(57)【要約】  【課題】  Ｂステージ処理可能な又は予め成形されたアンダーフィル封止材組成物を提供すること。この組成物は電子部品を基板に施すことに使用される。  【解決手段】  本発明の組成物は、熱可塑性又は熱硬化性樹脂、膨張性ミクロスフィア、溶剤、場合によって触媒を含む樹脂系を含む。様々な他の添加剤、例えば接着性促進剤、流動添加剤及びレオロジー改質剤なども所望により添加できる。アンダーフィル封止材はＢステージ処理可能であり、滑らかで非粘着性である基板又は部品上のコーティングを与える。別の態様において、アンダーフィル封止材は予め成形されたフィルムである。両態様において膨張性充填材材料がより高い温度を施すことによって膨張し、アセンブリの所望の部分に独立気泡構造を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフロー温度でリフロー可能なソルダーで１以上の基板に取り付けられる１以上の電子部品を封入することに使用される膨張性の熱可塑性又は熱硬化性アンダーフィル封止材であって、
（ａ）熱可塑性ポリマー樹脂又は熱硬化性樹脂及び少なくとも１つの触媒及び場合によって少なくとも１つのフェノキシ含有化合物を含む高分子量固体樹脂系成分；
（ｂ）１以上の膨張性充填材；及び
（ｃ）場合によって、界面活性剤、カップリング剤、反応性希釈剤、脱泡剤、流動添加剤、接着促進剤、溶剤、及びそれらの混合物からなる群の１以上；
から本質的になり、
ソルダーのリフロー温度以上の温度で膨張する、
アンダーフィル封止材。
【請求項２】
１以上の膨張性充填材がミクロスフィア、膨張性バルーン、及びそれらの混合物を含む群から選ばれる、請求項１の封止材。
【請求項３】
１以上の膨張性充填材が封止材の約０．１重量％〜約１０重量％の範囲を構成する、請求項２の封止材。
【請求項４】
１以上の膨張性充填材が約１５０℃を超える温度に曝露される際に膨張する、請求項２の封止材。
【請求項５】
封止材が電子部品又は基板の上に予め施すことができるフィルムの形状である、請求項１の封止材。
【請求項６】
フィルムがスクリーン印刷、スピンコーティング、ステンシル印刷又はニードルを通したディスペンスを介して電子部品上に施されることができる、請求項５の封止材。
【請求項７】
高分子量樹脂系が、フェノキシ樹脂、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ビニルシクロヘキセンジオキシド、３，４−エポキシ−６−メチルシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ジシクロペンタジエンジオキシド、ビスフェノールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂、エポキシノボラック樹脂、ポリ（フェニルグリシジルエーテル）−コ−ホルムアルデヒド、ビフェニルタイプエポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン−フェノールエポキシ樹脂、ナフタレンエポキシ樹脂、エポキシ官能性ブタジエンアクリロニトリルコポリマー、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサン、及びそれらの混合物からなる群から選ばれる、請求項１の封止材。
【請求項８】
フェノキシ含有化合物が鎖延長エポキシ樹脂である、請求項１の封止材。
【請求項９】
樹脂系が封止材の約８０重量％〜約９９．９重量％の範囲を構成する、請求項１の封止材。
【請求項１０】
界面活性剤が、有機アクリルポリマー、シリコーン、エポキシシリコーン、ポリオキシエチレン／ポリオキシプロピレンブロックコポリマー、エチレンジアミンに基づくポリオキシエチレン／ポリオキシプロピレンブロックコポリマー、ポリオール系ポリオキシアルキレン、脂肪アルコール系ポリオキシアルキレン、脂肪アルコールポリオキシアルキレンアルキルエーテル、及びそれらの混合物からなる群から選ばれる、請求項１の封止材。
【請求項１１】
場合によって採用される溶剤が、組成物中のエポキシ及び／又はフェノキシ樹脂を溶解する安定な溶剤を含む群から選ばれる、請求項１の封止材。
