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特表2022-507674電子部品のパッケージング用ポリアミック酸組成物およびこれを利用して電子部品をパッケージングする方法
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  • 特表-電子部品のパッケージング用ポリアミック酸組成物およびこれを利用して電子部品をパッケージングする方法 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-18
(54)【発明の名称】電子部品のパッケージング用ポリアミック酸組成物およびこれを利用して電子部品をパッケージングする方法
(51)【国際特許分類】
   C08G 73/10 20060101AFI20220111BHJP
【FI】
C08G73/10
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021527053
(86)(22)【出願日】2019-10-30
(85)【翻訳文提出日】2021-05-17
(86)【国際出願番号】 KR2019014502
(87)【国際公開番号】W WO2020105893
(87)【国際公開日】2020-05-28
(31)【優先権主張番号】10-2018-0142507
(32)【優先日】2018-11-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520160738
【氏名又は名称】ピーアイ・アドバンスド・マテリアルズ・カンパニー・リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ジュ・ヨン・キム
(72)【発明者】
【氏名】ギョン・ヒョン・ロ
(72)【発明者】
【氏名】イク・サン・イ
【テーマコード(参考)】
4J043
【Fターム(参考)】
4J043PA04
4J043QB26
4J043RA34
4J043SA06
4J043SB05
4J043TA22
4J043TA71
4J043TB04
4J043UA121
4J043UA122
4J043UA131
4J043UA132
4J043UA151
4J043UB011
4J043UB021
4J043UB121
4J043UB152
4J043UB402
4J043XA16
4J043YA06
4J043YA13
4J043ZA32
4J043ZA35
4J043ZB50
(57)【要約】
本発明は、電子部品のパッケージング用ポリアミック酸組成物、およびこれを利用して電子部品をパッケージングする方法に関する。前記ポリアミック酸組成物は、ジアンハイドライド系単量体としてベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を高い割合で含み、ジアミン系単量体としてベンゼン環を有するジアミン成分を含む。このポリアミック酸組成物から形成されたポリイミド薄膜は、改良された熱膨張係数、ガラス転移温度、伸び率等を有し得る。前記ポリイミド薄膜は、シリコン系ウェハー等の無機系素材のパッケージング素材として使用する場合に、無機系素材に対して優れた接着力を示し、Oプラズマの除去時に容易に除去できるのみならず、除去後には無機系素材の表面に有機残留物が極めてわずかしか残らないため、電子部品等のパッケージング素材として容易に使用され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体が重合して製造されたポリアミック酸を含み、
前記ジアンハイドライド系単量体は、
ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を60モル%以上含み、且つ、
前記ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分の含量が100モル%未満の場合には、1つのベンゼン環を有するジアンハイドライド副成分をさらに含む、ポリアミック酸組成物。
【請求項2】
ジアンハイドライド系単量体は、前記ジアンハイドライド主成分を100モル%の含量で含む、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項3】
ジアンハイドライド系単量体は、
前記ジアンハイドライド主成分60モル%以上100モル%未満と、
前記ジアンハイドライド副成分0モル%超過40モル%以下と、
を含む、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項4】
前記ジアンハイドライド主成分は、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(BTDA)である、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項5】
前記ジアンハイドライド副成分は、ピロメリティックジアンハイドライド(PMDA)である、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項6】
ジアミン系単量体は、1つのベンゼン環を有するジアミン成分を全体モル数に対して50モル%超過で含む、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項7】
前記1つのベンゼン環を有するジアミン成分は、1,4-ジアミノベンゼン(PPD)、1,3-ジアミノベンゼン(MPD)、2,4-ジアミノトルエン、2,6-ジアミノトルエンおよび3,5-ジアミノ安息香酸から選ばれる1種以上である、請求項6に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項8】
前記1つのベンゼン環を有するジアミン成分は、1,4-ジアミノベンゼン(PPD)である、請求項6に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項9】
下記テスト方法(a)により生成される有機残留物の濃度が1,000ppm以下である、請求項1に記載のポリアミック酸組成物:
[テスト方法(a)]
横1cm*縦1cmのシリコン系ウェハー上にポリアミック酸組成物を塗布し、熱処理して、厚さ10μm~15μmのポリイミド薄膜を形成し、形成されたポリイミド薄膜を75Watt、150mTのOプラズマで1分間処理した後、シリコン系ウェハー上に存在するポリイミド薄膜に由来する有機残留物の濃度を測定する。
【請求項10】
アセティックアンハイドライド(AA)、プロピオン酸アンハイドライド、乳酸アンハイドライド、キノリン、イソキノリン、β-ピコリン(BP)およびピリジンから選ばれる少なくとも1種を含む添加剤をさらに含む、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項11】
前記添加剤は、ポリアミック酸のうちアミック酸基1モルに対して0.01モル~10モルで含まれる、請求項10に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項12】
ポリアミック酸の粘度は、23℃で2,000cP~5,000cPである、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項13】
前記ポリアミック酸組成物から製造されるポリイミド樹脂は、
熱膨張係数が9ppm/℃以下であり、
ガラス転移温度が420℃以上であり、
ASTM D3359による接着力の測定時に無機基板から脱着されたポリイミドの面積がポリイミド全体の16%未満である、請求項1に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項14】
前記ポリイミド樹脂は、引張強度が300MPa以上であり、伸び率が9%以上である、請求項13に記載のポリアミック酸組成物。
【請求項15】
無機系電子部品上に請求項1に記載のポリアミック酸組成物を塗布する段階と、
塗布されたポリアミック酸組成物を20℃~400℃で熱処理する段階と、
を含み、
前記ポリアミック酸組成物は、
熱処理の過程でポリアミック酸のアミック酸基が閉環、脱水されてポリイミド樹脂を生成し、
熱処理が完了すると、前記ポリイミド樹脂が無機系電子部品上で硬化して接着される、パッケージング方法。
【請求項16】
熱処理する段階は、
20℃~200℃で熱処理する第1熱処理段階と、
200℃~400℃で熱処理する第2熱処理段階と、
を含む、請求項15に記載のパッケージング方法。
【請求項17】
第2熱処理段階が完了して形成されたポリイミド樹脂を、常温に冷却する段階をさらに含む、請求項16に記載のパッケージング方法。
【請求項18】
ポリイミド樹脂を常温に冷却する段階後に、
ポリイミド樹脂をOプラズマで処理して、無機系電子部品からポリイミド樹脂を除去する段階をさらに含み、
除去する段階が終了した後に、前記無機系電子部品に残留するポリイミド樹脂由来の有機物質の濃度が1,000ppm以下である、請求項17に記載のパッケージング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互引用
本出願は、2018年11月19日付け韓国特許出願第10-2018-0142507号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
【0002】
技術分野
本発明は、電子部品のパッケージング用ポリアミック酸組成物およびこれを利用して電子部品をパッケージングする方法に関する。
【背景技術】
【0003】
メムス(MEMS,Micro Electro Mechanical System)、有機発光ダイオードのような電子デバイスは、半導体、ダイオード素子、基板等の電子部品を含む複合構造体であり、これの製造のために「犠牲層(Sacrificial Layer)」と称される臨時的な接着手段により電子部品がパッケージングされ得る。
【0004】
1つの例において、メムスは、シリコン系ウェハー基板上に製作したセンサー、ダイオード、アクチュエータ(Actuator)、マイクロ流体(Microfluidic)、RF-回路等の微細な電子部品が集合された構造からなり得、機械的な動作が可能に通常シリコン系ウェハー基板上で揺動可能に浮上した部分を有することができる。
【0005】
ここで、犠牲層は、前記浮上した部分を形成したり、IC回路との一体化が可能なバルク微細加工工程(bulk micromachining)のために、製造工程中に電子素子が形成されたシリコン系ウェハー基板上に接着されて電子素子をパッケージングし、その後、除去され得る。
【0006】
犠牲層の素材として金属物質、窒化物、酸化物およびフッ化物等を利用する工程が開発されたが、これらの物質は、犠牲層の形成のために物理/化学的蒸着方式が適用されなければならないので、パッケージングが難しくて、これらは、いずれも低温工程が難しいという問題がある。
【0007】
これより、単純塗布が可能でパッケージングが容易であり、低温工程およびシリコン整合工程の観点から有利なポリイミド系素材、詳細には、所望のパッケージング範囲内で所定の厚さで塗布が可能であり、硬化すると、ポリイミド樹脂の形態で無機系素材に接着され得るポリアミック酸溶液が、犠牲層の次世代素材として浮上している。
【0008】
ただし、ポリイミド系素材は、無機系素材に比べて熱膨張係数(CTE)が相対的に大きい方であるから、パッケージング過程や後続過程で、それに比べて相対的に小さい熱膨張係数を有するシリコン系ウェハーに熱応力を印加し得る。
【0009】
具体的に、ポリイミド系素材とシリコン系ウェハーの熱膨張係数の差は、パッケージング過程の昇温過程でシリコン系ウェハーに引張応力を誘発し、パッケージング後の冷却過程では圧縮応力を誘発して、シリコン系ウェハーの破損、破壊等の問題を引き起こし得る。
【0010】
また、犠牲層上には、複数のメンブレイン材料が形成され得、これも、ポリイミド系素材の大きい熱膨張係数に起因してメンブレイン材料に熱応力が誘発され得、結果的に、シリコン系ウェハーの場合のように、メンブレイン材料も、破損または破壊され得る。
【0011】
