DE69121107T2 - FLAMMHEMMENDE EPOXYDHARZFORMMASSE, UND Verfahren zur Herstellung einer eingekapselten Vorrichtung - Google Patents
FLAMMHEMMENDE EPOXYDHARZFORMMASSE, UND Verfahren zur Herstellung einer eingekapselten VorrichtungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Einkapseln einer Halbleitereinrichtung durch Hitzehärtung einer Einkapselungsverbindung, die ein Epoxidharz, ein Härtungsmittel, einen Katalysator, ein Formtrennmittel, fakultativ einen Füllstoff, fakultativ einen farbgebenden Stoff, fakultativ einen Haftvermittler und ein flammhemmendes System umfaßt, um eine Halbleitereinrichtung herum.
- Veröffentlichung WO90/04854 offenbart eine Epoxidharzformmasse, die einen Katalysator, ein Formtrennmittel, Füllstoffe und ein flammhemmendes System aus Antimonpentoxid, Natrium, einer reaktiven organischen Verbindung, die Brom enthält, zusammen mit Bismuttrioxid umfaßt. Die Menge an Bi&sub2;O&sub3; beträgt von 1,6% bis 4,0%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, des Sb&sub2;O&sub5; von etwa 0,4% bis etwa 0,8%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, und des Natriums von etwa 0,01% bis 1,0%, bezogen auf das Gewicht des Antimonpentoxids.
- In der obigen Veröffentlichung umfaßt das flammhemmende System einen niedrigeren Prozentanteil Antimonpentoxid, einen niedrigeren Prozentanteil Natrium und eine organische Verbindung, die einen höheren Prozentanteil Halogen enthält, als Formmassen nach dem Stand der Technik.
- In der obigen Veröffentlichung besitzen Formmassen mit einer organischen Verbindung, die einen höheren Prozentanteil Halogen enthält, zusammen mit einem niedrigeren Prozentanteil Antimonpentoxid und Natrium und mit einer basischen Metalloxid- Verbindung eine unerwartete überlegene Stabilität und Zuverlässigkeit bei hoher Temperatur.
- Die obige Veröffentlichung betrifft auch verbesserte flammhemmende wärmehärtbare Epoxidformmassen von dem Typ, der eine Epoxidverbindung, ein Härtungsmittel, einen Katalysator, ein Formtrennmittel, fakultativ einen Füllstoff, fakultativ eine farbgebende Verbindung, fakultativ einen Haftvermittler und ein flammhemmendes System umfaßt, wobei das flammhemmende System einen niedrigeren Prozentanteil Antimonpentoxid, einen niedrigeren Prozentanteil Natrium, eine organische Verbindung, die einen höheren Prozentanteil Halogen enthält als Formmassen nach dem Stand der Technik, und fakultativ eine basische Metalloxid-Verbindung umfaßt, um die Korrosion von Metalleiterleitungen und -anschlußflächen der Halbleitereinrichtung zu verringern.
- Die obige Veröffentlichung schließt auch eine verbesserte eingekapselte Halbleitereinrichtung ein, bei der das Einkapselungsmittel so aufgebaut ist, wie oben beschrieben, mit einem flammhemmenden System, das einen niedrigeren Prozentanteil Antimonpentoxid und Natrium, eine organische Verbindung, die einen höheren Prozentanteil Halogen enthält als Formmassen nach dem Stand der Technik, und fakultativ eine basische Metalloxid-Verbindung umfaßt, um die Korrosion von Metalleiterleitungen und -anschlußflächen der Halbleitereinrichtung zu verringern.
- In allen Fällen kann die halogenhaltige organische Verbindung ein separater Bestandteil sein, ist aber vorzugsweise ein Teil entweder des Epoxidharzes oder der Härtungsmittels. Die habgenhaltigen organischen Verbindungen können auch halogenhaltige Verbindungen sein, die in das Produkt aus dem Epoxidharz und dem Härtungsmittel bei Aushärtung chemisch einbezogen werden, oder Teil anderer Bestandteile, wie etwa des Schmiermittels oder des farbgebenden Stoffes.
- Der Ausdruck "Epoxidharzformmassen", wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine Epoxidharzformmasse, die konventionell aus dem Stand der Technik bekannt ist, einschließlich eines Materials, das zwei oder mehr reaktive Oxiran-Gruppen enthält. Zum Beispiel kann die Epoxidharzformmasse zwei oder mehr Epoxid- Gruppen in einem Molekül aufweisen, einschließlich des Glycidylether-Typs, wie etwa des Phenol-Novolak-Typs, Kresol-Novolak-Typs und dergleichen; Glycidylester-Typs; alicyclischen Typs; heterocyclischen Typs und halogenierter Epoxidharze etc.. Die Epoxidharze können entweder einzeln oder als eine Mischung von zwei oder mehr Harzen verwendet werden.
- In ähnlicher Weise schließt der Ausdruck "Epoxid-Novolak-Formmasse", wie er hierin verwendet wird, jedes von Phenol abgeleitete und von substituiertem Phenol abgeleitete Novolak- Härtungsmittel ein, das herkömmlicherweise als Härtungsmittel für Epoxidharze verwendet wird. Zum Beispiel sind Phenol-Novolake und Kresol-Novolake am geeignetsten. Die Epoxid-Novolak- Formmassen können entweder einzeln oder als eine Mischung von zwei oder mehr Verbindungen verwendet werden.
- Der Ausdruck "Katalysator", wie er hierin verwendet wird, bedeutet einen Katalysator, der für das Härtungsmittel angemessen ist, das verwendet wird, um die Aushärtung der vorliegenden Zusammensetzung zu beschleunigen. Solche Katalysatoren schließen basische und saure Katalysatoren ein, wie etwa die Metallhalogenid-Lewissäuren, z.B. Bortrifluorid, Zinntetrachlorid, Zinkchlorid und dergleichen, Metallcarboxylatsalze, wie etwa Zinn(II)-octoat und dergleichen; und Amine, z.B. Triethylamin, Imidazolderivate und dergleichen. Die Katalysatoren werden in herkömmlichen Mengen verwendet, wie von etwa 0,1 bis 5,0%, bezogen auf das kombinierte Gewicht von Epoxidharz und Härtungsmittel.
