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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Underfill-Verkapselungsmaterial,
das in No-Flow-Underfill-Verfahren
eingesetzt werden kann.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Underfill-Verkapselungsmaterial-Compounds,
die aus Epoxiden hergestellt werden, um die Verbindungen zwischen
einer elektronischen Komponente und einem Substrat in einem mikroelektronischen
Gerät zu
schützen
und zu verstärken.
Mikroelektronische Geräte
enthalten viele Typen elektrischer Schaltkreiskomponenten, hauptsächlich Transistoren,
die in Chips mit integriertem Schaltkreis (IC-Chips) eingebaut sind,
aber auch Widerstände,
Kondensatoren und andere Komponenten. Diese elektronischen Komponenten
sind unter Bildung von Schaltkreisen wechselseitig verbunden und
gegebenenfalls mit einem Träger
oder Substrat verbunden und darauf getragen, zum Beispiel eine gedruckte
Leiterplatte. Die integrierte Schaltkreiskomponente kann einen einzelnen
reinen Chip, einen einzelnen verkapselten Chip oder eine verkapselte
Packung aus mehreren Chips umfassen. Der einzelne reine Chip kann
an einem Leiterrahmen befestigt sein, der wiederum verkapselt ist
und mit der gedruckten Leiterplatte verbunden ist, oder er kann direkt
an der gedruckten Leiterplatte befestigt sein.
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Ob
die Komponente ein reiner Chip ist, der mit einem Leiterrahmen verbunden
ist, oder eine Packung ist, die mit einer gedruckten Leiterplatte
oder einem anderen Substrat verbunden ist, die Verbindungen werden zwischen
elektrischen Enden an der elektronischen Komponente und entsprechenden
elektrischen Enden am Substrat hergestellt. Ein Verfahren zur Herstellung
dieser Verbindungen verwendet polymeres oder metallisches Material,
das in Bondhügeln
auf die Komponenten- oder Substratenden aufgetragen wird. Die En den werden
ausgerichtet und miteinander in Kontakt gebracht und die resultierende
Anordnung wird erhitzt, um das metallische oder polymere Material
aufzuschmelzen und die Verbindung fest werden zu lassen.
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Während ihrer
normalen Gebrauchsdauer wird die elektronische Anordnung Zyklen
stark variierender Temperaturbereiche unterworfen. Infolge der Unterschiede
beim Wärmeausdehnungskoeffizienten
für die elektronische
Komponente, das verbundene Material und das Substrat kann dieses
thermische Cycling die Komponenten der Anordnung beanspruchen und
bewirken, dass sie versagt. Um das Versagen zu verhindern, wird
die Lücke
zwischen der Komponente und dem Substrat mit einem polymeren Verkapselungsmittel
gefüllt, das
hierin Underfill oder Underfill-Verkapselungsmaterial genannt wird,
um das verbundene Material zu verstärken und etwas der Beanspruchung
bzw. Spannung des thermischen Cyclings zu absorbieren. Außerdem hilft
das Material, Schlagenergie zu absorbieren und die so genannte "Drop Test"-Leistungsfähigkeit
zu verbessern.
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Zwei
herausragende Verwendungen für
die Underfill-Technik sind zur Verstärkung von Bauelementen bzw.
Packungen, die in der Industrie als Chip-Scale-Packages (CSP) bekannt
sind, bei denen eine Chip-Packung an einer gedruckten Leiterplatte
befestigt ist, und für
einen Flip-Chip-and-Grid-Array (BGA), in dem ein Chip durch einen
Ball-and-Grid-Array
an einer gedruckten Leiterplatte befestigt ist.
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In
herkömmlichen
Kapillar-Flow-Underfill-Anwendungen erfolgt die Verteilung und Härtung nach
dem Aufschmelzen der metallischen oder polymeren Zwischenverbindung.
In diesem Verfahren wird zunächst
ein Fluxmittel auf die Metall-Pads auf dem Substrat aufgebracht.
