專利名稱：可再制的熱塑性封裝材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路裝置的可再制熱塑性封裝材料，更具體涉及包括低分子量環(huán)狀低聚物經(jīng)開環(huán)聚合合成的高分子量聚合物的集成電路可再制封裝材料。
集成電路組件常被包封起來以保持結(jié)構(gòu)和功能的完整性。在許多的例子中，封裝材料是固化的聚合物?？晒袒酆系牡膶傩园ü袒暗募庸ば阅芎凸袒蟮耐怀鲂阅艿慕Y(jié)合?？晒袒瘶渲诠袒耙话愣加休^低的粘度，甚至是在無溶劑時。這些聚合組合物在固化后呈現(xiàn)了熱穩(wěn)定性、韌性、粘合性和抗溶劑性。
這些聚合組合物的屬性也可包括固化后的難加工處理性。難加工處理性常常是在熱固性樹脂中的低分子量前體轉(zhuǎn)變成分子量基本上是無限的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化反應(yīng)的結(jié)果。這些屬性使熱固性樹脂可理想地用于諸如單面和雙面電路的電路裝置的構(gòu)造以及包括芯片載體、多芯片模塊和多層板等其它類型的表面安裝技術(shù)。
已經(jīng)公開的有用的封裝半導(dǎo)體裝置的組合物范例包括Eichman等在US專利4,632,798中所述的組合物。Eichman等人公開的是一模塑組合物，包括可熔融加工的熱變性液晶和約4,000-約10,000的相對低的重均分子量的聚合物，在加熱時基本上不可能再有鏈的生長。分散在液晶和聚合物中的是接近40-80wt％的一種特別的無機(jī)材料(優(yōu)選二氧化硅)。Eichiman等敘述了包括在使用前需要冷凍以及模塑時要求較長的循環(huán)周期和固化時間這些先有技術(shù)封裝材料存在的問題。
Christie等人在US5,250,484中敘述了用于將半導(dǎo)體集成裝置連結(jié)于基體上的焊劑聯(lián)結(jié)，特別是形成有改進(jìn)的疲勞壽命和穩(wěn)定性的焊劑互聯(lián)的結(jié)構(gòu)。Christie等人的封裝材料組合物含有諸如環(huán)脂聚環(huán)氧化合物的粘合劑、無機(jī)填料以及選擇性使用的表面活性劑。
Papathomas等人在US5,471,096中公開了增加半導(dǎo)體裝置和支承基體間的焊劑互聯(lián)疲勞壽命的方法。Papathomas的組合物含約40-70wt％的二苯基M二氰酸酯并優(yōu)選30wt％的4,4’-亞乙叉基二苯酚二氰酸酯和一無機(jī)填料。組合物中也可包括催化劑以促使氰酸酯混合物進(jìn)行聚合。
Kohler等人在US5,064,895中也敘述了聚亞芳基硫化物(PAS)、優(yōu)選聚亞苯硫化物(PPS)的模塑化合物，它們有較低的鐵含量和延遲的結(jié)晶作用，并且也敘述了它們作為有源和無源電子組件包封化合物的用途。
Nakai在US5,160,786中公開了一種用于插入鉛框的由聚芳硫化物樹脂；與不飽和羧酸或其酐接枝共聚的α-烯烴共聚物；和纖維填料，非纖維無機(jī)填料或其混合物形成的樹脂材料。
但這些封裝材料一經(jīng)固化就形成不能再制和難于加工處理的物質(zhì)。因為考慮到電路裝置在使用環(huán)境中的壽命，封裝材料的難加工性更變成了一個不利因素。另外，在許多應(yīng)用中離散裝置的連接和其后的封裝是在電路裝置的環(huán)境中常要求使用高溫的連續(xù)過程，而高溫是碳化和毀壞固化的封裝材料的。許多制造廠商負(fù)起了處理或回收他們的產(chǎn)品的責(zé)任。根據(jù)政府制訂的條例，制造廠商甚至被要求負(fù)擔(dān)產(chǎn)品的處理或再生。
不論熱固性樹脂是用作結(jié)構(gòu)組成、粘合劑或是封裝材料，難于處理的組合物也是與為修理、處置或回收而進(jìn)行拆卸的概念不相容的。但如果組合物的設(shè)計是可以拆卸的，就可能保留熱固性樹脂的許多優(yōu)點而去掉了難于加工處理的缺點。
所以仍然需要在固化后能提供所要求的固化性能和物理穩(wěn)定性的封裝材料，這種材料同時又是可再制的以便在集成電路裝置的環(huán)境中能進(jìn)行修理和替換分離的裝置。
