JP4256260B2 - 電子デバイス製造中の接着方法 - Google Patents

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Description

本発明は、通常接着特性を示さない材料に接着性を付与する方法に関する。前記材料はポリマー材料および基板を含む。ポリマー材料は、集積回路チップとチップキャリアなど、電子デバイスの2個の部品を接続するために使用することができる。
ポリマーは広範囲の技術に用途を見出されてきたが、すべてのポリマー材料が良好な接着のための必要な物理的および化学的特性を有するとは限らない。プラズマ処理は、材料全体の望ましい特性を保持しながら接着を高めるための、ポリマー表面を改質する1つの手段である。
ポリマー材料の類似材料への接着は、その後の接合プロセス中の熱処理の補助の有無にかかわらず、プラズマ、コロナ、誘電体放電バリア、または火炎処理によって改善することができる。例には、熱と圧力の処理の下でそれ自体または互いに接合されたポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンがある。接着の機構はロンドン分散力の物理吸着の性質および水素結合であった。これらの接着接合は水や有機溶媒などの外部物質の影響を受けやすく、耐久性は低くなりがちである。プラズマ処理表面に関する他のシステムは、ポリ塩化ビニルおよびポリマー織物など濡れ性の低い表面をプラズマ処理した後に、表面を化学的に変化させることに焦点が向けられている。
接着を向上させる一方法は、基板をプラズマ処理し、処理した表面に未硬化状態の濡れ剤または接着剤配合物を塗工し、その後、当該配合物を硬化することである。例えば、シロキサン-ポリイミドポリマーの2層を接合する一方法は、スピンコーティングで第2の層を塗工する前に、第1の層をプラズマを用いてエッチング(または洗浄)することを含む。この方法には乾燥接着を提供しない欠点がある。プラズマ処理は、塩化水素またはスルホクロム酸溶液のような化学処理と同様に、基板の表面処理の別法として用いられる。接合を高めるために表面化学処理も提案されている。硬化したシリコーンゴムを臭素水で処理すると、低エネルギー表面がエッチングされて、多くの硬化性ポリマー系を直接硬化し接合することのできる高エネルギー表面が形成される。このプロセスには、取り扱い上、および危険で毒性のある化学薬品を廃棄する上で多くの欠点がある。
電子用途において、プラズマ処理を用いて接着を改善する方法が開示されてきた。例えば、封入材とICチップの間、および封入材とチップキャリアの間の接着を改善する1つの方法は、ICチップまたはチップキャリアのいずれかのプラズマ処理を使用する。他の方法は、熱可塑性基板のプラズマ表面改質を使用して、追加の硬化性シリコーン接着剤への接着を改善する。これらは両方とも湿式塗工(すなわち、未硬化の封入材組成物をプラズマ改質した表面に塗工し、次いで硬化する)である。他の方法は、液晶ディスプレイの粘着層をコロナまたはプラズマ処理することによって、粘着層と偏光シートもしくは移相シートの間の接着が改善されることを開示している。しかし、これらの方法はいずれも非接着性表面間を接着しない。
プラズマ表面処理は金属蒸着または積層にも使用されてきた。1つの方法は、フッ素ポリマーのプラズマ処理が、熱蒸発、電子蒸着または熱ビーム蒸発による金属堆積を改善できることを開示している。他の方法は、合成樹脂の絶縁ベースフィルム、金属箔およびシリコーン接着材層からなる積層体が接着接合の前にプラズマ表面処理を前記ベースフィルムに施すことによって作ることができることを開示している。これらの方法には、プラズマを使用しても2つの乾燥表面間を接着できない欠点がある。
W.Lynch、Handbook of Silicone Rubber Fabrication、Van Nostrand Reinhold Company、New York、1978 米国特許第4,753,978号 米国特許第5,110,845号 米国特許第4,766,176号 米国特許第5,017,654号 米国特許第5,977,226号 「Chip Scale Packaging for Memory Devices」、Y.Akiyama、A.Nishimura、I.AnjohおよびA.Nagai、IEEE Electronic Components and Technology Conference、1999 「Advances in Materials Research in Japan」、Phase IV、Report 2. マイクロエレクトロニクス技術の先端材料(Polymer materials for Advanced Microelectronics Technology)、2000年6月、Techno Alliance Corporation、Tokyo、Japan 米国特許第4,933,060号 米国特許第5,357,005号 J.Kroshwitz等編、「電子材料(Electronic Materials)」、Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology、第4編、第9巻、219〜229頁、John Wiley & Sons、New York、1994 T.S.Sudarshan等のSurface Modification Technologies、An Engineer's Guide、Marcel Decker,Inc.、New York、1989、第5章、318〜332頁および345〜362頁 Basic Integrated Circuit Technology Reference Manual、R.D.Skinner編、Integrated Circuit Engineering Corporation、Scottsdale、Arizona、第3章 米国特許第5,858,815号
本発明は接着状態を形成する方法に関する。方法は電子デバイスまたは電子デバイスパッケージを製造する間に使用することができる。前記方法は、
a)ポリマー材料のプラズマ処理と、
b)被接着物のプラズマ処理と、
c)その後前記ポリマー材料を前記被接着物に接触させ、それによって前記ポリマー材料と前記被接着物との接着を形成することを含む。