一方、ポリイミド樹脂のような有機物質からなる犠牲層の除去には、Oプラズマを利用したエッチング方法を通じて有機物質を酸化および分解させる方式が通常用いられているが、ポリイミド固有の優れた耐化学性によって、Oプラズマを利用したエッチングにもかかわらず、ポリイミド樹脂が容易に分解されず、犠牲層の除去後にポリイミド樹脂に由来する有機残留物が電子部品に残存し得る。このような有機残留物は、無機系電子部品の異物として作用して、それの品質を大きく低下させ得る。
【0012】
したがって、より安定的に無機系物質をパッケージングすることができ、犠牲層として除去されるとき、異物として作用する有機残留物の形成が最小化され得る、新規のポリイミド系素材が必要であることが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】韓国公開特許第2017-0069942号公報
【特許文献2】韓国公開特許第2017-0051835号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明の目的は、安定的に無機系物質をパッケージングすることができ、パッケージング素材、すなわち犠牲層に使用された後に除去時に無機系物質の表面に異物として作用する有機残留物の形成を最小化できるポリイミド系素材、およびこれを利用したパッケージング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
これより、上記課題を解決するために、
本発明は、一実施例において、
ジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体が重合して製造されたポリアミック酸を含み、
前記ジアンハイドライド系単量体は、
ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を60モル%以上含み、且つ、
ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライドの含量が100モル%未満の場合、1つのベンゼン環を有するジアンハイドライド副成分をさらに含む、ポリアミック酸組成物を提供する。
【0016】
また、本発明は、一実施例において、
無機系電子部品上に前記ポリアミック酸組成物を塗布する段階と、
塗布されたポリアミック酸組成物を20℃~400℃で熱処理する段階と、
を含み、
前記ポリアミック酸組成物は、
熱処理の過程でポリアミック酸のアミック酸基が閉環、脱水されてポリイミドを生成し、
熱処理が完了すると、ポリイミド樹脂が無機系電子部品上で硬化して接着される、パッケージング方法を提供する。
【0017】
本発明によるポリアミック酸組成物は、ジアンハイドライド系単量体としてベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を高い割合で含み、ジアミン系単量体としてベンゼン環を有するジアミン成分を含み、これから形成されたポリイミド薄膜の熱膨張係数、ガラス転移温度、伸び率等を向上させることができる。
【0018】
また、前記ポリイミド薄膜をシリコン系ウェハー等の無機系素材のパッケージング素材に使用する場合、無機系素材に対して優れた接着力を示し、Oプラズマの除去時に容易に除去できるのみならず、除去後に無機系素材の表面に有機残留物の残存率が顕著に低いため、電子部品等のパッケージング素材に容易に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1】実施例1のポリイミド樹脂の接着力をテストした後、樹脂の表面を撮影した写真である。
図2】比較例2のポリイミド樹脂の接着力をテストした後、樹脂の表面を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳細に説明することとする。
【0021】
しかし、実施例は、本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明は、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。
【0022】
本発明において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、1つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性をあらかじめ排除しないものと理解されなければならない。
【0023】
本明細書で「ジアンハイドライド(二無水物;dianhydride)」は、その前駆体または誘導体を含むことが意図され、これらは、技術的には、ジアンハイドライドではないかもしれないが、それにもかかわらず、ジアミンと反応してポリアミック酸を形成するものであり、このポリアミック酸は、さらにポリイミドに変換され得る。
【0024】
本明細書で「ジアミン(diamine)」は、その前駆体または誘導体を含むことが意図され、これらは、技術的にはジアミンではないかもしれないが、それにもかかわらず、ジアンハイドライドと反応してポリアミック酸を形成するものであり、このポリアミック酸は、さらにポリイミドに変換され得る。
【0025】
本明細書で量、濃度、または他の値またはパラメーターが、範囲、好ましい範囲または好ましい上限値および好ましい下限値の列挙として与えられる場合、範囲が別途開示されるかに関係なく、任意の一対の任意の上側範囲の限界値または好ましい値および任意の下側範囲の限界値または好ましい値で形成され得るすべての範囲が具体的に開示されているものと理解されなければならない。数値の範囲が本明細書で言及される場合、別途記述されない場合、例えば超過、未満等の限定用語がない場合、その範囲は、その終点値およびその範囲内のすべての整数と分数を含むことが意図される。本発明の範疇は、範囲を定義するときに言及される特定値に限定されないことが意図される。
【0026】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【0027】
ポリアミック酸組成物
本発明は、一実施例において、
ジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体が重合して製造されたポリアミック酸を含み、
前記ジアンハイドライド系単量体は、
ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を60モル%以上含み、且つ、
ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライドの含量が100モル%未満の場合、1つのベンゼン環を有するジアンハイドライド副成分をさらに含む、
ポリアミック酸組成物を提供する。
【0028】
本発明によるポリアミック酸組成物は、ジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体が重合して製造されたポリアミック酸を含み、この際、前記ジアンハイドライド系単量体は、ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を相当割合で含むことができる。
【0029】
本発明のポリアミック酸組成物は、ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を含んでいて、ポリアミック酸の高分子鎖内にベンゾフェノン構造を含むことができ、前記ベンゾフェノン構造は、ポリアミック酸高分子鎖が変換されたポリイミド高分子鎖内にも含まれ得る。ポリイミド高分子鎖に存在するベンゾフェノン構造は、一対のベンゼンを連結するカルボニル基(C=O)を含み、前記カルボニル基(C=O)は、Oプラズマにより非常に容易に酸化されて分解され得る。このようなベンゾフェノン構造を有するポリイミドは、Oプラズマ処理時に(i)低分子有機物質の生成頻度の増加、(ii)これによる低分子量高分子の生成頻度の低下を招くことがある。また、(iii)不可避に架橋された低分子量高分子が存在しても、これらの高分子内に存在するベンゾフェノン構造によって容易に酸化分解が可能で、さらに多くの低分子有機物を生成する好循環を誘導することができるので、Oプラズマ処理後に有機残留物の残存率を顕著に低減することができる。
【0030】
1つの例として、本発明のポリアミック酸組成物は、無機系素材上に塗布されてポリイミド薄膜を形成した後、前記薄膜を除去する場合、無機系素材の表面に残留する有機残留物の濃度が低くて、下記テスト方法(a)により生成される有機残留物の濃度が1,000ppm以下であり得、具体的には、10ppm~900ppm、10ppm~800ppm、100ppm~500ppmまたは400ppm~750ppmでありうる:
【0031】
-テスト方法(a):横1cm*縦1cmのシリコン系ウェハー上にポリアミック酸組成物を塗布し、熱処理して、厚さ12μm~15μmのポリイミド薄膜を形成し、形成されたポリイミド薄膜を75Watt、150mTのOプラズマで1分間処理した後、シリコン系ウェハー上に存在するポリイミド薄膜に由来する有機残留物の濃度を測定する。前記有機残留物の濃度は、Oプラズマで処理する前のポリイミド薄膜の全体重量に対するOプラズマで処理後の有機残留物の重量濃度を意味する。
【0032】
本発明によるポリアミック酸組成物は、通常のポリイミド系素材と比較して上記のように顕著に低い有機残留物の濃度をもたらすことによって、高濃度の有機残留物による工程の副反応と無機系素材の絶縁性低下等を防止することができる。
【0033】
また、前記ジアンハイドライド主成分は、ベンゾフェノン構造を有して、接着対象体、例えば、シリコン系ウェハーのような無機系素材の表面に存在する親水性基と相互作用を誘導してポリイミド樹脂と無機系素材間の接着力を向上させることができる。
【0034】
通常、ポリイミド系素材は、高分子材料のうち接着力が高い方であると見られない。このような原因としては様々なものがあるが、ポリアミック酸組成物を接着対象体、例えばシリコン基板に製膜する場合、前記接着対象体との接触界面に弱境界層(WBL;Weak Boundary Layer)が形成されることが主要な原因といえる。参考として、弱境界層は、様々な形態があるが、そのうちの1つは、接触界面で硬化したポリイミド樹脂の少なくとも一部が接着対象体を支持せず、浮き上がった形態でありうる。このような浮き上がった形態は、例えば、ポリイミド樹脂と接着対象体との間の界面で作用する引力が弱いか、ポリアミック酸組成物からポリイミド樹脂に変換されるとき、揮発される水分および/または有機溶媒等により発生し得る。
【0035】
しかし、本発明によるポリアミック酸組成物は、ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を相当割合で含んでいて、ポリアミック酸組成物からポリイミド樹脂に変換される初期時点に水分および/または有機溶媒の揮発が容易に行われるのに有利であり得、これによって形成されたポリイミド樹脂が接着対象体から浮き上がる現象を抑制することができる。
【0036】
1つの例として、前記ポリアミック酸組成物を硬化して得られたポリイミド樹脂を対象として、ASTM D3359によるクロス-カット接着力を評価する時に、ポリイミド樹脂が無機系素材から剥離されて除去される面積が、全体面積の16%未満、具体的には、15%以下、10%以下または5%以下であり得、場合によっては、ポリイミド樹脂の剥離が発生せずに除去された面積が全体面積の0%でありうる。
【0037】
この際、前記ポリアミック酸組成物に含有されたジアンハイドライド主成分の含量は、60モル%以上であり得、具体的には、60モル%~100モル%、65モル%~90モル%、65モル%~80モル%、または75モル%~90モル%であり得、場合によっては、ジアンハイドライド主成分を100モル%で含んでジアンハイドライド系単量体の全部を構成することができる。本発明は、ジアンハイドライド主成分の含量を前記範囲に調節することによって、ポリイミド薄膜の除去後に表面に残る有機残留物の濃度を顕著に低減することができる。
【0038】
