CN109971127A - 扇出形晶圆级封装用液态封装材料降低粘度的方法及获得的液态封装材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了扇出形晶圆级封装用液态封装材料降低粘度的方法及获得的液态封装材料，其中液态封装材料降低粘度的方法为：将大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末按60~90%、5~30%、0~15%的质量百分比混合，对SiO2进行表面有机化改质后添加到液态封装材料中。本发明通过向液态封装材料中加入三种不同粒径的SiO2粉末，于高填充量的同时,既可调整液态封装材料的热膨胀系数，又避免了液态封装材料粘度的增大。采用本发明所获得的液态封装材料封装进行扇出形晶圆级封装，既能确保封装工艺的顺利进行，又能达到薄型化晶圆封装，不会有液态封装材料无法布满晶圆而造成封装不良的问题，从而可确保制程良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体扇出形晶圆级封装技术领域，具体涉及一种扇出形晶圆级封装用液态封装材料降低粘度的方法及获得的液态封装材料。
背景技术
Fan Out WLP(Fan-Out Wafer Level Packaging；FOWLP)，中文全称为「扇出型晶圆级封装」，其采取拉线出来的方式，成本相对便宜；FOWLP可以让多种不同裸晶，透过晶圆布线制程将多种裸晶互相连结。FOWLP由于不须使用印刷电路板,因此可节省近30％封装成本。由于FOWLP从裸晶黏片一直到最后封装成品切割，所有制程环节都在晶圆上完成，但半导体晶圆通常为高脆度的材料，易因机械受力造成微小刮擦，所以通常需要采用模封材料一次性将裸晶包埋封装保护于晶圆上。因为FOWLP可以达到较传统封装更薄的厚度，可满足智能型手机轻薄的严苛要求。因此，出于对超薄封装的需求，常使用液态封装材料密封保护晶圆。液态封装材料一般为环氧树脂基的封装材料，环氧树脂的热膨胀系数偏高，与晶圆的热膨胀系数不匹配，造成较大的界面应力而造成芯片的损坏。针对该问题，常规的解决方法是：加入SiO2粉末来调整液态封装材料的热膨胀系数。但是SiO2粉末的加入又带来了新的问题，即增加了液态封装材料的粘度，粘度增大导致流动性变差，不利于下一代18寸晶圆级及面板级大尺寸薄型化封装工艺的顺利进行。
发明内容
为了解决SiO2粉末的加入导致液态封装材料粘度增加的问题，本发明提供了一种扇出形晶圆级封装用液态封装材料降低粘度的方法及获得的液态封装材料。
本发明发现，将不同粒径的SiO2粉末按比例加入液态封装材料中，可显着降低液态封装材料的粘度。因此，提出了如下技术方案：
一种扇出形晶圆级封装用液态封装材料降低粘度的方法，将大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末按60～90％、5～30％、0～15％的质量百分比混合，对SiO2进行表面有机化改质后添加到液态封装材料中；
所述大粒径的SiO2粉末指平均粒径为5～25μm的SiO2粉末；
所述中粒径的SiO2粉末指平均粒径为0.2～2μm的SiO2粉末；
所述小粒径的SiO2粉末指平均粒径为1～100nm的SiO2粉末。
进一步的，表面有机化改质SiO2和液态封装材料中环氧树脂的质量比为10:90～90:10，优选为45:55～85:15。
进一步的，采用胺基硅氧烷耦合剂或环氧硅氧烷耦合剂对SiO2表面进行有机化改质，使SiO2表面的Si-OH化学基与耦合剂上与Si-O兼容的官能基团进行接枝反应，从而实现SiO2表面的有机化。
一种液态封装材料，由表面有机化改质SiO2、环氧树脂和硬化剂混合获得；
所述表面有机化改质SiO2通过将大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末混合后再进行表面有机化改质获得，其中，大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末的质量百分比为60～90％、5～30％、0～15％；
