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1、LED的封装使用环氧树脂。半导体封装业占据了国内集成电路产业的主体地位，如何选择电子封装材料的问题显 得更加重要。根据资料显示，90%以上的晶体管及70%80%的集成电路已使用塑料封装材料，而环氧树 脂封装塑粉是最常见的塑料封装材料。本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍，希 望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助1封装的目的半导体封装使诸如二极管、晶体管、IC等为了维护本身的气密性，并保护不受周围环境中湿度与温度 的影响，以及防止电子组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下 列几点：(1) 防止湿气等由外部侵入；(2) 以机械
2、方式支持导线；(3) 有效地将内部产生的热排出；(4) 提供能够手持的形体。以陶瓷、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，适用于可靠性要求较高的使用场合。 以塑料封装的半导体组件的气密性较差，但是成本低，因此成为电视机、电话机、计算机、收音机等民用 品的主流。2封装所使用的塑料材料半导体产品的封装大部分都采用环氧树脂。它具有的一般特性包括：成形性、耐热性、良好的机械强 度及电器绝缘性。同时为防止对封装产品的特性劣化，树脂的热膨胀系数要小，水蒸气的透过性要小，不 含对元件有影响的不纯物，引线脚(LEAD)的接着性要良好。单纯的一种树脂要能完全满足上述特性是很困 难的，因此大多数树脂中均
3、加入填充剂、偶合剂、硬化剂等而成为复合材料来使用。一般说来环氧树脂比 其它树脂更具有优越的电气性、接着性及良好的低压成形流动性，并且价格便宜，因此成为最常用的半导 体塑封材料。3环氧树脂胶粉的组成一般使用的封装胶粉中除了环氧树脂之外，还含有硬化剂、促进剂、抗燃剂、偶合剂、脱模剂、填充 料、颜料、润滑剂等成分，现分别介绍如下：3. 1 环氧树脂(EPOXY RESIN)使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、环状脂肪族环氧树脂 (CYCLICALIPHATIC EPOXY).环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树脂必须含有较低的离子含量，
4、以 降低对半导体芯片表面铝条的腐蚀，同时要具有高的热变形温度，良好的耐热及耐化学性，以及对硬化剂 具有良好的反应性。可选用单一树脂，也可以二种以上的树脂混合使用。3. 2 硬化剂(HARDENER)在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联(CROSSLINKING)作用的硬化剂可大致分成两类：(1) 酸酐类(ANHYDRIDES);(2) 酚树脂(PHENOLICNOVOLAC)。以酚树脂硬化和酸酐硬化的环氧树脂系统有如下的特性比较：弗以酚树脂硬化的系统的溢胶量少， 脱模较易，抗湿性及稳定性均较酸酐硬化者为佳；以酸酐硬化者需要较长的硬化时间及较高温度的后硬 化(POSTCURE) ； 弗以酸酐硬化者对
5、表面漏电流敏感的元件具有较佳的相容性；费以酚树脂硬化者在 150-175C之间有较佳的热稳定性，但温度高于175(2则以酸酐硬化者为佳。硬化剂的选择除了电气性质之外，尚要考虑作业性、耐湿性、保存性、价格、对人体安全性等因素。3. 3 促进剂(ACCELERATO OR CATALYST)环氧树脂封装塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)约在90-180秒之间，必须能够在短时间内硬化，因此在 塑粉中添加促进剂以缩短硬化时间是必要的。现在大量使用的环氧树脂塑粉，由于内含硬化剂、促进剂，在混合加工(COMPOUNDING)后已成为部分交 联的B-STAGE树脂。在封装使用完毕之前塑粉本身会不断的
