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1、功率半导体器件封装材料的新技术发展中国电子材料行业协会祝大同1.功率半导体器件及其发展趋势功率半导体器件是担当控制电力的半导体类品种的总称。功率半导体器件， 以前也被称为电力电子器件，简单来说,就是进行功率处理的，具有处理高电压， 大电流能力的半导体器件。功率半导体器件实际上有两类产品形式。一类是功 率半导体，另一类是功率模块。其功能，主要是实现整流、增幅（变频）等。即 典型的功率处理，包括变频、变压（升压、降压）、变流（直流与交流的转换）、 功率管理等等。它广泛用于家电、汽车、运输工具（列车、飞机等）、电力设备 （发电、变电、送电）等。近年来，全球使用于家庭的家电产品及汽车的“环保化”（实现
2、充分、有 效的使用能源、减少CO2等排放），利用自然界的可再生能源（太阳能、风力、 地热等）开始得到非常的重视。在这些市场背景变化下，对高性能的功率半导体 器件开发的需求越来越凸现强烈。功率半导体器件小型复合化的发展，器件的基 板搭载密度得到提高。例如，车载的传感器，向着多个部品件（感知、信号调整、 A/D 转换、微处理器等）的 IC 化。这也驱动了功率半导体器件高集成、高密度 化发展。在功率半导体器件运行中，由于产生热而造成能量的损失。为了追求器 件的高效率，就必须去实现基板（Si）的低损失、高效率。在日本，GaN、SiC基 板为典型代表的新的低损失型基板成为研发的热门。在欧洲， SiC 基
3、板的功率半 导体器件，已在民用电子产品中开始实现实用化。近年世界半导体功率器件市场规模统计及未来预测，见图 1。so（亿关元】Ml Si SiC/G?N；1500Q 喊:举4 i d 匠 J .廉沁 t BK、1 J E 卑 E 辰.江 E2012年加13年2CH4年201E年游応年2C17if 20182019年20冊年 (e) (fi； 3 (资科來應：济研虧所推孑)图1 2012年2020年世界半导体功率器件市场规模统计及预测2.功率半导体器件封装材料的性能要求及当前所面临的主要课题功率半导体器件的主要封装工艺法有树脂封装与气密封装两大类工艺路线。 树脂封装法，是将半导体功率器件被安装到
4、封装材料（主要包括环氧树脂、硅类 无机填充材料）之中。其工艺法主要有固态封装材料法（又分移送成形法、流动 浸渍法两类），以及液态封装材料注入成形法。另一大类的工艺法是气密封装法。 它是将半导体元器件放入到密闭、真空的容器（由金属或陶瓷制成）内，进行封 装加工。功率半导体器件的主要封装材料是由硅树脂或环氧树脂所组成（见表1）。硅 树脂用在大功率、高放热的器件封装中，而环氧树脂是在一般的器件中采用。其 中环氧树脂的封装材料（又称塑封料，EMC）是由环氧树脂、固化剂、填料、固 化促进剂、改性助剂、颜料等组成（见表 2）。运行中的功率半导体器件由于温 度不断上升，比一般半导体器件有更多的发热行为。它所
5、使用的封装材料必须具 备较高的耐热性以及导热性。它的的可靠性评价试验主要围绕着高吸湿、高温条 件的试验进行，一般主要试验测试项目有:耐湿性（包括吸湿试验、吸湿通电试 验）、耐冷热冲击性（包括高低温循环试验、高温热冲击试验）、高温特性（包括 长时间高温试验、短时间高温并通电试验）。表1功率半导体器件封装的主要树脂封装材料种类及对应的封装工艺法器件类型封装材料米用的封装工艺法一般用环氧树脂类移送成形法大功率硅树脂类注入成形法（在溶器中）混合 IC(HIC)环氧树脂类流动浸渍法表2固体环氧树脂封装成形材料（EMC）器件类型二极管型器件（重量）晶体管型器 件（重量）结晶硅微粉7287 （粒度调 整）环
