JPH02173056A - 硬化性組成物とそれを用いた集積回路モジユール - Google Patents

硬化性組成物とそれを用いた集積回路モジユール

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JPH02173056A
JPH02173056A JP1277339A JP27733989A JPH02173056A JP H02173056 A JPH02173056 A JP H02173056A JP 1277339 A JP1277339 A JP 1277339A JP 27733989 A JP27733989 A JP 27733989A JP H02173056 A JPH02173056 A JP H02173056A
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integrated circuit
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epoxy
zinc oxide
epoxide
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ジヨセフ・ジヨージ・アミイーン
Joseph Funari
ジヨセフ・フアンアリ
Bahgat G Sammakia
バーガツト・ガレブ・サマーキア
Jr David W Sissenstein
デヴイド・ウイリアム・シイセンステイン、ジユニア
Samuel L Smey
サミユエル・ルイス・スメイ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明は、硬化性エポキシド組成物に関するものである
。本発明のエポキシド組成物は、特に集積回路チップを
と一ト・シンクに接着する接着剤として、及び集積回路
チップ・モジュールのバックシールとして特に有用であ
る。
本発明のエポキシド組成物は、比較的高い熱伝導率を示
し、比較的速硬化性である。
B、従来の技術 各種の電気部品は使用中に発熱するが、正しく機能させ
るには、この熱を除去する必要がある。
集積回路モジュール等の電気部品からの伝熱のため各種
の方法が提案されている。これらのモジュールは、通常
、集積回路を周囲から保護するためのキャップが設けら
れている。
チップからモジュール・キャップへの熱を伝達し、周囲
に放散させる手段として、集積回路とキャップとの間に
注入する多数のサーマル・グリースが提案されている。
このようなグリースの例は、米国特許第4265775
号、第4092897号明細書、及びトウー(Doo)
他、「高電力シリコン・チップの効果的なコーティング
方法(Method ofEffective Coa
ting of a )!igh Power 5il
iconChip) J 、I 8Mテクニカル・ディ
スクロージャ・プルテン(IBM Technical
 Disclosure Bulletin))Vol
、20、No、4.1977年9月に記載されている。
グリースの使用は、たとえば注入及び取扱い上の問題が
あるため、完全に滴定できるものではない。たとえば米
国特許第4548410号明細書を参照されたい。
さらに、キャリアとしてポリイミド等の柔軟性皮膜を使
用する構成に関しては、ヒート・ジンクとの境面は、比
較的剛性があり構造的であることが必要である。具体的
には、グリースは変形して、チップとヒート・ジンクと
の間隙が変化し、これによりヒート・ジンクとの接触が
不良になることがある。
さらに、接着剤は脱脂剤による洗浄サイクルに耐えなけ
ればならず、したがって、はとんどのグリースは考慮か
ら除外される。
本発明は、サーマル・グリース組成物の代りに使用する
ことができ、集積回路チップをヒート・ジンクに接着す
る接着剤を提供する。さらに、本発明の接着剤は、集積
回路モジュール用の優秀なパックシールとなる。
このような目的を達成するためには、接着剤はいくつか
の基準を溝たさなければならない。たとえば、この組成