【請求項１２】
場合によって採用される溶剤が、エステル類、アルコール類、エーテル類及びプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）及びそれらの混合物を含む群から選ばれる、請求項１１の封止材。
【請求項１３】
場合によって採用される溶剤が、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）及びそれらの混合物を含む、請求項１２の封止材。
【請求項１４】
場合によって採用される溶剤が封止材の約７０重量％以下を構成する、請求項１の封止材。
【請求項１５】
請求項１の膨張性アンダーフィル組成物を有する電子部品。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本願は２００３年５月２３日に提出された共に係属する米国特許出願第１０／４４４，６０３号の一部継続出願である。
【０００２】
発明の分野
本発明は1以上の膨張性充填材を含むアンダーフィル封止材及びそれを電子デバイスに施すための方法に関する。
【０００３】
発明の背景
本発明は1以上の膨張性充填材を含むアンダーフィル封止材コンパウンドに関する。封止材（encapsulant）はミクロ電子デバイスにおいて電子部品と基板との間の相互接続を保護し、強化するために使用される。ミクロ電子デバイスは電子回路部品の多数のタイプ、主に、集積回路（ＩＣ）チップ内に一緒に組み立てられるトランジスタ類、また、レジスタ類、キャパシタ類、他の部品を含む。これら電子部品は相互接続され、回路を形成し、ついにはキャリア又は基板、例えば印刷配線板（printed wire board）に接続され、その上で支持される。集積回路部品は単一のベアチップ（bare chip）、単一の封入されたチップ、又は多数のチップの封入されたパッケージを含んでもよい。単一のベアチップはリードフレームに取り付けられることができ、そのリードフレームは順に封入され、印刷配線板に取り付けられるか、又はそれは印刷配線板に直接取り付けられることができる。これらチップは本来多数のチップを含む半導体ウエハとして形成される。この半導体ウエハは所望により個々のチップ又はチップパッケージに切断（dice）される。
【０００４】
部品がリードフレームに接続されたベアチップであろうと、印刷配線板又は他の基板に接続されたパッケージであろうと、接続は電子部品上の電気端子と基板上の対応する電気端子との間に作られる。このような接続を作製する一つの方法では、その部品又は基板の端子にバンプで施されるポリマー又は金属材料が使用される。それら端子は整列化され、共に接触し、得られるアセンブリが加熱されて、金属又はポリマー材料がリフローされ、その接続が固化される。
【０００５】
その通常の耐用年数の間、電子アセンブリは温度の上昇及び下降のサイクルに曝される。電子部品、相互接続材料、及び基板の熱膨張係数の相違に起因してこの熱サイクルはそのアセンブリの部品に応力を与えることがあり、それを不良品にする。不良品を防ぐために、部品と基板との間の隙間をポリマー封止材、以下、アンダーフィル又はアンダーフィル封止材と呼ぶ、で充填し、相互接続材料を強化し、熱サイクルの応力のいくらかを吸収する。アンダーフィル技術用の二つの重要な用途は、チップパッケージが基板に取り付けられるチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）として当業界で知られる強化パッケージと、チップが相互接続の列（array）によって基板に取り付けられるフリップチップパッケージである。アンダーフィルの別の機能は衝撃又は振動などの機械的ショックに対して部品を強化することである。これは特に、使用中に偶発的に落としたり、応力を与えることが予想される携帯電話などの移動可能な電子デバイスにおける耐久性に関して重要である。
【０００６】
