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半導體封裝業(yè)占據(jù)了國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的主體地位，如何選擇電子封裝材料的問題顯得更加重要。根據(jù)資料顯示，90％以上的晶體管及70％~80％的集成電路已使用塑料封裝材料，而環(huán)氧樹脂封裝塑粉是最常見的塑料封裝材料。本文將對環(huán)氧樹脂封裝塑粉的成分、特性、使用材料加以介紹，希望對IC封裝工程師們在選擇材料、分析封裝機理方面有所幫助。 1、封裝的目的 半導體封裝使諸如二極管、晶體管、IC等為了維護本身的氣密性，并保護不受周圍環(huán)境中濕度與溫度的影響，以及防止電子組件受到機械振動、沖擊產(chǎn)生破損而造成組件特性的變化。因此，封裝的目的有下列幾點： (1)防止?jié)駳獾扔赏獠壳秩耄?br>(2)以機械方式支持導線； (3)有效地將內(nèi)部產(chǎn)生的熱排出； (4)提供能夠手持的形體。 以陶瓷、金屬材料封裝的半導體組件的氣密性較佳，成本較高，適用于可*性要求較高的使用場合。以塑料封裝的半導體組件的氣密性較差，但是成本低，因此成為電視機、電話機、計算機、收音機等民用品的主流。 2、封裝所使用的塑料材料 半導體產(chǎn)品的封裝大部分都采用環(huán)氧樹脂。它具有的一般特性包括：成形性、耐熱性、良好的機械強度及電器絕緣性。同時為防止對封裝產(chǎn)品的特性劣化，樹脂的熱膨脹系數(shù)要小，水蒸氣的透過性要小，不含對元件有影響的不純物，引線腳(LEAD)的接著性要良好。單純的一種樹脂要能完全滿足上述特性是很困難的，因此大多數(shù)樹脂中均加入填充劑、偶合劑、硬化劑等而成為復合材料來使用。一般說來環(huán)氧樹脂比其它樹脂更具有優(yōu)越的電氣性、接著性及良好的低壓成形流動性，并且價格便宜，因此成為最常用的半導體塑封材料。 3、環(huán)氧樹脂膠粉的組成 一般使用的封裝膠粉中除了環(huán)氧樹脂之外，還含有硬化劑、促進劑、抗燃劑、偶合劑、脫模劑、填充料、顏料、潤滑劑等成分，現(xiàn)分別介紹如下： 3．1環(huán)氧樹脂(EPOXY RESIN) 使用在封裝塑粉中的環(huán)氧樹脂種類有雙酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、環(huán)狀脂肪族環(huán)氧樹脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、環(huán)氧化的丁二烯等。封裝塑粉所選用的環(huán)氧樹脂必須含有較低的離子含量，以降低對半導體芯片表面鋁條的腐蝕，同時要具有高的熱變形溫度，良好的耐熱及耐化學性，以及對硬化劑具有良好的反應(yīng)性?？蛇x用單一樹脂，也可以二種以上的樹脂混合使用。 3．2 硬化劑(HARDENER) 在封裝塑粉中用來與環(huán)氧樹脂起交聯(lián)(CROSSLINKING)作用的硬化劑可大致分成兩類: (1)酸酐類(ANHYDRIDES); (2)酚樹脂(PHENOLICNOVOLAC)。 以酚樹脂硬化和酸酐硬化的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)有如下的特性比較： ●弗以酚樹脂硬化的系統(tǒng)的溢膠量少，脫模較易，抗?jié)裥约胺€(wěn)定性均較酸酐硬化者為佳； ●以酸酐硬化者需要較長的硬化時間及較高溫度的后硬化(POSTCURE)； ●弗以酸酐硬化者對表面漏電流敏感的元件具有較佳的相容性； ●費以酚樹脂硬化者在150-175~C之間有較佳的熱穩(wěn)定性，但溫度高于175~(2則以酸酐硬化者為佳。 硬化劑的選擇除了電氣性質(zhì)之外，尚要考慮作業(yè)性、耐濕性、保存性、價格、對人體安全性等因素。 3．3促進劑(ACCELERATO OR CATALYST) 環(huán)氧樹脂封裝塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)約在90-180秒之間，必須能夠在短時間內(nèi)硬化，因此在塑粉中添加促進劑以縮短硬化時間是必要的。 現(xiàn)在大量使用的環(huán)氧樹脂塑粉，由于內(nèi)含硬化劑、促進劑，在混合加工(COMPOUNDING)后已成為部分交聯(lián)的B-STAGE樹脂。