物は接着剤として要求される通常の化学的、機械的特性
に加えて、熱伝導率が高く、電気伝導率が低く、化学的
相容性がなければならない。また、この組成物は機械的
応力を受けた場合、劣化に耐えなければならない。この
組成物はまた、柔軟性が高く、熱サイクル(すなわち温
度変化による膨張、収縮)に亀裂を生じることなく耐え
なければならない。
エポキシ組成物には上記の特性のすべてではないが、い
くつかを有するものがあり、カプセル封入剤またはシー
ラントとして使用されている。このような組成物の1つ
は、ビスフェノールA−エビクロロヒドリン・エポキシ
重合体約47.6重量%、硬化剤と柔軟剤の混合物約5
2重量%、及び着色剤約0.4重量%を含有している。
硬化剤と柔軟剤の混合物は、無水へキサヒドロフタル酸
約25〜39%、ポリプロピレングリコールまたはポリ
オキシプロピレングリコールあるいはその両方の柔軟剤
約50〜75重量%、第三アミン(たとえばトリメチル
アミン)約0.85〜1重量%、及び相当する無水物の
加水分解により生じた少量のへキサヒドロフタル酸を含
有する。使用する着色剤は、一般に塩素化フタロシアニ
ン鋼と二酸化チタン顔料の混合物である。
さらに、米国特許第4233620号明細書には、この
ような組成物の柔軟性等の、各種の特性の改良について
開示されている。
上記のエポキシ組成物は特に熱伝導性ではないので、本
発明の目的には有用でない。また、これらのエポキシ組
成物は比較的硬化が遅い。
C6発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、サーマル・グリース組成物の代りに使
用することができ、集積回路チップをヒート・ジンクに
接着する接着剤を提供することにある。
本発明の他の目的は、集積回路モジュール用の優れたバ
ックシールとして機能する接着剤を提供することにある
09課題を解決するための手段 本発明により、集積回路モジュールをヒート・ジンクに
接着し、集積回路モジュールのバックシールとして機能
するのに不可欠なエポキシ組成物の特性を著しく劣化さ
せることなく、組成物の熱伝導率を大幅に増大させるこ
とができる。
さらに、本発明は、本発明で必要とされる修正を行なわ
ない対応するエポキシ組成物より、少なくとも1桁速い
速度で硬化する、硬化性エポキシ組成物を提供する。
本発明の組成物は、亀裂を生じることなく、熱サイクル
(0ないし100℃)に耐えることができる。さらに、
本発明の組成物は、温度及び湿度試験(85℃/相対湿
度80%)ならびに熱老化試験(130℃)に耐えるこ
とができる。
具体的には、本発明はエポキシ成分と酸化亜鉛を含有す
る硬化性エポキシ組成物に関するものである。エポキシ
成分は、エポキシ重合体と硬化剤成分を含有する。本発
明による改良された特性を得るには、エポキシド成分と
酸化亜鉛の相対′重量は、約1:4ないし約2:lとす
る。
さらに、本発明は柔軟な基板を有し、基板の主表面に少
なくとも1個の集積回路チップを取付けた集積回路モジ
ュールに関するものである。集積回路チップは、硬化し
た形の上記のエポキシ組成物でヒート・ジンクに接着さ
れる。
本発明はまた、バックシールとして、硬化した形の上記
のエポキシ組成物を含有する集積回路モジュールに関す
るものである。
E、実施例 本発明のエポキシ組成物は、酸化亜鉛及びエポキシ成分
を含有する。本発明で使用する酸化亜鉛粉末は、どのよ
うな形状の粒子でもよいが、球形のものが好ましい。米
国で市販されているZnOは、はとんどが実際に球形で
ある。
さらに、酸化亜鉛の粒度は、広い範囲のものとすること
ができる。好ましい酸化亜鉛の粒度は、少なくとも約7
0%が1〜4ミクロンの範囲であり、90%以上が1〜
10ミクロンの範囲のものである。
下記の表は、代表的な酸化亜鉛ロフトについて報告され
た酸化亜鉛の粒度分布である。
1mのZnOロットの粒度分布(%) 1−4   5−10 10−15 15−20 20
−25μロフト A   82.12  17.42  0,42  0
,01  0.01B   ?6,79  21.85
