環(huán)氧塑封料的性能和應(yīng)用研究
(佛山市億通電子有限公司, 廣東 佛山 ，528251)
摘 要：介紹了環(huán)氧塑封料的國內(nèi)外發(fā)展概況，著重論述了其物理性能、機(jī)械性能、熱性能、導(dǎo)熱性能、電性能、化學(xué)性能、阻燃性能、貯存性能、封裝性能，以及應(yīng)用中封裝工藝、缺陷的解決辦法，并就發(fā)展前景發(fā)表了自己的看法。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧塑封料，性能，封裝，缺陷
中圖分類號：TQ323.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-353X(2005)07-0043-04
1 前言
本世紀(jì)50年代，隨著半導(dǎo)體器件、集成電路的迅速發(fā)展，陶瓷、金屬、玻璃等封裝難以適應(yīng)工業(yè)化的要求，而且成本高。人們就想用塑料來代替上述封裝，美國首先開始這方面的研究，然后傳到日本，到1962年，塑料封裝晶體管在工業(yè)上已初具規(guī)模。日、美等公司不斷精選原材料和生產(chǎn)工藝，最終確定以鄰甲酚環(huán)氧樹脂為主體材料而制成的環(huán)氧塑封料。目前環(huán)氧塑封料主要生產(chǎn)廠家有日東電工、住友電木(包括新加坡、蘇州分廠)、日立化成、松下電工、信越化學(xué)、臺灣長春（包括常熟分廠）、臺灣葉緒亞、臺灣長興大陸昆山工廠、東芝、DEXTER、HYSOL、PLASKON、韓國三星、韓國東進(jìn)等生產(chǎn)廠家。在我國大陸半導(dǎo)體封裝材料的開發(fā)經(jīng)歷了酚醛樹脂、硅酮樹脂，1，2一聚乙丁二烯以及有機(jī)硅改性環(huán)氧等幾個階段后，最終形成以鄰甲酚環(huán)氧樹脂為主體材料的環(huán)氧塑封 料。其成分主要以環(huán)氧樹脂為主體材料，酚醛樹脂為固化劑，外加填料、脫模劑，阻燃劑、偶聯(lián)劑、著色劑、促進(jìn)劑等助劑，通過加熱擠煉以得到B階段的環(huán)氧塑封料，然后通過高溫低壓傳遞來封裝分立器件、集成電路。我國大陸主要生產(chǎn)廠家有連云港華威電子、中科院化學(xué)所、佛山市億通電子、浙江黃巖昆山工廠、成都奇創(chuàng)、無錫化工設(shè)計(jì)院、無錫昌達(dá)和寧波等。它作為新一代的非氣密性封裝材料，與氣密性金屬、陶瓷封裝相比，便于自動化，提高封裝效率，降低成本。它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工藝方便、耐化學(xué)腐蝕性較好、電絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為半導(dǎo)體分立器件、集成電路封裝的主流材料，得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)階段環(huán)氧塑封料封裝已占整個封裝的90%以上，全球年用量8-11萬噸，國內(nèi)2-3萬噸。
2 性能
環(huán)氧塑封料具有物理性能、機(jī)械性能、熱性能、導(dǎo)熱性能、電性能、化學(xué)性能、阻燃性能、貯存性能及封裝性能。
2.1 未固化物理性能
① 顏色。根據(jù)用戶需要，環(huán)氧塑封料可制成各種不同顏色，一般使用黑、紅、綠三種顏色，其中黑色最為常見。
② 流動長度。塑封料在凝膠化時間，規(guī)定溫度（175±2℃）、壓力下物料在流動模內(nèi)流動的路徑，它反映環(huán)氧塑封料在成型模具內(nèi)的充填性能，一般要求在40-110cm范圍內(nèi)。
③ 凝膠時間。環(huán)氧塑封料在一定溫度（175±2℃）從B階段轉(zhuǎn)變到C階段初期，使塑封料從熔融流動狀態(tài)到不熔不溶非流動狀態(tài)的時間，它反映環(huán)氧塑封料在成型時的充填時間，一般要求在 10-30s范圍，少數(shù)要求更長的凝膠時間。