- Der Ausdruck "Formtrennmittel", wie er hierin verwendet wird, bedeutet chemische Mittel, die üblicherweise verwendet werden, um die Trennung der ausgehärteten Epoxidharzformmassen aus der Form zu unterstützen. Zum Beispiel sind Carnauba-Wachs; Montansäureesterwachs; Polyethylenwachs; Polytetrafluorethylenwachs; Glyceralmonostearat; metallische Stearate; Paraffinwachse und dergleichen geeignet.
- Der Ausdruck "Füllstoffe", wie er hierin verwendet wird, bedeutet einen oder mehrere der herkömmlichen Füllstoffe, wie etwa Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsilicat, Aluminiumoxid, Glasfasern, Ton und dergleichen. Der bevorzugte Füllstoff ist Siliciumdioxid oder eine Mischung aus überwiegend Siliciumdioxid mit einem anderen Füllstoff oder anderen Füllstoffen. Die Füllstoffe werden üblicherweise in wenigstens 50 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, verwendet.
- Der Ausdruck "farbgebender Stoff", wie er hierin verwendet wird, schließt einen farbgebenden Stoff ein, wie er üblicherweise in Epoxidformmassen verwendet wird, wie etwa Ruß, Pigmente, Farbstoffe und dergleichen.
- Der Ausdruck "Haftvermittler", wie er hierin verwendet wird, bedeutet einen Haftvermittler, von dem bekannt ist, daß er die trockenelektrischen Eigenschaften der Verbindung verbessert. Die Haftvermittler können vom Silan-Typ sein, gekennzeichnet durch die Formel R'Si(OR)&sub3;; wobei R¹ eine funktionelle organische Gruppe darstellt, wie etwa Amino, Mercapto, Vinyl, Epoxid oder Methacryloxy, und OR eine hydrolysierbare Alkoxygruppe darstellt, die an das Silicium gebunden ist. Bevorzugte Haftvermittler sind beschrieben in U.S. Pat. Nos. 4,042,550 und 3,849,187, deren Beschreibung hierin durch Bezugnahme miteinbezogen sind.
- Der Ausdruck "halogenhaltige organische Verbindung" oder "organische Verbindung, die Halogen enthält", wie hierin verwendet, schließt eine organische Verbindung ein, in der das Halogen aus einer beliebigen Quelle vorliegt ist, einschließlich Halogenierung einer Komponente oder ihres Vorläufers (wie etwa eines Monomers) oder durch Zugabe von halogenhaltigen Monomeren durch Reaktionen, in denen das Halogen nicht vollständig entfernt wurde.
- Die halogenhaltige organische Verbindung, die in einem flammhemmenden System verwendet wird, ist vorzugsweise vom reaktiven Typ und weist weiterhin vorzugsweise als Halogen Chlor oder Brom auf. Beispielhafte halogenierte organische Verbindungen sind diejenigen Typen von Polyglycidylether von Bromphenolformaldehyd-Novolak, die kommerziell vertrieben werden von Nippon Kayaku unter der Marke "BREN ", diejenigen, die in U.S. Pat. Nos. 4,042,550 und 4,282,136 beschrieben sind, deren Beschreibungen hierin durch Bezugnahme miteinbezogen sind und die halogeniertes Bisphenol A und Derivate von Bisphenol A, wie etwa Tetrabrombisphenol A einschließen, und Glycidylether von halogenierten Harzen, wie etwa den Diglycidylether von Tetrabrombisphenol A.
- Bevorzugt ist meta-bromiertes Kresol-Epoxid-Novolak, erhältlich von der Dow Chemical Co. unter der Marke "Stable Bromine Cresol Epoxy Novolac" (71842.00L-Typ oder 71970.00-Typ, Produktionsnr. R0544-91091-21-1. Diese sind beschrieben in U.S. Pat. Nos. 4,727,119 und 4,731,423). Der 71842.00L-Typ hat die allgemeine Formel:
- Der 71970.00-Typ enthält die folgenden Inhaltsstoffe:
- Diglycidylether von Dibromtetramethylbisphenol 0-8%
- Diglycidylether von Tribromtetramethylbisphenol
- Cas No. 108935-90-6 8-40%
- Diglycidylether von Tetrabromtetramethylbisphenol
- Cas No. 72436-58-9 0-2%
- Reaktionsprodukt aus Kresol, Formaldehyd und Epichlorhydrin
- Cas No. 064425-89-4 60-90%
- Die halogenhaltige organische Verbindung kann ein separater Zusatzstoff sein oder kann in einer oder mehreren der organischen Bestandteile der Formmasse enthalten sein, insbesondere dem Epoxidharz oder dem Härtungsmittel, oder möglicherweise anderen Bestandteilen, wie dem Schmiermittel oder dem farbgebenden Stoff oder dem Füllstoff (falls organisch).
- Beispielhaft für reaktive halogenhaltige organische Verbindungen, die Teil des Epoxidharzes sind, sind meta-bromierte Phenol-Verbindungen, wie etwa meta-bromiertes Kresol-Epoxid-Novolak.
- Der Ausdruck "Antimonpentoxid", wie er hierin verwendet wird, bedeutet Antimonpentoxid in jeder erhältlichen Form. Vorzugsweise ist das verwendete Antimonpentoxid Nyacol A1590, kommerziell vertrieben von der Nyacol Division of P.Q. Corporation, das einen sehr niedrigen Natriumgehalt von 0,03 bis 0,06%, bezogen auf das Gewicht des Antimonpentoxids besitzt, verglichen mit demjenigen von 3 bis 4% in Produkten aus dem Stand der Technik, wie etwa in Nyacol A1588LP.