所述大粒径的SiO2粉末指平均粒径为5～25μm的SiO2粉末；
所述中粒径的SiO2粉末指平均粒径为0.2～2μm的SiO2粉末；
所述小粒径的SiO2粉末指平均粒径为1～100nm的SiO2粉末。
进一步的，表面有机化改质SiO2和环氧树脂的质量比为10:90～90:10，优选为45:55～85:15。
进一步的，采用胺基硅氧烷耦合剂或环氧硅氧烷耦合剂对SiO2表面进行有机化改质。
本发明具有如下特点和有益效果：
本发明通过向液态封装材料中加入三种不同粒径的SiO2粉末，于高填充量的同时,既可调整液态封装材料的热膨胀系数，又避免了液态封装材料粘度的增大。采用本发明所获得的液态封装材料封装进行扇出形晶圆级封装，既能确保封装工艺的顺利进行，又能达到薄型化晶圆封装，不会有液态封装材料无法布满晶圆而造成封装不良的问题，从而可确保制程良率。
附图说明
图1为理想的最紧密堆积模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过将不同粒径的SiO2粉末按比例加入液态封装材料中，可显着降低液态封装材料的粘度。根据Horsfield堆栈模型可知，球形材料的最紧密堆栈需要两种及以上不同粒径的球形粒子，以一定配比堆积而成。图1所示为理想的最紧密堆栈模型示意图，图中A区主要为高含量的大粒径球形粒子，B区为小粒径球形粒子的混合区域。理论上，球形粒子最密堆栈时大小平均粒径比应为10:1。但是除了粒径比，堆栈添加比例也是影响球形粒子最紧密堆积的重要因素，这就是本发明需要解决的关键问题。
下面将对本发明液体封装材料的制备过程做详细描述，包括：
(1)对SiO2进行改质：
本发明采用胺基硅氧烷耦合剂或环氧硅氧烷耦合剂对SiO2表面进行有机化改质。有机化改质机理为：使SiO2表面的Si-OH化学基与耦合剂上与Si-O兼容的官能基团进行接枝反应，形成化学键结，从而实现SiO2表面的有机化。
本发明所使用的胺基硅氧烷耦合剂的单体单元可以为：N-2(胺基乙基)3-胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-2(胺基乙基)-3-胺基丙基三甲氧基硅烷、N-2(胺基乙基)-3-胺基丙基三乙氧基硅烷、3-胺基丙基三甲氧基硅烷、3-胺基丙基三乙氧基硅烷、3-三乙氧硅基-N-(1,3-二甲基-亚丁基)丙胺、N-苯基-3-胺基丙基三甲氧基硅烷、N-(乙烯苯甲基)-2-胺基乙基-3-胺基丙基三甲氧基硅烷塩酸塩、3-脲基丙基三乙氧基硅烷、3-氯丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷、四硫化双(三乙氧硅基丙基)、3-异氰酸丙酯三乙氧基硅烷、咪唑硅烷等。
本发明所使用的环氧硅氧烷耦合剂具有结构：Si(R1)n(R2)4-n，其中R1代表一连接于一硅原子之阳离子可聚合官能基团，例如一含环醚基团(cyclic ether group)或乙烯氧基团(vinyloxy group)之官能基；R2代表连接于一硅原子之氢、一羟基、一烷基、或一烷氧基；n为1至4之整数。该环氧硅氧烷耦合剂可以但不限于下列：2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl trimethoxy silane)、3-环氧丙基氧基丙基三甲氧基硅烷(3-glycidoxypropyl trimethoxy silane)、环氧丙基氧基丙基甲基二乙氧基硅烷(glycidoxypropyl methyldiethoxy silane)、环氧丙基氧基丙基三乙氧基硅烷(glycidoxypropyl triethoxy silane)、乙烯基三甲氧基硅烷(vinyltrimethoxy silane)或乙烯基三乙氧基硅烷(vinyltriethoxy silane)。
