NL1030241C2

NL1030241C2 - Deklaag voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten.

Info

Publication number: NL1030241C2
Application number: NL1030241A
Authority: NL
Inventors: Franciscus Bernardus Ant Vries; Henrikus Johannes Berna Peters
Original assignee: Fico Bv
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-04-24
Also published as: KR20080068661A; WO2007046704A2; WO2007046704A3; TW200728050A; CN101291787A

Description

1 :

Deklaag voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een deklaag voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten. De uitvinding heeft tevens betrekking op een 5 inrichting voor het, ter omhulling van elektronische componenten, aan een vormholte toevoeren van omhulmateriaal, alsook op een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten welke kan worden toegepast in samenhang met zo een toevoerinrichting.

10 Het omhullen van elektronische componenten vindt gebruikelijk plaats met een thermohardend materiaal, hierna ook wel aangeduid met “compound”, dat bijvoorbeeld een matrix van een epoxyhars omvat, waarin gebruikelijk als vulmateriaal siliciumoxide is opgenomen. In het bijzonder bij het omhullen van halfgeleider schakelingen wordt gebruik gemaakt van matrijzen waarin een drager met halfgeleiders wordt ingeklemd en 15 waarin tevens ruimten zijn opgenomen voor het plaatsen van pillen (“pellets”) omhulmateriaal. In een dergelijke matrijs zijn tevens voorzieningen aangebracht voor het onder druk inspuiten van het omhulmateriaal in op de elektronische componenten aansluitende vormholten, voor het verwarmen van het omhulmateriaal en voor het eventueel uitoefenen van druk op het omhulmateriaal. Door het verwarmen en/of onder 20 druk plaatsen van het omhulmateriaal wordt dit geactiveerd zodanig dat het nadat het naar op de elektronische componenten aansluitende vormholten is verplaatst na beperkte tijd uithardt. Na ten minste gedeeltelijke uitharding van het omhulmateriaal wordt de matrijs geopend en worden vervolgens de drager met omhulde componenten uitgenomen inclusief het overige uitgeharde omhulmateriaal dat zich bijvoorbeeld in 25 aanvoerkanalen van de matrijs bevindt. Het omhulmateriaal dient hierbij goed te hechten aan alle met de compound in aanraking komende delen van het product, zoals bijvoorbeeld het dragermateriaal, doorgaans een metaal. Bij onvoldoende hechting treedt delaminatie op wat de omhulde elektronische component onbruikbaar maakt.

30 Bij de hierboven geschetste werkwijze voor het omhullen van elektronische componenten moet echter vermeden worden dat het omhulmateriaal en/of bepaalde bestanddelen ervan aan de matrijswand blijven hechten waardoor residu achterblijft op de matrijs. Vermindering van ongewenste hechting en/of benodigde lossingskrachten die het uitnemen van het product onmogelijk maken en of het product beschadigen 1030241 t 1 2 wordt in de stand van de techniek verkregen door de matrijswand bijvoorbeeld te voorzien van eén harde chroomlaag, die daarnaast tevens voldoende slijtvast is, met andere woorden voldoende weerstand biedt tegen de abrasieve werking van in het omhulmateriaal opgenomen vulstoffen, en met name het siliciumoxide. Ter 5 vermindering van hechting aan de matrijswand worden een of meerdere losmiddelen in het omhulmateriaal opgenomen, zoals bijvoorbeeld een loswas. Voor een goede werking dient een dergelijke loswas tijdens het omhulproces vanuit het omhulmateriaal te migreren naar het grensvlak tussen matrijswand en omhulmateriaal. Dit leidt echter in veel gevallen tot onvoldoende of juist overmatige afzetting van losmiddel op de 10 matrijswand wat na verschillende productiecycli kan leiden tot een opgebouwde laag losmiddel, zijnde vervuiling en een bron van verdere aanhechting. Deze problemen, gemakshalve ook wel aangeduid als “sticking” en “staining” leiden tot afgekeurde producten en/of leiden er toe dat de matrijs regelmatig gereinigd en opnieuw geconditioneerd dient te worden. Deze noodzakelijke acties kunnen 20 tot 25 % van de 15 beschikbare machinetijd kosten, wat zeer ongewenst is.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een deklaag voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten, die onder andere de hierboven geschetste nadelen niet of in mindere mate vertoont.