  1.31  0.03  0.01C73,582
3,812,200,280,07D   82.89
  16.25  0.73  0.06  0.05
E   78.44  20.19  1.23  0
.0?   0.02F   ?3.6   24.0
3  2.20  0.11  0.04接着剤の他の
特性に悪影響を与えることなく、硬化速度を高め、必要
な熱伝導率を得るには、酸化亜鉛とエポキシ成分の重量
比を約1:4ないし約2:1とする必要がある。
本発明の好ましい態様では、酸化亜鉛の量は、酸化亜鉛
とエポキシ成分との合計に対して約50〜70重量%と
する。このことは、組成物をスクリーン印刷で塗布する
場合、特に重要である。
組成物のエポキシド成分に関しては、エポキシ重合体と
硬化剤成分とを含有することが必要である。本発明で使
用するエポキシ重合体は、ビスフェノールA−エピクロ
ロヒドリンのジグリシジルエーテルである。エポキシ成
分はまた、少量(たとえば約5重fIkgA以内)のフ
ェニルグリシジルエーテル等の、他の種類のエポキシド
を含有していてもよい。
エポキシ重合体は、一般にエポキシ等量が約180〜約
210であり、粘度が25℃で約6,500〜約22,
500センチポアズのものが望ましい。
エポキシ重合体の例としては、シェル・オイル(She
fl Oil )から市販されているエポン(Epon
 )820.828.830.828がある。
エポン828は、ビスフェノールA−エビクロロヒドリ
ンのジグリシジルエーテルで、エポキシ等量が185〜
192、粘度が25℃で10.000〜15,000セ
ンチポアズである。
エポン829は、エポン828と、約2〜約6%のフェ
ニルグリシジルエーテルの混合物で、エポキシ等量が1
80〜195、粘度が25℃で6゜500〜10.00
0センチポアズである。
エポン82Bは、ビスフェノールA−エビクロロヒドリ
ンのジグリシジルエーテルで、エポキシ等量が180〜
188、粘度が25℃で6,500〜9.500センチ
ポアズである。
エポン830は、ビスフェノールA−エピクロロヒドリ
ンのジグリシジルエーテルで、エポキシ等量が190〜
210、粘度が25℃で16,000〜22.000セ
ンチポアズである。
硬化剤は、通常無水ナディン酸メチル等の酸無水物であ
り、好ましくは、無水へキサヒドロフタル酸、無水テト
ロヒドロフタル酸等のフタル酸系酸無水物である。必要
があれば、無水マレイン酸等の脂肪族酸無水物を含む少
量の他の酸無水物と、フタル酸系酸無水物の混合物も使
用することができる。
エポキシド成分は、柔軟剤も含んでいることが好ましい
柔軟剤は、下記の式で示されるポリアルキレングリコー
ルまたはポリオキシアルキレングリコールである。
HO−R−0−C−R−0]、−R−OHRは、エチレ
ン、プロピレン、ブチレン、及びこれらの混合物からな
る基から選択した2価の飽和脂肪族炭化水素基である。
これらの基は、直鎖でも枝分れ鎖でもよい。
必要があれば、これらのグリコールの混合物を使用して
もよい。上式で、nは0、または、硬化剤及び柔軟剤部
分の粘度が、25℃で約900〜約2.500センチポ
アズとなる分子量及び使用量になるような整数である。
適当なグリコールの例としては、ポリエチレングリコー
ル、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレング
リコール、ポリオキシプロピレングリコール、ポリブチ
レングリコール等がある。
好ましいグリコールは、ポリプロピレングリコール、及
びポリオキシプロピレングリコールである。
エポキシド成分としては、第三アミン硬化促進剤を含有
するものが好ましい。第三アミンには、トリメチルアミ
ン、トリエチルアミン等の飽和脂肪族モノアミンが含ま
れる。
さらに、少量の酸、たとえばエポキシド成分の約1%ま
での酸が、相当する無水物の加水分解により存在するこ
とがある。
必要があれば、組成物は、着色剤を含んでいてもよい。
代表的な着色剤には、フタロシアニン染料があり、塩素
化鋼フタロシアニン(緑色染料)と二酸化チタン顔料の
