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标题: 电子元件的塑封和电子级环氧模塑料（五） [打印本页]

作者: pjh02032121 时间: 2015-7-23 13:35
标题: 电子元件的塑封和电子级环氧模塑料（五）
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五、电子级环氧模塑料固化物的性能及应用

为了适应半导体工业的飞速发展，环氧模塑料也不断地进行改进与提高。为了满足提高劳动生产率的要求，出现了快速固化型环氧模塑料及不后固化模塑料，最快成型时间达到20s；后固化时间从2h缩减到不后固化；为了满足大功率器件对散热的要求，产生了高热导型模塑料；为了满足大规模集成电路的封装要求，产生了低应力及低α射线型模塑料；为了满足表面安装技术（SMT）的要求，又出现了低膨胀型、低吸水、高耐热型模塑料；为了满足球栅阵列封装（PBGA）的要求，出现了高玻璃化转变温度（Tg）、低翘曲率、高粘接强度模塑料。显然，模塑料今后也必将随着集成电路及半导体工业的发展而不断发展。各种电子级环氧模塑料固化物的性能和应用如下：
1.普通型
美国莫顿（Morton）公司首先推出邻甲酚醛环氧模塑料Polyset410B，属于普通型环氧模塑料。由于各模塑料生产厂家及研究机构不断研究提高，模塑料的性能已经有很大改进，尤其是可靠性及工艺成型性方面有很大提高。普通型环氧模塑料所用填料主要有两类：结晶型二氧化硅粉和熔融型二氧化硅粉。环氧模塑料的填料全部采用结晶二氧化硅微粉时。其性能特点是热导较高，线膨胀系数较大，成本较低。主要用来封装分立器件如三极管、二极管和中小规模集成电路。其典型产品如：中科院化学所的KH407—3、日本住友的EME—1200系列、日.东的MP—3500等。其主要典型性能见表5-21。
环氧模塑料的填料采用熔融二氧化硅微粉时，其性能特点是线膨胀系数小。热导率较低，成本相对较高。主要用于大规模集成电路及大尺寸分立器件。其典型产品如：中科院化学所的KH407—1、日本住友的EME—1100、日东的HC—10—Ⅱ型。典型性能见表5-23。

2.快速固化型
近年来，为了降低成本，提高劳动生产率，特别是出现了多柱头自动模具（AUTO—MOLD）封装之后，要求一个封装周期为30～50s，有的甚至要求缩短至20s左右。为了适应这种要求，研制生产出了快速固化型环氧模塑料。其性能特点为快速固化，凝胶化时间为13～18s。可以减少操作时间，还能保证产品的可靠性要求。
3.无后固化型
为了提高劳动生产率，提高竞争力，要求不进行后固化，仍保证材料的耐湿性和耐热冲击性。为了适应这种要求，通过采用特殊的固化促进剂，研制生产出无后固化型环氧模塑料。其性能特点见图5-10。

4.高热导型
为了满足大功率分立器件、高热量器件、特别是全包封分立器件对热导的较高的要求，研制出了高热导型环氧模塑料。主要采用结晶型二氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硅等高热导填料，应用高填充技术而制备的。其典型产品如：中科院化学所的KH407—5系列、日本住友的EME—5900HA、日东的MP—4000系列等。典型性能见表5-23。
5.低应力型
构成半导体器件的材料很多，如硅晶片、表面钝化膜、引线框架等，它们的热膨胀系数较小，与环氧塑封料的热膨胀系数相差很大。加热固化时，因热膨胀系数的不匹配使器件内部产生应力。模塑料产生的应力主要有两种：模塑料固化时产生的收缩应力及温度变化时产生的热应力。据研究，后者是占支配地位的。随着集成度的增加，集成电路逐渐向芯片大型化、铝布线微细化、封装薄型化方向发展，热应力问题逐渐变得愈来愈尖锐。热应力的存在会导致：塑封料开裂；表面钝化膜开裂，铝布线滑动，电性能变坏；界面处形成缝隙，耐湿性恶化。热收缩产生的内应力可以用Dannenberg公式表示：