在封裝使用完畢之前塑粉本身會不斷的進行交聯(lián)硬化反應(yīng)，因此必須將塑粉貯存于5℃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。如果想制得不用低溫保存，且具有長的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉，則一定要選用潛在性促進劑(LATENT CATALYST)，這種促進劑在室溫中不會加速硬化反應(yīng)，只有在高溫時才會產(chǎn)牛促進硬化反應(yīng)的效果。目前日本已有生產(chǎn)不必低溫貯存的環(huán)氧樹脂膠粉，其關(guān)鍵乃在潛在性促進劑的選用。 3．4 抗燃劑(FLAME RETARDANT) 環(huán)氧樹脂膠粉中的抗燃劑可分成有機與無機兩種。有機系為溴化的環(huán)氧樹脂或四溴化雙酚A(TETRABROMOBISPHENOL A)。無機系則為三氧化二銻(Sb203)的粉末。二者可分開單獨使用，也可合并使用，而以合并使用的抗燃劑效果為佳。 3．5 填充料(LILLER) 在封裝塑粉中，填充料所占的比例最多，約在70％左右，因此填充料在封裝朔粉中扮演著十分重要的角色。 3．5．1在塑粉中加入適量適質(zhì)的填充料，具有下列幾個目的： 1)減少塑粉硬化后的收縮； 2)降低環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)； 3)改善熱傳導； 4)吸收反應(yīng)熱； 5)改善硬化樹脂的機械性質(zhì)與電學性質(zhì)； 6)降低塑粉成本。 3．5．2填充料的種類 使用于環(huán)氧樹脂塑粉中的填充料，除了要能改善電絕緣性、電介質(zhì)特性之外，尚須具有化學安定性及低吸濕性。一般常用的填充料有以下幾種： (1)石英； (2)高純度二氧化硅(使用最為廣泛)； (3)氫氧化鋁 4)氧化鋁； (5)云母粉末； (6)碳化硅。 3．5．3 二氧化硅(SiO2,Silica) 環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)平均約為65×10-6m／cm／℃；，比對封裝樹脂中的金屬埋人件的熱膨脹系數(shù)大很多。半導體所用的框架(LEAD FRAME)與環(huán)氧樹脂相差甚遠。若以純樹脂來封裝半導體元件，由于彼此間熱膨脹系數(shù)的差異及元件工作時所產(chǎn)生的熱，將會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及熱應(yīng)力而造成封裝材料的龜裂。因此加入塑粉中的填充料，除了要能減少樹脂與金屬埋入件間的熱膨脹系數(shù)外，也要具有良好的導熱功能。 二氧化硅粉末可分成結(jié)晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。結(jié)晶性二氧化磚具有較佳的導熱性但熱膨脹系數(shù)較大，對熱沖擊的抵抗性差。熔融二氧化硅的導熱性質(zhì)較差，但卻擁有較小的熱膨脹系數(shù)，對熱沖擊的抵抗性較佳。表2是熔融性與結(jié)晶性二氧化硅充填的環(huán)氧樹脂膠粉的性質(zhì)比較，可看出熔融性二氧化硅除了導熱性質(zhì)較差外，撓曲強度及耐濕性均低于結(jié)晶性二氧化硅。 此外，填充料用量的多少以及粒子的大小、形狀、粒度分布等對于塑粉在移送成形(Transfermolding)時的流動性，以及封裝后成品的電氣性質(zhì)均會造成影響，這些因素在選用填充料時均要加以考慮。 3．6偶合劑(COUPLIUNG AGENT) 在環(huán)氧樹脂中添加少量的偶合劑，能產(chǎn)生下列作用： ●增加填充料與樹脂之間的相容性與親和力; ●增加膠粉與埋人元件間的接著力; ●減少吸水性; ●提高撓曲強度； ●降低成形中塑粉的粘度，改善流動性; ●改善膠粉的熱消散因子(THERMALDUSSIPATION FACTOR)、損失因子(LOSS FAC-TOR)及漏電流(LEAKAGE CURRENT)。 3．7脫模劑(日ELEASE AGENT) 環(huán)氧樹脂的粘著性良好，對模具也會產(chǎn)生接著力，而影響加工封裝完畢后的脫模，因此加入脫模劑來改善膠粉與模具之間的脫模能力。