慣用の毛細管流動アンダーフィル用途において、アンダーフィルを分配し、硬化することを金属又はポリマー相互接続のリフロー後に行う。この方法では、フラックスが基板の金属パッド上に最初に施される。次に、チップは基板のフラックスされた領域上に、ソルダー化サイト（soldering site）の頂部に置かれる。このアセンブリはその後加熱されてソルダー接合部がリフロー可能になる。この時点で、アンダーフィル封止材の測定量が電子アセンブリの１以上の周辺側部に沿って分配され、部品−基板間の隙間内部の毛細管作用がその材料を内部に引き込む。その隙間が充填された後、追加のアンダーフィル封止材を完成したアセンブリの周辺に沿って分配し、応力の集中を低減し、組み立てられた構造の疲労に対する寿命を延ばすこともできる。アンダーフィル封止材はその後硬化され、その最適化された最終物性に達する。毛細管アンダーフィルの欠点は、それを施すためにいくつかの余分な工程が必要であり、従って、大量生産用には不経済であることである。
【０００７】
最近、ノンフローアンダーフィルを使用してアセンブリサイト上にそのサイト上に部品を置く前に直接ノンフローアンダーフィルをコーティングすることによってプロセスをストリームライン化し、効率を高める試みがなされている。部品を置いた後、それはアセンブリ全体をリフローオーブンを通過させることによって基板上の金属接続にソルダー処理する。プロセスの間アンダーフィルはソルダー及び金属パッドをフラックスして、相互接続、基板及びアンダーフィルの間に相互接続接合部を形成する。ノンフローアンダーフィルプロセスの一つの制限は、基板及び部品は予備乾燥されてアンダーフィル内に過剰にボイド（このボイドは最終的には別の接続への短絡を生成しうるソルダー押出（extruction）をもたらす。）が形成されることを防ぐ必要がある。したがって、基板は組み立ての前に乾燥され、乾燥倉庫に貯蔵される。このプロセスは大量生産のためには普及していない。
【０００８】
プレアプライドアンダーフィル封止材として有用であるために、アンダーフィルはいくつかの重要な性質を有する必要がある。第一に、材料は、アセンブリ全体がコンシステントなコーティングを有するように、均一に施すことが容易でなければならない。アンダーフィル封止材はＢステージ処理可能である（B-stageable:アンダーフィルがＣＳＰ部品上に置かれた後固化されて最小限の残留溶剤を有する円滑で非粘着性のコーティングを与えることを意味する。）か、又はフィルム状に成形できなければならない。さらに、生産の際に、慣用のアンダーフィル材料を均一に施すことはしばしば非常に困難である。
【０００９】
Ｂステージプロセスは通常アンダーフィル封止材が早期に硬化することがない約１５０℃未満の温度で行われる。アンダーフィル封止材の最終硬化はソルダーフラクシング（ソルダーが相互接続材料である状況において）及び相互接続の後に遅れて行われなければならない。最終硬化は錫／鉛共晶（eutectic）ソルダーの場合１８３℃の温度で行う。アンダーフィルの最終硬化はソルダーバンプフロー及び相互接続の後速やかに行われる。個々のチップを基板に最終的に取り付ける際に、アンダーフィル封止材はフィレット（fillet）を形成可能にし、チップ又はチップパッシベーション層、基板、又はソルダーマスク、及びソルダー接合部との間に良好な接着力が付与されるために流動しなければならない。
【００１０】
発明の概要
本発明はＢステージ処理可能な又は予め成形されたアンダーフィル封止材組成物に関する。この組成物は電子部品、最も一般的にはチップスケールのパッケージ（ＣＳＰ）、を基板に施すことに使用される。この組成物は、フェノキシ樹脂、膨張性充填材材料、例えば膨張性ポリマー球、溶剤、場合によってエポキシ樹脂、例えば高分子量エポキシ樹脂、場合によってイミダゾール−無水物触媒、又は同等の潜在性触媒、及び場合によってフラクシング剤及び／又は湿潤剤を含む熱可塑性樹脂系を含む。様々な他の添加剤、例えば接着性促進剤、流動添加剤（flow additive）及びレオロジー改質剤なども所望により添加できる。アンダーフィル封止材はBステージ処理可能であり、滑らかで非粘着性である基板又は部品上のコーティングを与える。別の態様において、アンダーフィル封止材は予め成形されたフィルムである。両態様において膨張性充填材材料がより高い温度を施すことによって膨張し、アセンブリの所望の部分に独立気泡（closed cell foam）構造を形成する。そのアンダーフィルはＣＳＰの一部、例えばソルダーバンプ間又はソルダーバンプの列の間のグリッドパターンにおける別個の点としての外辺部（perimeter）に選択的に施されてもよい。