④ 熔融粘度。環(huán)氧塑封料在一定溫度（150±1℃）的熔化粘度。它可以用日本島津流動儀測定。通常情況，熔融粘度大，流動長度小；熔融粘度小，流動長度大，不同的半導(dǎo)體分立器件、集成電路，應(yīng)用合適的熔融粘度，否則會引起其它不良情況，如非邊、沖斷金絲等。
2.2 固化后性能
2.2.1 固化物理性能
① 比重：采用玻璃鋼比重試驗(yàn)方法。它主要與填充料有關(guān)，通常結(jié)晶型填料的比重大于熔融型填料的比重。②熱硬度：通常在規(guī)定溫度、規(guī)定時間內(nèi)固化后取出立即測肖氏硬度。它反映了環(huán)氧塑封料在成型模具中，在一定溫度下由B階段到C階段初期即凝膠后的表面性能和強(qiáng)度，它與配方有關(guān)，此外與溫度和時間也有關(guān)系。
2.2.2 機(jī)械性能
① 彎曲強(qiáng)度：它取決于環(huán)氧樹脂、固化劑及填料的配方設(shè)計(jì)。表面處理過的填料，彎曲強(qiáng)度增大。另外，與生產(chǎn)工藝也有密切關(guān)系，它反映環(huán)氧塑封料的抗彎曲能力。此外，熱彎曲強(qiáng)度反映了環(huán)氧塑封料快速成型起模的抗彎曲能力，表現(xiàn)材料的熱脫模強(qiáng)度。②沖擊強(qiáng)度：它反映材料的韌性。環(huán)氧塑封料韌性好能極大提高環(huán)氧塑封料的封裝工藝性能。③ 彎曲模量：它可以與彎曲強(qiáng)度同時測定，彎曲模量大，材料脆性大，反之，材料脆性小，它與原材料的選取、生產(chǎn)工藝及交聯(lián)密度有關(guān)。
2.2.3 熱性能
① 玻璃化溫度：它取決環(huán)氧樹脂及固化劑的配比，另外，生產(chǎn)工藝、促進(jìn)劑對玻璃化溫度影響很大。通常環(huán)氧塑封料的成型溫度控制在玻璃化溫度附近，它反映環(huán)氧塑封料的耐熱性能。② 線膨脹系數(shù)：環(huán)氧塑封料主體成分確定后，它取決填料種類、含量及某些改性添加劑。環(huán)氧塑封料的線膨脹系數(shù)越小越好，這樣，線膨脹系數(shù)接近芯片等材料的線膨脹系數(shù)以降低熱應(yīng)力，減小鈍化層開裂，鋁布線位移及斷裂。
2.2.4 導(dǎo)熱性能[1]
導(dǎo)熱系數(shù)環(huán)氧塑封料的導(dǎo)熱性能,導(dǎo)熱系數(shù)越大, 散熱越好，它主要取決于樹脂基體、填料的種類及含量。隨著TO－3P和TO－220全包封封裝出現(xiàn)，對環(huán)氧塑封料導(dǎo)熱性能要求更高。如果環(huán)氧塑封料導(dǎo)熱性能不好，會引起器件表面開裂，因此，必須提高環(huán)氧塑封料的導(dǎo)熱性能。
2.2.5 電性能
反映環(huán)氧塑封料絕緣性能主要指標(biāo)有體積電阻率、表面電阻率、介電常數(shù)、介電損耗、耐電弧性、擊穿強(qiáng)度，它取決于原材料的純度，此外與生產(chǎn)工藝有關(guān)。
2.2.6 化學(xué)性能
環(huán)氧塑封料通過萃取分離，主要測定PH值、 Cl－、Na+。其中Cl－ 、Na+尤為重要，應(yīng)盡量減少它們的含量，它們的存在會使分立器件及集成電路在高溫潮濕環(huán)境中引起芯片上鋁布線的電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致失效。
2.2.7 阻燃性能
環(huán)氧塑封料要求UL－94達(dá)到FV－O，環(huán)氧塑封料必須加阻燃劑，否則阻燃性能達(dá)不到FV－O，同時應(yīng)注意阻燃劑的純度，否則會有副作用產(chǎn)生。
2.2.8 貯存性能
由于環(huán)氧塑封料是單組分體系，高溫環(huán)境下會加速自身的固化，導(dǎo)致凝膠時間、流動性的降低，影響封裝，因此必須低溫貯存。
2.2.9 封裝性能（在應(yīng)用部分詳述）
3.1 封裝工藝
器件工藝一般包括劃片、裝片、鍵合、封裝、切筋、鍍錫、器件篩選、測試、打印、包裝等工序，其中封裝工序尤為重要，它一般分為以下幾個步驟。