Als nächstes
wird der Chip auf den fluxierten Bereich des Substrats oben auf
die Lötstelle
gelegt. Die Anordnung wird dann erhitzt, um die Lötverbindung
wieder fließen
zu lassen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine abgemessene Menge an Underfill-Verkapselungsmaterial entlang
einer oder mehrerer peripherer Seiten der elektronischen Anordnung
verteilt und die Kapillarwirkung innerhalb der Komponente-zu-Substrat-Lücke zieht
das Material nach innen. Nachdem die Lücke gefüllt ist, kann weiteres Underfill-Verkapselungsmaterial
entlang der vollständigen
Anordnungsperipherie verteilt werden, um eine Verringerung der Spannungs-
bzw. Beanspruchungskonzentrationen zu unterstützen und die Lebensdauer der
zusammengebauten Struktur zu verlängern. Das Under fill-Verkapselungsmaterial
wird anschließend
unter Erreichung seiner optimalen Endeigenschaften gehärtet.
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Das
No-Flow-Underfill-Verfahren stellt eine effizientere Vorgehensweise
bereit als die oben beschriebene zur Befestigung von elektronischen
Komponenten an einem Substrat und zum Schützen der Anordnung mit einem
Underfill-Verkapselungsmaterial. In dem No-Flow-Verkapselungsverfahren ist das
Fluxmittel in dem Underfill-Material enthalten, das vor der Komponentenplatzierung
auf die Anordnungsstelle aufgetragen wird. Nachdem die Komponente
platziert wurde, wird sie an die Metall-Pad-Verbindungen auf dem
Substrat gelötet, indem
die gesamte Anordnung, die die Komponente, das Underfill-Material
und das Substrat umfasst, durch einen Aufschmelzofen geführt werden.
Während
dieses Verfahrens fluxiert das Underfill-Material das Lötmetall und
die Metall-Pads, die Lötverbindung
schmilzt wieder und das Underfill-Material härtet. Auf diese Weise werden
durch dieses Verfahren die getrennten Schritte des Aufbringens des
Fluxmittels und das Nachhärten
des Underfill-Materials eliminiert.
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Das
Löten und
Härten
des Underfill-Materials erfolgt während desselben Schritts des
Verfahrens, wobei das Aufrechterhalten der geeigneten Viskosität und der
geeigneten Härtungsrate
des Underfill-Materials in dem No-Flow-Verkapselungsverfahren kritisch
ist. Das Underfill-Material muss bei einer niedrigen Viskosität gehalten
werden, um ein Schmelzen des Lötmetalls
und die Bildung der Zwischenverbindungen zu ermöglichen. Es ist auch wichtig,
dass das Härten
des Underfill-Materials nach dem Härten des Lötmetalls nicht unnötig verzögert wird.
Es ist wünschenswert,
dass das Underfill-Material in dem No-Flow-Verfahren rasch nach dem Schmelzen des
Lötmetalls
härtet.
Vorzugsweise wird die Viskosität
geeignet sein, damit das Underfill-Material aus einer Spritze abgegeben
bzw. verteilt werden kann.
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Die
meisten im Handel verfügbaren
Underfill-Verkapselungsmaterialien verwenden Epoxid-Anhydrid-Chemie.
Beispielsweise beschreibt das
US-Patent
Nr. 6 180 696 ein Underfill-Material, das eine getrennte Anhydridkomponente
enthält.
In bestimmten Fällen
hat die Verwendung von Anhydriden in Underfill-Materialien Toxizitätsprobleme
aufgeworfen. Dementsprechend wäre
es vorteilhaft, ein Underfill-Verkapselungsmaterial zu entwickeln,
das keine freie Anhydridkomponente enthält. Vorzugsweise wird das System
nach Beendigung des Aufschmelzprozesses vollständig gehärtet.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1a ist
ein Bild einer eutektischen Lötmetallkugel
nach Fluxieren unter Verwendung der Formulierung des Underfill-Materials,
das ein Imidazol-Anhydrid-Addukt enthält.
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1b ist
ein Bild einer eutektischen Lötmetallkugel
nach Fluxieren unter Verwendung der Formulierung des Underfill-Materials,
das eine physikalische Mischung von Imidazol und Anhydrid enthält.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine härtbare Underfill-Verkapselungsmaterial-Zusammensetzung,
die speziell in dem No-Flow-Verkapselungsverfahren einsetzbar ist.
