KR20030077593A

KR20030077593A - 언더필 혼합물

Info

Publication number: KR20030077593A
Application number: KR10-2003-7009952A
Authority: KR
Inventors: 콘스탄티노스 파파토마스
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-10-01
Also published as: WO2002065542A2; CN1511341A; JP2004518796A; WO2002065542B1; US20020111420A1; WO2002065542A3

Abstract

언더필 혼합물은 새로운 "코어-쉘"의 함유시에 생성하는 개선된 메커니컬 성능을 갖는다. 코어-쉘 기판은 미세 파우더를 포함하며, 각각의 입자는 실온(Tg)보다 현저하게 높은 온도를 갖는 외부 쉘 및 실온 보다 현저하게 낮은 온도를 갖는 내부쉘을 갖는다. 쉘 기판은 주로 아크릴레이트 및 메타아크릴레이트를 포함하며, 코어는 아크릴레이트 및 실리콘 또는 부타디엔-기반형 고무와 같은 광범위한 범위의 물질을 포함한다.

Description

언더필 혼합물{underfill compositions}

전자회로내의 연결부 및 구성성분(component)의 내구성(durability)을 증가시키기 위한 밀봉제(encapsulant)의 이용이 공지되어 있다. 밀봉제는 일반적으로 폴리머 혼합물(polymer composite)을 포함한다. IC칩과 그 기판 간의 전기적 연결에서, 이러한 밀봉제는 개선된 주기(life) 및 내구성을 제공한다. 밀봉제가 도포된 다음에 경질 보호 오버레이(rigid protective overlay)내로 베이킹(baking)함으로써 경화된다(cure).

본 발명의 특정한 밀봉제 형성 및 방법은 플립-칩-어태치(Flip-Chip-Attach : FCA) 캡슐화 기술에 관련된다. 일반적으로 FCA 밀봉제는 세라믹 기판상에 이용된다. 본 발명은 유기 기판 물질의 이용을 포함한다. 유기 기판의 경우에, 밀봉제의 선-경화 점성(pre-cure viscosity)은 낮아야만 하고, 열팽창계수(coefficient of thermal material : CTE)는 세라믹 물질의 열팽창계수의 대략 세배여야 한다(즉, 20ppm/degree C. 대 6.5ppm/degree C). 더높은 CTE는 칩과 기판간에 보다 큰부정합(mismatch)를 일으키므로, 열순환에 잘 견디는 강성(tougher)을 갖는 밀봉제가 필요하다.

유기기판은 밀봉제의 적당한 도포에 대해 추가적인 문제점을 갖는다(pose). 유기기판은 세라믹보다 수분을 더 흡수하고 더 무르다(softer). 유기기판은 납땜 이음부(solde joint)에 변형을 야기하면서 열응력(thermal stress)동안 구부러진다.

다이렉트-칩-어태치-모듈(Direct-Chip-Attach-to-Module) 프로세스에서, 땜납이음부는 밀봉한 이후에 리플로잉되어(reflowing) 칩 중요부(crucial)의 저부에 밀봉제의 내습성(moisture resistance)과 부착성을 형성한다. 부착성이 줄어들면 땜납은 칩과 밀봉제 간의 갭으로 흘러들어간다. 그 결과, 단락 회로(short circuit)를 야기한다. 이러한 문제점은 역시 -55℃ 에서 125℃ 사이에 500회의 온도순환 이후에도 나타난다.

또한, 밀봉제의 경화시간과 온도를 줄이는 것은 카드 어셈블리(card assembly)상에서 다른 구성성분에 대한 피해를 방지할 가능성을 감소시키는 것이 관찰된다.

일반적으로 에폭시 밀봉제의 파괴인성(fracture toughness)을 증가시키기 위한 두개의 접근법은, 즉, (a) 교차-연결 밀도를 감소시키는 방법과, (b) 연질인 제2 상 입자를 추가하는 방법이 있다. 그러나, 연질인 제2상 입자를 추가하는 방법은 종종 밀봉제의 점성을 현저하게 증가시키고 유리 전이 온도(gladd transitiontemperature: T_g)를 감소시킨다.

본 발명은 점성 및 유리 전이 온도(T_g)에 대한 과도한 변화없이 50%까지 밀봉제의 인성(toughness)을 증가시키는 물질을 포함한다.