① 醒料。由于環(huán)氧塑封料必須低溫貯存，因此它從冷庫取出時，為了防止吸潮，使用前必須讓環(huán)氧塑封料恢復(fù)到室溫。如果生產(chǎn)廠家提供的是餅料，就可以直接供注塑成型使用。
② 預(yù)成型。為了便于高頻預(yù)熱和便于注塑操作，醒料后的粉料必須預(yù)成型。根據(jù)生產(chǎn)需要確定預(yù)成型規(guī)格（直徑和重量）以免浪費(fèi)。預(yù)成型時必須注意餅料密度及環(huán)境溫濕度。
③ 高頻預(yù)熱。預(yù)熱對注塑成型很重要，預(yù)熱過頭，料流不到頭，造成封不滿，反之會造成溢料、粘模。因此預(yù)熱要恰當(dāng)以使預(yù)熱后的餅料應(yīng)保證用手輕輕一捏就可變形，但不能因自重而變形。
④ 注塑成型。含有分立器件或集成電路的框架裝上模具后合模，接著將預(yù)熱好的餅料放入料簡，加壓使物料充滿模腔固化，然后起模、清模，通常環(huán)氧塑封料的注塑條件為：預(yù)熱溫度85-95℃；預(yù)熱時間20-35s；模具溫度150-220℃；注塑壓力25-100kg/cm2；注塑時間10-40s；固化時間15-120s。
此外，模具設(shè)計(jì)要合理，一定要具備排氣孔，以便注塑壓力下進(jìn)入模腔的空氣及時逸出，同時排氣孔必須很小，以防止塑封料經(jīng)其溢出，堵塞排氣孔?？傊?，模具達(dá)不到要求，工藝再好也難盡人意。
⑤ 后固化。塑封料在注塑成型過程中還沒有完全交聯(lián)固化，因此必須通過后固化，使其固化充分。這一步對提高塑封料的物理性能和電性能極為重要。后固化溫度應(yīng)與塑封料的玻璃化溫度相當(dāng)。后固化時間根據(jù)實(shí)際情況而定，通常后固化溫度為175℃，固化時間為4-8h。
3.2 封裝性能
環(huán)氧塑封料在實(shí)際應(yīng)用過程中，為保證分立器件和集成電路的可靠性和合格率，對環(huán)氧塑封料的封裝性能提出了更高要求。
② 填充性：環(huán)氧塑封料必須充滿整個模具，否則會造成封不滿，這里有兩種情況：一是物料不能流到流道未端，造成未端管子沒有被包；二是管子有一部分沒被包封。這兩種情況都不能出現(xiàn)。環(huán)氧塑封料的填充性與流動長度、凝膠化時間、熔融粘度有關(guān)，而且與封裝工藝也有密切關(guān)系，二者相輔相成，否則會影響生產(chǎn)效率，對管子性能有影響。
③ 溢料、非邊：環(huán)氧塑封料注塑成型后，半導(dǎo)體分立器件和集成電路的引線管腳上產(chǎn)生溢料和非邊，它是衡量環(huán)氧塑封料好壞的一個重要依據(jù)。溢料和非邊也是不可避免的，少量的溢料和非邊是正常的。溢料和非邊太重，會損傷模具，而且也會影響后道工序?？傊?，盡量做到溢料、非邊越少越好。
④ 氣孔：環(huán)氧樹脂、固化劑和添加劑中含有小分子易揮發(fā)物，因此環(huán)氧塑封料中必然含有易揮發(fā)小分子，它在注塑成型后易使器件和集成電路本體表面產(chǎn)生氣孔。而且，預(yù)成型時餅料中夾有空氣，也能產(chǎn)生氣孔。對于環(huán)氧塑封料來說，含有少量揮發(fā)物一般不會產(chǎn)生氣孔，餅料密度適當(dāng)也能避免氣孔。當(dāng)然模具設(shè)計(jì)也要合理，排氣要通暢，避免堵塞，以杜絕氣孔的產(chǎn)生。
3.3 缺陷的解決辦法[3]
產(chǎn)生封裝缺陷的原因很多，主要有環(huán)氧塑模料、封裝工藝、模具、壓機(jī)等。本文著重介紹以下幾種缺陷及其改進(jìn)方法，并對器件內(nèi)部質(zhì)量提出改進(jìn)措施。
①脫模性差。首先在環(huán)氧塑封料改進(jìn)方面，必須優(yōu)選脫模劑，改進(jìn)配比，提高自身的脫模性；在封裝工藝方面適當(dāng)提高模溫，延長固化時間，此外，增加模具型腔工藝斜度的合理性。