20

De uitvinding verschaft daartoe een deklaag die een nikkel/chroom verbinding omvat. Bij voorkeur is de gewichtsverhouding nikkel/chroom gelegen tussen 20/80 en 80/20 gew.-%. Door toepassing van de deklaag volgens de uitvinding wordt verrassenderwijs een verminderde residuvorming op de matrijs verkregen na herhaaldelijke omhulling 25 van elektronische componenten. Hoewel de uitvinders in het duister tasten omtrent een verklaring voor de geconstateerde verminderde residuvorming wordt door aanbrengen van de deklaag op een matrijs een deklaag verkregen met een dusdanig gemodificeerde oppervlakte energie ten opzichte van bestaande deklagen, zoals bijvoorbeeld een harde chroomlaag, dat doorgaans in het omhulmateriaal opgenomen geïntegreerde 30 losmiddelen (zoals bijvoorbeeld loswassen) en/of andere bestanddelen zich zodanig spreiden dat er nagenoeg geen contact tot stand komt tussen het omhulmateriaal en de matrijswand. Bovendien vertoont de van de deklaag volgens de uitvinding voorziene matrijswand een dermate oleofiel en hydrofoob gedrag dat geen of relatief weinig 1030241 t > 3 opbouw plaatsvindt van eventueel op de matrijswand afgezette losmiddelen en/of andere bestanddelen tijdens herhaalde malen uitvoeren van een productiecyclus.

Bij voorkeur wordt een deklaag volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de 5 gewichtsverhouding nikkel/chroom gelegen is tussen 35/65 en 65/35 gew.-%. Hierdoor wordt de afzetting van losmiddel geoptimaliseerd voor verschillende types compound op de matrijswand en “sticking en staining” verder verminderd.

Een verdere voorkeursuitvoering van de deklaag omvat tevens een nitride en/of een 10 oxynitride. Een deklaag, verkregen met een dergelijke samenstelling vertoont niet alleen de gewenste verminderde residuvorming doch tevens een verhoogde slijtvastheid. Het heeft hierbij bijkomende voordelen de deklaag te kenmerken doordat de gewichtsverhouding nikkel/chroom ten opzichte van het nitride en/of oxynitride gelegen is tussen 50/50 en 80/20 gew.-%. Een verder voordeel van de deklaag volgens de 15 uitvinding is dat er tevens minder oxidatie optreedt van op de matrijswand achterblijvend residu. Oxidatie van bijvoorbeeld restanten losmiddel is een veel voorkomend fenomeen omwille van de relatief hoge matrijstemperaturen, die bij het omhullen van elektronische componenten worden toegepast.

20 Een verder verbeterde deklaag volgens de uitvinding omvat tevens een metaaloxide, bij voorkeur aluminiumoxide, waarbij een bijzonder geschikte samenstelling aluminiumoxide omvat in combinatie met een nitride, Een deklaag verkregen met een dergelijke samenstelling vertoont ook na meer dan 500 omhulcycli nagenoeg geen residuvorming. Verder blijkt dat ook de hechting van omhulmateriaal aan de 25 matrijswand na meer dan 500 omhulcycli, zeer laag is. Een bijzondere voorkeur geniet een deklaag waarbij de gewichtsverhouding nikkel/chroom ten opzichte van het aluminium gelegen is tussen 80/20 en 90/10 gew.-%.

