflächenaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus organischen Acrylpolymeren, Silikonen, Polyoxyethylen/Polyoxypropylen-Blockcopolymeren, Polyoxyethylen/Polyoxypropylen-Blockcopolymeren auf Ethylendiamin-Basis, Polyoxyalkylenen auf Polyol-Basis, Polyoxyalkylenen auf Fettalkohol-Basis, Fettalkohol-Polyoxyalkylenalkylethern und Gemischen davon.
  18. Underfill-Verkapselungsmaterial nach Anspruch 15, wobei das reaktive Verdünnungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus p-tert-Butyl-phenyl-glycidylether, Allylglycidylether, Glycerindiglycidylether, Alkylglycidylether, Butandiodiglycidylether und Gemischen davon.
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