また、前記ジアンハイドライド主成分は、ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライドを使用することができ、例えば、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(3,3’,4,4’-benzophenonetetracarboxylic dianhydride,BTDA)等を含むことができる。前記3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(BTDA)は、ベンゾフェノン構造を有して、Oプラズマ処理後に有機残留物の濃度が低いのみならず、柔軟な分子構造を有することによって、ポリアミック酸組成物から製造されたポリイミド樹脂に9%以上の伸び率、具体的には、9%~15%または9%~13.5%の伸び率を与えるように有利に作用することができる。
【0039】
また、本発明のポリアミック酸組成物は、前記ジアンハイドライド主成分の含量が100モル%未満の場合、1つのベンゼン環を有するジアンハイドライド副成分をさらに含むことができる。
【0040】
例えば、前記ジアンハイドライド系単量体は、ベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド主成分を60モル%以上100モル%未満で含み、ジアンハイドライド副成分を0モル%超過40モル%以下で含むことができる。
【0041】
本発明のジアンハイドライド主成分に含まれたベンゾフェノン構造では、カルボニル基を基準として一対のベンゼン環が屈曲され得るため、分子構造の観点から相対的に柔軟な単量体であり得、柔軟な単量体は、ポリアミック酸組成物に由来するポリイミド樹脂の熱膨張係数を増加させ得る。この場合、シリコン等の無機系素材の熱膨張係数は、大部分9ppm/℃以下と低い方であるから、無機系素材に接着されるポリイミド樹脂が高い熱膨張係数を有することは好ましくない場合がある。
【0042】
しかし、本発明のポリアミック酸組成物は、1つのベンゼン環を有するジアンハイドライド副成分を含み得、組成物から形成されたポリイミド樹脂の熱膨張係数を低減させることができる。前記ジアンハイドライド副成分は、2つのアンハイドライド基の間に1つのベンゼン環が存在して、これから誘導された重合体は、主鎖が屈曲されにくい堅固な(rigid)分子構造を有し、この場合、高分子の分子構造の観点から、柔軟でなく、堅固な構造を形成するので、熱膨張係数が減少し得る。
【0043】
このために、前記ジアンハイドライド副成分は、2つのアンハイドライド基の間に1つのベンゼン環が存在する構造であれば、制限されずに使用され得る。例えば、前記ジアンハイドライド副成分は、ピロメリティックジアンハイドライド(Pyromellitic dianhydride,PMDA)であり得、前記ピロメリティックジアンハイドライドは、ジアンハイドライド主成分であるベンゾフェノン構造を有するジアンハイドライド成分と組み合わせられて、ポリアミック酸組成物から製造されるポリイミド樹脂に適正水準の熱膨張係数、詳細には、無機系素材に対する熱膨張係数の偏差が小さい水準である9ppm/℃以下、具体的には、1ppm/℃~9ppm/℃、5ppm/℃~9ppm/℃、または7ppm/℃~9ppm/℃の熱膨張係数をもたらすことができる。
【0044】
また、本発明のポリアミック酸組成物は、ジアミン系単量体を含み、前記ジアミン系単量体は、1つのベンゼン環を有するジアミン成分を、全体モル数に対して50モル%を超過する含量で、具体的には、60モル%超過または70モル%を超過する含量で含むことができ、場合によっては、100モル%の含量で含有してジアミン系単量体全体を構成し得る。
【0045】
前記ジアミン成分は、ジアンハイドライド副成分と同様に、2つのアミン基の間に1つのベンゼン環を含むので、これから誘導された重合体は、主鎖が屈曲されにくい堅固な(rigid)分子構造を有することができ、前記ジアンハイドライド副成分は、1つのベンゼン環を有するジアミン成分とのシナジー効果を発現して、ポリアミック酸組成物から製造されるポリイミド樹脂に優れたガラス転移温度をもたらすことができる。1つの例として、前記ポリイミド樹脂のガラス転移温度は、420℃以上であり得、具体的には、430℃以上、または440℃以上、420℃~450℃または425℃~445℃でありうる。
【0046】
また、前記ポリイミド樹脂に必然的に要求される機械的物性である引張強度である300MPa以上、具体的には、310MPa以上、300MPa~350MPa、305MPa~345MPa、310MPa~335MPa、320MPa~350MPa、または330MPa~345MPaの強度をもたらすように有利に作用することができる。
【0047】
このようなジアミン成分として、1,4-ジアミノベンゼン(PPD)、1,3-ジアミノベンゼン(MPD)、2,4-ジアミノトルエン、2,6-ジアミノトルエンおよび3,5-ジアミノ安息香酸から選ばれる1種以上を含むことができ、このうちでも、引張強度の向上に有利であり、前記ピロメリティックジアンハイドライドと組み合わせられて熱膨張係数を好ましい水準に誘導するのに有利に作用し得る1,4-ジアミノベンゼンが、前記1つのベンゼン環を有するジアミン成分として好ましい。
【0048】
加えて、本発明のポリアミック酸組成物は、アセティックアンハイドライド(AA)、プロピオン酸アンハイドライド、および乳酸アンハイドライド、キノリン、イソキノリン、β-ピコリン(BP)およびピリジンから選ばれる少なくとも1種を含む添加剤をさらに含むことができる。このような添加剤は、ポリアミック酸組成物を製膜した後、ポリイミド樹脂に変換する際に、ポリアミック酸に対する脱水作用によって閉環反応を促進して、所望のポリイミド樹脂を収得することを助け得る。
【0049】
また、前記添加剤は、ポリアミック酸のうちアミック酸基1モルに対して0.01モル~10モルで含まれ得、具体的には、アミック酸基1モルに対して0.05モル~1モル、0.05モル~0.5モル、または0.05モル~0.1モルで含まれ得る。
【0050】
本発明は、前記添加剤の含量を前記範囲に制御することによって、ポリアミック酸に対する脱水作用によって閉環反応を適正速度で十分に促進させることができ、少量の添加剤によって、変換されたポリイミドのクラックが発生したり強度が低下することを防止し、過量の添加剤によって薄膜形態の成形が困難となるか、変換されたポリイミドがこわれることを防止することができる。
【0051】
また、本発明の前記ポリアミック酸組成物は、ポリイミド樹脂の摺動性、熱伝導性、ループ硬度等の様々な特性を改善する目的で、充填材をさらに含むことができる。
