專利名稱：作為底部填充密封劑用于含有低k電介質(zhì)的半導(dǎo)體裝置的可固化樹脂組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于倒裝式芯片(“FC”)的底部填充密封劑材料的熱固性樹脂組合物，其中半導(dǎo)體芯片通過焊料電性互連直接安裝在電路上。相似地，所述組合物可用于安裝在電路板半導(dǎo)體裝置上，例如芯片尺寸或芯片大小封裝(“CSPs”)、球柵陣列封裝(“BGAs”)、平面柵格陣列封裝(“LGAs”)等，其各自在載體襯底上具有半導(dǎo)體芯片，例如大規(guī)模集成電路(“LSI”)。
背景技術(shù)：
、低介電常數(shù)(“低k”)的介電材料(或?qū)娱g介電層“ILD’ s”)在未來的先進集成電路制造發(fā)展中繼續(xù)起著重要的作用，其使得在低于0. 18微米的制造工藝中使用銅互連件。低_k的ILDs用于集成電路制造中以使銅互連件與它們的周圍絕緣，確保互連件之間更少的串擾。串擾是集成電路制造中常見的問題，由于它造成電路故障。隨著集成電路的尺寸繼續(xù)縮小，串擾變得更加顯著。用于集成電路制造的常規(guī)層間材料的介電常數(shù)通常在>3. 0的范圍。但是，隨著在單一芯片上的輸入/輸出密度的繼續(xù)提高，對串擾的關(guān)注也增加。由此，介電常數(shù)低于約2. 5的低-K的ILD’s是集成電路設(shè)計的一個重要方面以使越來越緊湊的集成電路的效率最大化。一種該類材料被稱為Black Diamond,并由AppliedMaterials 市售。在工業(yè)界，已報道了表示使用低-K的ILD’s的0. 09微米，甚至0. 065微米的芯片
制造工藝趨勢的宣告。但目前為止，就這方面的進展已受阻礙，由于芯片生產(chǎn)商受困于達到可接受的封裝水平可靠性。當工業(yè)界繼續(xù)尋求用于電路板的先進材料(從陶瓷至復(fù)合材料)時，盡管具有更大的計算能力、更微小的間距、更大的焊球位置密度和更小的焊球本身直徑，但半導(dǎo)體芯片固有地更易碎(由于它們的越來越薄的厚度)，且在目前設(shè)計的半導(dǎo)體封裝中觀察到比以前增高的回流溫度(由于含鉛焊料向無鉛焊料的轉(zhuǎn)變)、更大的應(yīng)力(由于翹曲)和電擊(shock)。常規(guī)的市售底部填充密封劑材料，例如低熱膨脹系數(shù)(“CTE” )、高模量的基于環(huán)氧樹脂的底部填充密封劑材料似乎不能提供必要的對封裝應(yīng)力的保護以防止易碎的低-K的ILD’s的損壞。性質(zhì)易碎的低-K的ILD’s通常比常規(guī)的ILD材料例如氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃等更脆弱且更易碎，并由此在熱偏差中因誘導(dǎo)應(yīng)力而導(dǎo)致破裂和裂縫。因此希望提供適于先進應(yīng)用的電子封裝材料，如用于FC底部填充材料的熱固性樹脂組合物，其與低K的ILD’s的使用相容，并減少導(dǎo)致ILD破裂失效的內(nèi)部封裝應(yīng)力。此夕卜，希望提供使用該類熱固性樹脂組合物組裝的電子封裝物，提供制造提供增強的物理性質(zhì)的該類電子封裝物的方法，并提供制備熱固性樹脂組合物的方法，其在降低的模量和CTE方面具有物理性質(zhì)特征，該特征使得該類組合物特別對于半導(dǎo)體封裝中的高應(yīng)力FC底部填充密封劑應(yīng)用而引人矚目。

發(fā)明內(nèi)容
廣義來說，本發(fā)明提供了在電子封裝物上的降低的內(nèi)部封裝應(yīng)力，例如，如下所述。通過將低模量和低CTE結(jié)合而達到半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)力降低。這些物理性質(zhì)迄今在FC底部填充密封劑材料中是沒有的。本發(fā)明提供能夠顯著降低使用低-K的ILD’s組裝的半導(dǎo)體封裝中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的熱固性樹脂組合物，其在室溫下顯示出6000-1OOOOMPa的模量，例如約7000MPa和9000MPa,以及7-20ppm的CTE a 1，例如約IOppm和20ppm。