すべての量、比、パーセントは特に断らない限り重量である。以下は本明細書に使用される定義のリストである。
定義
「1つ(one)」および「1つ(an)」は1つまたはそれ以上を意味する。
「組合せ(combination)」は任意の手段または方法によって互いに集められた2つまたはそれ以上のものを意味する。
「硬化した(cured)」は、分子を架橋によって互いに結合してより大きな分子にし、分子の動きを制限する化学的プロセスが実質上完了していることを意味する。
「非接着性(nonadhesive)」は、ポリマー材料が処理なしでは通常基板に接着しないことを意味する。
「プラズマ処理(plasma treatment)」は、外部から加えられたエネルギーの形によって活性化したガス状態に基板を露出することを意味し、コロナ放電処理、誘電体バリア放電処理、火炎処理、低圧グロー放電処理、大気圧グロー放電処理を含むが、これらに制限されるものではない。プラズマ処理に使用されるガスは、空気、アンモニア、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、ヘリウム、水素、クリプトン、ネオン、窒素、亜酸化窒素、酸素、オゾン、水蒸気、およびその組合せ等であることができる。別法として、ヘキサメチルジシロキサン、シクロポリジメチルシロキサン、シクロポリハイドロジェンメチルシロキサン、シクロポリハイドロジェンメチル-コ-ジメチルシロキサン、反応性シラン、その組合せ等など、より反応性のあるガスまたは蒸気を、プロセスに加える圧力におけるガスの通常の状態、またはさもなければ液体状態から適切な装置で気化して使用することができる。
方法
この方法は、ポリマー材料と基板とを接着する方法に関する。本方法は電子デバイスおよび電子デバイスパッケージを製造する間に使用することができる。本発明の一実施形態において、本方法は、
a)ポリマー材料のプラズマ処理、
b)基板のプラズマ処理、
c)半導体のプラズマ処理、
d)前記ポリマー材料と前記基板との接触、
e)前記半導体と前記ポリマー材料との接触を含む。
本発明の一実施形態において、工程a、b、c、d、eは、abcde、acbde、abced、acbed、bacde、baced、bcade、bcaed、cabde、cabed、cbade、cbaed、abdce、badce、acebd、caebd、abdace、badace、abdcae、badcae、aceabd、caeabd、acebad、caebadの任意の順序で実施することができる。当業者であれば、半導体および基板の両方がポリマー材料に接合される場合、前記ポリマー材料のプラズマ処理は1回以上実施することができる、すなわち工程aを繰り返すことができることを理解するであろう。例えば、ある実施形態では、ポリマー材料および基板にプラズマ処理を行い、前記ポリマー材料と前記基板を接触させる。次いでプラズマ処理を半導体および前記ポリマー材料の前記基板に接触している面とは異なる表面に別に実施する。前記ポリマー材料と前記基板を次いで接触させる。プラズマ処理は、ポリマー材料、基板または半導体の表面のすべてまたは一部に実施することができる。
別法として、工程a、b、cを同時に実施することができ、その後工程dおよびeを任意の順序で実施してもよい。また、工程a、b、cを任意の順序で実施し、その後工程dおよびeを同時に実施してもよい。また、工程a、b、cを同時に実施し、その後工程dおよびeを同時に実施してもよい。
本発明の一実施形態では、ポリマー材料を基板に接触させ、プラズマ処理の後、可能な限り即座に任意に半導体に接触させる。他の実施形態では、ポリマー材料、基板および任意の半導体は、工程d、工程e、または両方において接触する前に、各々任意に別々に保存することができる。本発明の一実施形態では、プラズマ処理の後、ポリマー材料は少なくとも0時間、若しくは少なくとも1時間、若しくは少なくとも2時間保存することができる。ポリマー材料は、プラズマ処理の後、48時間まで、若しくは24時間まで、若しくは8時間まで、若しくは4時間まで保存することができる。同じ保存条件を基板および半導体に独立して用いることができる。
本発明の一実施形態では、工程dおよびeを室温で数秒間実施することによって接着状態を得ることができる。本発明の他の実施形態では、工程d、工程e、または両方は高温、高圧、または両方の下で実施される。工程d、工程e、または両方のために選択する正確な条件は、方法の特定の用途を含む種々の要因に依存する。しかし、接触工程間の温度は少なくとも15℃、若しくは少なくとも20℃、若しくは少なくとも100℃とすることができる。接触の間の温度は400℃まで、若しくは220℃までとすることができる。接触の間の圧力は10メガパスカルまで、若しくは1メガパスカルまでとすることができる。接触の間の圧力は少なくとも0.1メガパスカルである。接触時間は少なくとも0.1秒、若しくは少なくとも1秒、若しくは少なくとも5秒、若しくは少なくとも20秒とすることができる。接触時間は24時間まで、若しくは12時間まで、若しくは30分まで、若しくは30秒までとすることができる。
本発明の他の実施形態において、本方法は、
A)ポリマー材料のプラズマ処理、
B)被接着物のプラズマ処理、
C)その後前記ポリマー材料と前記被接着物を接触させることを含み、それによってポリマー材料と被接着物とを接着する。この実施形態では、被接着物は半導体または基板のいずれかであることができる。この実施形態では、方法は、工程A)の後、および工程C)の前にポリマー材料を保存すること、または工程B)の後および工程C)の前に被接着物を保存すること、またはその両方を任意にさらに含んでよい。
工程A)およびB)は任意の順序で実施することができ、上記と同じプラズマ処理条件、接触条件、および任意の保存条件を適用することができる。
この実施形態において、工程A)およびB)は同時にまたは任意の順序で連続的に実施することができる。この実施形態では、工程A)、B)、C)は任意に1回またはそれ以上繰り返すことができる。この方法は、電子デバイスまたは電子デバイスのパッケージの製造中に用いることができ、または他の目的のために広範囲に用いることができる。この方法の使用は特に制限されない。