- Epoxidharzverbindungen sind häufig zum Einkapseln von Halbleitern oder Einheiten wie integrierten Schaltkreisen (IC), hochintegrierten Schaltkreisen (LSI), Transistoren und Dioden, etc. oder anderen elektronischen Komponenten verwendet worden. Solche Einkapselungsmittel umfassen allgemein ein Epoxidharz, ein Härtungsmittel, einen Katalysator, ein Formtrennmittel, fakultativ einen Füllstoff, fakultativ einen farbgebenden Stoff und manchmal einen Haftvermittler.
- Beispielhafte Formulierungen dieser Inhaltsstoffe sind beschrieben in US. Patent NO. 4,710,796 (Ikeya et al.), 4,282,136 (Hunt et al.), US. Patent No. 4,042,550 und darin angegebene Entgegenhaltungen und in Raymond, T, Avoiding Bond Pad Failure Mechanisms in Au-Al Systems Semiconductor Int'1. S. 152-158, September 1989. Seit kurzem fordert die elektronische Industrie, daß diese Epoxidharzformmassen flammhemmend sind. Über Zusatzstoffe, die halogenierte Verbindungen, Übergangsmetalloxide und hydratisiertes Aluminiumoxid einschließen, um die Flammbeständigkeit zu verbessern, gemessen zum Beispiel mit Underwriters Laboratory Test 94V-0 bei 21 Pa (1/16" bar), ist berichtet worden. Bei hohen Temperaturen beeinträchtigen diese flammhemmenden Zusatzstoffe jedoch die Kompatibilität des Eingekapselten mit Halbleitereinrichtungen.
- U.S. Patent No. 4,710,796 (Ikeya et al.) lehrt ein Harz zum Einkapseln einer Halbleitereinrichtung, das ein Epoxidharz, ein Härtungsmittel, eine organische Phosphinverbindung und wenigstens ein Antimonoxid umfaßt.
- U.S. Patent No. 4,042,550 lehrt Epoxidanhydridformmassen mit sekundären Füllstoffen, einschließlich Antimontrioxid oder Antimontetraoxid, und halogenierten Verbindungen in flammhemmenden Systemen.
- In ähnlicher Weise beschreibt U.S. Patent No. 4,282,136 (Hunt et al.) die Verwendung von synergistischen flammhemmenden Mitteln, die aus halogenhaltigen organischen Verbindungen und Antimonpentoxid bestehen. Die Entgegenhaltung lehrt, daß ein Einkapselungsmittel, das ein solches flammhemmendes System einsetzt, wenn es verwendet wird, um eine Halbleitereinrichtung einzukapseln, verbesserte Hochtemperaturkompatibilität besitzt, verglichen mit ähnlichen Formmassen mit Antimontrioxid oder Antimontetraoxid. Die Epoxidharzformmassen nach dem Stand der Technik enthalten jedoch einen hohen Prozentanteil Natrium, von dem bekannt ist, daß es wegen Kriechverlust schlechte Leistung in Halbleitereinrichtungen bewirkt. Siehe Moltzan et al., The Evolution of Epoxy Encapsulation Compounds For Integrated Circuits: A User's Perspective, Polymer for High Technology Electronics and Protronics, ACS Sym. Series No. 346, S. 521, Sept. 7-12. 1986.
- Raymond beschreibt, daß es für IC-Hersteller notwendig ist, Br in Formmassen auf niedrigen Gehalten zu halten (um 0,6-0,8%), beruhend auf schlechten Ergebnissen bei der Trockenwärmeverläßlichkeit mit einer Verbindung mit hohem Br-Gehalt (1,0%).
- Während die flammhemmenden Kombinationen nach dem Stand der Technik ein vernünftiges Flammverzögerungsvermögen und eine befriedigende Kompatibilität auf elektronischen Einrichtungen bereitstellen, besteht klar ein Bedürfnis nach flammhemmenden Epoxidharzformmassen aller Typen mit verbesserter Kompatibilität, Leistung, Kosten und niedriger Toxizität.
- Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte flammhemmende wärmehärtbare Epoxidharzformmasse bereitzustellen.
- Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Einkapselung einer Halbleitereinrichtung zur Verfügung zu stellen.
- Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte eingekapselte Halbleitereinrichtung zur Verfügung zu stellen.
- Diese und andere Aufgaben der Erfindung sowie ein vollständigeres Verständnis von deren Vorteilen kann durch Bezugnahme auf die folgende(n) Beschreibung und Ansprüche gewonnen werden.
- Die vorstehenden Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine verbesserte Epoxidharzformmasse erfüllt, welche umfaßt:
- (a) 5-25 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines Epoxidharzes;
- (b) 4-20 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines Härtungsmittels;
- (c) eine wirksame Menge eines Katalysators für die Reaktion zwischen besagtem Epoxidharz und besagtem Härtungsmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% des kombinierten Gewichtes von Epoxidharz und Härtungsmittel;
- (d) eine wirksame Menge eines Formtrennmittels für das Trennen einer gehärteten Formmasse von einer Form in einer Menge von zwischen 0,01 und 2 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Masse;
- (e) zwischen 50 und 85 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines Füllstoffes; und
- (f) ein flammhemmendes System aus:
- (1) < 0,8% Antimonpentoxid, bezogen auf das Gewicht der Formmasse;
- (2) von 0,01-1% Natrium, bezogen auf das Gewicht des Antimonpentoxids; und
- (3) einer reaktiven organischen Verbindung, die wenigstens 0,5% Brom enthält, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, wobei besagte reaktive organische Verbindung eine Einzelkomponente ist oder in einer oder mehreren der besagten Komponenten (a) - (e) besagter Epoxidharzformmasse enthalten ist; und
- (4) von 0,02 bis 4,0% Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat, bezogen auf das Gewicht der Formmasse.