【0052】
例えば、前記充填材としては、シリカ、酸化チタン、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、リン酸水素カルシウム、リン酸カルシウム、雲母等が挙げられる。
【0053】
また、前記充填材の平均粒径は、改質しようとするポリイミド樹脂特性と添加する充填材の種類によって決定することができる。1つの例において、前記充填材の平均粒径は、0.05μm~100μmであり得、具体的には、0.1μm~75μm、0.1μm~50μm、または0.1μm~25μmでありうる。
【0054】
また、前記充填材の添加量は、ポリアミック酸組成物100重量部に対して0.01重量部~100重量部であり得、具体的には、0.01重量部~90重量部、または0.02重量部~80重量部でありうる。
【0055】
本発明は、充填材の平均粒径および添加量を前記範囲で調節することによって、充填材によるポリイミドの改質効果を十分に具現することができるのみならず、充填材によってポリイミドの表面性が損傷したり、機械的特性が低下することを防止することができる。
【0056】
また、本発明のポリアミック酸組成物は、ポリアミック酸組成物を溶解することができる有機溶媒をさらに含むことができ、この際、前記有機溶媒は、非プロトン性極性溶媒(aprotic polar solvent)でありうる。
【0057】
このような非プロトン性極性溶媒としては、N,N’-ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N’-ジメチルアセトアミド(DMAc)等のアミド系溶媒、p-クロロフェノール、o-クロロフェノール等のフェノール系溶媒、N-メチル-ピロリドン(NMP)、ガンマ-ブチロラクトン(GBL)およびジグリム(Diglyme)等が挙げられ、これらは、単独でまたは2種以上組み合わせられて使用することができる。
【0058】
場合によっては、トルエン、テトラヒドロフラン、アセトン、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、水等の補助的溶媒を使用して、ポリアミック酸の溶解度を調節することもできる。
【0059】
1つの例として、本発明のポリアミック酸組成物は、有機溶媒として、N-メチル-ピロリドン、N,N’-ジメチルホルムアミドおよびN,N’-ジメチルアセトアミドを含むことができる。
【0060】
また、このような有機溶媒を含むポリアミック酸組成物は、ポリアミック酸組成物の23℃で測定した粘度が2,000cP~5,000cPであり得、具体的には、2,500cP~4,000cP、2,500cP~3,500cPまたは3,000cP~3,500cPでありうる。前記粘度は、23℃の温度および0.5rpmの回転速度の条件、RV-7番スピンドルで、ブルックフィールド粘度計で測定した粘度でありうる。本発明において前記ポリアミック酸組成物は、固形分の含量が5~30%、10~25%または12~20%の範囲内であってよい。
【0061】
本発明は、ポリアミック酸組成物の粘度を前記範囲に制御することによって、塗布工程時にディスペンサーノズルがポリアミック酸組成物により閉塞されることを防止することができ、ポリアミック酸組成物の流動性が適切が調節されて、塗布される組成物の形態と厚さを容易に調節することができ、さらには、低い粘度によってポリイミド樹脂の接着力が低下するのを防止することができる。
【0062】
一方、一般的にポリアミック酸組成物は、次のような方法で製造され得る:
(1)ジアミン系単量体全量を有機溶媒中に入れて、その後、ジアンハイドライド系単量体をジアミン単量体と実質的に等モルになるように添加して重合する方法;
(2)ジアンハイドライド系単量体全量を有機溶媒中に入れ、その後、ジアミン系単量体をジアンハイドライド系単量体と実質的に等モルになるように添加して重合する方法;
(3)ジアミン系単量体のうち一部の成分を有機溶媒中に入れた後、反応成分に対してジアンハイドライド系単量体のうち一部の成分を約95モル%~105モル%の割合で混合した後、残りのジアミン系単量体成分を添加し、これに連続して残りのジアンハイドライド系単量体成分を添加して、ジアミン系単量体およびジアンハイドライド系単量体が実質的に等モルになるようにして重合する方法;
(4)ジアンハイドライド系単量体を有機溶媒中に入れた後、反応成分に対してジアミン化合物のうち一部の成分を95モル%~105モルの割合で混合した後、他のジアンハイドライド系単量体成分を添加し、連続して残りのジアミン系単量体成分を添加して、ジアミン系単量体およびジアンハイドライド系単量体が実質的に等モルになるようにして重合する方法;および
(5)有機溶媒中で一部のジアミン系単量体成分と一部のジアンハイドライド系単量体成分をいずれか1つが過量になるように反応させて、第1重合物を形成し、また、他の有機溶媒中で一部のジアミン系単量体成分と一部のジアンハイドライド系単量体成分をいずれか1つが過量になるように反応させて第2重合物を形成した後、第1、第2重合物を混合し、重合を完結する方法であり、この際、第1重合物を形成するとき、ジアミン系単量体成分が過剰の場合、第2重合物ではジアンハイドライド系単量体成分を過量とし、第1重合物においてジアンハイドライド系単量体成分が過剰の場合、第2重合物ではジアミン系単量体成分を過量として、第1、第2重合物を混合して、これらの反応に使用される全体ジアミン系単量体成分とジアンハイドライド系単量体成分が実質的に等モルになるようにして重合する方法。
【0063】
前記方法は、本発明の実施を助けるための例示であり、本発明の範疇がこれらに限定されるものではなく、公知のいずれの方法を使用することができることはもちろんである。
【0064】
ポリアミック酸を利用したパッケージング方法
また、本発明は、一実施例において、上述したポリアミック酸組成物を利用して無機系電子部品、例えばシリコンウェハーをパッケージングする方法を提供する。
【0065】
具体的に、前記パッケージング方法は、
無機系電子部品上に本発明によるポリアミック酸組成物を塗布する段階と、