能夠固化并耐受無鉛焊料回流特征(例如經(jīng)過2-5分鐘的時間段，溫度達到240-260° C)的FC底部填充密封劑材料的該物理性質(zhì)組合顯示出克服在目前的半導(dǎo)體封裝工業(yè)中明顯阻礙之一的希望。、這些性能特點在半導(dǎo)體裝置封裝技術(shù)中特別重要，例如其中使用具有銅電性互連件和至少一層的低K的ILD的半導(dǎo)體芯片；大尺寸的半導(dǎo)體芯片,通常一側(cè)大于2. 5cm ；相對于目前約350微米的標稱厚度的半導(dǎo)體芯片，使用相對薄的半導(dǎo)體芯片，例如低于100微米；和相對于目前75微米的標稱膠層厚度(bond line thickness,“BLT”)的底部填充層，使用相對薄的，例如低于20微米的底部填充層。當使用具有銅互連件和至少一層低-K的ILD的半導(dǎo)體芯片時，該性能特點改善組裝的半導(dǎo)體裝置的可靠性(即防止ILD中的破裂)。更具體地，在倒裝式芯片封裝中，該性能特點改善當?shù)撞刻畛涿芊鈩┙佑|半導(dǎo)體芯片時的可靠性，所述半導(dǎo)體芯片由銅互連件和至少一層低-K的ILD構(gòu)成。以此方式，在半導(dǎo)體裝置上的應(yīng)力很大程度上被底部填充密封劑吸收，由此保護低-K的ILD。此外，無論低-K的ILD是否用于半導(dǎo)體封裝中，本發(fā)明還向具有非常薄的半導(dǎo)體芯片(例如低于100微米)，并且在半導(dǎo)體芯片和電路板之間的底部填充膠層(underfillbond lines)低于20微米的半導(dǎo)體封裝物給予引人注目的益處和優(yōu)點。因此，本發(fā)明在一方面提供熱固性樹脂組合物，其各組分包括環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性環(huán)氧樹脂和硬化劑(其可以是氰酸酯或芳族胺)和任選存在的催化劑。在另一方面，本發(fā)明提供改善包括至少一層低-K的ILD的底部填充的半導(dǎo)體裝置的可靠性的方法。該方法的步驟包括提供半導(dǎo)體裝置，其包括半導(dǎo)體芯片，其中包括銅電性互連件和至少一層低-K的ILD ;和載體襯底，在其表面上具有電性接觸墊，其與所述半導(dǎo)體芯片電性互連；在半導(dǎo)體芯片和載體襯底的電性互連表面之間提供可熱固化的底部填充組合物以形成半導(dǎo)體裝置組裝件；和將半導(dǎo)體裝置組裝件暴露于足以固化所述可熱固化的底部填充組合物的升溫條件下。上述的可熱固化的底部填充組合物包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂和硬化劑(其可以是氰酸酯或芳族胺)和任選存在的催化劑。在一個實施方案中，在將半導(dǎo)體芯片和載體襯底結(jié)合之后，通過分散和填充其間的空間提供所述可熱固化的底部填充組合物，以形成所述半導(dǎo)體裝置。在另一個實施方案中，通過分散在半導(dǎo)體芯片或載體襯底中的一個或兩個的電性互連表面的至少部分上來提供可熱固化的底部填充組合物，并且然后將所述半導(dǎo)體芯片和載體襯底結(jié)合而形成半導(dǎo)體裝置。在該方面，還將半導(dǎo)體裝置設(shè)置為倒裝式芯片組裝件，并且其包括半導(dǎo)體芯片，其中包括銅電性互連件和至少一層低K的ILD ；電路板，在其表面上具有電性接觸墊，其與所述半導(dǎo)體芯片電性互連；和在所述半導(dǎo)體芯片和所述電路板之間的底部填充組合物。在此，所述底部填充組、合物也包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂和硬化劑(其可以是氰酸酯或芳族胺)和任選存在的催化劑。還提供半導(dǎo)體裝置組裝件作為芯片尺寸封裝物，并且其包括半導(dǎo)體裝置，包括具有銅電性互連件和至少一層低-K的ILD的半導(dǎo)體芯片，其與載體襯底電性連接；電路板，在其表面上具有電性接觸墊，其與所述半導(dǎo)體裝置電性互連；和在所述半導(dǎo)體裝置和所述電路板之間的底部填充組合物。在此，所述底部填充組合物也包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂和硬化劑(其可以是氰酸酯或芳族胺)和任選存在的催化劑。