符合环保要求的半导体封装概述

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1、符合环保要求的半导体封装概述 1环境立法背景 符合环保要求的半导体封装概述 1环境立法背景 2002 年 10 月 11 日欧盟立法通过两大环境保护法案废弃电子电机设备(Waste Electrical and Electronic Equipment，WEEE)以及有毒物质禁制令(Restriction of Hazardous Substances, RoHS)。这两个法案从 2006 年 7 月 1 日起开始在整个欧盟内施行， 适时法案所规定的有害物质将全面受到限制。 届时输欧的电子、 电机产品皆必须符合该标准。 WEEE 法案 WEEE 法案 WEEE 是关于废弃电子、电机产品的回收再

2、利用 规定范围包括电子产品和部件（印刷电路板、电池、含汞组件、阴极射线管等等） RoHS 法案 RoHS 法案 限制铅、汞、镉、六价铬的使用，以及 限制多溴联苯(PBB)或多溴连苯醚(PBDE)成分阻燃剂的使用。 WEEE 和 RoHS 法案关注两方面的问题：一是产品当寿命终了时是否可回收，二是对一些有害 元素及化合物的限制。对半导体封装来讲，最主要的还是对有害成分的控制。 虽然，这些法案还没有对现时的产品产生作用，但在日本，很多公司已经提前执行这两个法 案的要求。根据日本电器产品再生条例，铅成分必须是可以回收的。此外，在废物处置和公 共卫生法案、废水处理法案中，对于铅和其他有害物质都有了非常

3、严格的规定。与此同时， 很多日本的整机制造商投入相当大的力度发展环保产品， 并将此作为重要的市场战略。 这些 公司的行动已经不再停留在环保政策和产品计划层面。松下电器MINI DISC PLAYER的成功就 已经说明了环保产品是可以成为一个强有力的市场武器，同时更可以创造新的市场。此外， Sony， Fujitsu， NEC 和 HITACHI早在2002年以前都起草了公司内部的环保产品发展路线图。 最近，这些公司联合起来成立了一个协会组织，GPSSI (Japan Green Procurement Survey Standardization Initiative)，该组织成立的目的就是统

4、一“绿色”电子电器产品的标准 并提供相应的评价工具。日东电工也将成为该组织的成员。 2什么是“绿色”半导体器件（GREEN PACKAGE）? 2什么是“绿色”半导体器件（GREEN PACKAGE）? 作为一个 green package, 必须同时满足两个条件：一是器件封装内部的有害物质含量符合 环保标准，二是半导体器件必须可以满足装配流程环保的要求。 21 对封装内部有害物质的限制 21 对封装内部有害物质的限制 根据上面提到的法案， “绿色”半导体器件在制造的过程中，主要对铅、溴、氯、锑四种物 质成分的使用进行限制。虽然，对于无铅化、无卤素、无锑化，至今行业内部还没有形成一 致的定量标

5、准。但大多数的半导体器件制造商都比较认同如下的规范。 环保要求 有害物质 含量控制 所涉及的半导体封装内部组件 无铅化 Pb 150C)Copper (T150C)Molding Compound(Alpha 1)Molding Compound(Alpha 2)ppm/Deg C不同材料热膨胀率的差异，也提高了塑封料同芯片、引线框架分层的几率。这种分层也会导 致潮气相关的失效。 50 100 230Temperature (C)Thermal ExpansionSilicon Die42-Alloy L/FNormal Molding CompoundGreen Molding Compou

6、nd在一般的情况下， 应力与潮气共同作用于器件影响半导体器件的耐潮气性。 正如我们在上面 提到的， 温度的升高同时增大了两个因素的影响。 我们来看一下两组相同的 SOP 封装在分别 通过 230C 峰值温度回流焊和 260C 峰值温度回流焊后的 CSAM 图片。 通过 230C 回流焊 的一组器件,塑封料与载片台和芯片几乎没有分层。而通过 260C 回流焊的器件，塑封料 与载片台以及与芯片之间都出现了分层 a) after 230C reflow b) after 260C reflow 5.2 提高器件耐潮气性的技术 5.2 提高器件耐潮气性的技术 为提高再无铅焊接高温下半导体器件的耐潮气性

7、 MSL，有很多种技术。 关键技术 可能的问题 1.憎水型环氧树脂体系 采用新材料所导致的成本上升 改善吸湿 2.提高填料含量 2-1. 低黏度树脂体系 2-2. 填料形状及尺寸分布的改善 2.可能导致成模性的问题（金线 冲弯、载片台倾斜、空洞） 2-1低黏度树脂所导致的黏模 2-2新的填料体系导致的成本上 升 1.改善偶联剂以改善化学粘结 可能导致粘模 2.提高塑封料润湿性能， 以增强物理 粘结 3.蜡成分的减少 回流焊温度下的粘结力 的提高 4.采用高 Tg 值树脂体系 所采用的高 Tg 值树脂体系同时有 很强的吸湿 1.提高填料与树脂的结合力 可能影响储藏时间 回流焊温度下塑封料强 度的