Die Zusammensetzung enthält
ein thermisch härtbares
Harzsystem, umfassend ein Gemisch aus wenigstens einem Epoxyharz
und wenigstens einer Phenol enthaltenden Verbindung, zum Beispiel
ein Phenol oder Phenolharz, ein Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator
und ein Fluxmittel. Wenn gewünscht,
können
verschiedene Additive, zum Beispiel Luft freisetzende Mittel, Flow-Additive,
Haftverstärker
und Rheologie-Modifizierungsmittel, zugesetzt werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Harze, die in der Underfill-Verkapselungsmaterial-Zusammensetzung
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind härtbare Verbindungen,
was bedeutet, dass sie zur Polymerisation fähig sind. "Härten", wie der Ausdruck
in dieser Beschreibung verwendet wird, wird bedeuten, unter Vernetzung
polymerisieren. Vernetzung, wie der Begriff auf dem Fachgebiet verwendet
wird, ist die Befestigung von zwei Polymerketten durch Brücken eines
Elements, einer Molekülgruppe
oder einer Verbindung, und wird im Allgemeinen beim Erwärmen erfolgen.
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Ingredienzien
der Underfill-Verkapselungsmateriali-Zusammensetzung der vorliegenden
Erfindung umfassen ein Gemisch aus einem oder mehreren Epoxyharzen
und einer Phenol enthaltenden Verbindung, zum Beispiel Phenol oder
Phenolharz, ein Imidazol-Anhydrid- Addukt, das als Katalysator wirkt, und
ein Fluxmittel. Gegebenenfalls können
Luftfreisetzungsmittel, Flow-Additive, Haftverstärker, Rheologie-Modifizierungsmittel,
oberflächenaktive
Mittel und andere Ingredienzien, enthalten sein. Die Ingredienzien
werden spezifischerweise so gewählt,
dass das gewünschte
Gleichgewicht der Eigenschaften für die Verwendung der bestimmten
Harze erhalten wird.
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Beispiele
für Epoxyharze,
die zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Underfill-Zusammensetzung geeignet
sind, umfassen monofunktionelle und multifunktionelle Glycidylether
von Bisphenol-A und Bisphenol-F, aliphatische und aromatische Epoxide,
gesättigte
und ungesättigte
Epoxide oder cycloaliphatische Epoxyharze oder eine Kombination
davon. Beispiele für
aliphatisches Epoxy umfassen Flex Epoxy 1.
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Beispiele
für aromatische
Epoxide umfassen RAS-1, RAS-5 und Flex Epoxy-3.
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Ein
Beispiel für
ein ungesättigtes
Epoxid ist Cardolite NC513.
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Beispiele
für Nicht-Glycidylether-Epoxide
umfassen 3,4-Epoxycyclohexylmehyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat,
das zwei Epoxidgruppen, die Teil der Ringstrukturen sind, und eine
Esterbindung enthält,
Vinylcyclohexendioxid, das zwei Epoxidgruppen enthält, von
denen eine Teil der Ringstruktur ist, 3,4-Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat
und Dicyclopentadiendioxid.
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Glycidyletherepoxide
sind in der Erfindung bevorzugt, entweder getrennt oder in Kombination
mit den Nicht-Glycidylether-Epoxiden. Ein bevorzugtes Epoxyharz
dieses Typs ist Bisphenol-A-Harz. Ein anderes bevorzugtes Epoxid
ist aliphatisches Epoxid, einschließlich Flex-1-Epoxy. Ein äußerst bevorzugtes
Epoxyharz ist Bisphenol-F-Typ-Harz. Diese Harze werden im Allgemeinen
durch die Reaktion von einem Mol Bisphenol-F-Harz und zwei Mol Epichlorhydrin
hergestellt. Ein weiterer bevorzugter Typ von Epoxyharz ist Epoxy-Novolak-Harz. Epoxy-Novolak-Harz
wird üblicherweise
durch die Reaktion von phenolischem Harz und Epichlorhydrid hergestellt.
Ein bevorzugtes Epoxy-Novolak-Harz ist Poly(phenylglycidylether)-co-formaldehyd.
In der vorliegenden Erfindung kann auch Epoxyharz vom Biphenyltyp
verwendet werden. Dieser Harztyp wird üblicherweise durch die Reaktion
von Biphenylharz und Epichlorhydrin hergestellt. Dicyclopentadien-Phenol-Epoxy-Harz,
Naphthalinharze, Epoxy-funktionelle Butadien-Acrylnitril-Copolymere,
Epoxy-funktionelles Polydimethylsiloxan und Gemische davon sind
weitere Typen von Epoxyharzen, die verwendet werden können. Im Handel
verfügbares
Harz des Bisphenol-F-Typs ist von CVC Specialty Chemicals, Maple
Shade, New Jersey, unter der Bezeichnung 8230E und von Resolution
Performance Products LLC unter der Bezeichnung RSL 1739 verfügbar. Epoxyharz
vom Bisphenol-A-Typ ist im Handel von Resolution Technology als
EPON 828 erhältlich,
und eine Mischung aus Bisphenol-A und Bisphenol-F ist von Nippon
Chemical Company unter der Bezeichnung ZX-1059 erhältlich.
