專利名稱：用于微電子器件的小粒度粘合劑組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微電子器件的小粒度粘合劑組合物。
美國專利5,488,082披露，從至少一種有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和揮發(fā)性液體可以制得一種用于將硅片連接在陶瓷基質(zhì)的粘合劑膏，其中所述樹脂與填料以小得足以通過325目篩孔的顆粒形式存在，且其中所述揮發(fā)性液體和有機(jī)聚合物樹脂互不相溶。
該聚合物優(yōu)選地是一種熱塑性聚合物，但也可以是熱塑性聚合物和熱固性聚合物的組合物，只要能保持該共混物中的熱塑性能就行。有機(jī)聚合物樹脂的最大粒度是能夠通過325目篩孔，優(yōu)選能夠通過400目篩孔的粒度。
這種膏狀組合物用于將半導(dǎo)體集成電路塊或芯片連接到基質(zhì)上。將這種膏狀物涂布到基質(zhì)表面上，形成粘合線，然后將半導(dǎo)體組件置于該粘合線上，使得膏狀物處于芯片和基質(zhì)之間。然后將這種電子組件在足夠高的溫度下加熱一段足夠的時(shí)間，使熱塑性樹脂軟化，變成流體，并使液體從膏狀物中蒸發(fā)出來。再將該組件冷卻至低于該熱塑性聚合物變?yōu)楣腆w的溫度，從而將微電路粘接在該基質(zhì)上。使用這種粘合劑膏的優(yōu)點(diǎn)在于粘合線中沒有空隙。粘合線中存的空隙最終會導(dǎo)致粘合失敗。
用這種膏狀物作為芯片粘接組合物進(jìn)行試驗(yàn)，將8.6mm×8.6mm(350密耳×350密耳)硅片(半導(dǎo)電體芯片)粘接到陶瓷基質(zhì)上。然而，這種組合物用在金屬基質(zhì)或較大尺寸的芯片上，尤其用在尺寸為400密耳×400密耳或更大尺寸的半導(dǎo)體芯片上時(shí)，顯示出有限的利用率。當(dāng)這些先有技術(shù)的粘合劑膏用在上述尺寸的芯片上時(shí)，尤其用在粘接到金屬基質(zhì)的大尺寸芯片上時(shí)，在粘合劑固化期后芯片會從基質(zhì)上脫層或脫離。大尺寸芯片使得揮發(fā)性液體更難以逸出，從而產(chǎn)生空隙。還有，金屬基質(zhì)與芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)之差較大。CTE的這種不一致性使得芯片與基質(zhì)之間的粘合處于恒定的應(yīng)力下，因而會導(dǎo)致芯片翹曲和脫層。大尺寸芯片和金屬基質(zhì)這兩個(gè)因素結(jié)合起來，幾乎必然導(dǎo)致芯片從基質(zhì)上脫離。
脫層是一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其對于高功率電路，因而也是對于產(chǎn)生高熱的應(yīng)用場合更是如此。在某些情況下，即使有一定程度的脫層，微電路技術(shù)硅塊或硅片也仍然能成功地粘接到基質(zhì)上。然而，當(dāng)有高熱量產(chǎn)生時(shí)，即使極少量的從基質(zhì)上的脫層也會降低粘合劑將電路中產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)交|(zhì)上的能力。最終可能導(dǎo)致器件損壞。因此，仍然需要有一種改善的粘合劑組合物，用于將半導(dǎo)體硅片，尤其大硅片粘接到基質(zhì)上，特別是粘接到金屬基質(zhì)上。
本發(fā)明涉及一種從至少一種有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和揮發(fā)性液體制備的改進(jìn)的粘合劑組合物，其中該液體和有機(jī)聚合物樹脂是基本上各自互不相溶的；且其中改進(jìn)之處包括所述至少一種有機(jī)聚合物樹脂必須以粒度為25微米或更小的顆粒形式存在。如此制得的粘合劑組合物可以用在粘接到金屬基質(zhì)上的400密耳×400密耳的芯片上，而不會產(chǎn)生明顯的脫層現(xiàn)象。