本発明の方法は接着性を付与するものであり、例えば、被接着物は以下の参照例5のダイせん断強度試験において0.1メガパスカルの力をかけたときにポリマー材料から離脱しない。正確な接着力は選択したポリマー材料と被接着物、選択したプラズマ処理条件、選択した接触条件によって変動するであろう。しかし、以下の参照例6によって測定したダイせん断強度は、少なくとも0.2メガパスカル(MPa)、若しくは少なくとも0.3MPa、若しくは少なくとも0.5MPa、若しくは少なくとも1MPa、若しくは少なくとも1.5MPa、若しくは少なくとも2MPa、若しくは少なくとも2.5MPa、若しくは少なくとも5Mpaとすることができる。
ポリマー材料
本発明に使用されるポリマー材料は、例えばプラズマ処理の直前にこの方法で使用するときは非接着性である。ポリマー材料は比較的低いモジュラス(例えば、基板または半導体よりも低いモジュラス)を有する。モジュラスは、選択したポリマー材料そのもの、ポリマー材料を接着する被接着物等を含んで種々の要因によって変動するであろう。しかし、モジュラスは少なくとも0.1メガパスカル、若しくは少なくとも1メガパスカルとすることができる。モジュラスは300メガパスカルまで、若しくは400メガパスカル、若しくは1ギガパスカルまで、若しくは5ギガパスカルまでとすることができる。
本発明の一実施形態では、ポリマー材料は熱硬化性または熱可塑性材料である。ポリマー材料はシリコーン、有機物、シリコーン有機物コポリマー、またはその組合せとすることができる。熱硬化性材料は、有機物である可撓性エポキシ、およびシリコーン、有機物、またはシリコーン有機物コポリマーであることのできるエラストマーを含む。熱可塑性材料はシリコーン有機物コポリマーワックスなどの相変化材料、およびポリオレフィン(例えば、ポリエチレン)、ポリイミド、フェノール、およびその組合せ等などの有機物を含む。
本発明の一実施形態では、ポリマー材料は、硬化シリコーン樹脂、硬化シリコーンエラストマー、硬化シリコーンゴム、その組合せ等などの硬化シリコーンである。適切な硬化シリコーン樹脂は、T、DT、MT、MQ樹脂、およびその組合せ等を含む。硬化シリコーンゴムおよびその製造方法は、当技術分野に知られており、例えば、W.Lynch、Handbook of Silicone Rubber Fabrication、Van Nostrand Reinhold Company、New York、1978を参照されたい。硬化シリコーンエラストマーは当技術分野に知られている。例えば、米国特許第4,753,978号および第5,110,845号は硬化シリコーンエラストマーとその調製方法を開示している。
硬化シリコーンは硬化性シリコーン組成物を硬化することによって調製することができる。硬化性シリコーン組成物は当技術分野に知られている。硬化性シリコーン組成物およびその硬化方法の例は米国特許第4,766,176号、第5,017,654号、第5,077,226号に記載されている組成物及び説明されている方法を含む。硬化シリコーンは接着助剤で処方されたシリコーン組成物から調製することができるが、接着助剤は必ずしも必要ではない。
当業者であれば、組成物の硬化方法は重要ではなく、縮合反応、付加反応、紫外線照射開始反応、およびフリーラジカル開始反応などの硬化機構を含むことができる。
本発明の他の実施形態では、ポリマー材料は硬化有機樹脂、硬化有機エラストマー、硬化有機ポリマー、その組合せ等の硬化有機物である。適切な硬化有機樹脂は硬化エポキシ樹脂を含む。適切な硬化有機エラストマーはポリウレタンを含む。適切な硬化有機ポリマーは、エポキシ、ポリイミド、ポリイミドコポリマー、その組合せ等を含む。適切な硬化有機ポリマーは当技術分野に知られており、例えば、「Chip Scale Packaging for Memory Devices」、Y.Akiyama、A.Nishimura、I.AnjohおよびA.Nagai、IEEE Electronic Components and Technology Conference、1999を参照されたい。
適切なシリコーン有機物コポリマーは、ポリジメチルシロキサン変性ポリイミドまたはポリアミドを使用するシルアリーレンのリード-オン-チップ(LOC)テープを含む。シリコーン有機物コポリマーは当技術分野に知られており、例えば、「Advances in Materials Research in Japan」、Phase IV、Report 2. Polymer materials for Advanced Microelectronics Technology、2000年6月、Techno Alliance Corporation、Tokyo、Japanを参照されたい。
硬化されたポリマー材料は本発明に使用することができる。液状(未硬化)または部分的に硬化した(例えばBステージ)材料を使用する方法に比べて、この方法は種々の被接着物に対する硬化シリコーン、硬化有機物、硬化シリコーン有機物コポリマーの接着状態を形成することができる。
ポリマー材料は種々の形状を有することができる。ポリマー材料はシートまたはフィルムなど連続状であってもよい。または、ポリマー材料は複数の平坦なパッドまたは半球状の塊またはバンプなど不連続状であってもよい。
基板
この方法に使用される基板は特に制限されない。基板の選択は、上述の方法に使用することに限らず、例えば、製造すべき電子デバイスまたは電子デバイスパッケージの種類など種々の要因に依存する。基板は電子デバイスまたは電子デバイスパッケージの製造に使用される任意の材料とすることができる。基板は、例えば、セラミック基板、可撓性基板、または電子デバイスパッケージに通常使用される硬質基板とすることができる。適切な基板の例は、セラミック、金属、金属被覆表面、ポリマー(すなわち上記のポリマー材料以外の)、その組合せ等である。
金属および金属被覆は、アルミニウム、クロム、銅、金、鉛、ニッケル、白金、半田、ステンレススチール、スズ、チタン、これらの合金、これらの組合せ等を含む。
セラミックは窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、その組合せ等を含み、または、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、その組合せを含む。