一般常用的脫模劑有：臘、硬脂酸、硬脂酸鋅、硬脂酸鈣等。脫模劑的種類與用量要視塑粉配方(樹脂、硬化劑、填充料)而定。脫模劑的用量要適當，如果用量太少會使脫模不易；相反，如果用量過多，不但容易污染模具，更會降低膠粉與埋入框架、引線間的粘著力，直接影響到元件的耐濕性及可*性。下圖為脫模劑添加量與接著力的關(guān)系，脫模劑添加愈多，膠粉與埋人件間的接著力下降也愈多。 3．8顏料(PIGMENT) 通常視成品的顏色來添加顏料。一般的封裝膠粉均以碳黑為顏料，因此成品具有黑色的外觀。 3．9潤滑劑(LUBRICANT) 為了增加膠粉在加工成形中的流動性，有時可加入部分潤滑劑來降低粘度。但是此舉往往會造成膠粉的玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg GLASS TRANSISTION TEMPERATURE)的降低及電氣特性的劣化，因此若有需要加入潤滑劑，最好選用反應(yīng)性稀釋劑(RE-ACTIVE DILUENT)，使稀釋劑分子能與樹脂產(chǎn)生化學結(jié)合，以避免T2及電氣特性的劣化。 4、環(huán)氧樹脂塑粉的基本特性 前面我們已提到一些塑粉所要具備的特性，下面將進一步探討這些特性。 4．1耐熱性 4．1．1玻璃轉(zhuǎn)移溫度，Tg 如果以熱劣化性為耐熱性的考慮要點，則可以Tg來當做參考值。塑粉的Tg值主要決定于塑粉的交聯(lián)密度： Tgl=Tg0+k／nc Tgi：交聯(lián)后的Tg Tg0：未交聯(lián)前的Tg K：實驗常數(shù) nc：兩交聯(lián)點前的平均原子數(shù)。交聯(lián)密度愈高，其Tg值也愈高；耐熱性愈佳，熱變形溫度也愈高。一般封裝塑粉的Tg值約在160℃左右，過高的Ts會使成品過硬呈脆性，降低對熱沖擊的抵抗性。 4．1．2 Tg的測定 測定Tg的方法很多,目前本所使用熱膨脹計(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIAL CANNING CALORIMETRY)、流變儀(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONAL BRAID ANALYZER)等儀器來測定Tg值。 4．2耐腐蝕性 由從事塑膠封裝電路的故障分析者所提出的故障成因中，以鋁條腐蝕(CORROSION OF ALUMINUN METALLIZATION)所占比例最高，因此耐腐蝕性實為封裝塑粉的首要考慮因素。 4．2．1腐蝕的成因 就環(huán)氧樹脂塑粉而言，造成鋁條腐蝕的主因為塑粉中所含的氯離子及可水解性氯(HYDROLYZABLE CHLORIDE)。當大氣中的濕氣經(jīng)由樹脂本身及其與引線腳(LEAD)間的界面，擴散進入半導體的內(nèi)部，這些侵入的水氣會與樹脂中的離子性不純物結(jié)合，特別是C1-，而增加不純物的游動性(MOBILITY)。當這些不純物到達晶片表面時，即與鋁條形成腐蝕反應(yīng)，破壞極薄的鋁層，造成半導體的故障。 4．2．2腐蝕的防止 (1)降低不純物含量 對半導體封裝業(yè)者而言，選擇低氯離子含量的封裝膠粉是必要的。目前一般塑粉中離子性不純物的含量均在10ppm以下。環(huán)氧脂由于在合成過程中使用 EPICHLOROHYDRIN，因此無法避免有氯離子的存在，因此樹脂要經(jīng)純化去除大部分氯離子后，再用來生產(chǎn)封裝塑粉。表3為日本廠家的環(huán)氧樹脂封裝膠粉的離子含量及電導度。 (2)添加腐蝕抑制劑(CORROSION INHIBITOR) 在膠粉添加腐蝕抑制劑能減低鋁條的腐蝕速率，干擾陽極或陰極的腐蝕反應(yīng)，因而降低腐蝕全反應(yīng)(OVERALL REACTION)的速率。所選用的抑制劑要具有如下的性質(zhì)： ①抑制劑中不能含有對電路工作有害的離子； ②加入抑制劑后所增加的離子電導度不能產(chǎn)生有害于電路的副反應(yīng)； ③抑制劑需能形成錯合物(COMPLEX)； ④對有機系抑制劑而言，不能與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)，在移送面形成硬化過程中具有安定性； ⑤對無機系抑制劑而言，其所產(chǎn)生的離子不可滲入Si或SiO：絕緣層中，以免影響電路的工作。 