JP2589239B2 - 熱硬化可能な接着剤およびこれを用いた電気的コンポーネント組立体 - Google Patents
熱硬化可能な接着剤およびこれを用いた電気的コンポーネント組立体Info
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
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-
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-
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-
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-
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-
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Description
関し、かつより特定的には電気的相互接続方法に関し、
そしてさらに特定的には集積回路のフリップチップ取り
付けおよび封入に関する。
性、信頼性のなさ、および低い生産性を除去するために
はんだバンプ(solder bump)相互接続が開
発された。フリップチップ集積回路のためのはんだバン
プ相互接続技術は何らかの形でおよそ20年間使用され
てきた。初期の、複雑性の少ない集積回路は典型的には
周辺の接続部を有するのに反して、フリップチップバン
ピング技術はそれが全領域のアレイに進むに連れて相互
接続密度のかなりの増大を許容した。制御された崩壊
(コラプス:collapse)チップ接続はダイ上の
ウエット可能な金属端子上に被着されたはんだバンプお
よび基板上のはんだによるウエット可能な端子の整合す
るフットプリントを使用する。上下逆の集積回路(フリ
ップチップ)が基板に対し整列されかつすべての接合が
同時にはんだをリフローすることにより形成される。制
御されたコラプス方法においては、はんだのバンプが集
積回路の端子上に被着され、かつ該はんだバンプが厚膜
ガラスのダムを用いることにより端子から流れ出すこと
が抑制され、基板のメタリゼーションの先端へのはんだ
の流れが制限される。同様に、集積回路上のはんだの流
れが該集積回路上の化学的に蒸着されたガラスのパッシ
ベーションの被覆面に露出した金属上のはんだ可能なパ
ッドの大きさによって制限される。
る。鉛の多いはんだは該合金の高い融点のため集積回路
をアルミナセラミックの基板に接合する場合に使用さ
れ、組み立てられた回路のさらに他の処理を許容する。
エポキシまたはポリイミド回路板のような有機キャリア
への接合はより低い融点のはんだ合金を必要とする。共
融の錫/鉛はんだ(融点183℃)または鉛/インジュ
ウムはんだ(融点220℃)のようなはんだが使用され
ている。
存する。銀および金はよくない選択であるが、それはこ
れらが急速にはんだ内に溶解するからである。従って、
銅、錫、鉛、パラジウム、プラチナ、またはニッケルが
一般に回路板の端子のために使用されており、かつクロ
ム、チタン、またはニッケルの薄膜が一般に集積回路端
子として使用されている。
ある間に集積回路端子上に配設される。ウエーハを切断
する前の最終的な操作は電気的な試験であり、この場合
柔らかいはんだが端子に接触するために使用される機械
的なプローブに対し接触パッドを提供する働きをなす。
ックス、水−ホワイトロジンまたは水溶性のフラック
ス、が集積回路を定位置に保持するための一時的な接着
剤として基板上に付加される。アセンブリはリフロー温
度サイクルにさらされ、オーブンまたは炉の中でダイを
基板に接合する。はんだの表面張力がダイを基板の端子
に自己整列する助けとなる。リフローの後、フラックス
の残留物がダイの腐食を防止するために除去されなけれ
ばならない。塩素、フッ素または炭化水素の溶剤がロジ
ンを除去するために使用され、あるいは水溶性のフラッ
クスを除去するためには表面活性剤の水溶液が使用され
る。ダイの基板への緊密な接近のため(典型的には0.