ポリマーは、ベンゾシクロブテン、ビスマレイミド、シアネート、エポキシ、ポリベンズオキサゾール、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンエーテル、ポリ塩化ビニリデン、およびその組合せ等を含む。
半導体
半導体は当技術分野に知られており、市場で入手可能であり、例えば、J.Kroshwitz等編、「Electronic Materials」、Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology、第4編、第9巻、219〜229頁、John Wiley & Sons、New York、1994を参照されたい。一般的な半導体はケイ素、ケイ素合金、およびヒ化ガリウムを含む。半導体は無被覆ダイ、ICチップなどのチップ、またはウェハなど任意の都合のよい形状を有することができる。
プラズマ処理
非接着性材料をプラズマ処理することによって、非接着性材料の表面特性は非接着性から接着性に変換される。コロナ放電処理、誘電体バリア放電処理、グロー放電処理を含んで、種々の種類のプラズマ処理を本発明の方法に使用することができる。グロー放電処理は、低圧グロー放電または大気圧グロー放電から選択されるプラズマを使用して実施することができる。
本発明の一実施形態では、プラズマ処理は連続またはパルスモードのいずれかの低圧グロー放電プラズマによって実施される。これは本質的にバッチプロセスである。または、プラズマ処理は適切な大気圧プラズマ装置を用いる大気圧下での連続プロセスで行うことができる。また、他のプラズマ処理も用いることができる。当業者であれば、多くの実験を行うことなく適切なプラズマ処理を選択することができよう。プラズマ処理は当技術分野に知られている。例えば、米国特許第4,933,060号、および第5,357,005号、およびT.S.Sudarshan等のSurface Modification Technologies、An Engineer's Guide、Marcel Decker,Inc.、New York、1989、第5章、318〜332頁および345〜362頁はプラズマ処理を開示している。
プラズマ処理の正確な条件は、ポリマー材料、基板および半導体の選択、プラズマ処理と接触間の保存時間、使用するプラス間処理の種類と方法、使用するプラズマチャンバの設計等を含んで種々の要因によって変動するであろう。しかし、プラズマ処理は、大気圧までの圧力下で実施することができる。プラズマ処理は、少なくとも0.05トル、若しくは少なくとも0.78トル、若しくは少なくとも1.5トルの圧力で実施することができる。プラズマ処理は、10トルまでの圧力、若しくは3トルまでの圧力で実施することができる。圧力があまり高い場合、プラズマ処理は開始されないかもしれない。
プラズマ処理の時間は、処理すべき材料、選択した接触条件、プラズマ処理の方法(例えばバッチ対連続)、およびプラズマ装置の設計を含んで種々の要因に依存する。プラズマ処理は、処理すべき材料の表面に接着結合を形成する十分な反応性を与えるために十分な時間実施される。プラズマ処理は少なくとも1ミリ秒間、若しくは少なくとも0.002秒間、若しくは少なくとも0.1秒間、若しくは少なくとも1秒間、若しくは少なくとも5秒間実施される。プラズマ処理は30分間まで、若しくは1分間まで、若しくは30秒間まで実施される。産業規模のプロセス効率のためにはプラズマ処理時間を最小にすることが望ましい。あまり長い処理時間は処理した材料のいくつかを非接着性または低接着性にするであろう。
プラズマ処理に使用されるガスは、例えば、空気、アンモニア、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、ヘリウム、水素、窒素、亜酸化窒素、酸素、オゾン、水蒸気、その組合せ等であることができる。または、ガスは空気、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、ヘリウム、窒素、亜酸化窒素、オゾン、水蒸気、およびその組合せから選択することができる。若しくは、ガスは空気、アルゴン、二酸化炭素、窒素、オゾン、およびその組合せであることができる。若しくは、ヘキサメチルジシロキサン、シクロポリジメチルシロキサン、シクロポリハイドロジェンメチルシロキサン、シクロポリハイドロジェンメチル-コ-ジメチルシロキサン、反応性シラン、その組合せ等など、より反応性のあるガスまたは蒸気を、プロセスの使用圧力におけるガスの通常の状態、またはさもなければ液体状態から適切な装置で気化して使用することができる。
当業者であれば、多くの実験を行うことなく、上記の指標および以下に記載する例を用いて適切なプラズマ処理条件を選択することができよう。
使用方法
上述の方法は、蒸気または液体状態の水の有無にかかわらず、熱処理または機械的な応力いずれにも抵抗性のある接着結合を作り出すことに使用することができる。接着特性は非類似部品を互いに保持するために使用することができ、さもなければ複数の工程で接着技術を用いることが必要である。
本方法は電子デバイスおよび電子デバイスパッケージの製造中に用いることもできる。電子デバイスおよびその製造方法は当技術分野に知られている。例えば、電子デバイスは、半導体がICチップであって、印刷配線板(PWB)または印刷回路基板(PCB)などの基板上に直接搭載されるチップオンボード(COB)であることができる。COBおよびその製造方法は当技術分野に知られており、例えば、Basic Integrated Circuit Technology Reference Manual、R.D.Skinner編、Integrated Circuit Engineering Corporation、Scottsdale、Arizona、第3章を参照されたい。
本発明の一実施形態では、本方法は任意の電子デバイスパッケージに用いることができ、ICチップなどの半導体がチップキャリアなどの基板に取り付けられる。例えば、本方法はチップキャリアをポリマー材料に接合するのに用いることができ、それによって介在物を形成する。また、本方法は、ポリマー材料をチップキャリアに接合する前または後に、ICチップをポリマー材料に接合するのに使用することができる。或いは、本方法はICチップをポリマー材料だけに接合するのに使用することができ、別法ではポリマー材料をチップキャリアに接合するのに使用することができる。例えば、未硬化の材料をステンシルまたはスクリーン印刷、スピンコーティング等の従来の手段によってチップキャリアに塗工することができる。次いで、未硬化材料を硬化してポリマー材料を形成することができる。ポリマー材料およびICチップは、次いで本発明の方法によって接合することができる。