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Die
gewünschte
Phenol enthaltende Verbindung, zum Beispiel Phenol oder phenolisches
Harz, wird mit dem nicht-phenolischen Harz kombiniert, um das Gemisch
zu erzeugen. Speziell bevorzugte phenolische Harze sind phenolische
Novolak-Harze. Speziell bevorzugtes Phenol sind Bisphenol-A- und
Diallyl-Bisphenol-A-phenolische Harze, Im Handel verfügbare Beispiele
für phenolische
Novolak-Harze sind Durez 12686 (Oxychem), HRJ-2190 (Schenectady),
SP-560 (Schenectady), HRJ-2608 (Schenectady), HRJ-1166 (Schenectady),
HRJ-11040 (Schenectady), HRJ-2210 (Schenectady), CRJ-406 (Schenectady),
HRJ-2163 (Schenectady),
HRJ-10739 (Schenectady), HRJ-13172 (Schenectady), HRJ-11937 (Schenectady),
HRJ-2355 (Schenectady), SP-25 (Schenectady), SP-1068 (Schenectady),
CRJ-418 (Schenectady), SP-1090 (Schenectady), SP-1077 (Schenectady),
SP-6701 (Schenectady), HRJ-11945 (Schenectady), SP-6700 (Schenectady),
HRJ-11995 (Schenectady), SP-553 (Schenectady), HJR-2053 (Schenectady),
SP-560 (Schenectady), BRWE5300 (Georgia-Pacific Resins), BRWE5555
(Georgia-Pacific Resins) und GP2074 (Georgia-Pacific Resins).
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Zusätzlich zu
den Harzen ist ein Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator in der
Underfill-Zusammensetzung
enthalten. Das Addukt verleiht dem Underfill-Material andere Eigenschaften
als die Eigenschaften, die durch den Einschluss von Imidazol und
Anhydrid als getrennte Komponenten verliehen werden. Bevorzugte Imidazole,
die in dem Addukt enthalten sein können, umfassen nicht-N-substituierte
Imidazole, zum Beispiel 2-Phenyl-4-methyl-imidazol, 2-Phenylimidazol und
Imidazol. Andere verwendbare Imidazolkomponenten umfassen Alkyl-substituiertes
Imidazol, N-substituiertes Imidazol und Gemische davon. Das Addukt
umfasst auch eine Anhydridkomponente. Das bevorzugte Anhydrid ist
vorzugsweise ein cycloaliphatisches Anhydrid und am bevorzugtesten
Pyromellitsäuredianhydrid,
das von Aldrich als PMDA erhältlich
ist. Weitere bevorzugte Anhydride umfassen Methylhexamydrophthalsäureanhydrid,
im Handel erhältlich
als MHHPA von Lonza Inc. Intermediates and Actives. Andere Anhydride,
die eingesetzt werden können,
umfassen Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid,
Nadinsäuremethylanhydrid,
Hexahydrophthalsäureanhydrid,
Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid,
Dodecylbernsteinsäureanhydrid,
Bisphenyldianhydrid, Benzophenonetetracarbonsäuredihydrid und Gemische davon.
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In
die Underfill-Zusammensetzung ist auch ein Fluxmittel eingearbeitet.
Das Fluxmittel entfernt in erster Linie Metalloxide und verhindert
eine Reoxidation. Obgleich viele ver schiedene Fluxmaterialien verwendet werden
können,
wird das Fluxmittel vorzugsweise aus der Gruppe der Carbonsäuren ausgewählt. Diese
Carbonsäuren
umfassen Kollophoniumgummi, Dodecandisäure (im Handel erhältlich als
Corfree M2 von Aldrich), Adipinsäure,
Weinsäure
und Citronensäure.