본 발명의 물질은 미세 분말(fine powder)을 포함하는 "코어-쉘"물질이며, 각각의 입자들은 실온보다 현저하게 높은 T_g를 갖는 경질의 외부쉘(hard outer shell)과 실온보다 현저하게 낮은 T_g를 갖는 연질 코어(soft core)를 구비한다. 경질의 쉘 물질은 주로 아크릴레이트(acrylate) 또는 메타크릴레이트(methacrylate)를 포함하며, 연질코어는 아크릴레이트 및 실리콘(silicon) 또는 부타디엔-기반형 고무 (butadiene-based rubber)와 같은 광범위한 물질을 포함할 수 있다.

본 발명에 통합될 수 있는 유기물질은 에폭시(epoxies), 시아네이트에스테르(cyanate esters), 비스-말이미드 시아네이트 에스테르-에폭시 폴리이미드(bis-maleimides cyanate esters-epoxies polyimides), 벤조사이클로부틴(benzocyclobutenes), 폴리술폰(polysulfones), 폴리에테르케톤 (polyetherketones), 및 그 혼합물을 포함한다. 또한 밀봉제는 쿨레스카 등에 의해 IBM을 출원인으로 출원된 미국 특허 번호 제6,106,891호내에 인용된 물질을 포함할 것이며, 이는 본 명세서에서 참고문헌으로 참조된다.

또한 본 발명에 따른 충진불량부 수지 혼합물은 에폭시 수지를 경화하는 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려진 촉진제(accelarator)를 포함할 수 있다. 일반적으로 제3차 아민(tertiary amine) 또는 이미다졸(imidazole)이 이용된다. 적합한 아민은, 예를 들면, 테트라메틸에틸렌디아민(tetramethylethylenediamine), 디메틸옥틸아민(dimethyloctylamine), 디메틸아미노에탄올(dimethylaminoethanol) 디메틸벤질아민(dimethylbenzylamine), 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)-페놀(2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)-phenol), N,N'-테트라메틸-디아미노-디페닐메탄(N, N' -tetramethyl-diamino-diphenylmethane), N, N'-디아메틸피페라진(N,N'-diamethylpiperazine), N-메틸모르포린(N-methylmorpholine), N-메틸모르폼린(N-methylmorphomline), N-메틸피페리딘(N-methylpiperidine), N-파이로리딘(N-ethylpyrrolidine), 1,4-디아자바이사이클로(2,2,2)-옥탄(1,4-diazabicyclo(2,2,2) -octane) 및 예를 들면, 1-메틸로미다졸(1-methylomidazole), 2-메틸로미다졸(2-methylomidazole), 1,2-메틸로미다졸(1,2-methylomidazole), 1,2,4,5-테트라메틸로미다졸(1,2,4,5-tetramethylimidazole), 2-에틸-4-메틸로미다졸(2-ethyl-4-methylomidazole), 1-시아노에틸-2-페닐리미다졸(1-cyanoethyl-2-phenylimidazole) 및 1-(4,6-디아민-s-트리아지닐-2-에틸)-2-페닐리미다졸(1-(4,6-diamin-s-triazinyl-2-ethyl)-2-phenylimidaziole)과 같은 퀴놀린 적합 이미다졸(quinolines suitable imidazole)을 포함한다. 촉진제는 0.01 wt% 내지 2wt%의 농도로 추가되며, 가장 바람직하게는 0.05 내지 1wt%로 추가되며, 각각은 에폭시 수지 혼합물에 근거한다.

충전재는 실리카(silica), 알루미나(alumina), 알루미늄 니트라이드(aliuminum nitride), 실리콘 니트라이드(silicon nitride), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 붕소 니트라이드(boron nitride), 다이아몬드 파우더,유리, 사실상 모든 구형(spherical) 또는 구상(spheroidal)을 포함한다. 기판은 FR-4 에폭시 및 에폭시, 폴리이미드, 시아네이트, 플루로폴리머(fluropolymer), 세라믹 충진형 플루로폴리머, 벤조사이클로부틴(nenzocyclobutene), 퍼플루로부탄(perflurobutan), 폴리페닐린설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테드이미드, 폴리에테르게톤(polyetherketone), 폴리페닐퀴노잘린(polyphyenylyquinonxalines), 폴리벤조사졸(polybenzoxaxoles), 및 폴리페닐 벤조비스틸아졸(polyphenyl benzobisthiazole)에 기반을 둔 적층물, 그 혼합물등을 포함한다. 이와 함께 무기물에 기반을 둔 기판은 이러한 세라믹에 기반을 둔 기판에서 이용될 수 있다.