本発明の他の実施形態では、本方法は平坦なパッド、テープ、フィルム等の形状のポリマー材料の上に使用することができる。例えば、組成物を硬化してポリマー材料を形成することができる。その後、上述の方法に従ってポリマー材料および被接着物をプラズマ処理し、接触させる。
電子デバイスパッケージおよびその製造方法は、当技術分野に知られている。例えば、上述の方法は、エリアアレイパッケージおよびリードフレームパッケージの製造に使用することができる。エリアアレイパッケージはボールグリッドアレイ、ピングリッドアレイ、チップスケールパッケージ等を含む。リードフレームパッケージはチップスケールパッケージ等を含む。エリアアレイパッケージおよびリードフレームパッケージおよびそれらの製造方法は当技術分野に知られており、例えば米国特許第5,858,815号を参照されたい。
上述の方法はチップスケールパッケージの製造に使用することができる。チップスケールパッケージおよびその製造方法は当技術分野に知られており、例えば米国特許第5,858,815号を参照されたい。
本発明はシングルチップモジュール(SCM)、マルチチップモジュール(MCM)、またはスタックチップモジュールの製造に使用することができる。SCM、MCM、ならびにスタックチップモジュールおよびそれらの製造方法は当技術分野に知られており、例えば、Basic Integrated Circuit Technology Reference Manual、R.D.Skinner編、Integrated Circuit Engineering Corporation、Scottsdale、Arizona、第3章を参照されたい。
上述の方法はウェハレベルのパッケージング方法に使用することができる。本発明をそのウェハレベルのパッケージング方法を参照して例示する。あるウェハレベルのパッケージング方法は以下の工程を含む。
ダイアタッチ材料(ポリマー材料)を自動テープボンディング(TAB)に使用されるテープまたはPCBなどの基板に接着する。ダイアタッチ材料は上述の方法を使用して基板に接着することができる。本方法は、未硬化材料の替わりに硬化したダイアタッチ材料を製造プロセスに使用し、正確に画定し目標とする位置にダイアタッチ材料を固定することを可能にする。本発明の方法によってシリコーンエラストマーを塗工した変換テープを製造して組立て者に供給することができ、組立て者が液状(未硬化の)ダイアタッチ接着剤を取り扱う必要がなく、接着性を必要に応じて付与することができることで製造が容易になる。
別法として、ダイアタッチ材料は従来の方法で基板に接着することができる。その従来の方法は、未硬化のダイアタッチ材料を基板に塗工し、その後未硬化のダイアタッチ材料を硬化することを含む。未硬化のダイアタッチ材料は、例えば、印刷方法、ダムによる充填方法、またはスピンコーティング方法によって塗工することができる。ダイアタッチ材料を取り付けた基板は、以降変換基板と呼ぶ。
接合窓を例えば、パンチ、鋸引き、またはレーザー切断によって変換テープ中に作製することができる。中央接合または端部接合を用いることができる。
次いでウェハ状の半導体を上述の方法を使用してダイアタッチ材料に取り付けることができる。
ウェハは、例えば従来のワイアボンディング装置またはギャングワイアボンディング等の従来の手段を使用して接合することができる。各ワイアボンディングの前に、任意にプラズマ洗浄を実施することができる。
ワイアボンディングの後、ワイアを保護するための封止を実施する。プラズマ洗浄は封止の前に任意に実施することができる。一般に、未硬化の封止材を注入し、射出成形しまたは印刷し、次いで硬化する。
任意に保護被覆をウェハの裏側に適用することができる。
次いで半田ボールを変換基板の底側に取り付けることができる。
一般に、次いでウェハレベルでの試験あるいは印字、またはその両方を実施する。
次いで、鋸引きまたは切断などの従来の手段によってパッケージされたウェハの単体化を実施する。
ウェハレベルのパッケージ方法は当技術分野に知られており、例えば、米国特許第5,858,815号を参照されたい。しかし、当業者であれば、本発明の方法がウェハレベルのパッケージに制限されず、チップレベルのパッケージなど、他のパッケージング方法にも同様に使用できることを理解するであろう。
本発明の別の実施形態では、本方法はマイクロデバイスの製造に使用することができる。そのマイクロデバイスの1つは接合された複合体であり、そこではポリマー材料は、例えば、硬化シリコーンであり、基板は、例えば、硬化シリコーン、他の材料、およびその組合せとすることができる。これらの複合体は積層体または三次元(3-D)物体を含む種々の形を有することができる。一実施形態では、ポリマー材料として硬化シリコーンを含み、基板として固形材料を含む複合体構造が調製され、固形材料の表面の一部だけが硬化シリコーンで被覆され、周囲は低分子量の有機ポリシロキサンで汚染されていない。3-D物体は特殊な充填剤を加えることによって、熱的または電気的な伝導性などの追加の機能を有することができる。本方法は組立ての前または組立ての間に、複合体成分を予備処理することに関して、または、光ファイバー等においてファイバー相間接着を行うために使用することができる。プラズマ処理によって付与されたこの薄い接合境界は、接着、および電気的および熱的な伝導を可能にするはずである。
本発明の別の実施形態では、本方法は光電子工学および光工学用途に使用することができる。本方法は、低い反射損失で光学部品を接着する。光学部品は広範囲の材料を含み、その大部分は光伝導損失が低い。光学材料はシリコーンエラストマー、シリカ光ファイバー、シリコーンゲル、シリコーン樹脂レンズ、シリコン等を含む。これらの材料は遠隔通信システムなどの光デバイスに使用することができる。本方法は広範囲の材料をその場で、かつ低反射損失で接着する可能性を提供する。そのプラズマ接着界面は、熱に起因する歪みを受け難く、温度サイクルの間の信頼性を向上する(すなわち、歪みの蓄積や層剥離が少ない)。プラズマ処理は複雑な表面全体に均一な接合を提供する。また、本方法はフラットパネルディスプレイの光効率を向上させるために使用されうる(カラーフィルター組立て体の接合)。本発明の方法は、異なる屈折率の導入や反射界面の導入、および吸収の増加を招く接着剤の必要がないので、これらの用途に有利である。