【００１１】
発明の詳細な記述
本発明のアンダーフィル封止材組成物で使用する樹脂はサーモプラスチックス又は硬化性化合物であってもよい。後者はそれらが重合可能であることを意味する。本明細書において使用されるように、硬化することは架橋を伴う重合を意味する。当業界で理解されているように架橋は二つのポリマー鎖を元素、分子基、又は化合物の橋によって結合させることであり、一般に加熱によって起こる。
【００１２】
膨張性充填材を含む熱可塑性又は熱硬化性樹脂系は、配合され、Ｂステージ処理可能な液状材料として又はラミネートフィルムとして、電子部品、例えば表面実装部品、及びエリアアレイデバイス、例えばＣＳＰ又はＢＧＡ、上に予め施されることができる。本発明の樹脂系はまた、ウエハ、パネル又は部品レベルで利用することができる。これら状況において、膨張性充填材は封止材を部品に最初に施した後は未膨張のままである。封止材を含む部品はその後印刷回路板上にソルダーペースト及び／又はフラックスを使用して置かれ、リフローオーブンを通過して、部品は回路に電気的に接続される。リフロープロセスの際に未膨張のポリマー球は膨張して所望の領域、しばしばソルダー接合部の間の領域を独立気泡構造で充填する。
【００１３】
本発明の樹脂系は、フィルムを形成することが可能であるような十分に高い分子量を有する高分子量固体成分を含む。高分子量固体は低分子量エポキシ樹脂の転化を介して得られ、この低分子量エポキシ樹脂は潜在性硬化剤を使用することにより熱でＢステージ処理されて高分子量エポキシ樹脂になる。高分子量成分はまた、ＵＶ光でＢステージ処理できる別個の材料、例えば反応性アクリルなどの中にエポキシ樹脂を組み込むことによっても得られる。さらに、高分子量成分は熱可塑性ポリマーの溶液を調製し、続く乾燥工程で溶剤を除去することによってＢステージ処理することによって得られる。十分に高い分子量は、約３０００を超える範囲のものであり、約１００００を超える範囲の分子量がより好ましく、約４００００を超える範囲の分子量が最も好ましい。
【００１４】
本発明のアンダーフィル封止材組成物の成分は、１以上のフェノキシ樹脂のブレンド、高温で膨張できる熱可塑性又は熱硬化性ポリマー、熱硬化性ポリマーの場合、触媒（例えばイミダゾール−無水物付加物など）及び場合によって１以上の溶剤を含む。場合によって、フラクシング剤、脱泡剤（air-release agent）、流動添加剤、接着促進剤、レオロジー改質剤、界面活性剤、無機充填材及び他の成分も含まれる。これら成分は特定の樹脂の使用のために物性の所望のバランスを得るために特別に選ばれる。溶剤は樹脂を溶解するために選ばれ、従って、溶剤はその組成物をスピンコーティング、スクリーン印刷又はステンシル印刷を介して液体としてＣＳＰパネル上に施すために適切な粘度を有するペースト状態にする。アンダーフィル系はまた、固体プレフォームラミネートフィルムとして施されることができる。
【００１５】
好適な態様において、組成物は熱可塑性ポリマー、溶剤を含み、Ｂステージ処理可能（即ち、組成物は滑らかで非粘着性のコーティングを基板に取り付けられる電子部品上に生成する初期の固体化処理を行うことができるものである。）である。このＢステージ固体化処理は好ましくは約６０℃〜約１５０℃の範囲内の温度で起こる。この温度で膨張性充填材は膨張しない。Ｂステージプロセス後、滑らかで非粘着性の固体コーティングはＣＳＰパネル上に得られてＣＳＰパネルの個々のＣＳＰへのきれいな切断（dicing）を保証する。最終固体化処理はソルダーリフロー温度プロファイルに曝露する際に起こる。膨張性充填材は典型的な固体リフロー条件内で膨張する。錫／鉛共晶ソルダーの場合、相互接続の形成はソルダーの融点、即ち１８３℃、より高い温度で起こる。別の好適な態様において、組成物は予め成形されたラミネートフィルムである。このフィルムは、膨張性スフィア（sphere）をコンパウンドされたフェノキシ樹脂、熱可塑性ポリエステル類、ポリアミド類、ポリウレタン類、ポリオレフィン類などであるが、加工処理されてもよい。
