環(huán)氧模塑料(EMC)的設(shè)計(jì)和性能

陳 昭

(漢高華威電子有限公司，江蘇連云港 222006)

環(huán)氧模塑料是一種單組分含潛伏性固化劑的熱固性材料,通常是以環(huán)氧樹脂及其固化劑、填料和各種助劑等十幾種組分組成[1]。環(huán)氧模塑料的制造商主要分布在日本、中國(guó)和韓國(guó)，在中國(guó)市場(chǎng)上制造商代表是華威電子 (Huawei)，由于德國(guó)Henkel和華威的聯(lián)手,使得漢高華威在世界電子封裝材料行業(yè)處于領(lǐng)先地位。環(huán)氧模塑料制造商為了適應(yīng)半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展,從一開始就沒有停止過改進(jìn)和提高。為了半導(dǎo)體器件制造商提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求出現(xiàn)了快速固化型環(huán)氧模塑料及不后固化模塑料，最快成型時(shí)間現(xiàn)在可達(dá)到15 s，后固化時(shí)間從2 h到不后固化；為了滿足大功率器件對(duì)散熱的要求，產(chǎn)生了高導(dǎo)熱型模塑料；為了滿足大規(guī)模集成電路的封裝要求，產(chǎn)生了低應(yīng)力型模塑料；為了滿足表面安裝技術(shù)(SMT)的要求，又出現(xiàn)了低膨脹型、低吸水、高耐熱型模塑料；為了滿足球柵陣列封裝(PBGA)的要求，出現(xiàn)了高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低翹曲率、高粘接強(qiáng)度模塑料；為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，出現(xiàn)了無鹵無銻的綠色環(huán)氧模塑料。總之模塑料的多品種的出現(xiàn)就是為了滿足集成電路及半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。

1 環(huán)氧模塑料的組分設(shè)計(jì)

環(huán)氧模塑料是由鄰甲酚醛環(huán)氧樹脂、線性酚醛樹脂、填充料二氧化硅(硅微粉)、促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑、改性劑、脫模劑、阻燃劑、著色劑等組分組成[1]。鄰甲酚醛環(huán)氧樹脂作為膠粘劑，固化劑為線性酚醛樹脂，將它們與其他組分按一定質(zhì)量比例混合均勻。再經(jīng)熱混合后就制備成了一個(gè)單組分組合物。在熱和固化促進(jìn)劑的作用下，環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基具有很高的反應(yīng)活性，環(huán)氧基開環(huán)與酚醛樹脂的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)固化作用，使它成為熱固性塑料。其主要組分和主要功能如表1。

表1 環(huán)氧模塑料組分及其功能

(1)環(huán)氧樹脂是環(huán)氧模塑料的重要組成部分之一，環(huán)氧樹脂的種類和它所占比例的不同,不但直接影響著環(huán)氧模塑料的流動(dòng)特性,還直接影響著環(huán)氧模塑料的熱性能和電特性。不同類型的環(huán)氧樹脂具有不同的特性，如鄰甲酚型環(huán)氧樹脂具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；雙酚A型環(huán)氧樹脂具有低收縮性和低揮發(fā)成份；多官能團(tuán)型環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、快速固化性和高的Tg等特點(diǎn)；聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂具有較低的黏度、高填充性等特點(diǎn)；萘型環(huán)氧樹脂具有高Tg、高耐熱性能；改性環(huán)氧樹脂具有良好柔韌性等。

(2)固化劑的主要作用是與環(huán)氧樹脂反應(yīng)形成一種穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。固化劑和環(huán)氧樹脂一起影響著環(huán)氧模塑料的流動(dòng)特性、熱性能和電特性。

(3)硅微粉填料一般有結(jié)晶型、熔融型和球型3種。其性能特點(diǎn)如表2。

表2 不同類型填料的主要性能比較

(4)固化促進(jìn)劑決定了固化速度的快慢，對(duì)環(huán)氧模塑料的力學(xué)性能、熱性能、吸濕性能及成型工藝性能有顯著的影響，參見表3。

表3 各種固化促進(jìn)劑的主要性能比較

(5)偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑主要作用就是通過化學(xué)反應(yīng)或者化學(xué)吸附的辦法來改變填料表面的物理化學(xué)性能，提高其在樹脂和有機(jī)物中的分散性增進(jìn)填料與樹脂等基體界面的相容性，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能以及電性能。

2 環(huán)氧模塑料的制造工藝設(shè)計(jì)