本發(fā)明的第一方面是提供有封裝的電路裝置，該裝置包括芯片、基體、跨芯片和基體形成芯片和基體間的電導(dǎo)連接的至少一個焊劑連結(jié)和在焊劑連結(jié)周圍的包括由環(huán)狀低聚物開環(huán)聚合形成的熱塑性聚合物的封裝材料。


圖1所示為倒裝芯片裝配過程示意圖。
本發(fā)明是包封離散半導(dǎo)體裝置的可再制的封裝組合物，它包括由環(huán)狀低聚體經(jīng)開環(huán)聚合形成的線型熱塑性聚合組合物。環(huán)狀低聚物前體是由AB單體反應(yīng)形成的，得到環(huán)狀(AB)n低聚物(其中n為4或大于4)。組合物也可選擇性地包括一填料。在半導(dǎo)體裝置上施以環(huán)狀低聚物前體，然后在裝置上就地聚合。封裝材料一經(jīng)形成可以容易地應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行再制。
封裝材料環(huán)狀低聚物前體適合于從以AB單體為特征的單體來合成，AB單體含A型活性基團(tuán)和B型活性基團(tuán)。這些單體進(jìn)行環(huán)化聚合產(chǎn)生可溶性低粘度的可加工環(huán)狀低聚物。
表1所示為可用于形成環(huán)狀低聚物的各種單體范例。
表1
這些單體一般含有活性端基，諸如碳酸酯、芳基化物、醚和硫化物。這些單體的通式可為ARB式中A和B各為一活性偶合基團(tuán)，R為脂族、環(huán)脂、環(huán)狀、芳基或雜環(huán)基。具體地說，A和B是獨立地選自下列的基團(tuán)F、Cl、Br、CN、-NH2、-CO2H、-CO2R1、-C(O)R2、-OH和-NHC(O)R3，其中R1、R2和R3是各自獨立的烷基(C1-6烷基)或芳基(例如苯基或苯甲基)。
所得到的聚合物是環(huán)狀低聚物，通式為(ARB)n，式中n≥4。在閱讀本說明書后本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)熟練者會知道，在聚合時活性基團(tuán)A與B可進(jìn)行反應(yīng)，因此不是嚴(yán)格地如上所限定。得到的環(huán)狀低聚物可包括選自芳酰胺、酰亞胺、碳酸酯、酯、芳醚以及它們的混合物的聚合物。
一般說來，本發(fā)明組合物中所用的環(huán)狀低聚物最好是低粘度(于溶液中或是熔體)的。環(huán)狀聚合物開環(huán)聚合以形成適合于在應(yīng)用處就地形成的熱穩(wěn)定的聚合物。這些聚合物的Tg一般低于約400℃，優(yōu)選約150-350℃。另外，低聚物有低的粘度和高的溶解度。形成環(huán)狀低聚物的優(yōu)選單體類別包括芳酰胺、酰亞胺、酯、碳酸酯、芳醚等類，并優(yōu)選芳醚苯基喹喔啉。
環(huán)狀低聚物的聚合可進(jìn)行到直到得到約5,000-35,000的重均分子量(Mw)。分解溫度最好大于約400℃，優(yōu)選大于約450℃。聚合一般在溶劑中發(fā)生，諸如二甲基甲酰胺、N-甲基吡啶酮或任何其它類似的偶極非質(zhì)子傳遞溶劑。聚合也可在欲封裝的芯片下方就地進(jìn)行。開環(huán)聚合一般也要求有引發(fā)劑。就聚(芳醚苯基喹喔啉)而言，采用的是諸如4,4’-雙苯氧化物的親核引發(fā)劑。引發(fā)劑的用量約為1摩爾％。
填料本發(fā)明的組合物可包括無機(jī)填料。封裝材料可以用無機(jī)粉末進(jìn)行填充以降低熱膨脹系數(shù)。選擇性的無機(jī)填料可以是本技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何粉狀固體，諸如礬土、硅石、氧化鋅、滑石等。在微電子應(yīng)用上優(yōu)選的填料是粒徑在25微米或更小的高純形式的硅石。填料的用量一般是不相同的，但最好是在整個封裝材料組合物的5-50wt％范圍。
應(yīng)用和回收在聚合后，本發(fā)明的聚合組合物可用來封裝任何種類和數(shù)量的半導(dǎo)體裝置、電路組合或包裝模塊。有代表性的裝置公開于Ehrenburg等人的US5,199,163和Harada等人的US3,801880中，二者均用于此供參考。
本發(fā)明可適用于典型的多芯片裝置，諸如塑料球柵陣列、腔型塑料球柵陣列和倒裝芯片、載帶球柵陣列以及絲接陶瓷球柵陣列和倒裝芯片陶瓷球柵陣列。本發(fā)明特別適合于倒裝芯片或C4裝置。用于這些裝置的基體材料一般包括玻璃和陶瓷、聚酰亞胺、礬土陶瓷、環(huán)氧化物以及它們的混合物。