미국 특허(US-A-5218234)에는, 언더필(underfill_ 물질이 플립칩 및 기판 간에 보이드(void) 또는 스페이스(space)를 채우는 것이 도시된다. 언더필 물질은 삽입충진재로 채워진(load) 에폭시 수지이다. 점성을 조정함으로써 물질이 칩하부에 흐르게 된다.

미국 특허(US-A-5747557)에서는, 아크릴 고무의 혼합물이 라텍스(latex)형태이며, 그 표면은 써모플라스틱(thermoplastic)이다. 에폭시 수지 혼합물은 높은 내균열성(crack resistance), 높은 내열성, 및 좋은 메커니컬 특성을 포함한다.

미국 특허(US-A-4822545)에서, 제1 폴리머는 결정성 또는 반-결정성 녹는점을 갖는 제2 폴리머와 혼합된다. 고무 펠렛혼합물은 플라스틱 표면을 갖는 탄성중합체(elastomer)를 포함한다.

본 발명에 따라, 새로운 "코어-쉘(core-shell)"물질을 함유함으로써 개선된메커니컬 특성을 구비하는 밀봉제(언캡슐런트) 혼합물이 제공된다. 코어쉘 물질은 미세 분말을 포함하며, 각각의 입자는 실온보다 현저하게 높은 유리 전이 온도 Tg인 경질의 외부쉘과 실온보다 현저하게 낮은 유리 전이 온도 Tg인 연질의 코어를 갖는다. 경질의 쉘 물질은 주로 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트를 포함하고, 연질 코어는 아크릴레이트 및 실리콘 또는 부타디엔-기반형 고무와 같은 광범위한 물질을 포함한다. 이러한 하나의 물질은 대략 14 내지 25%의 사이클로알리패틱 에폭시 수지(cycloaliphatic epoxy resin)와, 대략 14%와 대략 25% 간의 메틸-헥사-하이드로프탈릭 무수물(methyl-hexa-hydrophthalic anhydride)과, 대략 1% 내지 2% 사이의 제1 지방족 폴리올(fisrt aliphatic polyol)과, 대략 0% 내지 1%사이의 제2 지방족 폴리올과, 대략 1%보다 적은 리액티브 아로마틱 계면활성제(reactive aromatic wetting agent)와, 대략 1%보다 적은 2-에틸-4-메틸이미다졸과, 대략 40% 내지 60%사이의 범위에서 실리카(SiO₂)를 포함하는 충진재 파우더와, 대략 1%보다 더 적은 유기 염료(dye)와, 대략 1%보다 적은 코어-쉘 강인화제, 및 대략 0.3 내지 0.5% 사이의 다우 코닝 Z6040(dow-corning Z6040)과 같은 에폭시 실란의 전중량의 공식을 갖는다.

본 발명은 밀봉한 혼합물과 그 혼합물을 전기적 연결에 적용하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 IC칩(intergrated circuit chip) 및 그 기판 간의 전기적 연결에 이용하기 위해 개선된 충진불량부 혼합물에 관한 것이다.

그러므로, 본 발명의 제1 목적은 전기적 연결을 위해 특히 FCA프로세스에서 개선된 밀봉제 혼합물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전기적 연결을 위해 개선된 메커니컬 특성을 구비하는 밀봉제 혼합물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기적 연결을 위해 저온 균열(cracking)에 내성이 있는 밀봉제 혼합물을 제공하는 것이다.

일반적으로 말하면, 본 발명은 새로운 "코어-쉘"물질을 함유함으로써 생성하는 개선된 메커니컬 특성을 구비하는 언더필 혼합물을 특징으로 한다. 코어쉘 물질은 미세 분말을 포함하며, 각각의 입자는 실온보다 현저하게 높은 Tg를 갖는 경질의 외부 쉘과 실온보다 현저하게 낮은 Tg를 갖는 연질의 코어를 갖는다. 경질의 쉘 물질은 주로 아크릴레이트 또는 메타아클릴레이트를 포함하며, 연질 코어는 아클릴레이트 및 실리콘 또는 부타디엔-기반형 고무와 같은 광범위한 물질을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 코어쉘 물질은 교차-연결 밀도를 줄이기 위해 대략 1 내지 30중량%의 리액티브 써모플라스틱 폴리머(reactive thermoplastic polymer) 추가와 함께 대략 1 내지 10 중량%의 에폭시 수지로서 추가된다.

