集成電路封裝模塑料的綜合性要求介紹

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2008-01-02 15:50:10點擊率：

1、前言
集成電路的封裝就是將封裝材料和半導(dǎo)體芯片結(jié)合在一起，形成一個以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電子功能塊器件。封裝材料除了保護芯片不受外界灰塵、潮氣、機械沖擊外，還起到了機械支撐和散熱的功能。當(dāng)今約有90%的芯片用模塑料進行封裝。
隨著IC高度集成化、芯片和封裝面積的增大、封裝層的薄殼化以及要求價格的進一步降低，對于模塑料提出了更高且綜合性的要求，具體如下。
（以下均要修改，調(diào)整語辭）
（1）成型性流動性、固化性、脫模性、模具玷污習(xí)性、金屬磨耗性、材料保存性、封裝外觀性等。
（2）耐熱性耐熱穩(wěn)定性、玻璃化溫度、熱變形溫度、耐熱周期西、耐熱沖擊性、熱膨脹性、熱傳導(dǎo)性等。
（3）耐濕性吸濕速度、飽和吸濕量、焊錫處理后耐濕性、吸濕后焊錫處理后耐濕性等。
（4）耐腐蝕性離子性不純物及分解氣體的種類、含有量、萃取量。
（5）粘接性和元件、導(dǎo)線構(gòu)圖、安全島、保護模等的粘接性，高濕、高濕下粘接強度保持率等。
（6）電氣特性各種環(huán)境下電絕緣性、高周波特性、帶電性等。
（7）機械特性拉伸及彎曲特性（強度、彈性綠高溫下保持率）、沖擊強度等。
（8）其他打印性（油墨、激光）、難燃性、軟彈性、無毒及低毒性、低成本、著色性等。
從基材的綜合特性來看，目前IC封裝用鄰甲酚甲醛型環(huán)氧樹脂體系的較多，但由于環(huán)氧樹脂的特性，使它在耐溫性、工藝性、固化條件、封裝流動性、固化物收縮等存在一些應(yīng)用缺點。針對這些問題上海富晨化工公司開發(fā)了新型封裝絕緣樹脂，這種樹脂具有工藝性好、固化方便、流動性好、固化收縮低的特點，目前已廣泛替代環(huán)氧樹脂成為這一行業(yè)的新寵。

2、集成電路封裝用樹脂的要求
2．1高純度
IC封裝用模塑料的主要原料是樹脂，由于IC封裝時模塑料直接和蝕刻得十分精細的硅芯片及鋁引線相接觸，因此就對作為原材料的樹脂的純度有一定的要求，IC的集成度越高，對樹脂純度要求越高，因為樹脂中殘留的Na+、K+、以及HCOO-、CH3COO-對芯片及引線都有腐蝕作用，尤其是樹脂中可水解氯離子遇水和濕氣會生成鹽酸，它的腐蝕作用很大。封裝后的IC例行試驗中其中有一項就是高壓水蒸煮試驗（PCT），一旦樹脂中可水解氯值超過標準，該項試驗就通不過，樹脂按可水解氯的含量不同分成4個等級，詳見表1
表1各級封裝用樹脂含氯水平（×106）
分級標準品高純品超高純品品
可水解氯值[1]可水解氯值[2]總氯值505001000~120030250~350600~80020100~200400~50010100以下300~400
由于新型封裝絕緣樹脂獨特的結(jié)構(gòu)特點，決定了其水解氯含量一般都在超高純品（總氯值《400—500》以上，具有更經(jīng)濟，更高純的特性。