環(huán)氧模塑料的制造是由一定的比例經(jīng)過前混、擠出、粉碎、磁選、后混合、預(yù)成型(打餅)等工藝制成[2]。制造工藝流程圖如圖1所示。

圖1 制造工藝流程圖

(1)配料。根據(jù)配方稱量原材料，每種材料的控制精度有所不同。

(2)高攪。把配好的材料進(jìn)行充分混合。采用的設(shè)備主要是高速攪拌機(jī)，分立式和臥式兩種。

(3)擠出。把混合好的原料通過擠出機(jī)進(jìn)行擠出，此過程為化學(xué)反應(yīng)過程，是關(guān)鍵工序。在此工序關(guān)鍵點(diǎn)是：加料速度、擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速、不同區(qū)的溫度設(shè)定、出料溫度、出料速度等主要控制參數(shù)。

(4)冷卻。從擠出機(jī)流出的材料即是環(huán)氧模塑料，此時(shí)需要快速冷卻，使其停止反應(yīng)。采用方式為冷卻帶。溫度控制一般分為冷風(fēng)和冷水兩種控制方法。

(5)粉碎。把冷卻充分的環(huán)氧模塑料通過擠壓或粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。為了最終產(chǎn)品餅料的質(zhì)量控制，此時(shí)對(duì)粉碎后的粒度進(jìn)行控制，一般分為兩級(jí)粉碎，先粗碎后細(xì)碎再過篩完成。

(6)磁選。主要目的對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鐵含量控制。越少越好。

(7)后混。為了粉料批次的均勻性對(duì)每一批料進(jìn)行混合，設(shè)備三維混合機(jī)。

(8)打餅。按客戶要求壓成不同規(guī)格的餅塊。

(9)包裝。主要防止受潮和破碎，一般采用紙箱和塑料桶包裝。

(10)儲(chǔ)存。5℃以下的冷溫庫房。

3 環(huán)氧模塑料的分類及其性能

IC模塑料發(fā)展至今，按樹脂體系分為：ECON型、DCPD型、Bi-Pheny1型及 Multi-Function型；按用途、外觀之不同，可分為固態(tài)環(huán)氧模塑料或稱移轉(zhuǎn)注模成型材料液態(tài)塑封料、底部充填膠3大類，在規(guī)模上以固態(tài)環(huán)氧模塑料最大。按性能分為：普通型、快速固化型、高導(dǎo)熱型、低應(yīng)力型、低翹曲型、環(huán)保型等[2]。下面就根據(jù)性能進(jìn)行分類逐一說明。

3.1 普通型環(huán)氧模塑料

普通型環(huán)氧模塑料由于各模塑料生產(chǎn)廠家各種新技術(shù)的不斷使用,模塑料的性能已經(jīng)有了很大改進(jìn),尤其是可靠性和工藝成型性方面有了很大的提高.普通型環(huán)氧模塑料有兩種：結(jié)晶二氧化硅型和熔融二氧化硅型。結(jié)晶二氧化硅型環(huán)氧模塑料的填料全部采用結(jié)晶二氧化硅微粉。其性能特點(diǎn)是熱導(dǎo)較高，線膨脹系數(shù)較大，成本較低。主要用來封裝分立器件如三極管、二極管和中小規(guī)模集成電路。其典型產(chǎn)品如:漢高華威KL-1000系列產(chǎn)品，熔融二氧化硅型環(huán)氧模塑料的填料采用熔融二氧化硅微粉，其性能特點(diǎn)是線膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率較低，流動(dòng)性較好，成本相對(duì)較高。主要用于大規(guī)模集成電路及大尺寸分立器件。其典型產(chǎn)品如:漢高華威KL-2500和KL-3000系列。兩種型號(hào)之間材料配方比較見表4，典型性能對(duì)比見表5。

表4 結(jié)晶二氧化硅型EMC和熔性二氧化硅型EMC材料配方比較

表5 結(jié)晶二氧化硅型EMC和熔性二氧化硅型EMC典型性能比較

3.2 快速固化型

為了降低成本,半導(dǎo)體器件及集成電路制造商要求提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,特別是出現(xiàn)了多柱頭自動(dòng)模具(AUTO-MOLD)封裝之后,要求一個(gè)封裝周期為30～50 s,有的甚至要求達(dá)到20 s。為了適應(yīng)這種要求，環(huán)氧模塑料制造商研制生產(chǎn)出了快速固化型環(huán)氧模塑料。其性能特點(diǎn)為快速固化，凝膠時(shí)間為13～18秒。能減少工作循環(huán)時(shí)間，但仍能保證耐濕性和耐熱沖擊的要求。快速固化型產(chǎn)品主要集中在封閉二極管和橋塊上面。如漢高華威的產(chǎn)品KL-1000-FX和KL-1000-FF產(chǎn)品都是快速固化料的典型代表,性能對(duì)比如表6。