如圖1所示，安裝倒裝芯片10連結(jié)。倒裝芯片的互相連結(jié)給消除較貴、不可靠和沒有效率的手工絲接提供了方法。這些連結(jié)一般被看做是可控-熔塌-芯片連結(jié)(或C4)，其中倒置的芯片12與基體14對齊，所有的聯(lián)結(jié)點16都是用反流焊劑同時在芯片和基體接觸點18之間形成的。在連結(jié)形成后，在基體14和芯片12之間一般留有間隙20。焊劑一般包括芯片12和基體14間的電導(dǎo)接觸，然后可將封裝材料流入間隙20。
封裝材料可以用熱熔融體或高固體的水溶液和有機(jī)溶液來沉積。適合的溶劑包括水以及諸如PM乙酸酯、γ-丁內(nèi)酯、環(huán)己酮、二甲基甲酰胺、甲乙酮、環(huán)戊酮、N-甲基吡咯烷酮和它們的混合物之類的有機(jī)溶劑。理想的本發(fā)明的封裝材料具有約50g/L-500g/L的溶解度。
封裝材料可以僅在芯片附近熔融并從熱的熔融體借毛細(xì)管作用吸入裝置。環(huán)狀低聚物熔融后最好有低的粘度。如果是溶液，環(huán)狀低聚物也可由毛細(xì)管作用吸入裝置，然后加熱揮發(fā)掉溶劑。
封裝材料的再制只要將熱量集中在指定的裝置上去將熱塑性聚合物加熱至其Tg以上并將焊劑熔融。然后從基體上取下芯片。一般的再制溫度在約250-400℃范圍。
下面的實施例將給本發(fā)明提供非限制性的說明。
線型聚合物的喹喔啉活化的聚芳醚的合成已證明是聚芳醚苯基喹喔啉制備的有效途徑。
由于AABB聚合物形成反應(yīng)包括雙(6-氟-3-喹喔啉)部分與酚鹽的縮合，喹喔啉活化的醚合成擴(kuò)展到A-B單體的自聚合。單體結(jié)構(gòu)必須含有一酚羥基和喹啉環(huán)系上的6-或7-位的氟取代以易于親核芳族置換。4-羥苯側(cè)基聚(苯基喹喔啉)的制備是熟知的，并且在制備聚醚中使用雙(羥苯基)苯基喹喔啉已經(jīng)實驗證明。6-氟-2-(4-羥苯基)-3-苯基喹喔啉(“HPQ”)的制備是用4-羥苯基(或其被保護(hù)的衍生物)與3,4-二氨基氟苯縮合，需要時再去保護(hù)來完成的。這樣便得到AB單體的HPQ，可以聚合得到高分子量聚合物。
這樣的AB單體的一有趣的特征是在適當(dāng)?shù)臈l件下形成環(huán)狀低聚物的可能性。正如線型同類物，維持正確化學(xué)計量的嚴(yán)格單體送料標(biāo)準(zhǔn)在HPQ形成環(huán)狀低聚物中是不要求的，因為1∶1的化學(xué)計量對于單體是固有的。碳酸酯、芳酰胺、酰亞胺、酯和芳醚單體的大環(huán)低聚物的制備和它們通過陰離子開環(huán)聚合(ROP)就地轉(zhuǎn)變成線型高聚物已經(jīng)得到證明。使用環(huán)狀低聚物作為熱塑性聚合物的前體的優(yōu)點包括熔融體的低粘度和不釋放揮發(fā)性副產(chǎn)物的可控熔融聚合。Hay和其共同工作者已發(fā)展了制取高產(chǎn)率大環(huán)化合物的步驟和親核的引發(fā)劑以生產(chǎn)高聚合物，如下列文獻(xiàn)中所公開Chan等人，A.S.Macromolecules(大分子)，1995,28,653；Chan等人，A.S.Polymer Prep.(聚合物制備)(Amer.Soc.Div.Polym.Chem.),1995,36(2),132；Wang等人,A.S.Polymer Prepr(聚合物制備)(Amer.Chem.Soc.Div.Polym.Chem.),1995,36(2),130；Wang等人，Dissertation(論文)，McGill Universtiy,Montreal,Canada,1995。這些文獻(xiàn)均在此提出供參考。