001から0.004インチ、すなわち0.0254ミ
リメートルから0.102ミリメートル)、ダイの下か
らフラックス残留物を除去することは高度なクリーニン
グ体制およびかなりの時間の消費を要求する困難な作業
である。全てのフラックス残留物の完全な除去を保証す
ることが産業上の多くの努力の課題であった。
試験され、かつさらに環境的な保護を与えるためにパッ
ケージングが付加される。パッシベーション、封入、ま
たはカバーの付加が通常の方法である。封入の場合、液
体ポリマがダイの回りおよび下に付加される。歴史的に
は、ポリマの選択はシリコーン(silicones)
およびエポキシであり、エポキシがより多く好まれてい
た。エポキシのセラミック基板への付着はシリコーンに
比べて優れている。エポキシの膨脹係数はセラミック充
填剤を添加することによって低くすることができる。こ
れは基板と封入材との間に生ずる熱的ストレスを低減す
る。低い膨脹係数を備えたエポキシの接着剤の重要性は
フリップチップのアプリケーションに対しては強調しす
ぎることはない。硬化したエポキシは堅くかつシリコー
ンの柔軟性を持たない。従って、もしそれらの膨脹係数
が充填剤によって低くならなければ、初期のデバイスの
故障がダイのクラックの形成から生じ得る。無機充填剤
の使用もまた熱伝導率およびイオンの汚染物質のレベル
に影響を与える。
プは装置に対し最大の環境的保護を提供するためには完
全に満たされなければならない。デバイスを封入する過
去の努力は、米国特許第4,604,644号に述べら
れているように、ダイの中央部に欠如領域を残し、有機
レジンが該ダイの周辺に付加され、かつ前記空間に毛管
作用により引き入れられた。ダイの大きさが増大するに
応じて、毛管作用の制限された効力はより微妙なものと
なりかつダイのさらに大きな領域が保護されないままと
なった。
他の方法は上記制限を、ダイの中央に位置する、基板の
穴を通して有機レジンを付加することにより克服しよう
と試みた。はんだ付けおよびクリーニング操作の後、封
入樹脂がダイの表面の完全なカバレージを保証するため
に、前記穴に付加されかつダイの周辺回りにも付加され
た。この方法は前記穴のために使用されない空間を提供
するために、回路のない基板の領域を確保する必要性を
生ずる。
保証しかつ基板の利用できる領域の最大限の使用を許容
するフリップチップ集積回路を封入する改良された方法
が必要とされる。
ば、本発明によれば、フラックス剤(fluxing
agent)を含む接着材料が金属化パターンを有する
基板またははんだバンプされた電気的要素(コンポーネ
ント)に付加される。該コンポーネントは基板上に配置
されかつはんだリフローされる。リフロー段階の間、前
記フラックス剤ははんだの基板の金属化パターンへの付
着を促進しかつ接着材料は硬化されて基板およびコンポ
ーネントを機械的に相互接続しかつ封入する。
有する基板100がスクリーン印刷、ステンシル、プリ
フォームの被着、または他のディスペンス手段によって
接着材料120で選択的に被覆される。接着材料120
はフラックス剤および硬化(curing)剤を含むよ
う処方され、それにより材料が室温で直ちに硬化されな
いようになっている。適切な接着材料の例はビィスフェ
ノール(bisphenol)Aおよびエピクロロヒド
リンから作られるエポキシ樹脂である。キュア剤または
硬化剤はアミン、無水物、または適切な反応物質でよ
い。適切な硬化剤を有するポリエステル樹脂のような他
の2材料性樹脂システムを代わりに用いることができ
る。フラックス剤の目的ははんだ操作に対するフラック
ス作用を提供することである。アビエチン酸、アジピン
酸、アスコルビン酸、アクリル酸、クエン酸、2−フロ
イック酸(2−furoic acid)、リンゴ酸、
およびポリアクリル酸がフラックス剤として有用である
ことが分かった。次のような一般式の他の有機酸 もまた有用であり、この場合、Rは電子吸引グループ
(electron withdrawing gro
rp)である。特定の電子吸引グループはフッ素、塩
素、臭素、ヨウ素、硫黄、ニトリル、水酸基、ベンジル
または何らかの他の電子吸引グループである。
定のフラックス剤の活動、選択されたはんだ合金、およ
び基板の金属化システムに応じて、約0.1から約16
重量%の範囲とすることができる。
ははんだバンプ140およびアクティブ面150が基板
100に面しかつ基板100の金属化パターン110と
整列するように配置される。図2を参照すると、バンプ
されたデバイス230が金属化パターン210との緊密
な接触へと移動される。接着剤220がデバイス230
を湿らせ、デバイス230のアクティブ面250の完全
な被覆を保証する。メニスカス260はアクティブ面2
50を環境汚染から保護するためにデバイス230の周
辺の回りに連続的な封入を提供する。接着剤220に含
まれているフラックス剤ははんだバンブ240および金
属化パターン210を覆う。
つ接続される集積回路として描いているが、はんだバン
プを有する他のタイプの表面実装要素を用いた実施例も
本発明の範囲内であることを理解すべきである。
ーされ、フラックス剤が活性化されるようにし、はんだ
240および金属化面210の上の酸化物を減らし、か
つはんだの金属への合金化を許容する。リフロー処理の