本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施方案是一種電子電路組件，其中包含400密耳×400密耳尺寸或更大的半導(dǎo)體芯片，該芯片用一種粘合劑組合物粘接到基質(zhì)上，該粘合劑組合物是從至少一種有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和揮發(fā)性液體制備的，其中該液體和有機(jī)聚合物樹脂是基本上各自互不相溶的；且其中該至少一種有機(jī)聚合物樹脂是以粒度為25微米或更小的顆粒形式存在的。
對本說明書來說，如果該樹脂不能明顯溶于該液體中，且如果該液體不能明顯溶于該樹脂中的話，則該有機(jī)聚合物樹脂將被認(rèn)為基本上不溶于該揮發(fā)性液體中，明顯溶解是指可溶部分小于20％，優(yōu)選少于10％。
本發(fā)明的改進(jìn)的粘合劑組合物的各組分在美國專利5,488,082中已有詳述，該專利全文并入本說明書中作為參考。簡言之，這些組分是有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和不能作為該聚合物樹脂溶劑的揮發(fā)性液體。
可用于本發(fā)明的聚合物樹脂包括適合于所要求的終端用途的任何熱固性或熱塑性有機(jī)聚合物或熱固性和熱塑性有機(jī)聚合物的任何組合。優(yōu)選的熱塑性有機(jī)聚合物在從約室溫到微電路電子元件工作時(shí)的周圍溫度的溫度下將是一種固體，而且在加熱至溫度高于微電路電子元件2時(shí)的溫度時(shí)會發(fā)生軟化，變成足以產(chǎn)生元件之間的粘合劑粘合的流體。優(yōu)選的熱固性有機(jī)聚合物在固化前的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為35-200℃，優(yōu)選50-100℃，固化反應(yīng)開始溫度為35-200℃，優(yōu)選50-150℃，固化后會硬化成一種熱固性材料，為粘合劑提供尺寸穩(wěn)定性和耐熱性。
例示性的和適用的熱塑性聚合物是聚苯硫醚、聚醚砜、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚縮醛、聚鹵乙烯、聚烯烴、鹵化聚烯烴、丙烯酸類聚合物、乙烯基聚合物和熱塑性環(huán)氧樹脂。聚合物可以是上述熱塑性聚合物的共聚物或上述熱塑性聚合物與其它適用的熱塑性聚合物的共聚物。有代表性的聚酰胺包括聚(六亞甲基己二酰胺)、聚ε-己內(nèi)酰胺、聚(六亞甲基鄰苯二甲酰胺和間苯乙甲酰胺)。有代表性的聚酯包括聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸丁二醇酯。
雖然任何已知的和用于特定終端用途的熱固性聚合物都可以使用，但是優(yōu)選的熱固性聚合物是環(huán)氧化物。
適用的無機(jī)填料的含量為至多40％體積。優(yōu)選的無機(jī)填料包括銀、金、銅、鎳和這些金屬的合金；氧化鋁、氧化鈹、二氧化硅、碳化硅、石墨、碳化鎢、鈦酸鋇、氮化硼、氮化鋁和金剛石。對于導(dǎo)電芯片連接用粘合劑，優(yōu)選的填料是銀的片狀粉末、它典型地是粒度為25微米或更小的市售商品。優(yōu)選的是，所用的任何填料，其粒度應(yīng)為25微米或更小。
揮發(fā)性液體的作用是使有機(jī)聚合物樹脂和無機(jī)填料懸浮，以利于分散和施涂。優(yōu)選的液體是非極性的，其室溫蒸氣壓小于約50Hg，且表面張力小。有代表性的液體是脂族烴類、芳族烴類，和二醇的醚類及它們的衍生物。