表6 快速固化料與普通固化料對(duì)比

3.3 高熱導(dǎo)型

為了滿足分立器件、高熱量器件，特別是全包封分立器件對(duì)熱導(dǎo)率的較高要求，而研制出了高熱導(dǎo)型環(huán)氧模塑料。主要采用結(jié)晶型二氧化硅、氧化鋁、碳化硅、氮化硅等高熱導(dǎo)填料，應(yīng)用高填充技術(shù)而制備。普通材料的導(dǎo)熱率一般為1.3 W/mk,高導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率達(dá)到2.1 W/mk其典型產(chǎn)品如KL-5000系列,典型性能見表7。

表7 高熱導(dǎo)型EMC的典型性能

3.4 低應(yīng)力型

構(gòu)成半導(dǎo)體器件的材料很多，如硅晶片，表面鈍化臘膜、引線框架等，它們與環(huán)氧模塑料的熱膨脹系數(shù)相差很大。加熱固化時(shí)，因熱膨脹系數(shù)的不匹配使器件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。隨著集成度的增加，集成電路逐漸向芯片大型化、鋁布線微細(xì)化、封裝薄型化方向發(fā)展，熱應(yīng)力問題逐漸變得愈來愈尖銳。熱應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致：塑料開裂；表面鈍化膜開裂；鋁布線滑動(dòng)，電性能變壞；界面處形成縫隙，耐濕性惡化。

增加填料的含量可有效地降低封裝材料的α，但卻引起流動(dòng)性下降和E上升。使用球形熔融硅微粉，其填充量可大量增加，填料含量可達(dá)到75%～80%。同時(shí)球形粉還可以緩和填料尖端處所造成的應(yīng)力集中，減少封裝材料在模具內(nèi)的磨損等。試驗(yàn)表明，若以角形硅微粉為1，則球形的集中應(yīng)力比為0.6以下。模具磨損比為0.1以下。

添加低應(yīng)力改性劑可同時(shí)降低E、α，又不影響Tg。開始使用的是與樹脂不相容的硅橡膠，硅油等，屬于機(jī)械分散式的海島結(jié)構(gòu)。該法改性劑易滲出，使封裝器件出現(xiàn)斑痕并污染模具。最近則采用改性劑與樹脂直接反應(yīng)，形成微細(xì)均勻的分散。所用改性劑多為有機(jī)硅。漢高華威的產(chǎn)品從KL-4500到KL-7000都是低應(yīng)力產(chǎn)品，從表8可以看出在原材料方面兩種方法的應(yīng)用，而產(chǎn)品的性能(見表9)得到改善。

表8 低應(yīng)力環(huán)氧模塑料的成分組成

表9 低應(yīng)力型環(huán)氧模塑料典型性能

3.5 低膨脹型

由于集成電路超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度迅速增加，鋁布線寬度越來越窄，芯片面積越來越大，外型向小型化、薄型化方向發(fā)展。安裝方式由雙列直插式向表面安裝方向發(fā)展，封裝形式從 DIP 向 SOP(SOJ)、SSOP、QFP、TQFP 方向發(fā)展，由于封裝形式不同，對(duì)材料的性能要求也不盡相同。對(duì)環(huán)氧模塑料提出了更高的要求。若用傳統(tǒng)的塑封料封裝超大、特大規(guī)模集成電路，會(huì)明顯影響塑封料集成電路的可靠性。所以為了滿足超大、特大規(guī)模集成電路的封裝要求，必須對(duì)環(huán)氧塑封料的配方進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，降低塑封料的線性膨脹系數(shù)，降低熔融黏度，提高耐熱性，提高耐濕性。目前低膨脹型模塑料廣泛采用新型樹脂體系，環(huán)氧樹脂大部分采用聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂(Biphenyl)及聚雙環(huán)戊二烯型環(huán)氧樹脂(DCPD)，表10顯示了此塑封料在原材料環(huán)氧樹脂方面的變化。其共同特點(diǎn)是熔融黏度很低，可以填充大量填料，而黏度不會(huì)大副提高。填充料采用熔融球型二氧化硅微粉，采用高填充技術(shù)，填充量可達(dá)到85%以上，甚至達(dá)到90%以上，線膨脹系數(shù)可以降到1.0×10-6左右。由于廣泛采用了新型的二氧化硅微粉界面處理技術(shù)，模塑料的耐濕性及耐熱性都有很大提高。漢高華威典型材料是KL-6000和KL-7000系列，此塑封料的性能見表11。