環(huán)狀聚芳醚苯基喹喔啉的制備是通過在含堿的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液中HPQ的自聚合制備的，使用的是如Brunnelle和共同的工作者所述的假高稀釋原理，也在Brunnelle的開環(huán)聚合機(jī)理，催化，結(jié)構(gòu)，應(yīng)用(Ring-Opening Polymerization:Mechanism,Catalysis,Structure,Utility；HanserL New York)中所公開，在此提供參考。一般說來，環(huán)狀低聚物是在環(huán)化比形成線型聚合物有利的稀釋條件下制備的。但是這種反應(yīng)條件在親核的芳族取代聚合中是不可行的，因為在這些條件下氟化鉀(一種縮合副產(chǎn)物)能充分溶解并能通過醚交換反應(yīng)破壞化學(xué)計量。作為制備環(huán)狀低聚物的比較實際的辦法是采用如Brunnelle等人所述的一種不同的假高稀釋條件。在此方法中反應(yīng)物是被緩慢地加入反應(yīng)瓶中的，以便盡可能減小活性端基的濃度。這些條件已顯示有高產(chǎn)率環(huán)狀化合物的產(chǎn)生。但在這樣的反應(yīng)中，環(huán)狀低聚物的形成應(yīng)快于添加速率以將線型聚合物的形成減至最低。為此，采用了芳基氟取代的單體，因為它比芳基氯取代的同類物有大得多的反應(yīng)活性。
從HPQ形成環(huán)狀低聚物是在碳酸鉀存在下在NMP/甲苯混合物溶劑中以1％的固體濃度進(jìn)行的。由于形成酚鹽而產(chǎn)生的水是以與甲苯的共沸混合物而除去的。應(yīng)當(dāng)指出的是，甲苯的含量應(yīng)仔細(xì)地保持在低水平，因為甲苯是非極性的并降低聚合速率。當(dāng)反應(yīng)維持在180℃時，觀察到反應(yīng)混合物是以所要求的速率回流的。HPQ濃溶液是在8小時的時間內(nèi)加入反應(yīng)混合物的。從迪安-斯達(dá)克(Dean-Stark)阱定期地除去了甲苯并替換以新鮮的干燥脫氧甲苯以保證脫水。為保證定量反應(yīng)，可讓反應(yīng)進(jìn)行另外24小時。將大環(huán)化合物溶液加入用水洗過(4次)的過量氯仿，然后干燥并濃縮。
聚芳醚苯基喹喔啉大環(huán)化合物的Tg為235℃，這一溫度比線型同類物約低1O℃。Hay和其共同工作者也同樣觀察到了聚芳醚酮大環(huán)化合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度有類似的降低。但應(yīng)注意，聚芳醚苯基喹喔啉大環(huán)化合物不顯示真實的熔點，這與其它的大環(huán)化合物直接形成對照。這是由于在HPQ的合成中形成喹喔啉環(huán)的低區(qū)域選擇性，其中有三個明顯不同的異構(gòu)體，類似于HPQ合成中形成的多異構(gòu)苯基喹喔啉部分。相信這些異構(gòu)體給予聚芳醚苯基喹喔啉大環(huán)化合物非晶形形態(tài)。正如它們以相同的方式在線型同類物中阻礙結(jié)晶。
易進(jìn)行的環(huán)狀聚(芳醚苯基喹喔啉)低聚物的開環(huán)聚合以形成高分子量線型聚合物是用親核引發(fā)劑來完成的，因為芳醚鍵被吸電子基團(tuán)激活(方法1)。Hay和其共同工作者發(fā)現(xiàn)在這種交換反應(yīng)中4,4-雙酚鉀鹽是熔融聚合最有效的引發(fā)劑(參見21,22)。因此芳醚苯基喹喔啉大環(huán)化合物的開環(huán)聚合是與1摩爾％的引發(fā)劑在300-350℃以熔融體進(jìn)行的。表1所示為制備的聚合物的特性，包括反應(yīng)時間、特性粘度和Tg。高反應(yīng)溫度得到的是高粘度，但加長反應(yīng)時間將產(chǎn)生大量凝膠。
高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度相應(yīng)有高分子量線型聚合物形成
方法1式中n常為4-8左右。
表1聚(芳醚苯基喹喔啉)的特征<
>以上結(jié)果證明，基于喹喔啉的聚(芳醚)大環(huán)化合物可以通過氟置換的聚合來合成，其中稠合吡嗪環(huán)是活性基團(tuán)。A-B單體是在假高稀釋條件下縮合的，其中線型聚合物在初始時產(chǎn)生，接著進(jìn)行環(huán)化得到要求的大環(huán)化合物。在喹喔啉環(huán)形成中產(chǎn)生的區(qū)域異構(gòu)體被留在大環(huán)化合物中并阻止結(jié)晶，使之有中等的開環(huán)聚合溫度(～300℃)。使用親核催化劑的開環(huán)聚合產(chǎn)生中等高分子量的線型聚芳醚苯基喹喔啉。