De deklaag volgens de uitvinding is geschikt toe te passen voor meerdere typen 30 omhulmateriaal. Zo is de samenstelling bijvoorbeeld geschikt voor het omhullen van elektronische componenten met epoxyharsen. Dergelijke epoxyharsen zijn doorgaans hooggevuld met siliciumoxide deeltjes, bijvoorbeeld typisch 70-90 gew.-%, en omvatten verder desgewenst harders en versnellers voor het epoxide, en verder hechtingspromotoren, typisch silanen, voor het verkrijgen van een goede hechting 1030241 4 t i tussen omhulmateriaal en drager en/of elektronische componenten, en elektrische connecties, vloeiverbeteraars, losmiddelen en vlamvertragers. De laatste jaren is een trend zichtbaar waarbij dergelijke omhulmaterialen dusdanig worden aangepast dat zij, al dan niet in combinatie met het omhulde product een lagere belasting voor het milieu 5 vormen. Dergelijke groene omhulmaterialen, ook wel aangeduid als “green compounds” zijn bijvoorbeeld halogeenvrij en omvatten alternatieve vlamvertragers zoals bijvoorbeeld metaaloxiden. Typische vlamvertragers van dit type omvatten antimoontrioxide, aluminiumoxide, magnesiumoxide en/of molybdeentrioxide. Toepassing van dergelijke vlamvertragers dient doorgaans bij hogere gehaltes te 10 geschieden voor het bereiken van de gewenste vlamvertraging, waardoor onder andere het vloeigedrag negatief wordt beïnvloed. Dit leidt weer tot de noodzaak de epoxideharsen, harders, katalysatoren, interne en loswassen aan te passen, en bijvoorbeeld extra vloeiverbeteraar toe te voegen. Groene omhulmaterialen zijn tevens dusdanig aangepast dat ze een betere bevochtiging, en daardoor een betere hechting 15 geven aan de in het omhulde product aanwezige materialen. Zonodig worden zij daartoe voorzien van hechtingspromotoren. Hoewel groene omhulmaterialen in principe elk type epoxy kunnen omvatten, omvatten dergelijke omhulmaterialen doorgaans een epoxy gekozen uit de groep gevormd door cresol novolac harsen (OCN), desgewenst multifunctioneel (MFR), en/of van het bifenyl type (BP), desgewenst meeraromatisch 20 met meerdere fenolgroepen (MAR), of een mengsel hiervan. Het is gebleken dat de deklaag volgens de uitvinding, in combinatie met de matrijsmateriaal samenstelling bijzonder geschikt is voor toepassing op een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten met een dergelijk groen omhulmateriaal, en in ieder geval met een omhulmateriaal dat nagenoeg halogeenvrij is. Met meer voorkeur wordt de 25 deklaag toegepast op een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten waarbij het omhulmateriaal een metaaloxide als vlamdovend materiaal bevat. De goede werking van de deklaag volgens de uitvinding bij het omhullen met groene omhulmaterialen is des te opmerkelijk daar deze omhulmaterialen een lagere glasovergangstemperatuur bezitten dan de gebruikelijke epoxideharsen door de 30 aanwezigheid van meer laagmoleculaire bestanddelen waardoor zij de neiging vertonen beter aan de matrijswand te hechten.

De deklaag volgens de uitvinding kan op elke geschikte wijze worden aangebracht op het bij voorkeur naar de vormholte gekeerde oppervlak van de matrijs. Zo is het 1030241 I < 5 bijvoorbeeld mogelijk thermomechanische aanbrengmethodes toe te passen, zoals bijvoorbeeld vlamboogspuiten en plasmaspuiten. Bij voorkeur echter wordt de deklaag aangebracht op de matrijs door middel van gasfase-opdampprocessen, zoals bijvoorbeeld door middel van CVD (“chemical vapour deposition”) en PVD (“physical 5 vapour deposition”), waarvan de laatste de meeste voorkeur heeft. Een geschikte werkwijze voor het aanbrengen van de deklaag omvat vooreerst een fysische omzetting van de deklaag naar de gasfase, waarna dit gas naar het matrijsoppervlak wordt geleid en daarop condenseert in de vorm van een relatief dunne film. Een bijzonder geschikte werkwijze omvat het zogenaamde “sputtering” waarbij ionen met hoge snelheid naar 10 het bronmateriaal worden gezonden, en hieruit atomen wegschieten (“sputteren”). Deze atomen worden vervolgens zoals reeds aangegeven naar het matrijsoppervlak geleid waar zij condenseren.

De bij voorkeur door middel van PVD aangebrachte deklaag volgens de uitvinding 15 omvat bij voorkeur in hoofdzaak een samenstelling in de vorm van een cubisch kristalrooster. Het is gebleken dat deze kristalstructuur zorgt voor een deklaag waarbij de voordelen van de uitvinding het best tot uiting komen.

In een verdere voorkeursuitvoering bezit de deklaag volgens de uitvinding, in 20 combinatie met het onderliggende materiaal een disperse oppervlakte energie gelegen tussen 18 en 30 mN/m, en een polaire oppervlakte energie gelegen tussen 0 en 1,5 mN/m. Met meer voorkeur is de disperse oppervlakte energie gelegen tussen 20 en 26 mN/m, en de polaire oppervlakte energie gelegen tussen 0,1 en 1 mN/m. De disperse en polaire oppervlakte energie worden hierbij bij kamertemperatuur bepaald op de vakman 25 bekende wijze, namelijk door de contacthoek te bepalen tussen een testvloeistof en de deklaag. Voor bepaling van de polaire oppervlakte energie wordt hiertoe als testvloeistof water toegepast. Voor bepaling van de disperse oppervlakte energie wordt als testvloeistof gebruik gemaakt van n-hexadecaan en dijoodmethaan. Aangezien de oppervlakte energieën thermodynamisch van aard zijn zullen de energieën tijdens het 30 omhulproces verschillen van die bij kamertemperatuur. Gebleken is dat deklagen met de hierboven weergegeven, bij kamertemperatuur gemeten oppervlakte energieën juist dan goed passen bij de samenstelling van de gebruikte compound.