塗布されたポリアミック酸組成物を20℃~400℃で熱処理する段階と、を含み、
前記ポリアミック酸組成物は、熱処理の過程でポリアミック酸のアミック酸基が閉環、脱水されてポリイミドを生成し、
熱処理が完了すると、ポリイミド樹脂が無機系電子部品上で硬化して接着される構成を有する。
【0066】
本発明によるパッケージング方法は、上述したポリアミック酸組成物を無機系電子部品上に塗布し、塗布された組成物を熱処理してポリイミド薄膜に硬化させることによって行われ得る。
【0067】
この際、硬化したポリイミド薄膜の平均厚さは、0.5μm~15μmであり得、具体的には、2μm~14μm、または2~5μmでありうる。また、ポリアミック酸組成物は、ポリイミド薄膜の平均厚さが前記範囲を満たすように無機系電子部品上に塗布され得る。具体的に、無機系電子部品上に塗布されたポリアミック酸組成物の平均厚さは、1μm~30μmであり得、具体的には、2μm~15μm、または2μm~5μmでありうる。
【0068】
また、前記ポリアミック酸組成物を熱処理する段階は、塗布されたポリアミック酸組成物を可変的または不変的な昇温速度で昇温しつつ、組成物内存在するジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体を反応させてポリイミド鎖を形成するように誘導する段階であり、20℃~200℃で熱処理する第1熱処理段階と、200℃~400℃で熱処理する第2熱処理段階と、を含むことができ、前記第1および第2熱処理段階は、連続的または非連続的に行われ得る。
【0069】
この際、前記第1熱処理段階は、適正温度に昇温した後、昇温した温度を維持しつつ、所定の時間の間静置することができ、前記所定の時間は、例えば、25分~45分であり得、詳細には、25分~35分でありうる。
【0070】
また、前記第2熱処理段階は、200℃~400℃の温度での第1熱処理段階で反応しない実質的にすべてのジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体を反応させて高分子鎖をさらに形成するように誘導する段階であり、前記熱処理温度は、250℃~400℃、300℃~400℃または320℃~380℃であり得、第1熱処理段階の処理温度から前記温度範囲まで可変的なまたは不変的な昇温速度で昇温しつつ行われ得る。
【0071】
本発明は、上記のような温度範囲で熱処理し、所定の時間静置することによって、ポリアミック酸組成物内のジアンハイドライド系単量体およびジアミン系単量体を適正水準の分子量、例えば、50,000g/mole以下、具体的には、50,000g/モル~100,000g/モルの重量平均分子量を有するポリイミド樹脂を形成することができる。このような重量平均分子量を有するポリイミド樹脂は、無機系電子部品のパッケージング素材として適合した水準の熱膨張係数とガラス転移温度、伸び率および引張強度等を内在することができ、優れた接着力を発現することができ、さらに、Oプラズマにより容易に除去することができる。
【0072】
一方、本発明によるポリアミック酸組成物を利用してパッケージングする方法は、熱処理段階が完了した後、形成されたポリイミド樹脂を常温(22±3℃)に冷却させる段階をさらに含むことができる。
【0073】
また、本発明は、常温に冷却されたポリイミド樹脂をOプラズマで処理して、無機系電子部品からポリイミド樹脂を除去する段階をさらに含むことができる。この際、ポリイミド樹脂が除去された無機系電子部品は、表面に残留するポリイミド樹脂由来の有機物質の濃度が顕著に低く、1,000ppm以下、具体的には、10ppm~900ppmまたは10ppm~800ppmでありうる。
【0074】
以下、本発明を実施例および実験例によりさらに詳細に説明する。
【0075】
ただし、下記実施例および実験例は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が下記実施例および実験例に限定されるものではない。
【実施例
【0076】
[実施例1~6]
N-メチルピロリドン(NMP)で満たされた40℃の反応器に、ジアンハイドライド主成分と、ジアンハイドライド副成分と、ジアミン主成分と、ジアミン副成分とを下記表1に示したモル比で添加し、約30分間撹拌してポリアミック酸を重合した。これにイソキノリンをアミック酸基1モルに対して0.05~0.1モル投入した後、80℃で約2時間の間熟成工程を進めてポリアミック酸組成物を製造した。この際のポリアミック酸組成物の粘度を、表1に示した。
【0077】
【表1】
【0078】
[比較例1~5]
N-メチルピロリドン(NMP)で満たされた40℃の反応器に、ジアンハイドライド主成分と、ジアンハイドライド副成分と、ジアミン主成分と、ジアミン副成分とを下記表2に示したモル比で添加し、約30分間撹拌してポリアミック酸を重合した。これにイソキノリンをアミック酸基1モルに対して0.05~0.1モル投入した後、80℃で約2時間の間熟成工程を進めてポリアミック酸組成物を製造した。この際のポリアミック酸組成物の粘度を、表2に示した。
【0079】
【表2】
【0080】
[実験例1]
本発明によるポリアミック酸組成物を利用して製造されるポリイミド薄膜の物性を評価するために、実施例1~3および比較例1~5で製造された各ポリアミック酸組成物をステンレス支持体の表面に塗布し、350℃で熱処理して、ポリアミック酸組成物が硬化したポリイミド薄膜(平均厚さ:12~13μm)を形成した。その後、形成されたポリイミド薄膜をステンレス支持体の表面から剥離してポリイミド薄膜を得た。
【0081】
得られた各ポリイミド薄膜を対象に次のような実験を行い、測定された結果を、下記表3に示した:
【0082】
A)熱膨張係数(CTE)の評価
TA社熱機械分析装置(Thermomechanical Analyzer)Q400モデルを使用し、ポリイミドフィルムを幅2mm、長さ10mmに切った後、窒素雰囲気下で0.05Nの張力を加えながら、10℃/minの速度で常温から500℃まで昇温後、さらに10℃/minの速度で冷却しつつ、100℃から350℃区間の傾きを測定した。100℃から350℃まで昇温区間でCTEを測定した。
【0083】