- Demgemäß faßt Tabelle 1 unten die verbesserten Epoxidharzformmassen zusammen. Tabelle 1
- Die verbesserten Epoxidharzformmassen der vorliegenden Erfindung sind geeignet zur Verwendung beim Einkapseln einer Halbleitereinrichtung.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung können die besagten verbesserten Epoxidharzformmassen mit jedem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel können die Bestandteile fein vermahlen, trocken vermischt und anschließend in einer heißen Differentialwalzenmühle verdichtet werden, gefolgt von Granulierung. Im allgemeinen können die Bestandteile (oder irgendein Anteil derselben) als ein feines Pulver hergestellt werden, das direkt in eine Mischungsvorrichtung, wie etwa einen Extruder, eingebracht wird, hergestellt als eine Vormischung aus Rohmaterialien. Wenn weniger als alle der Bestandteile in der anfänglichen Form vorhanden sind, kann der Rest der Bestandteile vor oder während der Verdichtung zugegeben werden.
- Die Verdichtung kann durch mechanische Kompaktierung unter Verwendung einer Vorformmaschine oder einer Mischmühle im Falle eines feinen Pulvers oder durch einen Extruder oder eine Differentialwalzenmühle im Falle der feinen Pulver, Direktzuführung oder Vormischung erfolgen. Vormischung oder verdichtete Formen (wie etwa Vorformen oder körnige Formen), die weniger als alle Bestandteile erhalten, können ebenfalls der abschließenden Form im System zusammen mit den restlichen Bestandteilen in einer ähnlichen oder verschiedenen Form zugeführt werden.
- Die vorliegende Erfindung schließt flammhemmende Formmassen in jeder physikalischen Form oder sogar als Systeme aus zwei oder mehr Komponenten ein. Wenn zwei oder mehr Komponenten verwendet werden, sollte eine das Epoxidharz enthalten, die andere das Härtungsmittel. Vorzugsweise liegt der Katalysator in der Härtungsmittel-Komponente vor, um katalysierte Homopolymerisation des Epoxidharzes zu vermeiden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform werden die trockenen Bestandteile der Formel im Labor zu einem feinen Pulver vorvermahlen und anschließend in einem großen Kunststoffbeutel vermischt. Die flüssigen Bestandteile (d.h. die Silan-Haftvermittler) werden zu den trockenen Bestandteilen zugegeben und die Mischung wird erneut von Hand gemischt. Die Mischung wird anschließend auf einer großen Zwei-Walzen-Mühle behandelt (wobei eine Walze auf etwa 90ºC erhitzt und die andere mit Leitungswasser gekühlt wird), bis eine gleichförmige Folie (etwa 150 mm Breite auf 6000 mm Länge) [6" auf 24"] erhalten wird. Die Folie wird abkühlen gelassen und anschließend zu einem feinen Pulver vermahlen.
- In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die trockenen Bestandteile in der Pilotanlage und während der Produktion im Großmaßstab in einem großen Zuführtrichter vermischt, die flüssigen Bestandteile werden in einer homogenen Weise zugegeben, um Vermischung sicherzustellen, und das Mischen wird fortgesetzt. Diese Mischung wird anschließend (unter Erhitzen) extrudiert, um eine kontinuierliche Folie zu ergeben, die abgekühlt und vermahlen wird. Das endgültige vermahlene Pulver kann verwendet werden, wie es ist, oder in einer Vorformmaschine kompaktiert (verdichtet) werden, um Tabletten (Vorformen) einer gewünschten Form und Größe zu ergeben.
- Diese Massen können durch Anwendung der geeigneten Temperatur und des geeigneten Drucks zu verschiedenen Gegenständen ausgeformt werden. Zum Beispiel können die Ausformbedingungen für den eingekapselten Halbleiter der vorliegenden Erfindung im Bereich von etwa 3000 bis 400ºF (etwa 149º-204ºC), vorzugsweise etwa 350º bis 375ºF (etwa 177º-191ºC), bei 2750 x 10³ Pa bis 1032 x 10&sup4; Pa [400 bis 1.500 psi, (etwa 28-105 kg/cm²)] für einen Zeitraum im Bereich von 30 bis 120 Sekunden, vorzugsweise 60 bis 90 Sekunden, liegen.
- Jede geeignete Formmaschine kann eingesetzt werden, wie etwa eine Stufenpresse, die mit einer Mehrfachform ausgerüstet ist.
- Das Verhältnis zwischen den verschiedenen Bestandteilen kann in breitem Umfang variieren. Im allgemeinen wird das Epoxidharz in einem solchen Verhältnis zu einem Novolak-Härtungsmittel stehen, daß sich ein Molverhältnis von Oxiran:reaktivem Hydroxy zwischen etwa 0,8 und 1,25 ergibt. In ähnlicher Weise wird das Epoxidharz zu einem Anhydrid-Härtungsmittel in einem solchen Verhältnis stehen, daß sich ein Verhältnis von Oxiran: Anhydrid-Äquivalent zwischen etwa 1,0 und 1,7 ergibt, vorzugsweise zwischen etwa 1,11 und 1,25.
- Der eingesetzte Katalysator wird im allgemeinen in Gehalten eingesetzt, die ausreichend sind, um die Epoxidharzformmasse unter den angenommenen Ausformbedingungen auszuhärten. Mengen zwischen etwa 0,1 und 5 Gewichtsprozent (bezogen auf das kombinierte Gewicht von Epoxidharz und Härtungsmittel) sind ausreichend.
- Das Formtrennmittel wird in Mengen eingesetzt werden, die ausreichend sind, um eine gute Trennung von der Form zu ergeben und auch um die trockenelektrischen Eigenschaften der eingekapselten Halbleitereinrichtung zu verbessern. Mengen zwischen etwa 0,01 und 2 Prozent, bezogen auf das Gewicht der gesamten Masse, vorzugsweise zwischen etwa 0,02 und 1 Prozent, bezogen auf das Gewicht der gesamten Masse, können verwendet werden.