2．2高功能化
IC封裝用的樹脂除了要求高純度化外，隨著高集成化封裝的大型、薄殼化，目前要求解決的是低收縮性（低應(yīng)力化）、耐熱沖擊和低吸水性等技術(shù)瓶頸。而新型封裝絕緣樹脂具有大分子高交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而使樹脂具有收縮性低，耐熱沖擊性好，吸水率低的特性，可以擁有比同類產(chǎn)品更好的功能性。具體性能如下：
2．2．1低收縮性
近年來，對于IC封裝用模塑料為關(guān)心的技術(shù)是模塑料固化后的內(nèi)部應(yīng)力問題。一旦內(nèi)部應(yīng)力的存在會使硅芯片表面的鈍化膜產(chǎn)生裂縫、自身龜裂或連接線切斷等現(xiàn)象。在目前超大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)化的時代，隨著鋁配線圖的細微化、硅片大型化、封裝的薄殼化，對樹脂的低收縮特性要求就提出更高的要求。
內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生的原因如下：模塑料熱收縮與硅片熱收縮有差異，即二者線膨脹系數(shù)不同，一般模塑料比硅片、引線的線膨脹系數(shù)要大一個數(shù)量級，同時加上模塑料在固化過程中生產(chǎn)的固化收縮，所以在成型加熱到冷卻至室溫過程中會在硅片上殘留應(yīng)力。
熱應(yīng)力可以用下式來表示：
σ＝K·E·α·ΔT
式中σ—熱應(yīng)力；
K－常數(shù)（固定值）；
E－彈性模量；
ΔT－模塑料Tg和室溫的差；
α－熱膨脹系數(shù)。
從該公式中可以看出降低樹脂的彈性模量（E）和Tg，以及減少樹脂的固化收縮率是減少熱應(yīng)力的有效途徑。
新型封裝絕緣樹脂的大特點是該樹脂具有超低的固化線收縮率，從而使各種制品具有較低的固化后內(nèi)應(yīng)力，能夠保證制品在冷熱沖擊環(huán)境中保證形狀不變。表2是新型封裝絕緣樹脂與國內(nèi)一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表。另外，美國密歇根州立大學(xué)的美國復(fù)合材料工程技術(shù)中心對該樹脂的測試結(jié)果（ASTM標準下）也表明，該樹脂的固化收縮率極低，該中心是選擇了一美國的樹脂供應(yīng)商的產(chǎn)品作為對照，具體見表3。
表2新型封裝絕緣樹脂與國內(nèi)一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表
固化條件固化線收縮率*
新型封裝絕緣樹脂對比樹脂
常溫固化0.015%2.8%
常溫固化后，80℃2hr后固化處理0.16%3.6%
*根據(jù)HG/T2625-94《環(huán)氧澆鑄樹脂線性收縮率測定》進行試驗。
表3新型封裝絕緣樹脂體收縮率測試結(jié)果
（美國密歇根州立大學(xué)的美國復(fù)合材料工程技術(shù)中心對該樹脂的測試結(jié)果）
固化條件固化體收縮率
新型封裝絕緣樹脂美國產(chǎn)對比樹脂
CHP固化體系—7.18%
MEKP固化體系1.73%8.10%
數(shù)據(jù)表明，新型封裝絕緣樹脂具有超低的固化收縮率，能有效的保證制品的尺寸精度，以減小固化過程中的應(yīng)力變化，以減少封裝過程中對元件的電感、電偶等性能的影響，因而更適合于制作各種大面積絕緣封裝。

2．2．2耐熱沖擊性
參照相關(guān)標準對新型封裝絕緣樹脂的耐熱沖擊性能進行了測試，并結(jié)合產(chǎn)品實際應(yīng)用，作了交變溫度試驗（-80~80℃，溫度變化率4℃/min，循環(huán)周期120/min）見圖1：

圖1交變溫度試驗循環(huán)示意圖
經(jīng)10個循環(huán)周期試驗，樹脂玻璃鋼試板無裂紋、發(fā)白、脫膠、鼓泡等老化現(xiàn)象，證明樹脂耐高低溫交變性良好；同時對玻璃鋼層合板在低溫下的力學(xué)性能進行了測試，并與常溫下力學(xué)性能進行了比較，具體見如表4。
表4新型封裝絕緣樹脂耐熱沖擊性能表
溫度（℃）80℃-80℃
拉伸強度Mpa215.0220.0
拉伸模量Gpa14.013.9
彎曲強度Mpa291.0281.1
彎曲模量Gpa9.19.0

2．2．3低吸水性
同時新型封裝絕緣樹脂較通用樹脂具有更好耐水性能和力學(xué)強度，可以作為絕緣封裝的上佳的結(jié)構(gòu)材料。我們對新型封裝絕緣樹脂按《玻璃纖維增強塑料耐水性試驗方法》（GB2575-89）進行了耐水性試驗，結(jié)果見表5：
表5新型封裝絕緣樹脂吸水性試驗
試驗條件結(jié)果
24小時25℃增重0.015%
2小時100℃增重0.43%
從以上的數(shù)據(jù)可以看出新型封裝絕緣樹脂具有較低的吸水性能。