【００１６】
本アンダーフィル組成物における使用に好適なフェノキシ樹脂としては、例えば高分子量固体が挙げられる。InchemからPKHC、PKHH、HC及びHHの商品名で入手できる樹脂又は液状エポキシ樹脂とこれらのブレンド物が例として挙げられる。
【００１７】
アンダーフィルに利用される膨張性充填材は所望の領域を充填する独立気泡を生成するのに十分でなければならない。しばしば、所望の領域はソルダー接合部又はアセンブリの外辺部の周りのラインを囲む表面領域全体である。好ましい膨張性充填材材料は膨張性熱可塑性ミクロバルーンであり、例えばAkzo Nobel (Sweden) から 098 DUX 120、091 DU、092 DU、及び095 DUとして市販されているものなどが挙げられる。これらミクロスフィアはイソオクタンを充填され、より低い温度で安定である。ミクロバルーンは１６０℃未満の温度（この温度でアンダーフィルのＢステージ処理を行う。）で膨張しない。ミクロスフィアは１６０℃以上の温度で膨張し、約２２０℃（代表的には共晶固体化プロセスにおける硬化のための最も高いピーク温度である。）で最大膨張率に達する。膨張の際、ミクロスフィアはアンダーフィルマトリックス内に独立気泡構造を生成する。独立気泡構造を生成することが予想できる他の材料としては、例えば化学的ブローイング剤(blowing  agent)などが挙げられる。
【００１８】
溶剤が組成物の粘度を変更するために利用される。好ましくは溶剤は約１５０℃未満の温度で又はフィルムの形成の際に起こるＢステージプロセスの際に蒸発する。エポキシ樹脂及びフェノール樹脂を容易に溶解する一般の溶剤が使用できる。利用してもよい溶剤としては、例えば、エステル類、アルコール類、エーテル類、安定であり組成物中のエポキシ樹脂及びフェノール樹脂を溶解する他の一般的な溶剤などが挙げられる。好適な溶剤としては、例えば、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート(ＰＧＭＥＡ)などが挙げられる。膨張性ミクロスフィアのいずれかの部分を溶解する溶剤は避けるべきである。
【００１９】
本発明のアンダーフィル封止材の好適な態様は少なくとも１つのフェノキシ樹脂、少なくとも１つの膨張性充填材、溶媒、及び所望により他の成分を含む。このアンダーフィルの樹脂成分はＢステージ処理可能な組成物の約１０〜約６０重量％の範囲を構成し、より好ましくは約２０〜約４０重量％を構成する。このアンダーフィルの膨張性充填材成分はＢステージ処理可能な組成物の約０．０２〜約１０重量％の範囲を構成し、より好ましくは約０．１〜約５重量％である。最後に、界面活性剤、脱泡剤、流動添加剤、レオロジー改質剤、化学ブローイング剤、接着促進剤等の場合によって採用する成分はＢステージ処理可能な組成物の約０．０１重量％〜約５重量％の範囲内で組成物に添加されることができる。
【００２０】
Ｂステージ可能な液体としての膨張性充填材を含む組成物を利用するために、組成物はチップのパネルアレイ、又は個々のチップの上に、スクリーン印刷、スピンコーティング、ステンシル印刷又はニードルを通じたディスペンスを介して、ソルダーバンプの列の間に、直接に施される。コーティングを有するチップは最初Ｂステージ温度に加熱され、その組成物はＢステージ固化される。この加熱によって、滑らかで非粘着性のコーティングが生成され、ミクロスフィアの膨張が起こらないことが好ましい。コーティングの厚さは好ましくはソルダーバンプの直径の約１５〜３０％である。Ｂステージ加熱に続いてソルダーバンプは実装機（placement machine）における部品の認識を容易にするためにプラズマエッチング又は溶媒で拭かれてもよい。Ｂステージ処理された組成物を有するチップは金属パッド接続上に配置されたソルダーバンプを有する基板上に置かれる。ソルダーペースト又は標準的なフラックスを使用することが、部品の正確なアラインメントを維持しフラクシング及びソルダー接合部の形成を容易にするために求められる。（錫／鉛ソルダーが利用される場合）アセンブリ全体が約１８３℃の温度に加熱される。この二番目の加熱によって基板とチップとの間に相互接続が形成され、ミクロスフィアが膨張し、部品と基板との間の隙間が充填される。