本発明の別の実施形態では、ポリマー材料は光に対して透明とされたシリコーンエラストマーでありうる。プラズマ処理は硬化シリコーンエラストマーと基板の間に接着性を付与するだけでなく、硬化シリコーンエラストマーと基板の間に光に対して透明な界面領域を作る。これによって、広範囲の波長にわたって光エネルギーの損失が低くなる。この実施形態は光電子通信および変換装置に有用である。理論に拘束されることは望まないが、前記界面は硬化シリコーンエラストマーのバルクとは異なる屈折率を有すると考えられる。ある例では、界面領域またはプラズマ処理によって形成された接合境界は10〜100ナノメートルの厚さである。この範囲の厚さは光電子工学の用途で有用な光の波長よりも短い。理論に拘束されることは望まないが、界面は光電子工学用途に有用な所定の屈折率を有するような機能をもたせ、またはプラズマ改質することができると考えられる。
本発明の別の実施形態では、上述の方法はヘルスケア産業に有用である。この実施形態に使用されるポリマー材料は硬化シリコーンである。得られるプラズマ処理した硬化シリコーンは、医療用途の様々な製品の様々な被接着物に用いることのできる接着特性を有する。プラズマ処理は生物的表面洗浄を提供する。
これらの実施例は当業者に本発明を例示するためであり、請求項に記載された本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。
(参照例1)
低圧グロー放電プラズマ(LPGD)
Branson/IPCプラズマユニットは低圧(0.05〜3.0トル)の高周波(RF)冷プラズマを発生する。このユニットは、容量結合プラズマ処理プロセス中に反応器にガス流を連続または不連続のいずれかで流して運転される。システムは制御ユニットと、石英格子棚を備えるプラズマチャンバ（24,500立方センチメートル）と、RF発生装置(連続制御で13.5メガヘルツを0〜500ワットの範囲で出力)と、真空ポンプを有する。チャンバの直径は25センチメートルである。チャンバの長さは50センチメートルである。システムはモデルIPC54005-11020STを有し、PM119RF発生装置と、PM11020反応センターと、PM4000C制御装置を含む。このユニットは31172 Huntwood Avenue、P.O.Box 4136、Hayward、CA 94544のBranson International Plasma Corporationから市場で入手可能である。
(参照例2)
低圧グロー放電プラズマ(LPGD)
Harrick PDC-32Gプラズマ洗浄装置は低圧の高周波冷プラズマを発生する。この洗浄装置は、誘導結合プラズマ処理プロセス中に反応器にガス流を連続または不連続のいずれかで流して運転される。システムは円筒形プラズマチャンバ(800立方センチメートル)と、高周波(RF)発生装置(8〜12メガヘルツを40ワット、60ワット、100ワットの3段階で出力)と、真空ポンプを有する。チャンバの直径は7.5センチメートルである。チャンバの長さは18センチメートルである。
(参照例3)
大気圧グロー放電(APGD)プラズマ
大気圧グロー放電(APGD)プラズマユニットは大気圧または大気圧に近い圧力で運転され、表面の処理に使用される。プラズマはHeとHe/O2(99%/1%)およびHe/N2(99%/1%)のガスから、基本圧力1020ミリバールで発生する。処理は1秒から8分間の種々の処理時間で実施される。相互電極間隔は基板の厚さによって6〜10ミリメートルに選択される。
(参照例4)
スタッドダイ引っ張り試験
スタッド(ダイ)引っ張り試験は、平頭ネジ(#1032-1 1/4ネジ)をダイの頂部表面に接着し、ネジを試験装置に取り付けたスタッドにねじ込み、破壊が起きるまでスタッドを引っ張ることによって行われる。サンプルを調製するとき、接着剤がダイの頂端部に「流れ」ていないか注意する。ネジが基板に直接接着してサンプルが試験に使用できなくなる。平頭ネジはトルエン/アセトンで洗い、ネジのダイへの接着を妨害する油を除去する。この目的のために、家庭用スーパー糊Bondini(登録商標)(*)(すべてゲル)を使用する。
(参照例5)
ダイせん断強度試験
ダイせん断試験はせん断冶具(Royce 552(登録商標))をダイの端部に対向して配置し、ダイを被接着物からせん断するのに必要な力を記録することによって行われる。サンプルのサイズ(ダイが接着されるポリイミド(PI)シート)を調節(切断)して、サンプル支持枠(10ミリメートル×10ミリメートル)が適切に固定されるように全域を覆うことに注意する。ROYCE 552(登録商標)ダイせん断試験装置は、マイクロエレクトロニクス構造を評価するための精密な汎用強度試験システムであり、ダイの上でせん断試験を行うことによってダイの接合強度を測定する。
(参照例6)
修正JKR試験
Johnson Kendall Roberts(JKR)の研究に基づく半球状シリコーンレンズおよび平坦な被接着物システムを使用する概念を、プラズマ処理によって付与された接着性の接着強度を測定するために用いる。高弾性モジュラスのシリコーンレンズ(Midland、MIのDow Corning Corporationから市場で入手可能なSYLGARD(登録商標)184)および被接着物を選択したガス雰囲気中でプラズマ処理する。処理したレンズと被接着物を負荷をかけて互いに密接に接触させる。レンズはその元の形状に復元する傾向があり、円形の接合境界に応力が働く。平衡状態ではレンズと被接着物間に一定の円形接触領域が得られ、破壊エネルギーは平方メートル当たりのジュールで表される。
(参照例7)
保存材料
材料Aは硬化後に0.30メガパスカルのモジュラスを有する硬化性シリコーンエラストマー組成物である。モジュラスは、ダンベル形状の試験片を用いる100%歪みのセカントモジュラスであり、ASTM D638の記載に従って、交差ヘッド速度毎分20インチでInstronの汎用試験装置によって測定される。