有機(jī)的一種或多種聚合物的粒度為25微米或更小。以微米表示的粒度與篩目的對照是，45微米粒子大約相當(dāng)于325篩目，40微米粒子大約相當(dāng)于400篩目，而25微米粒子則大約相當(dāng)于500篩目。當(dāng)粒度減小至25微米或更小時(shí)，就意外地發(fā)現(xiàn)，400密耳×400密耳或更大的大半導(dǎo)體芯片可以被粘接到金屬基質(zhì)上，而不會在經(jīng)受固化后從基質(zhì)上發(fā)生明顯的脫層現(xiàn)象。金屬基質(zhì)可以是目前工業(yè)上所使用的任何一種，例如銅和鍍銀的銅。
對本說明書來說，明顯脫層是指從基質(zhì)上脫離的芯片表面積超過25％。固化通常在100°-200℃的溫度范圍進(jìn)行。當(dāng)使具有相同化學(xué)組成的組合物，但粒度大于25微米時(shí)，400密耳×400密耳的芯片在固化期后顯示出明顯的從基質(zhì)上脫層的現(xiàn)象，即脫層面積超過25％。
本發(fā)明的粘合劑組合物是通過將各組分置于本技術(shù)中制備膏狀物用的已知設(shè)備中進(jìn)行混合而制備的?；旌享樞虿⒉粐?yán)格所有組分可以在一起混合，或者可先將一些組分進(jìn)行預(yù)混，然后再加入其余組分，以制備膏狀物。所制備的組合物，在固化之前，應(yīng)含有約24-37％體積的無機(jī)填料，和11-37％體積、優(yōu)選13-29％體積的有機(jī)聚合物樹脂，其余為揮發(fā)性液體和任何的添加劑。
除了上述主要組分以外，該粘合劑組合物還可含有極少量的添加劑，例如粘合促進(jìn)劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧劑、增粘劑，和粘度調(diào)節(jié)聚合物。優(yōu)選的粘度調(diào)節(jié)聚合物是苯乙烯-b-乙烯(乙烯-共-丙烯)嵌段共聚物；類似的共聚物是如本技術(shù)中所用的已知共聚物，例如(苯乙烯-共-乙烯)-b-(丁烯-共-苯乙烯)嵌段共聚物也是適用的。添加劑的選擇和用量對于本技術(shù)中的技術(shù)人員來說應(yīng)該是知道的。
本說明書中所述的粘合劑組合物可以用來將微電路電子元件粘接到基質(zhì)上，并在本技術(shù)中顯示出具有為此目的的足夠的粘合強(qiáng)度。實(shí)施例表明本發(fā)明的改進(jìn)組合物用于大半導(dǎo)體芯片時(shí)顯示出優(yōu)異的性能，即在粘劑固化后芯片不會從金屬基質(zhì)上脫離開。
實(shí)施例按照本說明書所述方法用表1所列組分制備粘合劑組合物。
表1組分 制造廠家，產(chǎn)品號 在組合物中所占或商品名體積百分?jǐn)?shù)熱塑性聚酯 Bostik公司，5164 5.3％熱固性聚酯 Tomoegawa紙業(yè)有限公司， 16.8％P01CW06P烴類溶劑 ?？松瘜W(xué)公司，Norpar 15 47.6％粘度調(diào)節(jié)劑 殼牌化學(xué)公司，Kraton G17020.85％銀片狀粉末 Degussa，SF80 14.74％銀片狀粉末 Chemet，LA113 14.74％用粒度不同的熱固性和熱塑性聚合物制備本配方的若干個(gè)試樣。將這些配方分配在鍍銀的銅引線框上，然后將400密耳×400密耳的芯片和500密耳×500密耳的芯片置于與該粘合劑的接觸中。用于試驗(yàn)各配方的芯片數(shù)目從5至14不等。
將芯片和引線框組件置于程控烘箱中，烘箱中的溫度在30分鐘內(nèi)從100℃升至200℃，然后在200℃保持15分鐘。固化后的組件從烘箱取出，冷卻至室溫。用Sonix公司制造的Acoustic Microscope(聲響顯微鏡)檢查脫層情況，用這種儀器可以觀察芯片與基質(zhì)之間的界面脫層水平。脫層水平以占芯片總面積的百分?jǐn)?shù)表示。