一般以無機系腐蝕抑制劑的效果最佳。其中以鎢酸銨(AMMONIUM TUNGSTATE)、檸檬酸鈣(CALCIUM CITRATE)為常用。 4．3低的熱膨脹系數(shù)(CTE，COEFFICTENT OF THERMAL EXPANSION) 在前面我們已經(jīng)提過由于樹脂與埋人件CTE的不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成成品破裂的原因。在此我們將詳細介紹CTE對膠粉影響。 4．3．1 GTE與內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系 內(nèi)應(yīng)力可用DANNENBERG’S方程式表示： σ：內(nèi)應(yīng)力(internal stress) O：熱膨脹系數(shù)(CTE) E：彈性模數(shù)(elastic modulus) S：截面積(cross section area) R：樹脂(resin)：埋人件，框架，晶片口nsert component，leadframe,chip) 由方程式(4)中，我們可清楚的看出樹脂與埋人件之間的CTE差愈大，所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也就愈大。由內(nèi)應(yīng)力所引起的龜裂(CRACK)將成為外部濕氣及污染侵入的通路，進一步造成元件的故障，因此環(huán)氧樹脂膠粉必須具有低的CTE值。目前也有人從降低彈性模數(shù)來使內(nèi)應(yīng)力變小。 4．3．2影響CTE的因素 CTE值可由Tg或交聯(lián)密度來加以控制。此外，以下各因素也會影響CTE： 1)濕氣污染； 2)可塑劑或潤滑劑的流失； 3)應(yīng)力的消失； 4)未反應(yīng)的化學品； 5)后硬化的時間與溫度。 對環(huán)氧樹脂塑粉而言，要擁有低CTE值必須從填充料上面來著手。一個塑粉配方工程師必須將Tg及CTE常記在心，作為參考及尋找問題的工具，因為低的CTE及高的Tg對熱沖擊抵抗性而言是十分重要的。 4．4成形性 廣義的成形性包括半導體封裝后的尺寸安定性、離型性(脫模)、加工成形時的流動性等等。 4．4．1流動性與漩流試驗(SPIRAL FlOW TEST) 由于膠粉本身是部分交聯(lián)的B-STAGE樹脂，若貯存不當或貯存過久會增加膠粉交聯(lián)硬化的程度，而造成流動性的降低，此時即該丟棄此流動性變差的膠粉。一般以漩流實驗所得漩流值的大小來判斷流動性的好壞，目前封裝采用的規(guī)格是25-35寸。漩流值過低表示膠粉的流動性差，成形時將無法灌滿模子；漩流值過高表示膠粉的流動性太大，容易將埋人件的金屬細線沖斷并會產(chǎn)生溢膠現(xiàn)象。 4．4．2 DSC與塑粉流動性 除了漩流試驗之外，我們也可利用微差掃瞄式卡計(DSC)來測知膠粉是否仍然具有好的流動性。 第一個放熱峰為膠粉硬化時所放出的聚合反應(yīng)熱，此放熱峰愈高表示膠粉的反應(yīng)熱愈多，也代表膠粉貯存時硬化的程度少，因此具有良好的流動性。放熱峰愈低表示膠粉已大部分硬化，只能放出少量反應(yīng)熱，代表膠粉已失去流動性。利用以上原理，我們可以找出放熱峰高度與漩流值之間的對應(yīng)關(guān)系。 如果所貯存的膠粉經(jīng)DSC分析后發(fā)現(xiàn)放熱峰高度減少10％以上，表示膠粉已失去良好流動性，宜丟棄不再使用。 4．5電氣特性 電氣性對環(huán)氧樹脂膠粉而言是一種相當重要的性質(zhì)，而介電特性(DIELECTRIC PROPERTY)為考慮重點。對封裝材料而言，介電常數(shù)(DIELECTRIC CONSTANT)愈小其電絕緣性愈佳。介電常數(shù)會受頻率的改變、溫度、濕度的影響。介電常數(shù)的變化遠比介電常數(shù)的起始值來得重要。此外，成品的密閉封裝是很重要的，將直接影響到電學性質(zhì)。若成品封裝不全有空隙存在，除了提供濕氣污染的通路外，在接受電壓時會發(fā)生電暈 (CORONA)，使電場集中在空隙前端，引起內(nèi)部放電而造成絕緣破壞。 4．6耐濕性 濕氣侵入半導體元件中與離子性不純物作用，降低絕緣性，使漏電流增加并腐蝕鋁路，此為信賴度降低的主因。