表10 低膨脹型環(huán)氧模塑料的成分組成

表11 低膨脹型環(huán)氧模塑料典型性能

3.6 低翹曲型

伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品的高度集成化、高密度貼裝的要求，各類集成電路的精密化程度越來越高，并且引腳數(shù)也在不斷增加。在以往的四邊扁平封裝(QFP)裝配時(shí)，由于引腳增多，引腳間距變得越來越小，使得焊接變得非常困難，表面貼裝時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障，如散熱問題、焊接連橋等，這些都是現(xiàn)行四邊引腳封閉所不易克服的缺陷。為了解決裝配中的這些問題，美國(guó)MOTOROLA公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)出了新型的球柵陣列封裝 (ball grid array)，簡(jiǎn)各色BGA.這種封裝概念源于美國(guó)MOTOROLA公司 OMPAC(over-molded pad array carrier)。與PGA不同的是，BGA是用焊料球代替引腳，因而適合于表面安裝。由于在封裝外殼上焊料球呈陣列分布，與PLCCQFP等封裝的周邊排列方式相比，BGA具有更高的輸入和輸出(I/O)密度。其突出優(yōu)勢(shì)是引腳更短，從印刷電路板(PCB)到封裝以及從外部I/O到器件焊點(diǎn)有最短的互連長(zhǎng)度adw焊料球與PCB板的接點(diǎn)面積更大，引線間電容、引線電感特性良好，使電氣性能得到提高。

塑料封裝球柵陣列(PBGA)是在電路基板上用銀漿來直接安裝IC芯片，以半導(dǎo)體封裝材料封裝芯片。內(nèi)部配線是從芯片開始以金線連接表面基板電路，也即是連接基板下面的焊球。在BGA封裝焊球能夠與加熱的封裝基板上的電路焊接上。BGA無論是從組裝的難易度以及組裝面積的縮小還是到組裝速度的高速化，都顯示較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

塑料封裝球柵陣列(PBGA)是一種出現(xiàn)時(shí)間很短但發(fā)展非常迅速，有很大應(yīng)用前景的集成電路封裝形式。這種新型的封裝形式，對(duì)所用的環(huán)氧模塑料提出了新的更高的性能要求。由于這種封裝的不對(duì)稱性，容易產(chǎn)生翹曲。采用固體塑封料，要求塑封料具有低翹曲度、高粘接性能。多采用多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂作為基質(zhì)樹脂，酚醛樹脂為固化劑，叔胺為促進(jìn)劑，熔融球形二氧化硅為填料，還胡改性劑、阻燃劑、脫模劑、著色劑等組分組成。其性能特點(diǎn)是低膨脹、高Tg、高粘接強(qiáng)度、低翹曲率，現(xiàn)在已大規(guī)模生產(chǎn)。其典型產(chǎn)品如KL-8000和KL-9000系列,其主要組成和性能見表12和表13。

表12 低翹曲型環(huán)氧模塑料主要成分組成

表13 低翹曲型環(huán)氧模塑料典型性能

3.7 環(huán)保型環(huán)氧模塑料

2003年2月歐盟頒布《報(bào)廢電子電氣設(shè)備指令》(WEEE)和《關(guān)于在電子電氣設(shè)備禁止使用某些有害物質(zhì)指令》(POHS)法案，要求其成員國(guó)在2006年7月1日起，確保投放的新電子電氣設(shè)備不得包含鉛、汞、鎘、六價(jià)格、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等六種有毒有害物質(zhì)。Sony公司制定了綠色伙伴GP(Green Partner)標(biāo)準(zhǔn)來要求整個(gè)供應(yīng)鏈滿足對(duì)有以上有害物質(zhì)的管控。漢高華威公司研制出的G系列產(chǎn)品就是來滿足半導(dǎo)體和電子元器件行業(yè)對(duì)新材料的要求。代表產(chǎn)品有KL-G200,KL-G450,KL-G650和KL-G800等已經(jīng)用在電子封裝各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)。環(huán)保型環(huán)氧模塑料的典型性能和應(yīng)用見表14、表 15和圖2。

表14 環(huán)保型環(huán)氧模塑料典型性能[3]

表15 環(huán)保型環(huán)氧模塑料的應(yīng)用

圖2 環(huán)保型環(huán)氧模塑料不同型號(hào)間成本高低和性能

3 結(jié)束語

環(huán)保型材料是當(dāng)前環(huán)氧模塑料的發(fā)展趨勢(shì)，隨著電子封裝業(yè)的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用，所用的封裝環(huán)氧模塑料也會(huì)產(chǎn)生新變化，制造商也會(huì)研制出新的環(huán)氧模塑料，同時(shí)也淘汰掉一些老的型號(hào)材料。

[1] 孫忠賢.電子化學(xué)品[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001:203-219.

[2] 成興明.環(huán)氧模塑料性能及其發(fā)展趨勢(shì).半導(dǎo)體技術(shù)[J].2004(01)：40.

[3] Q/320700 st001-2008環(huán)氧模塑料[S].