103024 1 t » 6

De deklaag wordt toegepast in omhulinrichtingen voor het omhullen van elektronische componenten. Dergelijke omhulinrichtingen zijn op zich bekend en worden bijvoorbeeld beschreven in PCT/NL2005/000509, welke beschrijving nadrukkelijk wordt opgenomen in deze aanvrage.

5

Een verder voordeel van de deklaag volgens de uitvinding is dat het mogelijk wordt in een voorkeursuitvoering van een omhulinrichting een matrijs toe te passen met een eenvoudig uitstootmechanisme, of zelfs zonder uitstootmechanisme. Zo kan een matrijs, voorzien van een deklaag volgens de uitvinding worden toegepast, waarbij de matrijs 10 geen mechanisch ontvormingsmechanisme omvat. In een andere voorkeursuitvoering wordt een matrijs, voorzien van een deklaag volgens de uitvinding toegepast, waarbij de matrijs een gasdruk ontvormingsmechanisme omvat. Een dergelijk ontvormingsmechanisme wordt bijvoorbeeld beschreven in PCT/NL2005/000509.

15 De onderhavige uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de volgende voorbeelden en vergelijkende experimenten zonder hiertoe overigens te worden beperkt.

Op een standaard stalen matrijswand werden door middel van sputtering een aantal deklagen opgebracht tot een gemiddelde dikte van enkele microns. De aldus 20 aangebrachte deklagen omvatten in hoofdzaak:

- NDC1: een nitride op basis van nikkel en chroom NiCrN

- NDC2: een nitride op basis van nikkel, chroom, en aluminiumoxide NiCrAlON

- NDC5: een nikkel chroom NiCr - NDC25: elektrolytisch nikkel 25 - CZL-Cr: elektrolytisch hard chroom

De deklagen werden onderworpen aan een standaard hechtingstest. Hiertoe werden de van een deklaag voorziene testmatrijzen in een omhulinrichting omhuld met een epoxy omhulmateriaal van de firma Sumitomo, type G-760-DF, en met een epoxy 30 omhulmateriaal van de firma Shin Etsu, type KMC 2110G2. Na uitharding van het omhulmateriaal werd de kracht gemeten benodigd voor het verwijderen van de matrijs van het uitgeharde omhulmateriaal (de loslaatkracht of “release force” in N). Daarna werd het oppervlak van de matrijs onderzocht op mogelijk residu. Om te vermijden dat het uitgeharde omhulmateriaal mogelijk loskomt van de tegenover de deklaag gelegen 1030241 & · 7 zijde van dé vormholte is deze aldaar voorzien van ankerholtes waarin het omhulmateriaal tijdens het omhulproces wordt opgenomen en verankerd. Voorafgaand aan het omhullen werd elke, van een deklaag voorziene matrijs gereinigd met thinner en demi water om contaminaties te verwijderen. Voor een zelfde deklaag werd het 5 omhullen een groot aantal malen achtereenvolgens herhaald, waarbij elke keer de loslaatkracht werd gemeten. De aldus verkregen testresultaten zijn weergegeven in figuren 1,2, 3,4 en 5. Hieruit blijkt dat voor de deklagen volgens de uitvinding gedurende een groot aantal omhulprocessen (meer dan 1000 “shots”) nagenoeg geen of een relatief kleine loslaatkracht nodig is om deze van het omhulmateriaal te scheiden.

10 Bovendien blijkt uit de microscopische waarnemingen dat nagenoeg geen residu werd opgebouwd. De bekende deklagen vertonen reeds na ongeveer 100 shots product beschadiging ten gevolge van hechting (“sticking”) en residuvorming (“staining”). Typische loslaatkrachten voor de bekende deklaag zijn ongeveer 500-600 N, daar waar deze van de deklaag volgens de uitvinding in de grootteorde van 10N bedragen, 15 derhalve ten minste 90-95% lager bedragen vanaf het begin tot het eind van de reeks omhullingen. Deklagen volgens de uitvinding vertonen derhalve tevens beduidend lagere uitstootdrukken dan tot nu toe volgens de stand der techniek gebruikelijk is. Gebruikelijke uitstootdrukken zijn doorgaans van de grootteorde tot ongeveer 0,3 MPa, daar waar met een deklaag volgens de uitvinding het mogelijk wordt uitstootdrukken te 20 bereiken die ten hoogste 10 % hiervan bedragen.

Deklaag Polaire oppervlakte energie Disperse oppervlakte energie _ 22 33

Ongecoat staal 15 29

NiCr/Au 1 34

Si02/Ti02 1.5 33

Cr 1.5 27 | Ni 0.5 25

CrN/NiCrN 0.75 25

NiCrAlON 0.25 24

CrTiAIN 1 19

ZrN 0.4 17

Tabel 1: disperse en polaire oppervlakte energie bij kamertemperatuur in mN/m 1030241 ft * 8 !