Das Fluxmittel kann auch aus der Gruppe ausgewählt werden, die Alkohole, Hydroxylsäure und
Hydroxylbase umfasst. Bevorzugte Fluxmaterialien umfassen Polyole,
zum Beispiel Ethylenglykol, Glycerin, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propandiol,
D-Ribose, D-Cellobiose, Cellulose, 3-Cyclohexen-1,1-dimethanol und ähnliche
Materialien.
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Dem
Underfill-Verkapselungsmaterial können auch weitere Ingredienzien
zugesetzt werden, um eine Zusammensetzung mit den gewünschten
Eigenschaften herzustellen. Beispielsweise können monofunktionelle reaktive
Verdünnungsmittel
die Zunahme der Viskosität
zunehmend verzögern,
ohne dass die physikalischen Eigenschaften des gehärteten Underfill-Materials
beeinträchtigt
werden. Bevorzugte Verdünnungsmittel umfassen
p-tert-Butylphenylglycidylether,
Allylglycidylether, Glycerindiglycidylether, Glycidylether von Alkylphenol
(im Handel verfügbar
von Cardolite Corporation als Cordolite NC513) und Butandioldiglycidylether
(im Handel verfügbar
von Aldrich als BDGE), obgleich auch andere Verdünnungsmittel verwendet werden
können. Oberflächenaktive
Mittel können
verwendet werden, um die Verhinderung der Porenbildung während des Flip-Chip-Bonding-Verfahrens
und des anschließenden
Aufschmelzens einer Lötmaterialverbindung
und der Materialhärtung
zu unterstützen.
Verschiedene oberflächenaktive
Materialien, die verwendet werden können, umfassen organische Acryl
polymere, Silikone, Polyoxyethylen/Polyoxypropylen-Blockcopolymere,
Polyoxyethylen/Polyoxypropylen-Blockcopolymere, auf Ethylendiaminbasis,
Polyoxyalkylene auf Polyolbasis, Polyoxyalkylene auf Fettalkoholbasis,
Fettalkoholpolyoxyalkylenalkylether und Gemische davon. Außerdem können Haftvermittler,
Luftfreisetzungsmittel, Flowdditive, Haftungsbeschleuniger und andere
Ingredienzien zugesetzt werden, wenn dies gewünscht wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Underfill-Verkapselungsmaterials der vorliegenden Erfindung umfasst
ein Gemisch aus wenigstens einem Epoxyharz und wenigstens einem
Phenol/phenolischen Harz als Vernetzungsmittel, einem Imidazol-Anhydrid-Addukt
als Katalysator, einem Fluxmittel und anderen Ingredienzien, wenn
diese gewünscht
sind. Das Harzgemisch wird etwa 0,1 Gew-% bis etwa 99,9 Gew.-% Epoxyharz und
etwa 0,1 bis etwa 99,9 Gew.-% phenolisches Harz umfassen. Vorzugsweise
wird das Gemisch etwa 40 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% Epoxyharz und
etwa 5 bis etwa 60 Gew.-% Phenol/phenolisches Harz umfassen. Das
Gemisch wird etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% der Underfill-Zusammensetzung ausmachen.
Ein Imidazol-Anhydrid-Addukt wird auch als Katalysator verwendet.
Das Addukt umfasst etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Underfill-Zusammensetzung
und vorzugsweise etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Zusammensetzung.
Es wird ein Fluxmittel zugesetzt, das etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 20
Gew.-% der Zusammensetzung ausmacht und vorzugsweise etwa 1 Gew.-%
bis etwa 10 Gew.-% der Zusammensetzung ausmacht. Schließlich können optionale
Ingredienzien, zum Beispiel oberflächenaktive Mittel, Luftfreisetzungsmittel,
Flow-Additive bzw. Fließadditive,
Modifizierungsmittel der Rheologie und Haftungsbeschleuniger im
Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Zusammensetzung
zu der Zusammensetzung gegeben werden.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
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BEISPIEL
1: Sechs Underfill-Zusammensetzungen wurden unter Verwendung von
Bisphenol-F-Epoxy (RSL1739, phenolischem Epoxy (HRJ1166), 2-Phenyl-4-methylimidazol
(2P4MZ) und Pyromellitsäuredianhydrid
(PMDA), sowohl als Addukt als auch getrennte Komponenten, formuliert.
Für jede
Zusammensetzung wurden die Epoxy- und phenolischen Harze abgewogen
und in einen Glaskolben gegeben. Der Glaskolben wurde auf einer
150°C-Heizplatte
erhitzt, um ein Mischen der Harze zu erreichen. Die Proben wurden
dann auf Umgebungstemperatur gekühlt.