8、提高 2. 采用高 Tg 值树脂体系 所采用的高 Tg 值树脂体系同时有 很强的吸湿 1.要求采用低 Tg 值的树脂体系 2.要求采用新的催化剂 3.较低的填料含量 导致吸潮加剧 回流焊温度下塑封料弹 性模量的降低 4.低模量剂的改善 为提高器件的耐潮气性， 降低塑封料的CTE， 特别是2， 以降低应力， 是一种很有效的方式。 日东电工所推出的环保塑封料GE-7470系列的CTE基本同硅保持一致， 从而将应温度升高而引 起的内应力减至最低程度。在上面的TMA曲线图中，也给出了GE-7470的TMA曲线。 为降低吸 潮，日东电工的环保塑封料除采用了憎水型树脂体系（联苯） ，提高二氧化硅填料含量。

9、考 虑到填料含量提高可能导致的成模性问题以及弹性模量升高的问题， 在塑封料中采用低黏度 的树脂和改善填料的形状和尺寸分布，以提高流动性，延长胶化时间（gel time）和螺旋流 长度（spiral flow） 。 同时，在日东电工的环保塑封料中，添加全新的偶联剂，以提高塑封料对框架、基板和硅芯 片的粘接。 5.3 更高的可靠性要求 5.3 更高的可靠性要求 装配过程无铅化所带来的挑战， 不仅仅表现在对耐潮气性的影响， 同时还将影响器件的可靠 性试验。常见的可靠性试验项目为： 1)预处理 preconditioning: 吸湿后，过回流焊 (如： 168Hrs 85C/85% RH follow

10、ed by 3 x reflow peak temp of 260C). 2) 高低温循环试验 Thermal cycling. 3) 加速式温湿度试验THB: 1000hrs 85C/85% RH. 4) 高温蒸气压测试PCT (Autoclave, A/C): 96Hrs 121C/85% RH/2 atm. 实验 2） 、3） 、4）都要在与处理后进行。 无铅化回流焊对半导体器件造成的破坏，例如分层， 很容易导致 THB 和 PCT 试验的失效。 水可以导致芯 片表面铝线发生腐蚀。但庆幸的是，只有在连续的 水膜存在的时候，这种腐蚀才可以发生，而单纯的 水汽不会造成类似的问题。如果在器件的

11、内部没有 缺陷的话，水分就不会汇集成膜。但是，如果可靠 性试验中塑封料与硅片之间发生分层的话，潮气就 会沿着缝隙扩散，并在分层区域聚集，最终形成连续的水膜。 某些化学成分是导致铝线腐蚀的直接原因。 氯离子是腐蚀反应的最常见的参与反应物。 在水 膜存在的条件下，铝与氯离子和钠离子发生如下的电化学反应： (Anode Side) 3Cl(Anode Side) 3Cl- - 3/2 Cl 3/2 Cl2 2 + 3e + 3e- - Al + 3/2CLAl + 3/2CL2 2 AlCl AlCl3 3 AlClAlCl3 3 + 3H2O Al(OH) + 3H2O Al(OH)3 3 + 3

12、H +3Cl + 3H +3Cl- - (Cathode Side) 3Na(Cathode Side) 3Na+ + + 3e + 3e- - 3Na 3Na + 3H 3Na 3Na + 3H2 2O 3NaO 3Na+ + + 3OH + 3OH- - + 3/2 H + 3/2 H2 2 Al + 3OHAl + 3OH- - Al(OH) Al(OH)3 3 + 3e + 3e- - 腐蚀反应生成氢氧化铝， 同时再度放出自由电子， 并以氯离子形式存在， 使得反应循环进行， 直至水分被消耗掉。 大多数的塑封料中都含有自由离子，这样，只要封装内的水分满足了反应所必需的条件时， 铝线的腐蚀

13、就会发生。因此，降低塑封料中的杂质离子，从而提高器件可靠性，也成为研究 环保塑封料的主要课题。就是我们下面要提到的无卤素 6. 无卤素 6. 无卤素 无卤素的课题包含去除塑封料中的 Br 和 Cl。 其中溴的来源是我们在无梯化章节中所提到的溴化树脂与 Sb2O3共同组成的阻燃体系。 而氯的来源则是环氧树脂工业的生产过程。 通过阻燃体系的更新，和环氧树脂生产的改进。塑封料中的卤素含量可以降到较低的水平。 例如，在日东电工的环保塑封料中，氯的含量可以控制在 10ppm以下。 7. 结论 7. 结论 虽然，半导体行业的环保努力已经持续多年，但距离 WEEE 和 RoHS 的最后期限时间仍然 显得紧迫，为达到 JEDEC J-STD-020B（2002 年 7 月 JEDEC 和 IPC 共同制定的无铅化）L1 目标，需要行业共同的努力和更多的协作，包括设计公司、封装商、晶圆厂和日东电工这些 材料制造商。