混合物が最も好ましい。これは、本発明で使用する種類
のビスフェノールA−エピクロロヒドリン・エポキシ重
合体との混合物の形で、ハイゾル(Hysol)の商品
名で市販されている。市販のハイゾル組成物は、塩素化
またはポリクロロ鋼フタロシアニンと二酸化チタンの混
合物約20重量%、及びビスフェノールA−エビクロロ
ヒドリン・エポキシ樹脂(シェル社エポン828)約8
0重量%を含有する。必要があれば、着色剤の混合物も
使用できる。
しかし、着色剤を含有しないほうが好ましく、その場合
には白色で不透明な組成物が得られる。
エポキシド成分に上記の成分を含ませるということは、
酸化亜鉛と混合する前にこれらを予混合しておくという
意味ではなく、これらの成分をこのような形で述べたの
は、使用する成分の相対量の計算及び開示を容品にする
ためである。
エポキシ成分は、通常約75〜85重量%のエポキシ樹
脂を含有し、したがって、エポキシと硬化剤の合計重量
に対し、約15〜約25重量%の硬化剤を含有する。
柔軟剤その他の成分を含む組成物に関しては、エポキシ
ド成分は、約45〜約65重量%のエポキシ樹脂、約3
4〜約54重量%の硬化剤と柔軟剤との混合物、及び着
色剤を使用する場合、0〜約0.6%、好ましくは約0
.4〜0.6%の着色剤を含有する。
硬化剤及び柔軟剤部分は、一般に約15〜49重量%、
好ましくは約25〜49重量%の酸無水物、約40〜8
6重量%、好ましくは約50〜75重量%のポリアルキ
レングリコール、またはポリオキシアルキレングリコー
ルあるいはその両方の柔軟剤、約1%以下、好ましくは
約0.85〜1重量%の第三アミン、及び対応する無水
物硬化剤、の加水分解によって生じた少量の酸を含有す
る。
好ましいエポキシド成分は、約47.6重量%のビスフ
ェノールA−エビクロロヒドリン・エポキシ重合体、及
び約52重量%の硬化剤と柔軟剤との混合物を含有する
硬化剤と柔軟剤との混合物は、約25〜49%の無水へ
キサヒドロフタル酸、約50〜75重量%のポリプロピ
レングリコールまたはポリオキシプロピレングリコール
あるいはその両方の柔軟剤、約0.85〜1重量%の第
三アミン(たとえばトリメチルアミン)、及び対応する
酸無水物の加水分解により生じる少量のへキサヒドロフ
タル酸を含有する。
着色剤を使用する場合は、一般に塩素化フタロシアニン
と二酸化チタン顔料の混合物とする。
本発明のエポキシ組成物は、(1)集積回路チップをヒ
ート・ジンクに接着する熱伝導性接着剤として、及び(
2)集積回路チップ・モジュールのバックシールとして
特に有用である。
集積回路チップ・モジュールのバックシールとして使用
する場合、代表的な構成には、本発明のエポキシ組成物
でアルミニウム・キャップ等の保護キャップにシールし
たセラミック基板等の集積回路チップ・キャリアが含ま
れる。
代表的な基板には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、
及びたとえばケイ酸アルミニウム等のケイ酸塩等のセラ
ミックが含まれる。
本発明の接着剤により、キャップとして使用する異質の
材料と基板との接着が良好になる。
集積回路チップを取り付けるのに好ましい柔軟性の基板
はポリイミドである。ポリイミドには、非変性のポリイ
ミド、ならびにポリエステルイミド、ポリアミドイミド
エステル、ポリアミドイミド、ポリシロキサンイミド等
の変性ポリイミド、及びその他の混合ポリイミドが含ま
れる。これらは従来技術で周知のものであるため、詳細
な説明は行なわない。
一般に、ポリイミドは下記の循環単位を含む。
上式で、nは、分子量が通常的to、ooo〜1oo、
oooになるような循環単位の数を示す。
Rは下記の中から選択した少なくとも1個の4価宵機基
である。
R2は、下記の中から選択した、1個ないし4個の炭素
原子を有する2価の脂肪族炭化水素基及び2411iの
カルボニル、オキシ、スルホ、ヘキサフルオロインプロ
ピリデン基から選択した基である。
R3は、R2、シリコ、及びアミノ基から選択した2f
!iJの宵機基である。2個以上のRまたはR1基ある