- Die Gesamtmenge an Füllstoff kann in einem Bereich von 0 bis zu etwa 85 Prozent der gesamten Masse liegen. Vorzugsweise umfaßt der Füllstoff eine Gesamtmenge von mehr als 50 Gewichtsprozent der gesamten Masse und bevorzugter zwischen etwa 60 und etwa 85 Gewichtsprozent der gesamten Masse. Ebenfalls bevorzugt, zwischen etwa 60 und etwa 80 Gewichtsprozent der gesamten Masse, ist ein Siliciumdioxid-Füllstoff.
- Farbgebende Stoffe, falls eingesetzt, liegen im allgemeinen in Mengen vor, die ausreichend sind, um den eingekapselten Einrichtungen die gewünschte Farbe zu verleihen, vorzugsweise schwarz. Mengen zwischen etwa 0,1-0,5%, bezogen auf das Gewicht der gesamten Masse, können eingesetzt werden.
- Haftvermittler, und insbesondere Silan-Haftvermittler, werden in Mengen bereitgestellt, die ausreichend sind, um die gewünschten trockenelektrischen Eigenschaften zu ergeben und vorzugsweise zwischen etwa 0,05 und 2 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, bevorzugter zwischen etwa 0,1 und 1,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse.
- Die erhaltene Epoxidformmasse kann verwendet werden, um Halbleitereinrichtungen mit irgendeinem herkömmlichen Verfahren einzukapseln. Zum Beispiel haben die bevorzugten verbesserten Epoxidharzformmassen Formulierungen, die 0,4-0,8% Prozentanteil an Antimonpentoxid; 0,03-0,06% Natriumgehalt (bezogen auf das Gewicht des Antimonpentoxids) und eine organische Verbindung, die etwa 1,0-1,8% Brom enthält, umfassen, wenn sie auf Testmaschinen ausgeformt werden, unerwartete überlegene Hochtemperatur-Stabilität und -Verläßlichkeit, verglichen mit Formulierungen aus dem Stand der Technik, wie offenbart in U.S. Pat. No.4,282,136 (Hunt et al.).
- Die Verwendung eines niedrigeren Prozentanteils Antimonpentoxid in der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, weil Antimonpentoxid teuer und toxisch ist.
- Verbesserte Epoxidharzformmassen-Formulierungen, die 0,4-0,8 Prozent Antimonpentoxid, 0,03-0,06 Prozent Natrium (bezogen auf das Gewicht des Antimonpentoxids) und eine organische Verbindung, die etwa 1,0-1,8 Prozent Brom enthält, umfassen, liefern in Lagerfähigkeitstests bei hoher Temperatur überlegene Testergebnisse. Der Lagerfähigkeitstest bei hoher Temperatur wird routinemäßig von Halbleiterherstellern durchgeführt, um die elektrische Verläßlichkeit ihrer Einrichtungen festzustellen. Im Lagerfähigkeitstest bei hoher Temperatur werden parametrische Verschiebungen in den Spannungsausgangspegeln überwacht. Die Temperatur, bei der der Halbleiter gelagert wird, kann variiert werden. Die Spannungsausgangspegel spiegeln erhöhten Widerstand über die Ball-Bonds der Einrichtungen wider.
- Die verbesserten Epoxidharzformmassen-Formulierungen sind in einzigartiger Weise darin wirksam, den Ausfall aufgrund von parameterverschiebungen in den Spannungsausgangspegeln früherer Halbleitereinrichtungen zu verzögern oder zu eliminieren. Im Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen wurden Motorola SN 7420-Einheiten in der verbesserten Epoxidharzformmasse eingekapselt. Die verbesserte Epoxidharzformmasse zeigt keinerlei Ausfall (mehr als oder gleich 400 mV bei einem konstanten Strom von 16 mA) bei 200ºC bis zu 880 Stunden und keinerlei Ausfall (mehr als oder gleich 250 mV bei einem konstanten Strom von 16 Tria) bei 200ºC bis zu 418 Stunden, während vergleichbare Proben mit BREN mit oder ohne DHT-4A wenigstens 27% Ausfall (mehr als oder gleich 400 mV und ein konstanter Strom von 16 TNA) bei 200ºC in 880 Stunden und wenigstens 27% Ausfall (mehr als oder gleich 250 mV bei einem konstanten Strom von 16 mA) bei 200ºC in 418 Stunden zeigt.
- Überdies ergaben die verbesserten Epoxidharzformmassen überlegene Ergebnisse Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen gegenüber einer anderen Kombination, die BREN mit oder ohne DHT-4A enthielt, wenn die Temperatur, bei der die Halbleiter gelagert werden, bei einem konstanten Spannungsausgangspegel variiert wurde. Im Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen wurden Advanced Micro Devices, Inc. 7400-Type-TTL-Einheiten in der verbesserten -Epoxidharzformmasse eingekapselt. Bei 185ºC zeigte die verbesserte Epoxidharzformmasse nur 3% Ausfall nach 1800 Stunden, während vergleichbare Proben mit BREN mit oder ohne DHT-4A wenigstens 98% Ausfall nach 1800 Stunden zeigten. Bei 200ºC zeigt die verbesserte Epoxidharzformmasse nur 1% Ausfall nach 404 Stunden, während vergleichbare Pröben mit BREN mit oder ohne DHT-4A wenigstens 76% Ausfall nach 404 Stunden zeigen.
