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1、半导体用环氧树脂封装胶粉王义贤(浙江华越芯装电子股份有限公司)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 7080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：八、(1
2、)防止湿气等由外部侵入；(2)以机械方式支持导线；(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
3、述特性是很困难的, 因此大多数树脂中均加入填充剂、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
4、所选用的环氧树脂必须含有较低的离子含 量，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(
5、POSTCURE)；弗以酸酐硬化者对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U(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
6、脂。在封装使用完毕之前塑粉本身会不断的进行交联硬化反应，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(TETRABROMOBIS
7、PHENOL A)。无机系则为三氧化二锑(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
8、。一般常用的填充料有以下几种：(1)石英；(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
9、二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化砖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(Tr ansfemolding)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U(COUPLIUNG AGENT)在环氧树脂中添加少量的偶合剂，能产生下列作用：
10、增加填充料与树脂之间的相容性与亲和力；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
11、少会使脱模不易;相反，如果用量过多，不但容易污染模具，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 TRANSISTION TEMPERATURE)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
12、反应性稀释剂(RE-ACTIVE DILUENT)，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 TgTgO：未交联前的TgK：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
13、低对热冲击的抵抗性。4. 1. 2 Tg的测定测定Tg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
14、解性氯 (HYDROLYZABLE CHLORIDE)。当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
15、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，
16、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。其中以钨酸铵(AMMONIUM TUNGSTATE柠檬酸钙(CALCIUM CITRAT E)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：6内应力(inte rnal st ress) O：热膨胀系数(CTE)E：弹性模数(elastic modulus) S：截面积(cr oss section ar ea)