Tabel 1 geeft de polaire en disperse oppervlakte energie van de geteste deklagen weer, waarbij ter vergelijking tevens andere gebruikelijke deklagen zijn opgenomen. Uit tabel 1 blijkt dat de deklagen die gemiddeld een lage loslaatkracht geven, een disperse 5 oppervlakte energie hebben gelegen tussen 18 en 26 mN/m, en een polaire oppervlakte energie gelegen tussen 0 en 1,5 mN/m, en meer in het bijzonder een disperse oppervlakte energie gelegen tussen 20 en 22 mN/m, en een polaire oppervlakte energie gelegen tussen 0,1 en 1 mN/m. Bovendien blijkt uit een kristallografïsche structuurbepaling dat deze in hoofdzaak een cubisch kristalrooster bezitten. Verrassend 10 is dat deklagen met een oppervlakte energie buiten het genoemde gébied (zowel aan de onderzijde als aan de bovenzijde) het gunstige gedrag niet vertonen.

De deklaag volgens de uitvinding vertoont niet alleen een uitstekende lossing van het omhulmateriaal en een verminderde residuvorming maar biedt bovendien een goede 15 slijtvastheid, is goed bestand tegen hoge temperaturen en oxidatie, alsmede tegen corrosie.

1030241

Claims

1. Deklaag voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten, welke samenstelling een nikkel/chroom verbinding omvat. 5

2. Deklaag volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de gewichtsverhouding nikkel/chroom gelegen is tussen 20/80 en 80/20 gew.-%.

3. Deklaag volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de samenstelling tevens 10 een nitride en/of een oxynitride omvat.

4. Deklaag volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de gewichtsverhouding nikkel/chroom ten opzichte van het nitride gelegen is tussen 50/50 en 80/20 gew.-%.

5. Deklaag volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de samenstelling tevens een aluminiumoxide omvat.

6. Deklaag volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de gewichtsverhouding nikkel/chroom ten opzichte van het aluminiumoxide gelegen is tussen 70/30 en 90/10 20 gew.-%.

7. Deklaag volgens één der conclusies 1-6, met een disperse oppervlakte energie gelegen tussen 18 en 30 mN/m, en een polaire oppervlakte energie gelegen tussen 0 en 1,5 mN/m. 25

8. Deklaag volgens één der conclusies 1-6, met het kenmerk dat de disperse oppervlakte energie gelegen is tussen 20 en 26 mN/m, en de polaire oppervlakte energie gelegen is tussen 0,1 en 1 mN/m.

9. Deklaag volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk dat deze in hoofdzaak een samenstelling omvat in de vorm van een cubisch kristalrooster. ! 1030241 V ·

10. Het gebruik van een deklaag volgens één der conclusies 1-9 voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten met een omhulmateriaal dat nagenoeg halogeenvrij is.

11. Het gebruik van een deklaag volgens één der conclusies 1 - 9 voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten met een omhulmateriaal dat in hoofdzaak een epoxy omvat gekozen uit de groep gevormd door cresol novolac epoxyharsen en multifunctionele epoxyharsen, en/of mengsels hiervan.

12. Matrij s voor het omhullen van elektronische componenten met een omhulmateriaal, voorzien van een deklaag volgens één der conclusies 1-9. 20

12. Het gebruik van een deklaag volgens één der conclusies 1 - 9 voor een matrijs voor het omhullen van elektronische componenten met een omhulmateriaal dat in hoofdzaak een epoxyhars omvat gekozen uit de groep gevormd door bifenyl epoxyharsen en epoxyharsen met meerdere fenolgroepen, en/of mengsels hiervan.

13. Matrijs voor het omhullen van elektronische componenten met een omhulmateriaal, voorzien van een deklaag volgens één der conclusies 1 - 9, waarbij de matrijs geen mechanisch ontvormingsmechanisme omvat.

13. Het gebruik van een deklaag volgens één der conclusies 1-9, waarbij het omhulmateriaal een metaaloxide als vlamdovend materiaal bevat.

14. Matrijs voor het omhullen van elektronische componenten met een omhulmateriaal, voorzien van een deklaag volgens één der conclusies 1 - 9, waarbij de matrijs een gasdruk ontvormingsmechanisme omvat.

15. Omhulinrichting voor het omhullen van elektronische componenten, omvattende 30 een matrijs voorzien van een deklaag volgens één der conclusies 1-9 en/of van een matrijs volgens één der conclusies 12-14. 1030241