采用上述胺基硅氧烷耦合剂或环氧硅氧烷耦合剂时，可单独使用一种，或2种及以上的混合使用。
SiO2改质的一种具体实施方式为：
选择3-环氧丙基氧基丙基三甲氧基硅烷对SiO2进行有机化改质。按照60～90％、5～30％、0～15％的质量百分比取平均粒径分别为5～25μm、0.2～2μm、1～100nm的SiO2粉末，平均粒径为5～25μm、0.2～2μm、1～100nm的SiO2粉末的质量百分比优选为70～80％、10～15％、1～5％。将10g的SiO2混合粉末和0.3g的3-环氧丙基氧基丙基三甲氧基硅烷加入60℃的四氢呋喃中，反应4小时，即可获得经3-环氧丙基氧基丙基三甲氧基硅烷有机化改质的SiO2。
(2)液体封装材料的制备
将改质的SiO2、环氧树脂和硬化剂混合，所得浆料即本发明的低粘度液态封装材料。改质的SiO2和环氧树脂的质量比为10:90～90:10，优选为45:55～85:15。硬化剂的种类和用量因环氧树脂的种类不同而不同，因此，环氧树脂和硬化剂的用量比根据环氧树脂和硬化剂的具体种类进行适当选择。如何选择合适的硬化剂和用量比属于本领域的常规技术，在此不做赘述。
本发明中所使用的环氧树脂采用封装用环氧树脂均可，不做特别限制，例如双酚A型环氧树脂、溴化环氧树脂、酚醛清漆型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、缩水甘油基胺型环氧树脂、乙内酰脲型环氧树脂、脂环式环氧树脂、三羟基苯基甲烷型环氧树脂、双-二甲酚型或双酚型环氧树脂或该些之混合物、双酚S型环氧树脂、双酚A酚醛清漆型环氧树脂、四苯基酚醇(PHENYLOL)乙烷型环氧树脂、杂环式环氧树脂、二缩水甘油基苯甲酸脂树脂、四缩水甘油基二甲酚基乙烷树脂、含有萘基之环氧树脂、含氮之环氧树脂、具有二环戊二烯骨架之环氧树脂、缩水甘油基甲基丙烯酸酯共聚合系环氧树脂、环己基马来酰亚胺与缩水甘油基甲基丙烯酸酯之共聚合环氧树脂，CTBN改质环氧树脂等，该些环氧树脂可单独或将2种以上组合使用。
本发明中所使用的环氧树脂硬化剂，可根据具体的环氧树脂来进行选择，例如，胺系硬化剂、胍胺系硬化剂、咪唑系硬化剂、酚系硬化剂、萘酚系硬化剂、酸酐系硬化剂、或其环氧加成物等，这些硬化剂可单独或将2种以上组合使用。
制备液体封装材料的一种具体实施方式为：选择CTBN改质环氧树脂、酚醛硬化剂、咪唑系硬化剂，取43.45g改质SiO2、4.15g的CTBN改质环氧树脂、3.95g的酚醛硬化剂、0.04g咪唑系硬化剂混合即可。
实施例
参照表1所示配方分别配制4组液体封装材料，配方一只添加大粒径SiO2粉末，配方二～三中，大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末的质量比范围为80～85％、15％～20％、0～2％；分别测试4组液体封装材料的粘度、凝胶化时间、流动长度和热膨胀系数(α1/α2)等参数。
表1液体封装材料的配方
本实施例中采用BROOK FILED旋转粘度计测试粘度，具体步骤如下：
(1)选取SC4-14号转子，将转子浸入预测试的液体封装材料中。
(2)对液体封装材料保温30min以上再开始试验。进行试验应选用尽量大的转速，直到液体封装材料的粘度相对稳定，这个过程一般需要10min左右。
(3)待液体封装材料粘度稳定后，改变转子的转速，测定扭矩在10％～100％范围内的四个以上转速的粘度。由于转数对粘度有一定的影响，在选用转速时，先测试较大的转速然后慢慢减小转子的转速。
(4)每选用一个转速，须稳定3min以上，观察粘度值的变化趋势，如果数据继续减小须延长稳定时间。在粘度稳定后，取采集的最后1min内6个时间点的平均值作为测试的粘度值。
本实施例中采用热机械分析仪(TMA)测试热膨胀系数，具体为：
待液体封装材料固化，取大小约5×5mm2的液体封装材料试片，施力0.05N，同时以10℃/min的升温速率升温至250℃，观察试片的热膨胀系数。
