封裝樹脂與PKG分層的關(guān)系探討

（江蘇中電華威電子有限公司，江蘇 連云港 222004）

摘 要：PKG內(nèi)部分層是電子封裝中很普通的一種現(xiàn)象，也是必須要解決的一種主要缺陷，它會嚴(yán)重影響電子封裝的可靠性。造成和影響PKC分層的原因很多，對封裝樹脂與PKC分層的關(guān)系進(jìn)行了深討。經(jīng)研究表明，降低封裝樹脂的應(yīng)力、改善封裝樹脂的吸濕性和提高封裝樹脂的粘接力是改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象的有效方法。

關(guān)鍵詞：封裝，可靠性，材料，樹脂封裝，PKC分層

中圖分類號：TN104.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-4507（2005）08-0022-04

電子封裝不僅要求封裝材料具有優(yōu)良的電性能、熱性能以及機(jī)械性能外，還要求具有很高的可靠性和低成本，這也是封裝樹脂成為現(xiàn)代電子封裝主流材料的主要原因，約占整個封裝材料市場的95%以上。但是由于樹脂封裝是非氣密性封裝，對外界環(huán)境的耐受能力不是很強，特別是對濕氣的侵入，所以在電子封裝中往往會出現(xiàn)一些可靠性問題，特別是分層現(xiàn)象。下面就封裝樹脂、PKC分層以及封裝樹脂與PKC分層的關(guān)系進(jìn)行分析和探討。

1 封裝樹脂的組成及其應(yīng)用

封裝樹脂是一種多組分的高分子復(fù)合材料，其中包括多種有機(jī)成分和多種無機(jī)成分。封裝樹脂的基本組分以各組分的作用見表1。

2 分層的定義和機(jī)理

2.1 分層的定義

在電子封裝中，分層是可靠性評價的一個主要方面。分層是PKG內(nèi)部各界面之間發(fā)生了微小的剝離或裂縫，一般在l～2 μm以上。主要發(fā)生的區(qū)域包括：封裝樹脂與芯片界面之間、封裝樹脂與載片界面之間、封裝樹脂與引線框架界面之間、芯片與銀漿界面之間、銀漿與引線框架界面之間。

2.2 分層的機(jī)理

導(dǎo)致分層的因素很多，從封裝樹脂的角度來說，一般認(rèn)為主要是由于內(nèi)部應(yīng)力變化和內(nèi)部水分造成的。當(dāng)封裝體在環(huán)境溫度變化時，內(nèi)部應(yīng)力的壓力和水分的蒸汽壓力大于封裝樹脂與芯片、載片以及框架表面之間的粘接力，以致于使它們的界面之間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致封裝樹脂或芯片出現(xiàn)裂紋，見圖2。

3 封裝樹脂與PKG分層分析

在PKG內(nèi)部分層產(chǎn)生的原因中，一般認(rèn)為封裝樹脂的特性是導(dǎo)致PKG內(nèi)部分層的主要原因。研究表明，封裝樹脂的應(yīng)力、吸濕性和粘接性是封裝樹脂對PKG分層影響的三大因素。

3.1 降低封裝樹脂的應(yīng)力

由于構(gòu)成集成電路的材料很多，包括芯片、引線框架、金絲、載片、導(dǎo)電膠等，它們與封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，在環(huán)境溫度變化時，因它們熱膨脹系數(shù)的差異而使PKG內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力的產(chǎn)生會引起PKG分層、PKG翹曲、表面鈍化膜開裂、鋁布線滑動等不良現(xiàn)象。

封裝樹脂的應(yīng)力計算公式：

σ=Kl∫a1EdT+K2∫2EdT

其中：K1、K2是常數(shù)，a1、a2 是封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)，E是封裝樹脂的彈性模量，dT是溫度變化。從公式可以看出，影響封裝樹脂的應(yīng)力因素有：熱膨脹系數(shù)、彈性模量和玻璃化溫度。但是降低玻璃化溫度會降低材料的機(jī)械性能，所以降低熱膨脹系數(shù)和彈性模量是降低封裝樹脂應(yīng)力的有效方法。