間、接着剤(adhesive)220は固形に硬化さ
れる。使用された接着システムの化学に応じて、接着剤
220を完全に硬化するためにキュア後の第2の操作が
必要とされるかもしれない。リフロー/キュア段階の間
に、デバイスは接着剤により封入される。メニスカス2
40はアクティブ面250を環境汚染から保護するため
のデバイス230の周辺回りの連続的な封入を提供する
から、これ以上のクリーニングまたは封入操作は必要で
ない。
ものであり、かつ不当にその範囲を限定することを意図
するものではない。
料が準備された。 成分 重量% Furane 89303エポキシ、パートA 41 リンゴ酸 4.6 Furane 89303エポキシ、パートB 54.4
トAはアメリカ合衆国、カリフォルニア州、ロサンゼル
スのFurane Products Company
から入手可能なビィスフェノールA−エピクロロヒドリ
ン型のエポキシ樹脂である。それは半導体装置を封入す
る用途のために処方されている。Furane 893
03エポキシ、パートBはこれもまたFurane P
roducts Companyから入手可能な無水物
硬化剤またはハードナーである。他のタイプの2材料
(パート)エポキシもまた本発明の範囲内で所望の結果
を達成するために使用できる。等価な材料がHyso
l、Amicon、およびReichhold Che
micalのような会社から入手可能である。
ミニウムの平なべに入れられる。混合物は、溶液がクリ
アになるまで、かき混ぜながら約150℃に加熱され
た。該溶液は室温まで冷却され、パートBが平なべに添
加され、かつ混合物は一様になるまでかき混ぜられた。
混合物の一部が銅被覆されたポリイミドフィルム上にへ
らでコーティングされ、かつ低温はんだ(63%錫、3
7%鉛)の球体が前記混合物の表面に置かれた。ポリイ
ミドフィルムがはんだ球のリフローを保証するために1
85℃を越える温度まで加熱された。約30秒の後、ポ
リイミドフィルムは熱源から除去されかつ室温まで冷却
された。はんだ球は30倍の顕微鏡の下で調べられリフ
ローの程度および球体の銅へのおよびまたお互いへのウ
エット状態が判定された。
るよう合体し、一方残りは合体せず明白な球体として留
まっていた。このことははんだが完全なリフローを保証
するために十分にウエットされていないことを示した。
ポリイミドフィルムの銅表面は接着剤が銅に接触してい
る所でつやがありかつ輝いており、銅酸化物の除去を示
していた。接着材料は堅くかつ銅に強固に接合している
ことが判明した。接着剤の差動走査熱量測定の試験によ
り接着剤が硬化したことが示された。
方に従って準備された。 成分 重量% Furane 89303エポキシ、パートA 43.3 リンゴ酸 11.4 Furane 89303エポキシ、パートB 45.3 実例2が前記と同様にして製作されかつ試験された。結
果はおよそ70%のはんだ球が単一の塊に合体したこと
を示した。
方に従って準備された。 成分 重量% Furane 89303エポキシ、パートA 41 リンゴ酸 16 Furane 89303エポキシ、パートB 43 実例3が前記と同様にして製作されかつ試験された。結
果はすべてのはんだ球が単一の塊に合体し、はんだの完
全なかつ全部のウエッティングを示した。
方に従って準備された。 成分 重量% Shell Epon 825エポキシ樹脂 50 リンゴ酸 7 メチルヘキサハイドロフタリック無水物 42 イミダゾール 1
エポキシがアルミニウムの平なべに入れられた。混合物
は、溶液がクリアになるまで、かき混ぜながら約150
℃まで加熱された。該溶液は室温まで冷却され、メチル
ヘキサハイドロフタリック無水物(methylhex
ahydrophthalic anhydride)
およびイミダゾールが平なべに加えられ、かつ混合物は
一様になるまでかき混ぜられた。
れた。結果は75%のはんだ球が単一の塊に合体したこ
とを示し、はんだの不完全なウエッティングを示した。
これははんだが完全なリフローを保証するために十分に
ウエットされていないことを示した。ポリイミドフィル
ムの銅表面は接着剤が銅に接触している所ではつやがあ
りかつ輝いており、銅酸化物の除去を示していた。Sh
ell Epon 825エポキシ樹脂は175−18
0のエポキシ等価量、および25℃において5500−
6500センチポイズの粘性を有する高純度ビスフェノ
ールA−エピクロロヒドリンのエポキシ樹脂である。そ
れはアメリカ合衆国、テキサス州、ヒューストンのSh
ell Chemical Companyから入手可
能であり、かつイミダゾールはアメリカ合衆国、ニュー
ジャージ州、ニューワークの、Anhydride a
nd Chemicals,Inc.から入手可能であ
る。
方に従って準備された。 成分 重量% Furane 89303エポキシ、パートA 43.5 リンゴ酸 12.5 Furane 89303エポキシ、パートB 44 実例5が上記と同様にして製作されかつ試験された。結
果はすべてのはんだ球が単一の塊に合体したことを示
し、はんだの完全なかつ全部のウエッティングを示し
た。実例3に比較してより少ない量のフラックス剤の使
用が好ましいし実施例となることが決定された。
はんだバンプされた出力端子を受け入れるために金属化
された5つの試験用基板をコーティングするために使用