いはその両方、特にアミノ基を含む複数系列のR1を含
有する重合体を使用することができる。
加熱により硬化してポリイミドとなる市販のポリイミド
前駆体(ポリアミン酸)には、デュポン(DuPont
)からバイラリン(Pyralin)の商品名で市販さ
れている各種のポリイミド前駆体がある。
このポリイミドは、商品名がPI−2555、PI−2
545、PI−2580、PI−5878、PIH−6
1454、PI−2540のデュポンのバイラリン・ポ
リイミド前駆体を含めて多くの等級のものがある。これ
らの多くは、無水ビロメリチン酸オキシジアニリン(P
MDA−ODA)ポリアミド前駆体である。
市販の化学的に硬化するポリイミドは、デュポンからカ
プトン(にapton )の商品名で市販されている各
種のポリイミドであり、H−カプトン、■−カプトン、
HN−カプトン、及びVN−カプトンがある。化学的に
硬化するポリイミドは、一般に無水酢酸とピリジンで硬
化する。
チップは、たとえばポリイミド上に、接着する2つの面
に金またはスズをコーティングして熱圧着により取り付
けることができる。金の場合では、約550℃で、接触
パッド1個当たり約80gの圧力をかけると、2つの金
の層が融合して強力に接着する。スズとスズ、またはス
ズと金の接着は、通常のはんだ付けによって行なう。
第1図は、本発明の組成物を用いた構造を示す。
番号1は、その上にシリコンまたは多結晶シリコン・チ
ップ2等のチップ2を取り付ける基板を示す。番号3は
、硬化した本発明の組成物の層、番号4は、アルミニウ
ム皮膜等のヒート・ジンクを示す。他のヒート・ジンク
の例には、陽極酸化したアルミニウム、ニッケル・メツ
キ、光沢スズ・メツキ、もしくはBTA (ベンゾトリ
アゾール)処理した銅、または銅/インバー/銅等があ
る。
インバー(Invar )はインターナ7ョナル・ニッ
ケル社(International N1ckel)
のニー/ケル・クロム・ステンレス・スチールの商品名
である。次に、この構造を周知の方法でキャップまたは
缶(図示せず)に封入して、大気中の汚染物質を排除し
、または少なくとも実質的に汚染物質との接触を防止す
る。
必要があれば、本発明の組成物はモジュールをキャップ
または缶に封入するのにも使用することができる。
第2図は、本発明の組成物を基板とキャップまたは缶の
間のシールとして使用した代表的な構成を示す図である
。具体的には、番号11は、はんだ接合12により集積
回路チップ13が接着さ九た剛性のセラミック基板等の
基板を示す。アルミニウム・キャップ等のキャップ14
は、チップ13が周囲の大気に露出するのを防止する。
基板11とキャップ14は、本発明の接着剤またはシー
ラント15によりシールされる。基板11は、入出力ビ
ン16用のスルーホールを有する。入出力ビン16は、
モジュールを回路カードまたは回路板17に接続する。
ビン16は、従来のはんだ接合18によりカードまたは
ボード17に固定することができる。
本発明の組成物は、スクリーン印刷等、6皿の従来のコ
ーティング技術で塗布することができる。
コーティング・ステップの後、組成物を加熱して硬化さ
せる。組成物は一般に、約100〜200″Cで、1分
未溝ないし約45分間硬化させる。
代表例では、接着剤組成物を半自動装置のテンプレート
を介して金属のヒート・ジンク(光沢スズメツキした銅
)にスクリーン印刷する。次に、ヒート・ジンクをチッ
プと位置合せして、所定の力(通常約3.8kg)をヒ
ート・ジンクの上面に与えてヒート・タンクを変形させ
、接着剤を回路のチップに圧縮した後、力を除き、部品
を(たとえば約120”Cで約15分)ベーキングする
下記の例は、本発明をさらに詳細に説明するものである
が、これに限定するものではない。
且土 光沢スズ・メツキした銅のヒート・ジンク上にエポキシ
成分としてスリーエム社(3M Company)のス
コッチキャスト(Scotchcast) X R−3
259約100重量部と、酸化亜鉛約100重量部を含
有する組成物をスクリーン印刷により塗布する。