(1)加大封裝樹脂填充材料的含量，可以降低熱膨脹系數(shù)。填料不僅能夠起增加導(dǎo)熱、支撐和降低成本作用，而且還能降低封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)。目前所使用的填充材料主要是二氧化硅，其熱膨脹系數(shù)為6×10-7／℃，而環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)大約是6×10-5／℃，兩者相差100倍。所以要降低封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)，必須加大填充材料的含量(見表2)。雖然增加填料含量能夠降低熱膨脹系數(shù)和提高強度，但是同時也會降低封裝樹脂的流動性和增加封裝樹脂的模量，所以在加大填充材料含量時要綜合考慮。結(jié)晶型二氧化硅具有高導(dǎo)熱高膨脹特性，而熔融型／球型二氧化硅具有低導(dǎo)熱低膨脹特性，所以使用熔融型／球型二氧化硅能夠得到更低熱膨脹系數(shù)的封裝樹脂。同時球形填料比角形填料有更高的填充性，所以使用球形填料能夠得到更高填充含量的封裝樹脂，并且球形填料因形狀比較規(guī)則還可以緩和角形填料尖端所造成的應(yīng)力集中，減小封裝樹脂對模具的磨損等。

(2)添加應(yīng)力吸收劑，可以有效降低封裝樹脂的彈性模量。研究表明使用一種添加劑既可以降低熱應(yīng)力，又可以有效降低封裝樹脂的彈性模量，所以也稱為應(yīng)力吸收劑。目前所使用的應(yīng)力吸收劑主要是一種硅油或硅橡膠，它可以有效地降低這種熱應(yīng)力和封裝樹脂的彈性模量。另外，研究發(fā)現(xiàn)使用角形填料也會使應(yīng)力集中，而形成一種角應(yīng)力，所以球形填料比角形填料有更低的應(yīng)力表現(xiàn)，使用應(yīng)力吸收劑也會有效的降低這種角應(yīng)力見表3。

總之，降低封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，可以有效降低封裝樹脂內(nèi)部應(yīng)力，以至于改善因應(yīng)力而產(chǎn)生的PKG分層現(xiàn)象。

3.2 改善封裝樹脂的吸濕性

封裝樹脂是一種多組分的高分子材料，其中的環(huán)氧樹脂的分子間距為50～200 nm，這種間距足夠可以讓水分子滲透進(jìn)去。樹脂封裝是一種非氣密性的封裝，水分可以不同程度的進(jìn)入PKG內(nèi)部，進(jìn)入PKG內(nèi)部的途徑主要是封裝樹脂本身的滲透和封裝樹脂與引線框架界面之間的侵入。在PKG內(nèi)部中，水分會因環(huán)境溫度升高而產(chǎn)生蒸汽壓，當(dāng)這種蒸汽壓力大于封裝樹脂、芯片、框架、載片等表面之間的粘接力時，就會形成PKG分層現(xiàn)象。

改善這種封裝樹脂的吸濕性能，主要有以下幾種方法：(1)選擇低吸濕的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的種類不同，它的吸濕率也往往不同，一般來說，玻璃化溫度低的環(huán)氧樹脂具有較低的吸濕率，但是低玻璃化溫度又會帶來其他的不良問題。所以選擇低吸濕率而玻璃化溫度又相對較高的環(huán)氧樹脂很關(guān)鍵。(2)加大封裝樹脂的填料含量。在封裝樹脂中，環(huán)氧樹脂是主要的吸濕物質(zhì)，而填料二氧化硅的吸濕率很低，一般認(rèn)為沒有吸濕率為0。所以適當(dāng)加大填料含量，不僅可以降低封裝樹脂的應(yīng)力，還可以降低封裝樹脂的吸濕性能。(3)提高封裝樹脂內(nèi)部的交聯(lián)密度。可以通過對二氧化硅表面進(jìn)行改性處理，常用偶聯(lián)劑來改善無機(jī)二氧化硅表面與其他有機(jī)材料表面的相容性，有利于阻止水分的侵入。還可以選擇一些多官能團(tuán)的環(huán)氧樹脂和固化劑體系，來提高交聯(lián)反應(yīng)的密度，改善封裝樹脂的防止水分侵入的能力，以降低封裝樹脂的吸濕性能。

另外，如果有水分的存在，封裝樹脂里的雜質(zhì)離子CL-、Na+會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而腐蝕芯片表面壓焊塊、Al線條以及其它電化學(xué)腐蝕，見圖3。