6、进行交联硬化反应，因此必须将塑粉贮存于5C 以下的冰柜中，以抑制塑粉的硬化速率，并且塑粉也有保存的期限。如果想制得不用低温保存，且具有长 的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉，则一定要选用潜在性促进剂(LATENT CATALYST)，这种促进剂在室温 中不会加速硬化反应，只有在高温时才会产牛促进硬化反应的效果。目前日本已有生产不必低温贮存的环 氧树脂胶粉，其关键乃在潜在性促进剂的选用。3. 4 抗燃剂(FLAME RETARDANT)环氧树脂胶粉中的抗燃剂可分成有机与无机两种。有机系为溴化的环氧树脂或四溴化双酚 A(TETRABROMOBISPHENOLA)。无机系则为三氧化二锑
7、(Sb203)的粉末。二者可分开单独使用，也可合并使用， 而以合并使用的抗燃剂效果为佳。3. 5 填充料(LILLER)在封装塑粉中，填充料所占的比例最多，约在70%左右，因此填充料在封装朔粉中扮演着十分重要的 角色。3. 5. 1在塑粉中加入适量适质的填充料，具有下列几个目的：1) 减少塑粉硬化后的收缩；2) 降低环氧树脂的热膨胀系数;3) 改善热传导；4) 吸收反应热；5) 改善硬化树脂的机械性质与电学性质；6) 降低塑粉成本。3.5. 2填充料的种类使用于环氧树脂塑粉中的填充料，除了要能改善电绝缘性、电介质特性之外，尚须具有化学安定性及 低吸湿性。一般常用的填充料有以下几种：(1)石英；
8、(2) 高纯度二氧化硅(使用最为广泛)；(3) 氢氧化铝4)氧化铝；(5) 云母粉末；(6) 碳化硅。3. 5. 3 二氧化硅(SiO2,Silica)环氧树脂的热膨胀系数平均约为65X10-6m/cm/C；,比对封装树脂中的金属埋人件的热膨胀系数大 很多。半导体所用的框架(LEAD FRAME)与环氧树脂相差甚远。若以纯树脂来封装半导体元件，由于彼此间 热膨胀系数的差异及元件工作时所产生的热，将会产生内应力及热应力而造成封装材料的龟裂。因此加入 塑粉中的填充料，除了要能减少树脂与金属埋入件间的热膨胀系数外，也要具有良好的导热功能。二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化砖
9、具有较佳的导热性但热膨胀系 数较大，对热冲击的抵抗性差。熔融二氧化硅的导热性质较差，但却拥有较小的热膨胀系数，对热冲击的 抵抗性较佳。表2是熔融性与结晶性二氧化硅充填的环氧树脂胶粉的性质比较，可看出熔融性二氧化硅除 了导热性质较差外，挠曲强度及耐湿性均低于结晶性二氧化硅。此外，填充料用量的多少以及粒子的大小、形状、粒度分布等对于塑粉在移送成形(Transfermolding) 时的流动性，以及封装后成品的电气性质均会造成影响，这些因素在选用填充料时均要加以考虑。3. 6 偶合剂(COUPLIUNG AGENT)在环氧树脂中添加少量的偶合剂，能产生下列作用：增加填充料与树脂之间的相容性与亲和力；
10、增加胶粉与埋人元件间的接着力；减少吸水性；提高挠曲强度；降低成形中塑粉的粘度，改善流动性；改善胶粉的热消散因子(THERMALDUSSIPATION FACTOR)、损失因子(LOSS FAC-TOR)及漏电流(LEAKAGE CURRENT)。3. 7 脱模剂(日 ELEASE AGENT)环氧树脂的粘着性良好，对模具也会产生接着力，而影响加工封装完毕后的脱模，因此加入脱模剂来 改善胶粉与模具之间的脱模能力。一般常用的脱模剂有：腊、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。脱模剂的 种类与用量要视塑粉配方(树脂、硬化剂、填充料)而定。脱模剂的用量要适当，如果用量太少会使脱模不 易；相反，如果用量过多，不