【００２１】
本発明のアンダーフィル封止材をラミネートフィルムとして利用するためにそのフィルムはキャリアフィルム上に予めキャストされ、その後膨張性充填材の膨張開始温度以下の温度で乾燥される。次に、そのフィルムはフィルムの軟化温度で部品の全域上に真空ラミネートされる。最後にソルダーがプラズマエッチングを介して又は溶媒で拭かれて清浄化され、その部品は実装準備が整った状態になる。別の方法として、フィルムはレーザーアブレーション、ダイ切断（die-cutting）などの異なる方法を介してグリッド、メッシュ、薄いストリップ、スクウェアボックスパターンなどの形に予めパターン化され、部品上に置かれ又はラミネートされることができる。このようにしてソルダーバンプとアンダーフィルとの間の接触は回避することができ、よってプラズマエッチングの必要性がなくなる。実装後、部品はリフローに供され、膨張性充填材の独立気泡構造への膨張が起こる。Ｂステージ可能でありラミネートされたフィルムを施す両者の方法では、部品が置かれる前にソルダーペーストをステンシル印刷する必要がある。
【００２２】
図１はリフロー後の膨張性充填材の膨張を示す。電子部品１は最初にアンダーフィル２のＢステージ処理された層又はフィルム層及びソルダーバンプ３と共に提供される。リフロー後、電子部品のアセンブリ及び基板４は独立気泡構造５を含む膨張したアンダーフィル２Ａを有する。図１においてアンダーフィルは部品及び基板の間のソルダーバンプ内及び周囲の領域の実質的に全てを充填する。図２は別のアンダーフィルの用途を示し、図２においてアンダーフィル2が部品1の外辺部に施されている。リフロー後、膨張性アンダーフィル２Ａが部品の外辺部の周りに独立気泡構造を有して示されている。
【００２３】
本発明は以下の実施例を参照することにより良く理解することができる。
【００２４】
実施例１．熱可塑性アンダーフィル組成物は以下のようにして製造した（各成分の量は重量％で表示する。）。
【００２５】
溶剤及び樹脂の混合物をプロペラ攪拌機を備えた混合容器に添加する。その後、膨張性充填材を添加し、均質になるまで５〜１０分間混合する。その後界面活性剤を添加し、気泡を真空で除去する。混合物を＞２８in Hgの圧力の真空チャンバー内で５分間脱気する。得られた熱可塑性アンダーフィルの配合を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
１  フェノキシ樹脂、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートブレンド（Inchemから入手）
２  脱泡添加剤（air-release additive：BYK Chemieから入手）
配合物ＡはＢステージ処理後に強化ＢＧＡアセンブリのドロップ抵抗性を含む様々な物性を試験された。それら試験結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
2007194633.tif 000004
【００２９】
＊  ３０℃／６０％相対湿度に７日間曝露。
【００３０】
＊＊  ２メートルの高さ（６０mil FR-4ボード、pBGA-169部品 I/O 169、ソルダーdia＝24mil）
表２に示されるように、部品の性能はアンダーフィルを有しない部品の性能を劇的に上回って向上する。
【００３１】
当業者に明らかであるように、本発明の多くの変更及び変形がその精神及び範囲を逸脱することなく行い得る。本明細書に記載される特定の態様は例示の手段としてのみ与えられ、本発明は添付の特許請求の範囲の記載並びにそのような特許請求の範囲が与える均等物の全範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】リフロー前後の発泡性アンダーフィルを有するアセンブリの図である。
【図２】リフロー前後のアセンブリの外辺部の周囲に発泡性アンダーフィルを有するアセンブリの図である。
【図１】
2007194633.tif 000005
【図２】
2007194633.tif 000006