式中，K为常数；E为塑封料的弹性模量；Tg为塑封料的玻璃化转变温度；α1为塑封料的热膨胀系数；α2为插人物的热膨胀系数。因为半导体芯片及引线框架等的线膨胀系数远小于塑封料的线膨胀系数，由上式可知，要降低内应力，必须降低封装材料的弹性模量E、线膨胀系数α和玻璃化转变温度Tg。减小弹性模量及塑封料与插入物的热膨胀系数之差，或降低Tg都可以降低热应力，但降低Tg是不可取的，因为Tg降低会使塑封料在高温下机械性能和电性能下降。为了在不降低Tg的情况下降低弹性模量E和线膨胀系数α，常用的方法是增加填充料的含量和加入低应力改性剂。
增加填料的含量可有效地降低封装材料的α值，使用球形熔融硅粉，其填充量可大量增加，填料含量可达到75%～80%。同时，球形粉末还可缓和填料尖端处所造成的应力集中；减少封装材料在模具内的磨损等。试验表明，若以角形硅粉为1，则球形的集中应力比为0.6以下。模具磨损比为0.1以下。
添加低应力改性剂可同时降低E，α又不影响Tg。开始使用的是与树脂不相容的硅橡胶、硅油等，属于机械分散式的海岛结构。该法改性剂易渗出，使封装器件出现斑痕并污染模具。最近则采用改性剂与树脂直接反应，形成微细均匀的分散。所用改性剂多为有机硅。两种方法相比，后面的方法在E相同的情况下，模塑料的弯曲强度较高，从而提高了耐热冲击性能。
综合国外的专利文献，制备有机硅改性剂的基本路线主要有三种：
（1）预制法即预先用乳液聚合法或其它方法制成硅橡胶粉末，然后将硅橡胶粉末均匀地分散在基体树脂中。此法的缺点在于目前还难于合成粒度≤1μm的硅橡胶粉末和难以达到塑封料的高纯度要求。
（2）共混法此法是采用高分子分散剂和特定的加工工艺，将硅橡胶细粉分敞在基体树脂中，可形成具有海岛结构的稳定二相体系。若高分子分散剂、加工方法和工艺条件选择适当，硅橡胶微区尺寸可≤1μm甚至更小。
（3）嵌段或接枝共聚法通过带活性基团的聚硅氧烷与基体树脂进行化学反应生成嵌段或接枝共聚物，这些共聚物与基体树脂形成微相分离的高分子合金。如此形成的有机硅微区的尺寸较小（≤0.5μm），其改性效果可能会更好。本法的难点在于硅氧烷上官能团的引进和共聚反应的控制，难度与工作量都较大。
低应力产品已经成为封装大规模集成电路的主要产品，其典型产品为日本住友的EME—6300系列、中科院化学所的KH850、KH930系列产品。其典型性能见表5-24。
6.低α射线型
1978年Intel公司T.C.May等人发现封装材料中的放射性元素放出的α射线，会使集成电路中存储的信息破坏，集成电路不能正常工作，产生软误差。塑封16M以上存储器时，由于放射a射线使器件产生软误差的问题会变得十分尖锐。放射性元素主要来自填充料SiO2。解决的方法一是寻找低铀矿石，另一种方法是合成硅粉。目前国外已有化学合成法制备的球形硅粉，产品铀含量在0.2×10-9以下，但价格较高。国外大规模生产的4M DRAM芯片封装材料的填料是用低铀矿石制备的熔融球形SiO2，也有采用聚酰亚胺表面钝化膜防止α射线影响芯片。

7.低膨胀型
由于集成电路向超大规模和特大规模集成电路的方向发展，集成度迅速增加，铝布线宽度越来越窄，芯片面积越来越大，外形向小型化、薄形化方向发展。安装方式由双列直插向表面安装（SMT）方向发展，封装形式从DIP向SOP（SOJ）、SSOP、QFP、TQFP方向发展，由于封装形式不同，对材料的性能要求也不尽相同。对环氧塑封料提出了更高的要求。若用传统的塑封料封装超大、特大规模集成电路，会明显影响塑封集成电路的可靠性。所以，为了满足超大、特大规模集成电路的封装要求，必须对环氧塑封料的配方进行重新设计，降低塑封料的线膨胀系数、降低熔融黏度、提高耐热性、提高耐潮性。目前，低膨胀型模塑料广泛采用新型树脂体系，环氧树脂大部分采用联苯型环氧树脂（Biphenyl）及聚双环戊二烯型环氧树脂（DCPD），其共同特点是熔融黏度很低，可以填充大量填料，而黏度不会有大幅提高。填充料采用熔融球形二氧化硅微粉，采用高填充技术，填充量可以达到85%以上，甚至达到90%以上，线膨胀系数可以降到（8～9）×10-6℃左右。由于广泛采用了新型的二氧化硅微粉界面处理技术，模塑料的耐潮性及耐热性都有很大提高。其典型产品如：中科院化学所的KH—950系列、日本住友的EME—7351系列产品，其典型性能见表5-24。
8.低翘曲型
伴随着半导体产品的高度集成化、高密度贴装的要求，各类集成电路的精密化程度越来越高，并且引脚数也在不断增加。在以往的四边扁平封装（QFP）装配时，由于引脚数增多，引脚间距变得越来越小，使得焊接变得非常困难，表面贴装时经常会发生故障，如散热问题、焊接连桥等，这些都是现行四边引脚封装所不易克服的缺陷。为了解决装配中的这些问题，美国Motorola公司在20世纪70年代开发出了新型的球栅阵列封装（BallGridArray），简称BGA。这种封装概念源于美国Motorola公司OMPAC（Over-MoldedPadArray Carrier），如图5-11所示。
与PGA不同的是，BGA是用焊料球代替引脚，因而适合于表面安装。由于在封装外壳上焊料球呈阵列分布，与PLCC、QFP等封装的周边排列方式相比，BGA具有更高的输入和输出（I/O）密度。其突出优势是引脚更短，从印制电路板（PCB）到封装以及从外部I/O到器件焊点有最短的互连长度；其焊料球与PCB板的接点面积更大，引线间电容、引线电感特性良好，使电气性能得到提高。
BGA无论是从组装的难易度以及组装面积的缩小还是到组装速度的高速化，都显示出较强的优势。
根据JEDEC标准，BGA引脚节距有三种规格：1.5mm、1.27mm和1.00mm，引脚数可超过1000。从图5-12可以看出，当引脚数超过150pin时，BGA与QFP相比显示出了明显的优势。
表5-25、表5-26列出了BGA与QFP的比较和它自身的优缺点。

塑料封装球栅阵列（PBGA）是一种出现时间很短，但发展非常迅速，有很大应用前景的集成电路封装形式。这种新型的封装形式，对所用的环氧模塑料提出了新的、更高的性能要求。由于这种封装的不对称性，容易产生翘曲。所以要求塑封料具有低翘曲度，高粘接性能。多采用多官能团环氧树脂作为基体树脂，酚醛树脂为固化剂，叔胺为促进剂，熔融球形二氧化硅为填料，还有改性剂、阻燃剂、脱模剂、着色剂等组份组成。其性能特点是低膨胀、高Tg、高粘接强度、低翘曲率，国外很多厂家都已经研制出来，并且已经规模生产。其典型产品如：日本住友的EME—7720、中科院化学所KH960系列等，典型性能见表5-24。

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