불량충진재에 대해 바람직한 혼합물은 다음과 같은 중량으로 구성한다.

1. 대략 14 내지 25% 사이의 사이클로패틱 에폭시 수지와,

2. 대략 14 내지 25%사이의 메틸-헥사하이드로패틱 무수물과,

3. 대략 1 내지 2% 사이의 제1 지방족 폴리올과,

4. 대략 0 내지 1% 사이의 제2 지방족 폴리올과,

5. 대략 1%보다 적은 리액티브 아로마틱 계면활성제와,

6. 대략 1%보다 적은 2-에틸-4-메틸리미다졸과,

7. 대략 40 내지 60%사이의 범위에서 실리카를 포함하며, 충진재 입자크기가 25미크론보다 적은 충진재 파우더와,

8. 대략 1%보다 적은 유기 염료와,

9. 대략 1%보다 적은 코어-쉘 강인화제, 및

10. 다우 코닝 Z6040과 같은 대략 0.3 내지 0.5 %사이의 에폭시 실란

무수물 및 코어쉘 입자(EXL2300)는 80℃ 내지 100℃의 높은 전단(shear)에서 10분동안 예비 혼합된다. ERL-4221 수지 및 실리콘 충진재 PQ-DP 4910 역시 예비 혼합된다.

코어쉘을 포함하는 이상의 혼합물은 열순환하에서의 파괴인성 및 균열에 대해 테스트된다. 발명한 코어쉘은 대략 1400 ×10³내지 1600 ×10³Pa-m(1350 에서 1450 psi-in^1/2) 사이의 인성을 구비했으며, 최고치와 비교하여 상업적으로 이용할 수 있는 물질은 937 ×10³내지 1048 ×10³Pa-m사이의(850 내지 950 psi-in^1/2) 강인성 범위를 갖는다.

코어쉘 혼합물의 점성은 5pa에서 10pa까지 약간 증가시키지만, 밀봉제는 대형 DNP칩하에서 자유-흐름을 유지하기 때문에, 이는 허용할 수 있다. 50℃ 내지 70℃에서 결합된 칩의 모서리에 접속하도록 배치될 때, 밀봉제는 모세관 작용에 의해 칩하부에서 흐른다.

실란 성분의 함유는 수분 흡수를 감소시키고 실리카-수동형 칩(silica -passivated chip)에 대한 부착력을 증가시킨다. 이것은 전기적 단락이 C-4s의 5 내지 20%의 DCAM상의 사전 레벨에서부터 0까지 감소되기 때문에 중요하다. 마이크로스코픽 실험이 갭에 드러나지 않는 반면, 사전 테스트된 시스템 모두는 갭을 보여준다.

특정한 동작요건 및 환경에 맞추기 위해 변하는 기타 다른 수정 및 변경은 당업자에 의해 명백할 것이기 때문에, 본 발명은 개시를 목적으로 선택된 실시예에 제한하여 고려되지는 않으며, 본 발명의 사실상의 정신 및 범주로부터의 이탈을 구성하지 않는 모든 변경 및 수정을 커버할 수 있다.

Claims

전기적 연결을 위한 실리카-충진형 밀봉제 혼합물에 있어서,

미세한 파우더를 포함하는 "코어-쉘"물질을 포함하며, 각 입자는 실온보다 높은 유리전이온도를 포함하는 외부쉘과, 실온보다 낮은 유리전이온도를 갖는 코어