6、氧树脂（EOCN）146 （低粘度）固化剂（PN）83（低软化点）固化促进剂11改质剂11阻燃剂32其他添加剂21注：（1）重量比，是指按照EMC组成总重量为100计。（2）EOCN，为酚醛型环氧树脂。（3）PN,为线性酚醛树脂。（4）改质剂,为偶联剂（含环氧基）当前，围绕着功率半导体器件封装达到高耐热性、高散热性，它的主要课题 有以下两大方面：（1）提高耐热性近年随着功率半导体器件走向高输出化，要求它的封装具有高耐热温度， 这种要求的性能指标，由150Cf 175C-200C在不断提高。封装材料用树脂的 成分（特别是树脂构造）直接影响着器件封装的耐热性。因此，目前多采用多官 能团环氧树脂，以
7、提高它的交联密度，另外，在近年有的封装产品还采用了刚直 分子链构造（如酰胺基、亚氨基、硅基）的耐热性树脂。对封装材料用树脂还有高纯化的要求，即要求它降低含氯量。封装材料在高 温下长期暴露在外，作为外封装材料的环氧树脂出现热分解出的氯，会对封装中 的金属发生腐蚀，这种对器件的电气电路，特别是对焊盘（它为异种金属的接合 部）的腐蚀，产生传输信号的负影响。当前，对封装材料用环氧树脂的低氯化加 强了研究。主要解决的技术途径，是在环氧树脂中添加入对Cl素捕捉的助剂（如 无机型离子交换体等）。另外，汽车领域用的功率半导体器件，封装材料性能还 需解决器件中金属件（或材料）的疲劳问题。例如，要解决器件的封装基
8、板与焊 料相接的部位，由于受到长期振动冲击，而易出现破断，需要得以解决。（2）提高散热性提高功率半导体器件封装的散热性的课题，主要研究重点是添料及添充方法 的研究。功率半导体器件封装用添料的选择，不仅是要考虑它对器件封装材料体 系的高散热的贡献，还要追求添料的其他特性，例如成形性、可靠性等。在这两 方面的评价下，主要选择的添料品种与热导率（W/m k）的关系大概为：3的 结晶型硅粉；5的氧化铝；三5的BN、ALN等。在添料的填充配合率得到提高，也是当前功率半导体器件封装用添料填充 工艺的研究重点之一。高的填充配合率实现，遵循两个的应用理论。一个理论为 Rosin-Rammler 系数理论，通过
9、对这一系数的调整，两种及两种以上种类添料的 填充，实现0.90.10.9 范围，可达到高配合率。另一个理论，是基于最密填充 理论，实现高配合率的复数的配合。在功率半导体器件封装技术中，实现散热性与封装效果（封入性）是相互矛 盾的。为实现封装材料高耐热性，提高其树脂的熔融粘度而会造成封入性恶化。 在新开发的技术中，引入了复合构造的封装材料，它们分别担负散热功能和封入 功能。这种复合构造的封装材料，实现了高热传导性的散热路径，以及高流动性 的封装部分的高效率配置。3功率半导体器件封装用新型环氧树脂的开发进展近年，在功率半导体器件技术领域，涌现出了 SiC（碳化硅）、CaN（氮化镓） 等新型宽带隙半
10、导体器件。这类器件具有高耐电压、低损失，可在高频、高温下 长期稳定工作的特点。它们已成为当前功率半导体器件的开发重点。在这类器件 的封装树脂材料上，材料的高耐热性、耐持久性、可靠性已成为十分关注的重点 性能。功率半导体器件封装用新型环氧树脂，在性能上主要突出表现在：高耐热性、 高耐热分解性、适应Cu引线的应用趋势，以及适应散热性的需求。（1）高耐热性多官能团环氧树脂，一般以三苯基甲烷环氧树脂TPM-EP,又称为三（羟苯 基）甲烷型环氧树脂、四苯基甲烷环氧树脂TEP-EP，又称为（1,1,2,2四（对 羟基苯基）乙烷四缩水甘油醚）等为典型代表。它们相比于酚醛型环氧树脂，其 多官能团多，不存在自由
11、度高的亚甲基，与固化剂的反应度高，交联密度高，可 形成刚直的固化网状结构。因而它具有咼Tg、咼耐热性。在几种多官能团环氧树脂品种中的三苯基甲烷环氧树脂（TPM-EP）,与分子 链的结构类似于酚醛树脂的固化剂组合所形成的固化物，Tg（DMA）接近300C, 在咼温下的线膨胀变化量较小。因此出于耐热性，尺寸稳定性考虑，目前是 Si 型功率半导体器件中普遍不断推进采用的品种。在功率半导体器件封装中，目前所用多官能团环氧树脂也遇到新的课题，即现采用的这种TPM-EP树脂，难于适应高功能的Si器件，以及在更高温工作条 件下的SiC、CaN等新型宽带隙半导体器件的性能需求TPM-EP树脂尽管能达到 所要求