本实施例中凝胶化时间的测试方法为：
取一50毫升试管，将试管加热至测试温度，然后将液体封装材料装入试管中至五分满，将玻璃棒插入试管中并使试管旋转，每10秒将玻璃棒抽离液面，直到观察液态封装材料不因重力向下垂流，纪录此时的时间作为凝胶化时间。
本实施例中按标准SJ/T11197-1999中环氧模塑料的第5.2条螺旋流动长度所规定的方法，测定液体封装材料的流动长度。
表2表1中液体封装材料的物理性能参数数据
所测试的参数数据见表2，从表1和表2中可以明显看出，只添加大粒径SiO2粉末的液体封装材料(即配方一)，其粘度为4,480,000cps；同时添加大粒径和中粒径SiO2粉末的液体封装材料(即配方二)，其粘度有降低，降至3510,000cps；同时添加大粒径、中粒径和小粒径SiO2粉末的液体封装材料(即配方三、四)，粘度显著降低，最低降至1,230,000cps，相对配方一，降低了72％；相对配方二，降低了51％。
上述实施例仅为多种实施例中的一种，对于本领域内的技术人员，在上述说明基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明实质精神而衍生出的其他变化或变动仍属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种扇出形晶圆级封装用液态封装材料降低粘度的方法，其特征是：
将大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末按60~90%、5~30%、0~15%的质量百分比混合，对SiO2进行表面有机化改质后添加到液态封装材料中；
所述大粒径的SiO2粉末指平均粒径为5~25μm的SiO2粉末；
所述中粒径的SiO2粉末指平均粒径为0.2~2μm的SiO2粉末；
所述小粒径的SiO2粉末指平均粒径为1~100nm的SiO2粉末。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：
表面有机化改质SiO2和液态封装材料中环氧树脂的质量比为10:90~90:10。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是：
表面有机化改质SiO2和液态封装材料中环氧树脂的质量比为45:55~85:15。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是：
采用胺基硅氧烷耦合剂或环氧硅氧烷耦合剂对SiO2表面进行有机化改质，使SiO2表面的Si-OH化学基与耦合剂上与Si-O兼容的官能基团进行接枝反应，从而实现SiO2表面的有机化。
5.一种液态封装材料，其特征是：
由表面有机化改质SiO2、环氧树脂和硬化剂混合获得；
所述表面有机化改质SiO2通过将大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末混合后再进行表面有机化改质获得，其中，大粒径、中粒径、小粒径的SiO2粉末的质量比为60~90%、5~30%、0~15%；
所述大粒径的SiO2粉末指平均粒径为5~25μm的SiO2粉末；
所述中粒径的SiO2粉末指平均粒径为0.2~2μm的SiO2粉末；
所述小粒径的SiO2粉末指平均粒径为1~100nm的SiO2粉末。
6.如权利要求5所述的液态封装材料，其特征是：
所述表面有机化改质SiO2和环氧树脂的质量比为10:90~90:10。
7.如权利要求6所述的液态封装材料，其特征是：
所述表面有机化改质SiO2和环氧树脂的质量比为45:55~85:15。
8.如权利要求5所述的液态封装材料，其特征是：
采用胺基硅氧烷耦合剂或环氧硅氧烷耦合剂对SiO2表面进行有机化改质。
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