材料Bは、硬化後100%の歪みで0.36メガパスカルのセカントモジュラスを有する硬化性シリコーンエラストマー組成物である。セカントモジュラスは材料Aと同じ方法で測定する。
(比較例1)
不動態層のない簡略化した試験体(TV-46)ICチップの寸法は7.4ミリメートル×5.3ミリメートルである。
1ミリインチ厚さのUpilex S-25ポリイミドシート上に、直径18ミリインチの開口を有する厚さ4ミリインチのステンシルを使用して、チップスケールスペーサを印刷する。チップスケールスペーサのモジュラスはASTM D638で測定して5メガパスカルである。
開口アレイのピッチは0.75ミリメートルである。得られる印刷された瘤を150℃で30分間硬化する。硬化したスペーサの頂部に、直径16ミリインチの開口を有する厚さ5ミリインチのステンシルを使用して、ダイアタッチ接着剤を印刷する。ダイアタッチ接着剤のモジュラスはASTM D638で測定して5メガパスカルである。
(実施例1)
材料AをUpilex 25Sポリイミド(PI)シート上に5ミリインチの厚さに引き、150℃で30分間硬化する。空気をプラズマガスに使用し、処理時間は70秒間、圧力は0.78トル、RF出力は187.5ワット、RF周波数は大Branson/IPCプラズマを使用して13.56メガヘルツである。接着剤パッドおよびTV-46の両方をプラズマで処理する。
実施例1および比較例1の製品を参照例5の方法に従って評価する。結果を表1に示す。
Figure 0004256260
(実施例2および比較例2〜4)
材料Aの10ミリのフィルムをポリイミドUpilex 25Sの上に印刷し、150℃で30分間硬化してシリコーンパッドを形成する。Bransonプラズマチャンバを使用して、0.05トル、100ワット、処理時間30秒の空気プラズマ条件で、TV-46シリコンダイとシリコーンパッドの表面を処理する。処理したダイとパッドを接着接合のために密接に接触させる。得られる製品は表2に示されており、参照例4の方法によって評価する。結果を表2に示す。
Figure 0004256260
この試験報告では、実施例2および比較例2〜4は、ポリマー材料と被接着物の両方のプラズマ処理によって、1個または2個だけのプラズマ処理よりもはるかに大きな接着性が付与されるという相乗効果を示している。
(実施例3〜36)
材料Aを1ミリインチのUpilex 25Sポリイミドシート上に5ミリインチの厚さに引っ張り、150℃で30分間硬化してシリコーンパッドを形成する。TV-46シリコンダイおよびシリコーンパッドの表面をプラズマ処理する。実施例3〜36は、Bransonプラズマチャンバを使用し、空気または酸素を使用して、種々のプラズマプロセス条件、すなわち、処理圧力、処理時間、RF出力を変化させて行う。サンプルを参照例5に従って試験する。条件は表3に示す。
Figure 0004256260
実施例3〜36の各々はポリイミドシートが破壊し、接着ではない。実施例3〜36は、この方法で用いたシリコーンエラストマーとダイに、種々のプラズマ処理条件が効率的に接着性を付与することを示している。
(参照例8)
無被覆のシリコンウェハ、および、ポリイミドコーティング(HD Micro Systems製のPIX 3400-8)で被覆したシリコンウェハを5ミリメートル×5ミリメートルのダイに単体化する。ダイシング後、単体化したダイを800ポンド毎平方インチ(psi)の脱イオン水で洗浄する。
両方の表面をプラズマで処理した後、無被覆シリコンダイおよびポリイミド被覆ダイをシリコーンエラストマーパッド上に取り付ける。プラズマガスは空気である。Royce 552(登録商標)装置を用い、ダイのせん断強度を5サンプル測定し、平均を記録する。ダイのサイズは5mm×5mmであり、シリコーンパッド上のダイの接触面積は約20平方ミリメートルである。
(実施例37〜40)
四角い6ミリメートル×13ミリメートル開口で、2個の開口間の間隔が1.19ミリメートルの多くの対パターンを形成した、厚さ4ミリインチのステンシルを使用して、3ミリインチのKAPTONポリイミドシート上に材料Bを印刷する。開口対のピッチは5ミリメートルである。印刷されたパッドは150℃で30分間硬化する。参照例8で調製したシリコーンパッドおよび無被覆ダイもしくはPI被覆ダイを、Harrick PDC-32Gを使用してプラズマ処理する。プラズマ条件は、ガスとして空気、60ワット、処理時間5秒間、圧力0.3トルである。プラズマ処理を220℃で1.25キログラム下、5秒間処理した後、各ダイをパッドに取り付ける。プラズマ処理によってシリコーンパッドに接合したダイを、1週、2週、3週後の湿度に対する接着を見るために、85℃/85%相対湿度(RH)のチャンバ内に置く。サンプルは参照例5の方法によって試験する。条件および結果は表4に示す。
Figure 0004256260
これらの実施例は、耐久性のある接着性(例えば、強度が少なくとも数週間顕著に減少することなく継続する接着性)が、このプロトコルにおいて本発明の方法を用いることによって付与されることを示している。
(実施例41〜43)
実施例37のパッドに接合した同じダイを150℃の対流炉中に保存し、高温保存の接着性に及ぼす影響を見る。サンプルは参照例5の方法で試験する。条件および結果は表5に示す。
Figure 0004256260
これらの実施例は、本発明の方法によって付与された接着性が、上述のようにして調製したデバイスをこのプロトコルを用いて比較的高温で3週間まで保存した後にも保持されることを示している。
(実施例44〜47)
実施例37で使用した同じパッドおよびダイを使用する。プラズマ活性化した表面がどのくらい長く接着性に効果があるかを見るために、表面のプラズマ処理の、1時間、4時間、8時間、24時間後にダイの取り付け（アタッチ）を行う。プラズマ条件およびダイアタッチプロセスは実施例37と同じである。結果を表6に示す。
Figure 0004256260
これらの実施例は、ある種の半導体が、プラズマ処理後、およびシリコーンダイアタッチ材料に接触する前に少なくとも24時間保存することができ、やはりこのプロトコルを用いて接着性が付与されることを示している。
(実施例48〜71および比較実施例5〜6)
実施例37のPI被覆ダイおよび印刷した材料Bを使用する。種々のプラズマ条件およびダイアタッチ温度を使用する以外は実施例37と同じである。強い接着性に対するプラズマの効果を見るために未処理の組立て体も試験する。条件および結果は表7に示す。