12、的耐热性（高Tg），但它的耐热存储稳定性较差；在使用在高功能化类型 的器件中，它在无铅焊料再流焊的热冲击下可靠性，及高温下低吸水性要求也难 以实现。（2）耐热分解性上述的耐热存储稳定性，是采用TG-DTA（示差热-热失重测试），来评价其在 高温下的树脂固化物重量减少量。研究证明，当树脂固化物的热分解温度低，它 的耐热存储稳定性就差。功率器件封装在高温下（特别在 Tg 以上）若表现出特 性恶化，那是与高温下固化物重量减少量大，树脂热分解温度低、耐热存储稳定 性差相关。树脂的耐热分解性，与树脂网络结构有着密切的关联。结构链段易于断裂， 它的热分解行为就易出现。一般在高温下产生的热分解，首先是出现在
13、热冲击树 脂结构中的自由基，而产生热分解反应。有关对封装树脂热分解性试验表明，对 高温态中树脂固化物的IR测试得到，在其变化跟踪曲线中1700cm-l附近，增加 的峰，证明是有羰基化合物的产生。因此，可以推断：高温氧化引起的含有羟基 自由基、二羟基自由基等自由基的环氧树脂网络受到攻击，是产生耐热性恶化， 出现热分解的主要原因。功率半导体器件封装用环氧树脂的耐热性与耐热分解性是一对性能对立的 两项目，选择、开发出同时能提高这两项性能的环氧树脂，成为了一个难题。针 对此难题，日本化药公司对含联苯基团的 BPN-EP 环氧树脂产品的结构进行改进。 以解决这两项性能同时提升的问题。此开发的成果表明：经
14、过改性的这种联苯型 环氧树脂，由于有联苯结构的存在，使得它的固化物有高端耐热分解性，同时也 在耐热性方面，也能达到多官能团型环氧树脂等，具有同一等级的在耐热性。（3）Cu 引线的对应目前，半导体功率器件中，IC与基板电路的连接普遍采用金属键合丝与铝 焊垫的接合技术。金属键合丝一般采用的是铝键合丝。由于封装器件的高耐电压、 大电流化的推进，每件器件所用引线的根数在不断增加，线径也在不断更加细小。 这带来了铝键合丝在热-冷循环条件下出现的疲劳现象加速，造成接合断线问题 的发生增多。为解决此问题业界在积极研发、推进 其他金属线替代铝引线。常规IC封装传统采用的是采用金键合丝。而采用金键合丝与铝焊垫的
15、接合， 存在着高温时它们的接合界面出现金属间化合物（IMC）的增加。由此通过IMC 的扩散，在此部位中产的空洞空隙，使得接合力的减弱。而采用铜键合丝，不存 在此问题的发生，并且它的材料成本低，本身又具有低电阻、高热传导性等。 因此在功率器件封装中，引线采用铜键合丝是将来替代铝键合丝的主流。这项替代工作，在近年得到很大的进展。但也遇到推进中需解决的重要课 题：这就是采用铜引线会更多的产生氯离子对铝焊垫有腐蚀的问题。因此，在 Cu 引线的推广应用中，要求封装所用的环氧树脂，减少氯含量。一般半导体封 装用环氧树脂中含有氯离子。特别是它的分子内结合有有机氯。它在高温高湿条 件下会游离出，氯离子也扩散到环氧树脂本身之外。有机氯是由环氧氯丙烷与含 酚结构化合物反应中，它的副反应产生有氯附加体。目前许多厂商都在这类用途 的环氧树脂生产中新开发、改进了工艺，以减少树脂中的氯含量。其中常见的工 艺路线有蒸馏精制法、再结晶法、烯丙醚氧化法等。其中特别是烯丙醚氧化法在 近年获得了较大的技术进展。日本化药公司改进了所用环氧氯丙烷的合成工艺控 制技术，实现了环氧树脂的低氯化。一般环氧树脂的总有机氯含量指标为 lOOOppm，它生产的用于电子封装的环氧树脂品种，可控制此指标在500ppm以 下（如E0CN-1020-70、NC-3000）,甚至还可将总有机氯含量控制到