された。バンプされた集積回路が実施例に述べられたよ
うにリフローされ、かつ電気的に試験された。全ての5
つの回路は電気的試験に合格した。はんだ付けされたア
センブリは次に交互に熱い液体バスおよび冷たい液体バ
スに浸すことにより熱サイクルにさらされた。加熱され
たバスの温度は125℃でありかつ冷たいバスの温度は
−55℃であり、はんだ付けされたアセンブリは各々の
バスに1分間留められその後直ちに他のバスに移され
た。アセンブリは1,5,10,25,50,100,
125,175,および200の熱サイクルの後同じ電
気的試験体制に提出された。すべての5つのアセンブリ
は175の熱サイクルを経た電気的試験に合格し、1つ
のアセンブリが200サイクルで試験に不合格となっ
た。
路のはんだバンプされた出力端子を受け入れるために金
属化された3つの試験用基板をコーティングするために
使用された。バンプされた集積回路は実施例に述べたよ
うにリフローされ、かつ機械的試験に付された。力測定
用ツールのかなとこ(anvil)が集積回路の側部に
対して配置されかつ集積回路を基板から取り外すのに必
要な力が記録された。その力は3.8から4.7ニュー
トンにおよび、平均の力は3.9ニュートンであった。
クス特性を有する接着剤が表面実装コンポーネント、特
にフリップチップ集積回路、をはんだリフローしかつ封
入するために使用することができ、集積回路のアクティ
ブ面の完全な環境的保護を提供する。
の断面的正面図である。
スを示す断面的正面図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 電気的コンポーネントおよび基板のリフ
ローはんだ付けに使用するためのフラックス剤を有する
熱硬化可能な接着剤であって、前記電気的コンポーネン
トまたは前記基板から酸化物被覆を除去しかつはんだ付
け温度に加熱されたとき少なくとも部分的に硬化する接
着剤からなり、該接着剤は熱硬化樹脂、前記コンポーネ
ントまたは前記基板から前記酸化物被覆を除去するのに
充分な量のフラックス剤、および前記熱硬化可能な接着
剤が加熱されたとき前記熱硬化樹胆と反応しかつ前記熱
硬化樹脂を硬化させる硬化剤を備えたことを特徴とする
熱硬化可能な接着剤。 - 【請求項2】 前記熱硬化樹脂はエポキシまたはポリエ
ステルであることを特徴とする請求項1に記載の接着
剤。 - 【請求項3】 前記フラックス剤は次の式 を有する化合物を含み、この場合Rは電子吸引グループ
であることを特徴とする請求項1に記載の接着剤。 - 【請求項4】 前記Rはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、
硫黄、水酸基、ニトリル、およびベンジルからなるグル
ープから選択されることを特徴とする請求項3に記載の
接着剤。 - 【請求項5】 前記フラックス剤はリンゴ酸であること
を特徴とする請求項1に記載の接着剤。 - 【請求項6】 前記接着剤におけるフラックス剤の割合
は前記接着剤の約0.1から約16重量%の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の接着剤。 - 【請求項7】 電気的コンポーネント組立体であって、 複数の電気的終端部を有し、各々の終端部ははんだバン
プを含む電気的コンポーネント、 前記電気的コンポーネントの終端部に対応する複数の電
気的終端部を有するコ ンポーネント装着基板、 はんだ付け温度に加熱されたとき前記コンポーネントの
複数の電気的終端部および前記基板の複数の電気的終端
部から酸化物被覆を除去する熱硬化可能な接着剤であっ
て、 エポキシ樹脂、 前記熱的に硬化可能な接着剤が加熱されたとき前記エポ
キシ樹脂と反応しかつ前記エポキシ樹脂を硬化させる硬
化剤、そして 前記コンポーネントの終端部または前記基板の終端部か
ら前記酸化物被覆を除去するのに充分な量のフラックス
剤、 を具備する前記熱的に硬化可能な接着剤、 を具備し、前記接着剤は前記電気的コンポーネントと前
記基板との間に配置されかつこれらを接合し、前記はん
だバンプはリフローされかつ前記電気的コンポーネント
を前記基板に電気的に接続することを特徴とする電気的
コンポーネント組立体。 - 【請求項8】 前記フラックス剤は次の式 を有する化合物を含み、この場合Rは電子吸引グループ
であることを特徴とする請求項7に記載の電気的コンポ
ーネント組立体。 - 【請求項9】 前記Rはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、
硫黄、水酸基、ニトリル、およびベンジルからなるグル
ープから選択されることを特徴とする請求項8に記載の
電気的コンポーネント組立体。 - 【請求項10】 前記化合物はリンゴ酸であることを特
徴とする請求項8に記載の電気的コンポーネント組立
体。 - 【請求項11】 前記接着剤におけるフラックス剤の割
合は前記接着剤の約0.1から約16重量%の範囲であ
ることを特徴とする請求項7に記載の電気的 コンポーネ
ント組立体。 - 【請求項12】 前記コンポーネントは集積回路である
ことを特徴とする請求項7に記載の電気的コンポーネン
ト組立体。
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