各試樣所用的熱固性和熱塑性聚合物的粒度、所試驗(yàn)的芯片數(shù)目以及脫層率列于表2。脫層以試驗(yàn)數(shù)目顯示出脫層的芯片數(shù)目記錄，并按界面脫層百分?jǐn)?shù)分成幾組。例如在“至多75％”脫層這項(xiàng)下的“3/12”這一項(xiàng)表示12個(gè)芯片中有3個(gè)芯片顯示出在芯片與基質(zhì)之間的界面面積脫層率至多為界面的75％。
表2試樣 芯片尺寸粒度(微米) 脫層率密耳×密耳 熱固性 熱塑性 0％ 至多75％ ＞75％A400×400＜45 ＜452/123/127/12B400×40015-25＜451/132/1310/13C400×40015-2515-25 14/14 0/140/14E400×400＜15 ＜1511/11 0/110/11F500×500＜5 ＜1511/11 0/110/11C500×50015-2515-25 0/5 0/5 5/5E500×500＜15 ＜151/5 1/5 3/5F500×500＜5 ＜155/5 0/5 0/5這些數(shù)據(jù)表明就金屬基質(zhì)上的大芯片的脫層而言，較小的粒度，25微米或更小，可以給出優(yōu)異的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種從至少一種有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和揮發(fā)性液體制備的改進(jìn)的粘合劑組合物，其中該揮發(fā)性液體和有機(jī)聚合物樹脂是基本上各自互不相溶的；且其中改進(jìn)之處包括所述至少一種有機(jī)聚合物樹脂必須以粒度為25微米或更小的顆粒形式存在。
2.按照權(quán)利要求1的粘合劑組合物，其中該有機(jī)聚合物樹脂是一種熱塑性聚合物、熱固性聚合物，或熱固性聚合物與熱塑性聚合物的組合。
3.按照權(quán)利要求2的粘合劑組合物，其中該有機(jī)聚合物樹脂的含量為11-37％體積。
4.按照權(quán)利要求3的粘合劑組合物，其中該熱固性樹脂和熱塑性樹脂的粒度小于15微米。
5.按照權(quán)利要求4的粘合劑組合物，其中該熱固性樹脂的粘度小于5微米。
6.一種電子電路組件，其中包含400密耳×400密耳尺寸或更大的半導(dǎo)體芯片，該芯片用一種粘合劑組合物粘接到基質(zhì)上，該粘合劑組合物是從至少一種有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和揮發(fā)性液體制備的，其中該液體和有機(jī)聚合物樹脂是基本上各自互不相溶的；且其中該至少一種有機(jī)聚合物樹脂是以粒度為25微米或更小的顆粒形式存在的。
7.權(quán)利要求7的電子電路組件，其中該基質(zhì)是金屬基質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從至少一種有機(jī)聚合物樹脂、無機(jī)填料和揮發(fā)性液體制備的改進(jìn)的粘合劑組合物,其中該液體和有機(jī)聚合物樹脂是基本上各自互不相溶的;且其中改進(jìn)之處包括所述至少一種有機(jī)聚合物樹脂必須以粒度為25微米或更小的顆粒形式存在。如此制得的粘合劑組合物可以用在粘接到金屬基質(zhì)上的400密耳×400密耳的芯片上,而不會產(chǎn)生明顯的脫層現(xiàn)象。
文檔編號C09J11/04GK1244561SQ99101358
公開日2000年2月16日 申請日期1999年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月23日
發(fā)明者吳冰, T·G·科斯特洛, K·M·瓊 申請人:國家淀粉及化學(xué)投資控股公司