- Außerdem enthalten die verbesserten Epoxidharzformmassen ≤ 0,8% Antimonpentoxid. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Stand der Technik überraschend, der lehrt, daß ein höherer Prozentsatz Antimonpentoxid (≥ 1%) eine Formulierung mit besserer synergistischer Leistung ergeben wird. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Formmassensysteme würde nicht dahin geführt werden, etwa ≤ 0,8% Antimonpentoxid zu verwenden, weil der Stand der Technik lehrt, daß zu erwarten ist, daß die Verwendung einer halogenhaltigen organischen Verbindung mit ≥ 1% Pentoxid verringerte parametrische Ausfälle ergibt.
- Bei der vorliegenden Erfindung erreicht die verbesserte Epoxidmasse überlegene Ergebnisse mit entweder ≤ 1,0% oder ≥ 1,0% Bromgehalt. Dieses Ergebnis ist auf der Grundlage der Lehren des Standes der Technik unerwartet, daß hohe Gehalte an Antimonpentoxid günstig für die Verläßlichkeit bei hohen Temperaturen sind und hohe Gehalte an Brom schädlich sind. Ein Fachmann auf diesem Gebiet würde nicht dahin geführt werden, etwa ≥ 1,0% Bromgehalt mit ≤ 0,8% Antimonpentoxid zu verwenden, weil der Stand der Technik lehrt, daß man erwarten kann, daß die Verwendung von ≥ 1,0% Bromgehalt schlechte Ergebnisse für die Trockenwärmeverläßlichkeit ergibt.
- Die verbesserten Epoxidharzformmassen ergaben überlegene Ergebnisse gegenüber Massen, die kein basisches Aluminiumcarbonat-Hydrat und Antimontrioxid enthielten, wenn die Spannungspegel überwacht wurden. Im Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen, der bei 175ºC durchgeführt wurde, wurden Motorola SN 7420-Einheiten in der Epoxidharzformmasse eingekapselt. Die Masse, die DHT-4A enthielt, zeigte keinen Ausfall nach 1342 Stunden bei sowohl 250 mV als auch 400 mV, während die Masse, die kein DHT-4A enthielt, wenigstens 90% Ausfall nach 1342 Stunden bei 250 mV und über 70% Ausfall nach 1342 Stunden bei 400 mV zeigte.
- Die verbesserte Epoxidharzformmasse enthält basisches Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat anstelle anderer bismuthaltiger Materialien (Bismuttrioxid oder IXE-600, eine Mischung aus hydratisiertem Antimonpentoxid und basischem Nitrat, von Toagosei Chemical Industries Co., Ltd.). DHT-4A-Systeme sind gegenüber anderen Systemen aus bismuthaltigem Material insofern überlegen, als sie die elektrische Verläßlichkeit bestimmter Typen logischer Einheiten aufrechterhalten.
- Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Bestandteile beschränkt, sondern kann andere Bestandteile einschließen, die die flammhemmenden Eigenschaften des flammhemmenden Mittels nicht beeinträchtigen. Demgemäß können andere organische oder anorganische Materialien unter den obigen Bedingungen zugesetzt werden, einschließlich Antimontrioxid und Antimontetraoxid in Gesamtmengen, die geringer sind als die Menge an Antimonpentoxid.
- Die folgenden nicht beschränkenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung weiter im Hinblick auf eine verbesserte Epoxidharzformmasse, ein Verfahren und eine eingekapselte Einrichtung. Alle Teile sind gewichtsbezogen, sofern nicht anders angegeben.
- Epoxidharz-Einkapselungsmassen werden aus der modifizierten Formulierung A hergestellt, die in Tabelle 2 angegeben ist. Die vier Formulierungsgruppen unterscheiden sich durch das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Antimontrioxid oder Antimonpentoxid und/oder bromiertem Harz des folgenden Typs:
- oder bromiertem Harz des folgenden Typs: TABELLE 2
- * Br-Gehalt = 0,85 Alle Beispiele durchlaufen eine UL94V-O-Entflammbarkeitsbewertung bei 42 Pa (1/8" bar).
- Fünf weitere Proben werden mit Antimonpentoxid hergestellt. Die fünf Formulierungsgruppen unterscheiden sich im Vorhandensein/Nichtvorhandensein von basischem Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat und im Vorhandensein/Nichtvorhandensein verschiedener bromhaltiger organischer Verbindungen. Tabelle 3
- * % Br-Gehalt = 0,84
- ** % Br-Gehalt = 0,68
- *** % Br-Gehalt = 0,85
- 4* % Br-Gehalt = 0,76
- 5* % Br-Gehalt = 0,68
- Alle Beispiele durchlaufen eine UL94V-O-Entflammbarkeitsbewertung bei 42 Pa (1/8" bar)
- Die vier Massen, wie sie in den Vergleichsbeispielen A-D beschrieben sind, werden einem Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen unterzogen, der bei trockenen Bedingungen durchgeführt wird. Die Testergebnisse, die parametrische Verschiebungen in den Spannungsausgangspegeln messen, bei denen ein Ausfall ein Spannungsausgangspegel > 500 mV bei 24 mA war, sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Der Test wurde an den Beispielen A-D und an kommerziell erhältlichen Formmassen des Wettbewerbs S-2, S-1 und N-1 durchgeführt. Tabelle 4 LAGERFÄHIGKEITSTEST BEI HOHEN TEMPERATUREN (HTSL) 7400 Type TTL-Einheiten
- Parametrische Verschiebungen in den Spannungsausgangspegln (VOL) wurden überwacht.
- Ausfall war VOL > 500 mV bei 24 mA
- Eine Durchsicht der Daten zeigt, daß die Antimonpentoxid-Probe (Beispiel D) den Antimontrioxid-Proben (Vergleichsbeispiele A, B und C) weit überlegen war in der Verlängerung der Lagerfähigkeit bei hohen Temperaturen. Beispiel D war auch den Verbindungen des Wettbewerbs S-2, S-1 und N-1 weit überlegen.