② 氣孔和砂眼。純化原材料，降低環(huán)氧塑封料中易揮發(fā)物的含量，減少水分，同時避免水分的吸入。在工藝方面，可以適當(dāng)降低注塑慢速，提高模具溫度，使物料慢慢流進(jìn)流道，以使型腔空氣全部通過排氣槽排出。在模具設(shè)計(jì)方面，可以增加型腔口，保證料槽終點(diǎn)的排氣槽料斗空間應(yīng)是實(shí)際體積的1.2-1.3倍，同時經(jīng)常清洗排氣槽。
③ 填充性差（封不滿）。在環(huán)氧塑封料方面，主要是精選環(huán)氧樹脂、固化劑、填料等原材料，改善配比，提高其流動性，降低熔融粘度，在封裝工藝方面，可以提高注塑壓力，增大注塑慢速，降低模具溫度。
④ 溢料和非邊。在環(huán)氧塑封料方面，可以精選原材料，改變配比，降低凝膠化時間，提高固化速度，在封裝工藝方面可以改變預(yù)熱時間，提高合模壓力，減小注塑壓力，此外，模具上下模設(shè)計(jì)要匹配，減小縫隙。
⑤ 塑封件內(nèi)部質(zhì)量問題——引線位移或斷開。此問題必須避免，首先要改進(jìn)環(huán)氧塑封料，主要是精選原材料，改進(jìn)環(huán)氧塑封料的流動性，降低熔融粘度；在封裝工藝，可以增加模溫，降低注塑壓力，同時降低注塑料慢速。
4 發(fā)展前景[2]
近年來，半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步迅速，通過采用大型化芯片，布線微細(xì)化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，同時，為配合高密度封裝，出現(xiàn)了SMD工藝，使封裝向小型化、薄型化發(fā)展，另一方面，還出現(xiàn)了多引線的大型封裝，以滿足半導(dǎo)體的高功能化和高集成化。以DRAM為例，從1976年的16K到1994年的64M，線寬從3μm縮小到0.4μm。目前256M 線寬0.25μm的DRAM已研制完成并已應(yīng)用，近來據(jù)報道千兆位級線寬0.2μm的DRAM實(shí)驗(yàn)已研制成功。為滿足半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展需要，對環(huán)氧塑封料提出了更高的要求，即低應(yīng)力化、高導(dǎo)熱、低α射線、耐濕耐熱性、高純度、耐浸焊性等，為此，除優(yōu)化環(huán)氧塑封料的配方設(shè)計(jì)外，還應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：① 提純原材料,尤其是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂，同時減少原材料水分，以降低環(huán)氧塑封料的Na+和Cl－，減少對器件的腐蝕。② 環(huán)氧塑封料中的鈾、釷能釋放α射線，使器件產(chǎn)生軟誤差，它主要來自SiO2,因此，除選用低鈾、釷的SiO 2礦石外，還可合成SiO2。此外，通過涂覆聚酰亞胺等表面保護(hù)膜也能預(yù)防α射線的幅射。③ 精選改性劑，以降低線膨脹系數(shù)和模量E，同時提高環(huán)氧塑封料與引線框架、芯片的粘附力。④ 加速導(dǎo)熱填料的調(diào)研試制，提高環(huán)氧塑封料的導(dǎo)熱性，提高導(dǎo)熱性能。⑤ 進(jìn)一步選用適合激光打印的脫模劑等助劑，改善器件的表面性能，以提高可激光打印性。 ⑥ 積極開發(fā)無需后固化的環(huán)氧封裝材料，以提高器件生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)效率。⑦ 積極開發(fā)綠色環(huán)氧塑封料產(chǎn)品。
總之，我們只有不斷開發(fā)和改進(jìn)環(huán)氧塑封料，才能滿足半導(dǎo)體器件的可靠性。同時，應(yīng)積極探索新型塑封材料，以適應(yīng)不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工業(yè)的需要。
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