Die restlichen Komponenten, einschließlich Katalysatoren, Fluxmittel
und Luftfreisetzungsmittel, wurden in die Glaskolben gegeben. Die
Proben wurden mit einem Holz-Stick gründlich gemischt und dann in
einem Vakuumofen entgast. Das Molverhältnis PMDA zu 2P4MZ ist 1:2,
welches dasselbe Molverhältnis
von PMDA zu 2P4MZ wie im Addukt ist. Die Formulierungen sind in
Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1: Underfill-Formulierungen
| | Bis-F-Epoxy- | Phenolisches
Harz | 2P4MZ-PMDA-Addukt | PMDA | 2P4MZ | Corfree
M2 |
| A1 | 100 | | 0,5 | | | |
| A2 | 100 | | | 0,2045 | 0,2955 | |
| B1 | 90 | 10 | 0,5 | | | |
| B2 | 90 | 10 | | 0,2045 | 0,2955 | |
| C1 | 90 | 10 | 0,5 | | | 10 |
| C2 | 90 | 10 | | 0,2045 | 0,2955 | 10 |
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Das
Härtungsverhalten
jeder Formulierung wurde unter Verwendung eines Differential-Scanning-Calorimeters
(DSC) charakterisiert. Tabelle 2 listet die Resultate des Härtungs-Peaks und der Enthalpie
für jede Formulierung
auf. Die Experimente wurden viermal mit einer Standardabweichung
von 0,8°C
bei der Peak-Temperatur durchgeführt. Tabelle 2: Härtungsverhalten von Underfill-Formulierungen
| | Peak-Temperatur °C | ΔH (J/g) |
| A1 | 190,5 | 25,5 |
| A2 | 152,9 | 5,3 |
| B1 | 169,0 | 190,6 |
| B2 | 156,9 | 150,3 |
| C1 | 180,2 | 222,3 |
| C3 | 173,7 | 227,2 |
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Die
in Tabelle 2 angeführten
Resultate veranschaulichen den Unterschied im Härtungsverhalten zwischen Underfill-Materialien,
die ein Imidazol-Anhydrid-Addukt als Katalysator enthalten, und
denen, die ansonsten identisch sind, die eine physikalische Mischung
von Imidazol und Anhydrid enthalten, deutlich.
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Die
Zusammensetzungen C1 und C2 wurden auch bezüglich ihrer Fähigkeit
zum Fluxieren untersucht. Ein Tropfen jeder Formulierung wurde auf
einem OSP-Cu-Substrat verteilt und in den Flüssigkeitstropfen wurde eine
20 mil eutektische Lötmittelkugel
gegeben. Das gesamte Bauteil wurde für 2 Minuten auf einer 150°C-Heizplatte
erhitzt und dann auf eine 240°C-Heizplatte
transferiert. Die Fähigkeit
zum Fluxieren wurde durch die Beobachtung der Vergrößerung der
Lötmittelkugel
auf der 240°C-Heizplatte
bestimmt. Wie in den 1a und 1b gezeigt
ist, war die Vergrößerung der
Lötmittelkugel
unter Verwendung der Formulierung C1, die das Imidazol-Anhydrid-Addukt
enthielt, viel größer als
die Größe der Lötmittelkugel,
die unter Verwendung von Formulierung C2, die die physikalische
Mischung des Imidazols und des Anhydrids enthielt, gebildet wurde.
Diese größere Lötmittelkugel,
die durch Formulierung C1 gebildet wurde, zeigt, dass die Lötmittelkugel unter
Verwendung des Imidazol-Anhydrid-Addukts viel einfacher zu fluxieren
ist.
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BEISPIEL
2: Es wurden sechs Underfill-Zusammensetzungsformulierungen nach
dem in Beispiel 1 angegebenen Verfahren hergestellt. Das in jeder
Formulierung verwendete Epoxy war entweder RSL1739, Flex-1 Epoxy
oder eine Mischung von RSL1739 und einem zweiten Epoxy. Zusätzlich zu
dem Epoxy waren HRJ1166 als die phenolische Komponente, ein 2P4MZ-PMDA-Imidazol-Anhydrid-Addukt-Katalysator
und ein Fluxmittel aus Dodecandisäure (Corfree M2) enthalten.