- Die fünf Massen, wie sie in den Beispielen E-I beschrieben sind, werden einem Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen unter trockenen Bedingungen zusammen mit den Verbindungen des Wettbewerbs S-2 und N-2 unterzogen. Die Testergebnisse, die parametrische Verschiebungen der Spannungsausgangspegel messen, bei denen ein Ausfall ein Spannungsausgangspegel > 500 mV bei 24 mA war, sind in Tabelle 5 zusammengefaßt. Tabelle 5 LAGERFÄHIGKEITSTEST BEI HOHEN TEMPERATUREN (HTSL) 7400 Type TTL-Einheiten
- * Vergleichsbeispiel
- Die fünf Verbindungen, wie sie in den Beispielen E-I beschrieben sind, werden einem Test zur Lagerung bei hohen Temperaturen unter trockenen Bedingungen zusammen mit den Verbindungen des Wettbewerbs S-2 und N-2 unterzogen, gefolgt von einem Bakken bei 185ºC und 175ºC. Die Ergebnisse sind unten zusammengefaßt. Tabelle 6 DATEN FÜR LAGERUNG BEI HOHEN TEMPERATUREN (HTS) VON 185ºC & 175ºC
- * Vergleichsbeispiel
- Eine Durchsicht der in Tabelle 5 und Tabelle 6 angegebenen Testdaten zeigt, daß nur, wenn die drei Bestandteile (Stable- Bromine-Cresol-Epoxid-Novolak, Antimonpentoxid und basisches Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat) zusammen verwendet werden, die besten Ergebnisse erhalten werden.
- Insbesondere zeigen Tests, die bei 185ºC und 200ºC durchgeführt worden sind, daß, während Tests zur Lagerung bei hohen Temperaturen, die bei 175ºC durchgeführt worden sind, keinen wesentlichen Unterschied in parametrischen Verschiebungen der Spannungsausgangspegel zeigen, die Einheiten, die mit einer Epoxidharzformmasse mit dem Stable-Bromine-Cresol-Epoxid-Novolak, Antimonpentoxid und basischen Magnesiumaluminiumcarbonat- Hydrat (Beispiel I) aufwiesen, ausgeformt wurden, überlegene Lagerfähigkeit zeigten. Beispiel 1 erwies sich auch als den Verbindungen des Wettbewerbs S-2 und N-2 weit überlegen.
- Beispiel I durchlief Verläßlichkeitstests, in denen die Einheiten hohen Temperaturen (d.h. 85ºC bis 125ºC) in sowohl trockenen als auch feuchten Umgebungen ausgesetzt wurden, während sie kontinuierlich betrieben oder unter Vorspannung gesetzt wurden. Zusätzlich wurden die Einheiten in einem Zyklus zwischen -65ºC bis +150ºC durch bis 2000 Zyklen geführt. In keinem der Tests wurden offensichtliche Ausfälle der Einheit bemerkt.
- Man glaubt, daß die überlegene Leistung von Beispiel I sowohl auf der teilweisen Neutralisierung des sauren Charakters von Antimonpentoxid als auch auf den verringerten Gehalten an Halogenid-Ionen durch zu basischem Ionenaustausch befähigtem Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat beruht, wodurch unerwünschte Korrosion der Einheit verhindert wird.
- Zwei weitere Proben werden mit bromiertem Epoxidharz (BREN ) hergestellt. Zwei Formulierungen unterscheiden sich im Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Antimontrioxid oder Antimonpentoxid und im Vorhandensein/Nichtvorhandensein von basischem Magnesiumaluminiumcarbonat -Hydrat (DHT-4A). Tabelle 8
- Die zwei Massen, die in Beispiel N-O beschrieben sind, werden einem Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen unter trockenen Bedingungen unterzogen. Die Massen wurden für eine variable Anzahl von Stunden bei 175ºC gelagert und die kumulativen Spannungsausgangs-/Niederzustandspegel-Ausfälle werden aufgezeichnet. Tabelle 9 LAGERFÄHIGKEITSTEST BEI HOHEN TEMPERATUREN (175ºC) SN 7420-Einheiten kumulative Vol-Ausfälle Spannungsausfallgrenzen*
- * Erhöhte Spannungsausgangs-/Niederzustandspegel (VOL) spiegeln den erhöhten Widerstand über die Ball-Bonds dieser Einheiten wider. 400 mV stellt die Maximalspezifikation des Herstellers der Einheit dar. Ein typischer Anfangswert ist 200 mV.
- * Vergleichsbeispiel
- Eine Durchsicht der Daten zeigt, daß die Masse, die Antimonpentoxid und DHT-4A enthält, überlegene Ergebnisse liefert. Insbesondere stiegen nach 638 Stunden die Vol-Ausfälle für Beispiel N signifikant gegenüber Beispiel 0, das das Antimonpentoxid und das Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat enthält.
- Vier weitere Proben werden hergestellt. Die vier Formulierungen enthalten alle Antimonpentoxid, aber unterscheiden sich im Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von bromhaltigen organischen Verbindungen (BREN oder Dow Stable-Bromine 71842 Type) und im Vorhandensein/Nichtvorhandensein von basischem Metalloxid (Bismuttrioxid oder IXE-600) oder Magnesiumoxid-Verbindung (DHT-4A). Tabelle 10
- * enthält 1,36 Br
- ** enthält 1,22 Br
- x Vergleichsbeispiel
- Die sechs Verbindungen, wie sie in den Vergleichsbeispielen N, Q, S, T und den Beispielen O und R beschrieben sind, werden einem Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen unterzogen, die Massen wurden für eine variable Anzahl von Stunden bei 200ºC gelagert und die kumulativen Spannungsausgangs/Niederzustandspegel-Ausfälle wurden aufgezeichnet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 11 zusammengefaßt. Tabelle 11 LAGERFÄHIGKEITSTEST BEI HOHEN TEMPERATUREN (175ºC) SN 7420-Einheiten kumulative Vol-Ausfälle Spannungsausfallgrenzen*
- x Vergleichsbeispiel
- Eine Durchsicht der Daten zeigt, daß bei einer Verlängerung der Lagerfähigkeit bei hohen Temperaturen von SN 7420-Einheiten Einheiten mit bromiertem Epoxidharz (z.B. Typ Dow Stable Br 71842), Antimonpentoxid und Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat, gegenüber denjenigen überlegen sind, die bismuthaltige Materialien enthalten. (Beispiel R gegenüber Vergleichsbeispielen S und T). Außerdem liefert diese Kombination überlegene Verhalten im Lagerfähigkeitstest bei hohen Temperaturen, verglichen mit Formulierungen, die das bromierte Epoxidharz BREN enthalten (Beispiel R gegenüber Vergleichsbeispielen und Q).