上述說明書、實施例和數(shù)據(jù)對本發(fā)明組合物的生產(chǎn)和使用進(jìn)行了完全的說明。由于可以有許多具體實施方案不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明應(yīng)歸屬于所附的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1．一種封裝的電路裝置，該裝置包括(a)芯片，(b)基體，(c)至少一個焊劑連結(jié)，其中所說的焊劑連結(jié)跨所說芯片和基體形成所說芯片和基體間的電導(dǎo)連接，(d)在所說焊劑連結(jié)周圍形成的封裝材料，其中所說的封裝材料包括由環(huán)狀低聚物開環(huán)聚合形成的熱塑性聚合物。
2．權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該基體包括選自玻璃、陶瓷、聚酰亞胺、熱固性樹脂以及它們的混合物的材料。
3．權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該裝置包括倒裝芯片。
4．權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該裝置選自塑料球柵陣列、腔型塑料球柵陣列、載帶球柵陣列、線接陶瓷球柵陣列和倒裝芯片陶瓷球柵陣列。
5．權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于環(huán)狀低聚物是環(huán)狀聚(芳醚苯基喹喔啉)。
6．權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的聚合物的分子量在約5,O00-35,000Mw范圍。
7．權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的熱塑性塑料包括選自碳酸酯、醚、芳酰胺、酰亞胺、芳醚以及它們的混合物的環(huán)狀低聚物。
8．一種包括芯片、基體和至少一個跨該芯片和基體的焊劑連結(jié)的電路裝置的封裝方法，所說的焊劑連結(jié)形成該芯片和該基體間的電導(dǎo)連接，該方法包括將封裝材料組合物在所說的焊劑連結(jié)周圍流入所說裝置的步驟，其中所說的封裝材料包括由環(huán)狀低聚物開環(huán)聚合形成的聚合物。
9．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于該封裝材料被引入裝置時的溫度在約200-400℃范圍。
10．權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所說的基體包括選自玻璃、陶瓷、聚酰亞胺、熱固性樹脂以及它們的混合物的材料。
11．權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所說的裝置包括倒裝芯片。
12．權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所說的裝置選自塑料球柵陣列、腔型塑料球柵陣列、載帶球柵陣列、線接陶瓷球柵陣列和倒裝芯片陶瓷球柵陣列。
13．權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所說的聚合物的分子量在5,000-35,000Mw范圍。
14．權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所說的熱塑性聚合物包括選自碳酸酯、酯、芳酰胺、酰亞胺和芳醚以及它們的混合物的環(huán)狀低聚物。
全文摘要
包括芯片、基體、跨芯片和基體形成芯片和基體間電導(dǎo)連接的至少一個焊劑連結(jié)以及在焊劑連結(jié)周圍形成的封裝材料的封裝電路裝置，其中的封裝材料包括由環(huán)狀低聚物經(jīng)開環(huán)聚合形成的熱塑性聚合物。
文檔編號H01L21/56GK1238559SQ9812621
公開日1999年12月15日 申請日期1998年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月30日
發(fā)明者K·R·卡特, C·J·哈克, J·L·赫德里克, R·D·米勒, M·A·加尼斯, S·L·布奇瓦特 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司