濕氣侵入封裝成品中的路徑有兩條： ●由樹脂整體(BULK OF PLASTIC)的表面擴散進入； ●經(jīng)由樹脂與IC腳架間的界面，以毛細現(xiàn)象侵入。取一個14腳的DIP(DUAl+IN LINE PACKAGE)，在上方打開一個孔洞，孔底可達晶片表面，再將一個設(shè)有氣體出入口的容器接在DIP的孔洞之上并密封之，然后將此裝置浸在100％RH的水蒸氣或水中，容器內(nèi)通人干燥的氮氣(0％RH)，水氣即會依上述兩種途徑侵入而進入容器中，我們利用偵測器測出流出氮氣中所含有的水氣，而得到全部(兩種水氣滲透速率之和)的水氣滲透率Pt。Pt是經(jīng)由樹脂整體侵入的水氣滲透速率Pb及經(jīng)由界面毛細侵入的水氣滲透速率P1之和，及Pt=Pb+P1。我們可取相同材料的樹脂封住容器的底部，以同樣方法測 出Pb，再將Pt與Pb相減即可求出Pl之值。 利用上述方法對塑粉進行評估。根據(jù)HARRISON的說法，元件若要具有10年的動作壽命保證，則Pl值應(yīng)該在70以下。我們不妨利用此方法來對環(huán)氧樹脂膠粉進行耐濕性評估。 4．7硬化時的放熱 塑粉在硬化時會放出聚合反應(yīng)熱，如果配方調(diào)配不當發(fā)熱量太大時會造成龜裂并給予元件應(yīng)力。因此化學工程師在進行塑粉配方研究時應(yīng)考慮硬化放熱量不可過大。 事實上塑粉的交聯(lián)可分成兩個階段。先膠化，再硬化。低分子量的樹脂膠化的速度比高分子量者快。促進劑的濃度小，則膠化時間由熱或動力決定；如果促進劑的濃度大，則膠化時間由分子擴散至正確的反應(yīng)位置決定： ●欲快速膠化則增加熱量，所得材料具有低交聯(lián)密度、高CTE、熱收縮性大。 ●欲慢速膠化，則減少熱量，所得材料具有較高交聯(lián)密度、低CTE及較小的熱收縮。 4．8抗燃性 在UL規(guī)格中是以94 V-O為標準的環(huán)氧樹脂塑粉均能滿足此一規(guī)格。 4．9接著性與脫模性 前面已經(jīng)提過脫模劑的用量增加，樹脂的接著力會降低。若是脫模劑的添加量減少，雖然可使樹脂與腳架引線的接著力提高，但是模具和成形品間的接著力也增加，造成脫模的困難。因此脫模劑的添加量要選擇接著性與脫模性兼顧者為宜。 4．10低α粒子效應(yīng) (LOWα-PARTICLE EFFEC) 環(huán)氧樹脂膠粉中采用二氧化硅為填充料，而二氧化硅是自然界的礦物，含有微量的鈾、釷等放射性元素。這些放射性元素在蛻變過程中會放出α粒子。 DYNAMIC RAM’S及CCD’S等牛導體元件會受α粒子的影響而發(fā)生軟性錯誤(SOFF ERROR)。STATIC RAM’S、ROM’S、PROM’S及EPROM’S等元件則不受。粒子的影響。 當α粒子經(jīng)過活性元件區(qū)域(ACTIVE DEVICE REGIONS)時，會在電子與空穴重新結(jié)合之前，使N-區(qū)域收集電子P-區(qū)域收集空穴。如果在一特定的區(qū)域收集到足夠的電荷，將會擾亂所貯存的資料或邏輯狀態(tài)(LOGIC STATES)。如果所收集和產(chǎn)生的電子數(shù)超過臨界電荷的話，即造成所謂的軟性錯誤。 除了填充料之外，基板(SUBSTRATE)、鋁條(METALLIZATION)也會放出α粒子，但是以填充料為α。粒子的主要產(chǎn)生來源。為了避免α粒子效應(yīng)除了可用聚亞酸胺(POLYIMIDE)作為保護涂膜之外，可采用低放射性元素含量的二氧化硅當做填充料。日本已有生產(chǎn)放射性元素含量在1ppb以下的二氧化硅，這些二氧化硅是經(jīng)過純化精煉的，價格也較高。對高可*度牛導體元件而言，必須設(shè)法避免α粒子效應(yīng)。 4．11長期保存性 目前大多數(shù)膠粉的膠化時間約在30秒左右，硬化成形后通常需要后硬化，并且又需冷藏貯存。若要發(fā)展出能快速硬化，又能在室溫(MAX40-45℃)保存六個月以上而不失膠粉的流動性，則一定要在潛在性促進劑上加以研究與改良。 本文僅LED照明網(wǎng)對LED的封裝材料環(huán)氧樹脂封裝膠粉的組成、選用材料及膠粉的基本特性做一簡單的介紹，但愿能使半導體業(yè)界對塑粉的組成有一概括性的了解，更期望為同行們在選擇環(huán)氧樹脂塑粉、研究封裝機理方面有所啟發(fā) |
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