- Die vorstehenden Beispiele sind dazu gedacht, die verbesserte flammhemmende Epoxidharzformmasse, das Verfahren und die eingekapselte Einrichtung zu veranschaulichen.
Claims (23)
1. Eine Epoxidharzformmasse, welche umfaßt:
(a) 5-25 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Masse,
eines Epoxidharzes;
(b) 4-20 Prozent, bezogen auf das Gewicht der Masse,
eines Härtungsmittels;
(c) eine wirksame Menge eines Katalysators für die
Reaktion zwischen besagtem Epoxidharz und besagtem
Härtungsmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.% des
kombinierten Gewichtes von Epoxidharz und
Härtungsmittel;
(d) eine wirksame Menge eines Formtrennmittels für das
Trennen der gehärteten Formmasse von einer Form in
einer Menge von zwischen 0,01 und 2 Prozent, bezogen
auf das Gewicht der Masse;
(e) zwischen 50 und 85 Prozent, bezogen auf das Gewicht
der Masse, eines Füllstoffes; und
(f) ein flammhemmendes System aus:
(1) von 0,4 bis 0,8 % Antimonpentoxid, bezogen auf
das Gewicht der Formmasse;
(2) von 0,01-10 Prozent Natrium, bezogen auf das
Gewicht der Antimonpentoxidverbindung;
(3) einer reaktiven organischen Verbindung, die
wenigstens 0,5 % Brom enthält, bezogen auf das
Gewicht der Formmasse, wobei besagte reaktive
organische Verbindung eine Einzelkomponente ist
oder in einer oder mehreren der besagten
Komponenten (a) - (e) besagter Epoxidharzformmasse
enthalten ist; und
(4) von 0,02 bis 4,0 % Magnesiumaluminiumcarbonat-
Hydrat, bezogen auf das Gewicht der Formmasse.
2. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagtes
Epoxidharz 10-17 Gew.-% der Epoxidharzformmasse ausmacht.
3. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagtes
Härtungsmittel ein Phenol-Novolak ist.
4. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagtes
Härtungsmittel ein Anhydrid ist.
5. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 3, wobei besagtes
Härtungsmittel ein Polyanhydrid eines Maleinsäuremonomers
und wenigstens eines Alkylstyrolmonomers oder ein
Präpolymer des Polyanhydrids und des Epoxidharzes ist.
6. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagtes
Härtungsmittel 4-12 Gew.-% der Epoxidharzformmasse
ausmacht.
7. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagter
Füllstoff anorganischer Füllstoff ist.
8. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
Epoxidharzformmasse zwischen 60-85 Gew.-% Siliciumdioxid-
Füllstoff umfaßt.
9. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagter
anorganischer Füllstoff Siliciumdioxid einschließt.
10. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
Epoxidharzformmasse einen Silan-Haftvermittler
einschließt.
11. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
Epoxidharzformmasse einen farbgebenden Stoff einschließt.
12. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive bromhaltige organische Verbindung ein
Bromphenol-Formaldehyd-Novolak ist.
13. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive bromhaltige organische Verbindung ein
Polyglycidylether oder Bromphenol-Formaldehyd-Novolak ist.
14. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive bromhaltige organische Verbindung ein
Bromphenol-Epoxid-Novolak ist.
15. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive bromhaltige organische Verbindung ein
meta-bromierter Kresol-Epoxid-Novolak ist.
16. Die Epoxidharzformmmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
bromhaltige organische Verbindung Teil besagten
Epoxidharzes ist.
17. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
bromhaltige organische Verbindung Teil besagten von
Phenol abgeleiteten oder von substituiertem Phenol
abgeleiteten Harzhärtungsmittels ist.
18. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive organische Verbindung etwa 0,5-5,4 % Brom,
bezogen auf das Gewicht der Formmasse, enthält.
19. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive organische Verbindung etwa 0,5-5,4% Brom,
bezogen auf das Gewicht der Formmasse, enthält.
20. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagte
reaktive organische Verbindung etwa 0,5-1,8 % Brom,
bezogen auf das Gewicht der Formmasse, enthält.
21. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 1, wobei besagtes
flammhemmendes System etwa 0,03-0,06 % Natrium, bezogen
auf das Gewicht des Antimonpentoxids, enthält.
22. Die Epoxidharzformmasse nach Anspruch 22, wobei das
besagte flammhemmende System etwa 0,02-3,20 %
Magnesiumaluminiumcarbonat-Hydrat, bezogen auf das Gewicht der
Formmasse, enthält.
23. Ein Verfahren zum Einkapseln einer Halbleitereinrichtung,
wobei besagtes Verfahren die Schritte umfaßt:
(1) Erhitzen einer hitzehärtbaren Epoxidharzformmasse
bis zu einem flüssigen Zustand, und
(2) Einkapseln einer Haibleitereinrichtung mit besagter
hitzehärtbaren Epoxidharzformmasse, die bis zu einem
flüssigen Zustand erhitzt ist, und
(3) Abkühlen besagter eingekapselter
Halbleitereinrichtung, wobei besagte Epoxidharzformmasse ein
Epoxidharz einer der vorangehenden Ansprüche ist.
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