還提供組裝集成電路組裝件的方法，其步驟包括提供集成電路芯片；將所述集成電路芯片與載體襯底連接而形成結(jié)合組裝件；和將所形成的結(jié)合組裝件暴露于足以保持電性連接并使可熱固化的底部填充組合物固化的升溫條件下，由此在將所述集成電路芯片附著于載體襯底中建立電性互連。在這些實施方案和方面中，導(dǎo)電性材料可以是焊料，例如是以下的焊料合金之一Sn (63) : Pb (37)、Pb (95) : Sn (5)、Sn: Ag (3. 5) : Cu (0. 5)和 Sn: Ag (3. 3) : Cu (0. 7)，或銅柱和焊料互連件的組合。當相對于目前約350微米的標稱厚度的半導(dǎo)體芯片，使用相對薄的、例如低于100微米的半導(dǎo)體芯片時，該性能特征改善了組裝的半導(dǎo)體裝置的可靠性(即，防止低-K的ILD或半導(dǎo)體芯片本身的破裂)。更具體地，在倒裝式封裝物中，由于底部填充密封劑用于緩解裸片(die)的應(yīng)力，該性能特征改善了可靠性，無論在封裝物中是否使用低-K的ILD層。此外，在線連接的裸片封裝物中，由于裸片粘接用于緩解裸片應(yīng)力，該性質(zhì)特征改善了可靠性，無論在封裝物中是否使用低-K的ILD層且無論是否使用堆疊的裸片組裝件。相對于目前50微米的標稱BLT，當使用相對薄的，例如低于20微米的芯片粘接層時，該性能特征改善了組裝的半導(dǎo)體裝置的可靠性(即，降低整體封裝物應(yīng)力且防止芯片粘接層的破裂)。


圖I顯示了常規(guī)的0. 130 U m的低-K裸片結(jié)構(gòu)的各單獨組件和物理尺寸。圖2顯示了在本發(fā)明范圍(樣品號16-20)和對照組合物系列(樣品號1-15)中的可熱固化組合物在室溫下的模量VS. CTE的曲線。圖3顯示了合成路線，通過其可制備本文討論的硅烷改性的環(huán)氧樹脂。發(fā)明詳述如上所述，本發(fā)明的熱固性樹脂組合物除了其他組分之外包含環(huán)氧樹脂組分。以下給出所述環(huán)氧樹脂組分的實例。例如所述環(huán)氧樹脂組分可包括兩種或更多種不同的雙酚型環(huán)氧樹脂的組合。這些雙酚型環(huán)氧樹脂可選自雙酚A、雙酚F或雙酚S環(huán)氧樹脂或它們的組合。此外，可使用在相同類型樹脂(例如A、F或S)中的兩種或更多種不同的雙酚環(huán)氧樹脂。用于本文使用的理想的雙酚環(huán)氧樹脂的市售實例包括雙酚F型環(huán)氧樹脂(例如得自 Nippon Kayaku, Japan 的 RE-404-S,得自 Dai Nippon Ink&Chemicals, Inc.的 EPICLON830(RE1801)、830S(RE1815)、830A(RE1826)和 830W,和得自 Resolution 的 RSL 1738 和YL-983U)，和雙酚A型環(huán)氧樹脂(例如得自Resolution的YL-979和980)。
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來自Dai Nippon和如上所述的市售雙酚環(huán)氧樹脂以液態(tài)未稀釋的環(huán)氧氯丙烷-雙酚F環(huán)氧樹脂(其具有比常規(guī)的基于雙酚A環(huán)氧樹脂更低的粘度，并具有與液態(tài)雙酚A環(huán)氧樹脂相似的物理性質(zhì))銷售。雙酚F環(huán)氧樹脂具有比雙酚A環(huán)氧樹脂更低的粘度，在兩種環(huán)氧樹脂之間的所有其他性質(zhì)都相同，這提供更低粘度及因此快速流動的底部填充密封劑材料。這四種雙酚F環(huán)氧樹脂的EEW為165-180。在25° C下的粘度為3000-4500cps (除了 RE1801，其粘度上限為4000cps)?？伤獾穆然锖繉τ赗E1815和830W據(jù)報道為200ppm，對于 RE1826 據(jù)報道為 lOOpprn。來自Resolution和以上所述的市售雙酚環(huán)氧樹脂以低氯化物含量的液體環(huán)氧樹脂銷售。雙酚A環(huán)氧樹脂的EEW(g/eq)為180-195且25° C下的粘度為100-250cps。YL-979的總氯化物含量據(jù)報道為500-700ppm，而YL-980的總氯化物含量據(jù)報道為100-300ppm。雙酚F環(huán)氧樹脂的EEW (g/eq)為165-180且25° C下的粘度為30_60cps。