2．2．4固化條件及工藝性能
新型封裝絕緣樹脂的粘度較低（一般0.25~0.65Pa•s），具有良好的工藝性，適合各種成型工藝（包括模壓、拉擠、灌封等）。另外，新型封裝絕緣樹脂還可以根據(jù)不同的使用要求采用不同的固化體系，在常溫、中溫、高溫條件下均可以良好地固化達到性能。

3、填充料對模塑料性能的影響
基于樹脂與填料或增強材料等均具有良好的相容性和浸潤性，也為了達到綜合性能的要求和降低成本要求，在模塑料中填充料的用量可達到相當(dāng)大的比重，多可達80％（重量比），因此填料對成型性固化產(chǎn)物的特性有顯著的影響。填充料除了粒徑分布、形態(tài)、表面處理方面會終對模塑料性能帶來影響外，各種熱膨脹系統(tǒng)和熱傳導(dǎo)率的填充料對提高模型料的性能有更大的作用。
（1）減少溢料
用大粒徑74μm以下球形的熔融二氧化硅和大粒徑40μm以下的熔融二氧化硅的粉碎料，以55％～95％（質(zhì)量分數(shù)）和45％～5％（質(zhì)量分數(shù)）相混合，成為比表面積為3m2/g以下的混合填料。它的用量占總個封裝模塑料的40％～90％（質(zhì)量分數(shù)）。由此組成模塑料填料體系可以減少模塑料飛邊的產(chǎn)生。
（2）提高耐濕性
（a）大粒徑149μm的合成低α線球狀二氧化硅；(b)大粒徑74μm的低線角形二氧化硅。（a）+(b)合計量中含有6％（質(zhì)量分數(shù)）以上為粒徑44μm以上的混合填料。用它作為封裝用模塑料的填料，可以減少吸適量3％左右。
（3）低應(yīng)力的填料
用氨基聚醚型有機硅氧烷處理平均粒徑為8μm的棱角狀二氧化硅及平均粒徑為6～8μm的球狀二氧化硅，按以下配方（質(zhì)量份）組成模塑料，再測定其熱應(yīng)力，結(jié)果見圖15-10。
（4）流動性提高
為提高模塑料的流動性，可采用粒徑為亞微米級到10μm的二氧化硅作填料。
（5）改善熱力學(xué)性能的填料
用β－鋰霞石代替不分二氧化硅作為填料，可降低成形料的線膨脹系數(shù)。用球撞礬土粉末量作填料可提高熱傳導(dǎo)率。
（6）減少模具磨損的填料
用部分到一般量的平均粒徑為10μm以下的硫酸鈣代替二氧化硅作填料可減少模具的磨損。
（7）提高機械性能的填料
在40％～60％（質(zhì)量分數(shù)）的Al2O3和40％～60％（質(zhì)量分數(shù)）的SiO2混合填料中添加1％－80％（質(zhì)量分數(shù)）平均直徑為0.1～0.5μm、平均長度為1～200μm的陶瓷纖維、由此制成的模塑料的沖擊壓縮強度能提高。

4、集成電路封裝用模塑料的發(fā)展動向
4．1自20世紀70年代中期開始我國研制電子元器件塑封用模塑料，為了滿足軍事工業(yè)的需要研制了聚烷樹脂和聚苯甲基烷氧烷樹脂作為模塑料的基材，雖然它們有很好的耐高、低溫性和耐潮防水性，，但它們的粘接性很差，PCT試驗后泄漏鋁很高。80年代初期收到從美國海索公司、日本日東電工環(huán)航模塑料的啟發(fā)，轉(zhuǎn)向研制環(huán)氧型模塑料。1986年，實現(xiàn)了基礎(chǔ)樹脂鄰甲酚甲醛環(huán)氧樹脂、低氯含量Novolac酚醛樹脂和用于12KIC封裝用環(huán)氧膜塑料的生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年來我國個研究院所、大學(xué)和工廠的共同努力，在高純度鄰甲酚環(huán)氧樹酯、Novolac酚醛樹脂、模塑料配制技術(shù)等方面有了很大的進步。
李善君等指出天然石英粉往往含有放射性雜質(zhì)，它在衰老時放出α粒子會引起存芯片工作的“軟誤差”，而由氣體硅烷制造的高純度石英粉可以大幅度降低因放射性產(chǎn)生的軟誤差。
張知方等人報道研制成功，高純度的鄰甲酚甲醛環(huán)氧樹脂，其質(zhì)量已接近日本住友E同類產(chǎn)品。
俞亞君報道了萘環(huán)類多

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