Die Viskosität
jeder Zusammensetzung wurde untersucht und die Resultate sind in
Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3: Viskosität von Epoxy/phenolisches Produkt/Imidazol-Anhydrid-Addukt-Underfill-Materialien
| | Epoxy
(g) | Phenolisches HRJ1166
(g) | 2P4MZ-DMDA-Addukt (g) | Corfree
M2 (g) | Viskosität (cP) |
| C1 | RSL1739
90 | 10 | 0,5 | 10 | 16091 |
| D | RSL1739
85 NC513 5 | 10 | 0,5 | 10 | 7474 |
| E | RSL1739
85 BDGE 5 | 10 | 0,5 | 10 | 5831 |
| F | Flex-1
80 | 20 | 3 | 10 | 6158 |
| G | RSL1739
45 Flex-1 45 | 10 | 1 | 10 | 3075 |
| H | RSL1739
70 Flex-1 20 | 10 | 0,5 | 10 | 6493 |
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Wie
in Tabelle 3 gezeigt ist, war die Viskosität jeder Underfill-Zusammensetzung,
die das Imidazol-Anhydrid-Addukt enthielt, unter 20000 cPs, was
für ein
gutes Verteilen durch eine Spritze sorgt.
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BEISPIEL
3: Für
Underfill-Zusammensetzungen ist es vorteilhaft, dass eine Härtungsreaktion
möglich ist,
die bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von 183°C der eutek tischen
Sn/Pb-Lötmittelhügel erfolgt. Ein
minimales Härten
sollte idealerweise unter der Schmelztemperatur des Lötmittelhügels liegen
und eine vollständige
Härtung
in einem Aufschmelzprozess ermöglichen,
eine schnelle Härtungsreaktion
sollte bei einer Temperatur gerade höher als die Schmelztemperatur
der Lötmittelkugel
erfolgen. Die Unterfill-Zusammensetzungen von Beispiel 2 wurden
durch DSC charakterisiert, und die Resultate sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4: DSC-Resultate der Underfill-Zusammensetzungen
| | Peak-Temperatur °C | ΔH (J/g) |
| C2 | 180,2 | 222,3 |
| D | 181,4 | 227,7 |
| E | 181,7 | 230,4 |
| F | 179,7 | 139,2 |
| G | 184,04 | 157,5 |
| H | 182,4 | 271.4 |
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Wie
in Tabelle 4 gezeigt ist, liegt die Peak-Temperatur der Formulierungen,
die das Imidazol-Anhydrid-Addukt enthalten, im Allgemeinen im Bereich
von 180°C
bis 185°C,
was ein guter Hinweis ist, dass die Härtung der Underfill-Zusammensetzung
ausreichend verzögert
ist, um zu ermöglichen,
dass die Lötmittelkugel schmilzt,
bevor sich das Vernetzungsnetzwerk bildet.
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Die
Fluxierfähigkeit
der Zusammensetzungen von Beispiel 3 wurde getestet, wobei das in
Beispiel 1 ausgeführte
Heizplattenverfahren verwendet wurde, außer, dass zwei unterschiedliche
Substrate, ein OSP-Cu-Substrat und ein Ni/Au-Substrat, verwendet
wurden. Alle Formulierungen in Beispiel 3 wiesen eine Vergrößerung der
Lötmittelhügel im Bereich
von etwa 100% bis etwa 300% auf, was anzeigt, dass die Underfill-Materialien
eine ausgezeichnete Fluxierfähigkeit
bereitstellen. Gleichzeitig wurde die Oberflächenklebrigkeit dieser Bauelemente
untersucht, nachdem die Proben auf Umgebungstemperatur abgekühlt worden
waren, nachdem sie eine Minute auf der 240°C-Heizplatte erhitzt worden
waren. Unter diesen Bedingungen wurden bei allen Formulierungen
nicht-klebrige Oberflächen
beobachtet. Schließlich
wurden die Formulierungen D, F, G und K unter Verwendung von PB8
und TV46ps auf Ni/Au-endbehandelten Platten getestet, wobei PB-8 ein "Peripheral-Array-Flip-Chip" mit einer Chip-Größe von 200 × 200 mil,
8 mil Pitch, 4 mil Gap und 88 l/Os ist, und TV-46 ein "Full-Area-Array-Mikro-BGA" mit einer Chip-Größe von 226 × 310 mil,