B)ガラス転移温度(Tg)の評価
また、動的機械分析装置(Dynamic mechanical analyzer,DMA)を利用して前記ポリイミド薄膜の損失弾性率および貯蔵弾性率を測定し、測定された結果からタンジェントθを算出して、ガラス転移温度を導き出した。
【0084】
C)引張強度の評価
KS 6518によって引張強度を測定した。
【0085】
D)伸び率の評価
ASTM D1708によってポリイミド薄膜を万能試験機に固定し、1.3mm/minの速度で延伸して薄膜の伸び率を測定した。
【0086】
【表3】
【0087】
表3に示されたように、本発明による実施例は、例えばシリコン等の無機系基板に好適に適用され得る適正な熱膨張係数を示した。それだけでなく、実施例では、ガラス転移温度、引張強度、および伸び率が、本発明において意図された適正な水準を全部充足した。
【0088】
[実験例2]
本発明によるポリアミック酸組成物を利用して製造されるポリイミド薄膜の接着・脱着性能を評価するために、実施例1~6、比較例1~5で製造した各ポリアミック酸組成物を、シリコン系ウェハー上に塗布し、350℃で熱処理して、ポリアミック酸組成物が硬化したポリイミド薄膜(平均厚さ:12~13μm)を形成した。
【0089】
A)無機系素材に対する接着力の評価
ASTM D3359のB.クロス-カットテープ法によってポリイミド樹脂の表面に幅25mmの透明減圧テープを接着し、各ラインの間隔が2mmになるように横6ライン*縦6ラインをカッティングした。その後、透明減圧テープを180°で引っ張って除去し、ポリイミド薄膜の脱着有無を肉眼で確認した。この際、ポリイミド薄膜が脱着された程度は、次の基準によって等級化された:
5B:ポリイミド薄膜の全体面積に対して脱着された面積が0%、
4B:ポリイミド薄膜の全体面積に対して脱着された面積が5%未満、
3B:ポリイミド薄膜の全体面積に対して脱着された面積が5%以上15%未満、
2B:ポリイミド薄膜の全体面積に対して脱着された面積が15%以上35%未満、
1B:ポリイミド薄膜の全体面積に対して脱着された面積が35%以上65%未満、
0B:ポリイミド薄膜の全体面積に対して脱着された面積が65%以上。
【0090】
B)ポリイミド薄膜の除去後の残留物の濃度の評価
ポリイミド薄膜が形成されたシリコン系ウェハーを横1cm*縦1cmにカットし、ウェハーの表面に形成されたポリイミド薄膜の重量を測定した。その後、前記ポリイミド薄膜に75Watt、150mTのOプラズマで1分間処理してポリイミド薄膜を除去し、Oプラズマ処理後に有機残留物の重量を測定して、有機残留物の濃度を算出した。
【0091】
測定された各結果を、図1図2および表4に示した。
【0092】
【表4】
【0093】
図1図2および表4に示したように、本発明による実施例は、優れた接着力を示し、Oプラズマを介したポリイミド薄膜の除去が容易であり、薄膜の除去後に有機残留物の濃度が顕著に低いことが分かる。具体的に、図1は、実施例1のポリイミド薄膜に対する接着力テストを行った後、薄膜の表面を撮影した写真であり、図1を参照すると、格子パターンにテープを貼り付けてから引き剥がしたにもかかわらず、接着が解除されて除去された部分がほとんど確認されない水準であることを確認することができる。
【0094】
他方で、図2は、比較例1のポリイミド薄膜に対する接着力テストを行った後、薄膜の表面を撮影した写真であり、ポリイミド薄膜が相当部分脱着されたことを確認することができる。
【0095】
また、表4を参照すると、比較例3および5は、ベンゾフェノン構造を有する単量体であるBTDAを使用せず、相対的に剛直な分子構造を有する単量体の組み合わせからポリアミック酸組成物が製造されたものであり、比較例3および比較例5は、熱処理後に、表面がこわれる深刻な欠陥が発生し、そのため、物性の評価が不可能であった。
【0096】
これは、3,000cP付近の低粘度ポリアミック酸組成物の場合、熱処理過程で急激に硬化する傾向を示すが、この際、比較例3および5のポリアミック酸組成物は、剛直な分子構造の単量体に由来する剛直な構造の高分子鎖を含んでいて、急激に硬化する過程でクラックを誘発したと推定される。
【0097】
また、ベンゾフェノン構造を有する単量体であるBTDAの使用は、約3,000cP付近の低粘度ポリアミック酸組成物がポリイミド樹脂に変換されるのに有利になり得ることを理解することができる。
【0098】
また、比較例1は、本発明の含量範囲を基準として主成分であるBTDAが相対的に少量であり、PMDAが相対的に過量含まれた場合であり、比較例2は、BTDAの代わりにBPDAを使用した場合であり、これらの比較例は、実施例に比べて不良な接着力および高い残留物濃度を示した。
【0099】
また、BTDAを全く使用しない比較例2が、BTDAを相対的に少量使用した比較例1に比べて接着力と残留物濃度においてさらに否定的な結果が現れた点に注目しなければならない。
【0100】
これは、BTDAのベンゾフェノン構造が、ポリイミド樹脂の接着力を向上させることができ、Oプラズマによる有機残留物の生成を最小化するのに直接的に関連していることを示唆する。ただし、比較例1の結果から、BTDAとPMDAが本発明の含量範囲で組み合わせられる場合に、はじめて向上した接着力とOプラズマによる有機残留物濃度が所望の水準に達することができることを理解することができる。
【0101】
しかも、比較例4は、BTDAおよびPMDAの組み合わせの代わりに、BTDAおよびBPDAが組み合わせられたジアンハイドライド系単量体を使用した場合である。比較例4は、実施例に比べて顕著に高い有機残留物濃度を示したが、これは、ジアンハイドライド主成分がベンゾフェノン構造を有する代表的な単量体であるBTDAを好ましい含量で使用しても、本発明において意図された効果が常に発現するのではないことを示唆する。
【0102】
したがって、本発明のジアンハイドライド主成分の含量が100モル%未満の場合には、ベンゾフェノン構造を有する単量体であるBTDAと、1つのベンゼン環を有することによって、剛直な分子構造のPMDAとが、最適な割合で組み合わせられたときに本発明の効果を好適に具現できることが実証されている。
図1
図2
【国際調査報告】