11、但容易污染模具，更会降低胶粉与埋入框架、引线间的粘着力，直接影响到 元件的耐湿性及可靠性。下图为脱模剂添加量与接着力的关系，脱模剂添加愈多，胶粉与埋人件间的接着 力下降也愈多。3. 8 颜料(PIGMENT)通常视成品的颜色来添加颜料。一般的封装胶粉均以碳黑为颜料，因此成品具有黑色的外观。3. 9润滑剂(LUBRICANT)为了增加胶粉在加工成形中的流动性，有时可加入部分润滑剂来降低粘度。 但是此举往往会造成胶粉的玻璃转移温度(Tg GLASS TRANSISTIONTEMPERATURE)的降低及电气特性的劣化， 因此若有需要加入润滑剂，最好选用反应性稀释剂(RE-ACTIVE DILUEN
12、T)，使稀释剂分子能与树脂产生化学 结合，以避免T2及电气特性的劣化。4环氧树脂塑粉的基本特性前面我们已提到一些塑粉所要具备的特性，下面将进一步探讨这些特性。4. 1耐热性4.1.1玻璃转移温度，Tg如果以热劣化性为耐热性的考虑要点，则可以Tg来当做参考值。塑粉的Tg值主要决定于塑粉的交联 密度：Tgl=TgO+k/nc Tgi:交联后的Tg Tg0:未交联前的Tg K：实验常数nc：两交联点前的平均原子 数。交联密度愈高，其Tg值也愈高；耐热性愈佳，热变形温度也愈高。一般封装塑粉的Tg值约在160C 左右，过高的Ts会使成品过硬呈脆性，降低对热冲击的抵抗性。4. 1. 2 Tg的测定测定 T
13、g 的方法很多，目前本所使用热膨胀计(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIAL CANNING CALORIMETRY)、 流变仪(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONAL BRAID ANALYZER)等仪器来测定 Tg 值。4. 2耐腐蚀性由从事塑胶封装电路的故障分析者所提出的故障成因中，以铝条腐蚀(CORROSION OF ALUMINUN METALLIZATION)所占比例最高，因此耐腐蚀性实为封装塑粉的首要考虑因素。4. 2.1腐蚀的成因就环氧树脂塑粉而言，造成铝条腐蚀的主因为塑粉中所含的氯离子及可水解性氯(HYDROLYZABLE CHLORIDE)。当
14、大气中的湿气经由树脂本身及其与引线脚(LEAD)间的界面，扩散进入半导体的内部，这些侵 入的水气会与树脂中的离子性不纯物结合，特别是C1-,而增加不纯物的游动性(MOBILITY)。当这些不纯 物到达晶片表面时，即与铝条形成腐蚀反应，破坏极薄的铝层，造成半导体的故障。4. 2. 2腐蚀的防止(1) 降低不纯物含量对半导体封装业者而言，选择低氯离子含量的封装胶粉是必要的。目前一般塑粉中离子性不纯物的含 量均在10ppm以下。环氧脂由于在合成过程中使用EPICHLOROHYDRIN，因此无法避免有氯离子的存在，因 此树脂要经纯化去除大部分氯离子后，再用来生产封装塑粉。表3为日本厂家的环氧树脂封装胶
15、粉的离子 含量及电导度。(2) 添加腐蚀抑制剂(CORROSION INHIBITOR)在胶粉添加腐蚀抑制剂能减低铝条的腐蚀速率，干扰阳极或阴极的腐蚀反应，因而降低腐蚀全反应 (OVERALL REACTION)的速率。所选用的抑制剂要具有如下的性质：抑制剂中不能含有对电路工作有害的 离子；加入抑制剂后所增加的离子电导度不能产生有害于电路的副反应；抑制剂需能形成错合物 (COMPLEX)；对有机系抑制剂而言，不能与环氧树脂发生反应，在移送面形成硬化过程中具有安定性； 对无机系抑制剂而言，其所产生的离子不可渗入Si或SiO：绝缘层中，以免影响电路的工作。一般以无机系腐蚀抑制剂的效果最佳。其中以钨
16、酸铵(AMMONIUM TUNGSTATE)、柠檬酸钙(CALCIUM CITRATE )为常用。4. 3 低的热膨胀系数(CTE，COEFFICTENT OF THERMAL EXPANSION)在前面我们已经提过由于树脂与埋人件CTE的不同而产生内应力，造成成品破裂的原因。在此我们将 详细介绍CTE对胶粉影响。4. 3. 1 GTE与内应力的关系内应力可用DANNENBERGS方程式表示：o：内应力(internal stress) O：热膨胀系数(CTE) E：弹性模数(elastic modulus) S：截面积(cross section area) R：树脂(resin)：埋人件，框架，晶片口 nsert compo