Al+4Cl-→A1Cl4-+3e
2AlCl4-+6H20→2Al(OH)3+6H++8Cl-

在高溫的情況下，水分會形成水汽膨脹而導(dǎo)致PKG分層、斷線、頸部裂紋，甚至造成PKG或芯片開裂，以致于集成電路或器件失效，見圖4。

3.3 提高封裝樹脂的粘接性

在PKG內(nèi)部，封裝樹脂與芯片、引線框架、載片等表面之間都存在界面粘接問題，如果粘接不良就會出現(xiàn)所謂的PKG分層現(xiàn)象。因此，提高封裝樹脂的粘接性能對改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象是非常重要的。

從本質(zhì)上講，提高粘接性就是提高界面層反應(yīng)的牢固程度。研究表明不同種類的環(huán)氧樹脂與樹脂的含量對封裝樹脂的粘接強度有很大的影響。一般來說軟質(zhì)結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂比硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂更容易與固體表面接合，聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂是一種較好的選擇。聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂由于處于單分子的結(jié)晶態(tài)，熔融黏度極低，可以大量填充球形硅微粉填料，可以使環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)極大地降低。聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂是超低應(yīng)力、低膨脹型樹脂的首選基體樹脂，缺點是價格昂貴，儲存期較短，容易發(fā)生溢料。

另外，提高封裝樹脂粘接性很重要的一方面，就是微量成分中偶聯(lián)劑的使用。在封裝樹脂中，一般使用硅烷類偶聯(lián)劑，其種類及配比是生產(chǎn)研制單位的一項核心技術(shù)。偶聯(lián)劑的作用，就是改善界面的相容性，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：(1)二氧化硅與環(huán)氧樹脂等有機(jī)界面。二氧化硅為無機(jī)物，與環(huán)氧樹脂等有機(jī)物的相容性較差，所以在使用二氧化硅時，要對它進(jìn)行表面改性處理，改變其表面的物理化學(xué)性質(zhì)，提高與環(huán)氧樹脂等有機(jī)基體的界面相容性。研究表明，加入一種偶聯(lián)劑后，利用FT-IR法，證明在SiO2/環(huán)氧樹脂界面確實發(fā)生了偶聯(lián)反應(yīng)，并形成了化學(xué)鍵。實驗數(shù)據(jù)也表明，偶聯(lián)劑的加入與否，所形成的復(fù)合材料界面層是截然不同的，直接影響著封裝樹脂的密封及粘接性能。(2)封裝樹脂與金屬、芯片等界面。此界面內(nèi)包含脫模劑及偶聯(lián)劑，而脫模劑對環(huán)氧樹脂與芯片及引線框架的粘接強度有很大的影響。由于脫模劑在封裝樹脂流動的同時，因其分子量小易流動，比其它樹脂移動的快，能很快吸附在芯片及引線框架的表面從而影響封裝樹脂與其表面的正常粘接，脫模劑量越大，其覆蓋界面的面積越大，會嚴(yán)重影響封裝樹脂與其它界面之間的粘接性。

所以我們一方面要盡可能減少脫模劑的量，另一方面可以通過添加不同種類的偶聯(lián)劑，如硅烷偶聯(lián)劑也是分子量小且移動速度快，可吸附在界面上產(chǎn)生偶聯(lián)反應(yīng)，形成相對牢固的結(jié)合，從而提高封裝樹脂與其它表面的粘接力。

總之，使用對芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好粘接性能的環(huán)氧樹脂、偶聯(lián)劑以及粘接劑，并選擇適當(dāng)?shù)拿撃┓N類以及用量，可以大大提高封裝樹脂的粘接性能，以改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過以上的分析與研究，我們可以得出以下結(jié)論：PKG內(nèi)部分層是樹脂封裝的一種普遍現(xiàn)象，可以通過加大填料含量、添加應(yīng)力吸收劑來降低封裝樹脂的應(yīng)力，以達(dá)到改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象；也可以通過選擇低吸濕性環(huán)氧樹脂、加大填料含量、提高封裝樹脂的交聯(lián)反應(yīng)密度來降低封裝樹脂的吸濕性，以達(dá)到改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象；還可以通過使用對芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好粘接性能的環(huán)氧樹脂、偶聯(lián)劑以及粘接劑，選擇適當(dāng)?shù)拿撃┓N類，并盡可能減少脫模劑的使用量，來提高封裝樹脂的粘接性能，以達(dá)到改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象。當(dāng)然，導(dǎo)致PKG內(nèi)部分層的原因也很復(fù)雜，不僅要從封裝樹脂角度來研究，還要從優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計、框架的設(shè)計、封裝工藝的改善等諸多因素，進(jìn)行綜合分析與研究，才能有效的減少或者避免PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象的發(fā)生。