RSL-1738的總氯化物含量據(jù)報道為500-700ppm，YL-983U的總氯化物含量據(jù)報道為150_350ppm。除了雙酚環(huán)氧樹脂之外，本發(fā)明的環(huán)氧樹脂組分中還包含其他環(huán)氧化合物。例如使用脂環(huán)族環(huán)氧樹脂如3，4_環(huán)氧基環(huán)己基甲基-3，4-環(huán)氧基環(huán)己基碳酸酯。還使用單官能、二官能或多官能反應(yīng)性稀釋劑來調(diào)節(jié)粘度和/或降低Tg，例如丁基縮水甘油醚、甲苯基縮水甘油醚、聚乙二醇縮水甘油醚或聚丙二醇縮水甘油醚。在適用于本文的環(huán)氧樹脂中，還包括酚類化合物的聚縮水甘油基衍生物，例如以商用名 EPON 得自 Resolution，如 EPON 828、EPON 1001，、EP0N1009 和 EPON 1031;以商用名 DER 33UDER 332,DER 334 和 DER 542 得自 Dow Chemical Co.;和得自 Nippon Kayaku的BREN-S市售可得的那些。其它合適的環(huán)氧樹脂包括從多元醇等制備的聚環(huán)氧化物和酚醛清漆樹脂的聚縮水甘油基衍生物，后者例如得自Dow Chemical的DEN 431、DEN438和DEN439。甲酌■類似物也可以商用名 ARALDITE 得自 Ciba Specialty Chemicals Corporation,例如 ARALDITE ECN 1235、ARALDITE ECN 1273 和 ARALDITE ECN 1299 市售可得的。SU-8是購自Resolution的雙酚A型環(huán)氧酚醛清漆樹脂。胺類、氨基醇類和多元羧酸類的聚縮水甘油加成物也可用于本發(fā)明，其市售可得的樹脂包括得自F. I. C. Corporation的GLYAMINE135, GLYAMINE 125 和 GLYAMINE 115 ；得自 Ciba Specialty Chemicals 的 ARALDITEMY-720、ARALDITE 0500 和 ARALDITE 0510 和得自 the Sherwin-Williams Co.的 PGA-X 和PGA-C。本文使用的合適的單官能環(huán)氧樹脂共反應(yīng)物稀釋劑包括粘度低于環(huán)氧樹脂組分，通常低于約250cps的那些。單官能環(huán)氧樹脂共反應(yīng)物稀釋劑應(yīng)具有環(huán)氧基，其具有約6-約28個碳原子的烷基，其實例包括C6_28烷基縮水甘油醚、c6_28脂肪酸縮水甘油酯和c6_28烷基酚縮水甘油醚。在包含該單官能環(huán)氧樹脂共反應(yīng)物稀釋劑的情況中，該共反應(yīng)物稀釋劑應(yīng)采用的量為至多約5重量％-約15重量％，例如約8重量％-約12重量％，其基于所述組合物的總重量。
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在所述組合物中環(huán)氧樹脂組分應(yīng)存在的量為約10重量％_約95重量％,優(yōu)選約20
重量％_約80重量％，如約60重量％。硅烷改性的環(huán)氧樹脂是組合物，所述組合物是包括以下的物質(zhì)作為組分(A)，由以下結(jié)構(gòu)表示的環(huán)氧樹脂組分
權(quán)利要求
1.熱固性樹脂組合物，其包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂、硬化劑、二氧化硅填料和任選存在的催化劑，其中所述硬化劑是氰酸酯或芳族胺。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物，其中當固化后，所述組合物顯示出6000-10000MPa的模量和 7-20ppm 的 CTE a I。