13 mil Gap und 46 l/Os ist. Etwa 6 bis 14 mg der Proben wurden unter
Verwendung einer Spritze auf dem Substrat verteilt. Die Platte wurde
dann auf die "Pick-and-Place"-Apparatur, hergestellt
von Universal Instrument, gelegt und die Chips wurden automatisch
genommen und auf die Platte gelegt. Das gesamte Bauelement wurde
zu einem Reflow-Ofen bzw. Aufschmelzofen transportiert und durch
den Standard-Reflow-Prozess
geführt,
bei dem die Tränkzeit
etwa 2 Minuten bei 150°C
ist und die Lötmittel-Fluxier- und Harzhärtezeit
etwa 1 Minute ei einem Temperaturanstieg von 150°C auf 240°C beträgt. Dieser Reflow-Prozess lässt die
Lötmittelhügel fluxieren
und eine Verbindung zwischen dem Chip und der Platte bilden. Eine
100%-Verbindung wurde mit allen vier Formulierungen unter Verwendung
der PB8-Chips entwickelt, und die Formulierungen F und G erzielten
eine 100%-Verbindung unter Verwendung der TV46-Chips. Durch DSC
wurde kein restliches Härten
beobachtet, nachdem die Proben den Reflow-Prozess passiert hatten.
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BEISPIEL
4: Ein Tropfen von jeder der Underfill-Zusammensetzungen von Tabelle
4 wurde auf einen 1'' × 3''-Glasobjektträger aufgebracht.
Vier 20 mil-Lötmittelkugeln
wurden dann in das Innere jedes Tröpfens eingebettet und an ein
1'' × 1''-Deckgläschen wurde
auf jedes Tröpfchen
auf dem Glasobjektträger
gelegt. Die Packung wurde für
2 Minuten auf einer 150°C-Heizplatte
erhitzt und dann auf eine 240°C-Heizplatte
transferiert, die sie für
eine weitere Minute erhitzte. Die Packung wurde auf Umgebungstemperatur
abkühlen
gelassen. Nach dem Abkühlen
wurde die Packung auf das Vorliegen von Blasen oder Porenbildungen
betrachtet. Außer
Poren, die in den Underfill-Materialien bei der Formulierung E eingeschlossen
waren, wurde keine Blasen- oder Porenbildung beobachtet. Dies zeigt,
dass eine Epoxy- oder phenolische Harz-Zusammensetzung, die ein
Imidazol-Anhydrid-Addukt
mit einem Fluxmittel verwendet, ein Underfill-Material produzieren
wird, das Poren und Blasen minimiert.
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BEISPIEL
5: Die Underfill-Zusammensetzung kann auch in Verbindung mit einem
bleifreien Lötmittel (Sn
96,5/Ag 3,5; Schmelzpunkt 225°C)
verwendet werden. Vier Underfill-Zusammensetzungen
wurden entsprechend dem in Beispiel 1 ausgeführten Verfahren hergestellt.
Die Zusammensetzungen sind in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5: Underfill-Formulierungen und
Viskosität
| | Epoxy | Phenolisches | Corfree
M2 | 2P4MZ-PMDA-Addukt | DSC
(Peak °C/ΔH J/g) | Viskosität (cP) |
| I | Flex-1
74 | HRJ4626
26 | 10 | 3 | 160/160 | 8724 |
| J | Flex-1
66,4 | Dially-Bisphenol A 33,6 | 10 | 3 | 173/158 | 3031 |
| K | Flex-1
66,4 | Dially-Bisphenol A 33,6 | 10 | 5 | 172/180 | 3440 |
| L | RSL1
739 | Dially-Bisphenol A 48 | 10 | 0,5 | 184/234 | 29450 |
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Die
Fluxierfähigkeit
dieser Zusammensetzungen wurde unter Verwendung des in Beispiel
1 beschriebenen Heizplattenverfahrens, außer, dass bleifreie Lötmittelkugeln
und Ni/Au-Substrat
anstelle der Zinn-/Blei-Lötmittelkugeln
und des OSP-Cu-Substrats verwendet wurden, untersucht. Es wurde
festgestellt, dass das Fluxieren eine Vergrößerung von 300% des Durchmessers
der bleifreien Lötmittelkugeln
für jede
getestete Zusammensetzung bewirkte.
und Gemische davon.