를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제1항에 있어서, 전체 밀봉제 혼합물의 전중량의 대략 40 내지 60% 사이의 범위내에서 실리카 충진을 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제1항에 있어서, 상기 밀봉제 혼합물은 대략 882×10³및 2760×10³Pa-m(800 및 2,500 psi-in^1/2)사이의 인성을 갖는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제1항에 있어서, 실란(silane) 성분을 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제1항에 있어서, 에폭시 수지, 폴리이미드, 시아나이드 에스테르(cyanide ester), 및 그 혼합물의 그룹으로부터 적어도 하나를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제5항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 사이클로알리패틱(cycloaliphatic) 에폭시 수지 및/또는 글리시딜(glycidyl) 에폭시 수지를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제5항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 14 내지 25% 사이의 중량 범위내에서 사이클로알리패틱 에폭시 수지를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제2항에 있어서, 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 14 내지 25% 사이의 중량 범위내에서 사이클로알리패틱 에폭시 수지(cycloaliphatic epoxy resin)를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제2항에 있어서, 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 14 내지 25% 사이의 중량 범위내에서 사이클로 알리패틱 에폭시 수지 및 메틸-헥사-하이드로 패탈릭 앤하이드라이드(methyl-hexa-hydrophthalic anhydride) 둘다를 각각 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제9항에 있어서, 실란 성분(silane component)을 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
전기적 연결을 위한 실리카-충진형 밀봉제 혼합물에 있어서,

a) 밀봉제 혼합물의 전체 중량의 대략 40 내지 60% 중량 범위의 실리카 충진재, 및

b) 밀봉제 혼합물의 전체 중량의 대략 14 내지 25% 중량범위에서 에폭시 수지 및 앤하이드라이드 각각

을 포함하는 실리카- 충진형 밀봉제 혼합물.
제11항에 있어서, 상기 b)는 사이클로 알리패틱 에폭시 수지 및 메틸-헥사 하이드로패타릭 모두 개별적으로 밀봉제 혼합물의 전체 중량의 대략 14 내지 25%중량 범위인 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제11항에 있어서, 상기 혼합물은 대략 882 ×10³및 2760 ×10³Pa-m(800 및 2500 psi-in^1/2) 사이의 인성을 갖는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제11항 또는 제12항에 있어서, 실란 성분을 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 사이클로 알리패틱 에폭시 수지 및/또는 글리사이딜 에폭사이드 수지를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 앤하이드라이드는 메틸-헥사-하이드로패타릭 앤하이드라이드를 포함하는 실리카-충진형 밀봉제 혼합물.
칩캐리어를 형성하기 위해 집적 회로 칩과 유기물질을 포함하는 기판을 캡슐화하는 방법에 있어서,

실리카-충진형 밀봉제 혼합물 -상기 혼합물은 실온보다 낮은 유리 전이 온도 (Tg)를 갖는 코어 물질과, 실질적으로 상기 코어물질을 둘러싸며 실온보다 높은 유리전이온도(Tg)를 갖는 코어쉘을 구비하는 입자를 포함함- 을 IC칩과 관련된 기판에 도포하는 단계와,

상기 밀봉된 IC칩과 기판을 경화하는 단계, 및

상기 IC칩과 상기 기판간에 납땜을 리플로잉하는 단계(reflowing)

를 포함하는 캡슐화 방법.
제17항에 있어서, 실리카 충진은 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 40 내지 60% 사이의 범위내인 캡슐화 방법.
제17항에 있어서, 상기 밀봉제 혼합물은 대략 882 ×10³및 2760 ×10³Pa-m(800 및 2500 psi-in^1/2) 사이의 인성을 갖는 캡슐화 방법.
제17항에 있어서, 에폭시 수지, 폴리이미드, 시아나이드 에스테르(cyanide ester), 및/또는 그 혼합물의 그룹으로부터 적어도 하나를 포함하는 캡슐화 방법.
제20항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 사이클로알리패틱(cycloaliphatic) 에폭시 수지 및/또는 글리시딜(glycidyl) 에폭시 수지를 포함하는 캡슐화 방법.
제20항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 14 내지 25% 사이의 중량 범위내에서 사이클로알리패틱 에폭시 수지를 포함하는 캡슐화 방법.
제18항에 있어서, 상기 혼합물은 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 14 내지 25% 사이의 중량 범위내에서 사이클로알리패틱 에폭시 수지를 포함하는 캡슐화 방법.
제18항에 있어서, 전체 밀봉제 혼합물 중량의 대략 14 내지 25% 사이의 중량 범위내에서 사이클로 알리패틱 에폭시 수지 및 메틸-헥사-하이드로 패탈릭 앤하이드라이드 둘다를 각각 포함하는 캡슐화 방법.
제17항 또는 제24항에 있어서, 실란 성분(silane component)을 포함하는 캡슐화 방법.