コーティングの厚さは約75μである。塗布の開祖酸物
と基板は室温とする。コーティングの温度を100℃に
上げ、その温度で約30分硬化させる。この例の組成物
は120°Cで14分未満で硬化する。この硬化時間は
、酸化亜鉛を添加しないスコッチキャスト・エポキシ組
成物が同じ温度で硬化する時間より大幅に短い。
膏効熱伝導度を表す式は、以下の通りである。
Kart  ” 4 Kcarrlsr (1n  K*c+lld/ 
Kcarrlsr)上式で、 K −r r   =組成物の熱伝導度K e a r
 r I。、=組成物のエポキシ成分の熱伝導度に1゜
lld  =酸化亜鉛の熱伝導度Kcarrlar=は
0.4W/m’cであるから、ZnOを50%添加する
ことにより、4x0.4xαn (9,910,4)と
なり、ZnOを添加しない場合に比較して熱伝導度は5
倍になる。
■又 組成物が約65重量%の酸化亜鉛と、約35重量%のエ
ポキシ成分を含有する点以外は、例1を繰り返した。
組成物は約100℃で約37分、120°Cで約15分
、150℃で約5分で硬化する。
且玖且l 酸化亜鉛を添加しない点以外は、例1を繰り返した。温
度100°Cでは、硬化に約1523分、120℃では
145分を要した。
例1と例2を比較例3と比較すると、本発明により硬化
が著しく促進されることがわかる。
璽1 1つの表面上に銅/クロム/銅の印刷回路線とシリコン
・チップを有するセラミック基板に、アルミニウム・キ
ャップを被せて、回路線とチップを覆った。モジュール
は、アルミニウム・キャップの側を下にして約100℃
に加熱したホット・プレート上に置き、注入ノズル・ヘ
ッドの下に置く。例1で使用した組成物を約60℃でノ
ズル・ヘッドから注入して、キャップとセラミック基板
にシールするため硬化させる。完全に硬化させるために
、組成物を約120℃で約30分間加熱する。
F0発明の効果 本発明は、サーマル・グリース組成物の代りに使用でき
、集積回路チップとヒート・ジンクに接着する接着剤を
提供する。さらに、本発明の接着剤は、集積回路モジュ
ール用の優れたバックシールを提供する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のモジュールの概略断面図である。 第2図は、本発明のエポキシ組成物をバックシールとし
て使用したモジュールの概略断面図である。 1・・・・基板、2・・・・チップ、3・・・・組成物
の層、4・・・・ヒート・ジンク。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)(a)エポキシ重合体と硬化剤成分を含むエポキ
    シド成分と、 (b)酸化亜鉛を含有し、 上記の酸化亜鉛と上記のエポキシド成分の相対量が、約
    1:4ないし約2:1であることを特徴とする、硬化性
    組成物。
  2. (2)柔軟性の基板を有し、1つの主表面に少なくとも
    1つの集積回路チップを取り付けた集積回路モジュール
    において、 上記の少なくとも1つの集積回路チップが、(a)エポ
    キシ重合体と硬化剤成分を含むエポキシド成分と、 (b)酸化亜鉛を含有し、 上記の酸化亜鉛と上記のエポキシド成分の相対量が、約
    1:4ないし約2:1である硬化性組成物により、ヒー
    ト・ジンクに接続されることを特徴とする集積回路モジ
    ュール。
  3. (3)集積回路チップを接着した集積回路キャリアと、
    上記の集積回路チップを覆い周囲の大気への露出を防止
    するためのキャップとを有する集積回路モジュールにお
    いて、 上記のキャリアは、 (a)エポキシ重合体と硬化剤成分を含むエポキシド成
    分と、 (b)酸化亜鉛を含有し、 上記の酸化亜鉛と上記のエポキシド成分の相対量が、約
    1:4ないし約2:1である硬化性組成物により、上記
    のキャップに接着されることを特徴とする集積回路モジ
    ュール。
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