Figure 0004256260
実施例48〜71は、ある種の被接着物については、本発明の方法のプラズマ処理条件、接触条件、または両方を最適化する必要があることを示している。
(実施離72〜95および比較例7〜8)
実施例37の無被覆シリコンダイおよび印刷した材料Bを使用する。種々のプラズマ条件およびダイ取り付け温度を使用する以外は実施例37と同じである。強い接着性に対するプラズマの効果を見るために未処理の組立て体も試験する。条件および結果は表8に示す。
Figure 0004256260
(実施例96〜97)
APGD 1%酸素/ヘリウム:接着
シリコーンレンズおよびガラス板の両方を大気圧点火のO2/He(1%/99%)のプラズマで30秒間処理する。シリコーンレンズとガラス板を2キログラムの力で60秒間室温で密接に接触させる。接触直径は6〜8ミリメートルに達する。負荷を取り去ると、エラストマーのシリコーンレンズの弾性モジュラスによって破断が生じ、平衡に達する。破断はシリコーン相に集まっている。シリコーンエラストマーとガラスの間の接触面積の直径は約4〜6ミリメートルである。破断エネルギーは修正JKRモデルに従って計算される。結果を表9に示す。
Figure 0004256260
(実施例99〜104)
3種の異なるヤング率を有する3種の硬化性シリコーン材料をウェハ上に塗工し硬化する。ヤング率はそれぞれ10メガパスカル、300メガパスカル、1.1ギガパスカルである。ヤング率はTA Instruments製のDynamic Mechanical Analyzer(DMA)を使用してASTM D4065-95の引っ張りモードで測定する。プラズマ条件は、Harrick PDC-32Gを使用し、空気、60ワットのRF出力、5秒間の処理時間である。硬化したシリコーン上にダイ(5mm×5mm)を1.25Kgfで5秒間、190℃で取り付ける。結果を表10に示す。
(比較例9〜14)
実施例99〜104をプラズマ処理を行わずに繰り返す。プラズマ処理がないと接着が見られなかった。
Figure 0004256260
実施例99〜104は、このプロトコルに従って広範囲のモジュラスを有するポリマー材料に強い接着性が付与できることを示している。
(実施例105〜109)
実施例37の硬化材料Aおよび種々の基板を、実施例99と同じ条件、但し様々なプラズマ条件で処理する。ダイアタッチ条件は実施例99と同じである。基板、プラズマ処理条件、および結果を表11に示す。
(比較例15〜19)
実施例105〜109をプラズマ処理を行わずに繰り返す。プラズマ処理がないと接着が見られなかった。
Figure 0004256260
実施例105〜109は、種々の基板を使用して、このプロトコルに従って強い接着性が付与できることを示している。
(比較例16)
モジュラスが1メガパスカル未満のシリコーンエラストマー、およびモジュラスが0.5〜1.5ギガパスカルのシリコーン樹脂を、Harrick PDC-002プラズマ洗浄装置中で、プラズマガスとして高純度の圧縮空気を用い、29.6ワットで30秒間処理する。接触時間は2Kgfの力で1分間である。破断エネルギーは参照例6の修正JKRモデルに従って計算される。結果を表12に示す。
(実施例110)
接触時間が12時間である以外は比較例16を繰り返す。ダイのせん断強度は参照例5の方法に従って測定する。結果を表12に示す。
Figure 0004256260
比較例16および実施例110は、ある種の被接着物を使用すると、他よりも多くの時間が必要であることを示している。また、実施例110は比較的高いモジュラスの樹脂に接着性を付与できることを示している。

Claims (10)

  1. A)硬化シリコーン樹脂、硬化シリコーンエラストマー、硬化シリコーンゴム又はこれらの組み合わせからなるシリコーンを含むポリマー材料をプラズマ処理し、
    B)被接着物をプラズマ処理し、
    C)その後、前記ポリマー材料と前記被接着物とを接触させ、
    それにより前記ポリマー材料と前記被接着物とを接着する方法であって、電子デバイス、電子デバイスパッケージ、光デバイス又は光電子デバイスの製造中に実施することを特徴とする方法。
  2. 工程A)後、且つ、工程C)前に前記ポリマー材料を保存すること、
    工程B)後、且つ、工程C)前に前記被接着物を保存すること、または
    その両方
    を更に特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 工程A)、B)及びC)を1回以上繰り返すことを更に特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 工程A)、B)及びC)を1回繰り返して前記被接着物とは異なる第2の被接着物を前記ポリマー材料に接着する請求項3に記載の方法。
  5. 前記ポリマー材料がダイアタッチ接着剤を含み、前記被接着物が半導体ダイまたは半導体基板を含み、前記第2の被接着物が半導体ダイまたは半導体基板を含む請求項4に記載の方法。
  6. 前記ポリマー材料が、０．１メガパスカルから5ギガパスカルまでのモジュラスを有する請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 工程A)及びB)が、コロナ放電処理、誘電体バリア放電処理、およびグロー放電処理から選択されるプラズマ処理を用いて各々独立に実施される請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 工程A)及びB)が、１ミリ秒間から３０分間まで各々独立に実施される請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 工程C)が、１５℃から４００℃までの温度で実施される請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 工程C)が、０．１秒間から１２時間まで実施される請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
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