3.改善半導(dǎo)體裝置的可靠性的方法，所述半導(dǎo)體裝置包括至少一層低-K的ILD，所述方法的步驟包括 提供半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置包括 半導(dǎo)體芯片，其中包括銅電性互連件和至少一層低-K的ILD和在其表面上的金屬化；和 載體襯底，在其表面上具有電性接觸墊，通過導(dǎo)電性材料至所述銅電性互連件，其與所述半導(dǎo)體芯片電性互連； 在所述半導(dǎo)體芯片和所述載體襯底的電性互連表面之間提供可熱固化的底部填充組合物以形成半導(dǎo)體裝置組裝件；和 將所述半導(dǎo)體裝置組裝件暴露于足以將所述可熱固化的底部填充組合物固化的升溫條件下， 其中，所述可熱固化的底部填充組合物包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂、硬化劑和任選存在的催化劑，其中所述硬化劑是氰酸酯或芳族胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中在所述半導(dǎo)體芯片和載體襯底結(jié)合之后，將所述可熱固化的底部填充組合物通過分散和填充于其間的空間來提供，以形成所述半導(dǎo)體裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中通過分散在所述半導(dǎo)體芯片或所述載體襯底之一或二者的電性互連表面的至少部分上來提供所述可熱固化的底部填充組合物，并且然后將所述半導(dǎo)體芯片和所述載體襯底結(jié)合而形成所述半導(dǎo)體裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述載體襯底是電路板。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述導(dǎo)電性材料是焊料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述焊料選自Sn(63):Pb(37)、Pb(95) :Sn(5)、Sn:Ag(3. 5) :Cu (0. 5)和 Sn:Ag(3. 3) :Cu (0. 7)，或銅柱-焊料互連件。
9.半導(dǎo)體裝置，其包括 半導(dǎo)體芯片，其中包括銅電性互連件和低-K的ILD層和在其表面上的金屬化；和 電路板，在其表面上具有電性接觸墊，其與所述半導(dǎo)體芯片電性互連；和 在所述半導(dǎo)體芯片和所述電路板之間的可熱固化的底部填充組合物； 其中，所述可熱固化的底部填充組合物包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂、硬化劑和任選存在的催化劑，其中所述硬化劑是氰酸酯或芳族胺。
10.半導(dǎo)體裝置組裝件，其包括 半導(dǎo)體裝置，包括具有與至少一層低-K的ILD接觸的銅電性互連件、且其表面上金屬化的半導(dǎo)體芯片，其與載體襯底電性連接； 電路板，在其表面上具有電性接觸墊，其與所述半導(dǎo)體裝置電性互連；和 在所述半導(dǎo)體裝置和所述電路板之間的可熱固化的底部填充組合物， 其中，所述可熱固化的底部填充組合物包含環(huán)氧樹脂組分、硅烷改性的環(huán)氧樹脂、硬化 劑和任選存在的催化劑，其中所述硬化劑是氰酸酯或芳族胺。
11.權(quán)利要求I所述組合物，其中所述硅烷改性的環(huán)氧樹脂包含 作為組分(A)，是由以下結(jié)構(gòu)表示的環(huán)氧樹脂組分
12.根據(jù)權(quán)利要求10的組合物，其中組分(C)由重量比為I: 100-100 I的組分(A)和⑶得到。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的組合物，其中組分(C)由重量比為I: 10-10 I的組分(A)和⑶得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于倒裝式芯片(“FC”)的底部填充密封劑材料的熱固性樹脂組合物，其中半導(dǎo)體芯片通過焊料電性互連而直接安裝在電路上。相似地，所述組合物可用于安裝在電路板半導(dǎo)體裝置上，例如芯片大小或尺寸封裝(“CSPs”)、球柵陣列封裝(“BGAs”)、平面柵格陣列封裝(“LGAs”)等，其各自在載體襯底上具有半導(dǎo)體芯片，例如大規(guī)模集成電路(“LSI”)。
文檔編號C08G59/40GK102753620SQ201080063217
公開日2012年10月24日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者M·N·阮, 劉圃偉 申請人:漢高公司