淺談I C封裝材料對產品分層的影響及改善

藺興江，張宏杰，張易勒

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水 741000）

淺談I C封裝材料對產品分層的影響及改善

藺興江，張宏杰，張易勒

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水 741000）

IC封裝不僅要求封裝材料具有優良的導電性能、導熱性能以及機械性能，還要求具有高可靠性、低成本和環保性，這也是引線框架、環氧樹脂成為現代電子封裝主流材料的主要原因，其市場份額約占整個封裝材料市場的95%以上。由于環氧樹脂封裝是非氣密性封裝，對外界環境的耐受能力較差，尤其是受到濕氣侵入時，產品會出現一些可靠性問題，最容易發生的現象是分層。簡要分析了框架和環氧樹脂對產品可靠性的影響，在此基礎上提出一些改善措施。

環氧樹脂；封裝；分層

微電子器件封裝中往往都要使用多種不同熱膨脹系數的材料，由于材料間的熱失配及制造和使用過程中的溫度變化，使得各種材料及界面都將承受不同的熱應力。層間界面熱應力和端部處的熱應力集中常常造成封裝結構的分層破壞，形成界面分層，從而導致封裝結構的失效。對封裝件的應力分析是對封裝材料、工藝和可靠性評價的重要內容之一，因而分析判斷封裝材料在封裝和使用過程中產生應力的影響具有重要的意義，本文主要就引線框架和環氧樹脂等主要封裝材料對產品分層的影響進行分析和探討。

1 框架的組成及其作用

框架是模塑封裝的骨架，它主要由兩部分組成：芯片焊盤（die paddle）和引腳（lead finger）。其中芯片焊盤在封裝過程中為芯片提供機械支撐，而引腳則是連接芯片到封裝外的電學通路，就引腳而言，每一個引腳末端都與芯片上的一個焊盤通過引線相連接，該端稱為內引腳（inner finger），引腳的另一端就是所謂管腳，它提供與基板或PC板的機械和電學連接。

框架通常都是由合金材料制成，加工方法為沖壓法和蝕刻法。通常的框架材料是銅合金材料和鐵鎳合金（也稱合金42，一般情況下鎳的含量為42%，鐵的含量為58%）。除此之外現今各種各樣的復合材料層出不窮，但是應用的范圍還比較狹窄，一是由于技術上還不夠完善，其次就是價格因素。框架材料一般是金屬合金，在封裝中主要是關注它們的粘接性、熱膨脹系數（CET）、強度以及電導率。下面我們將分別討論框架材料的這些性質特性，同時對不同材料的這些特性進行比較說明，

表1為銅材料分類，表2為銅材料特性，表3為銅材料的組成成分。

2 環氧樹脂的組成及其作用

環氧樹脂是一種多組分的高分子復合材料，其中包括多種有機成分和無機成分。環氧樹脂的基本組分以及各組分的主要作用見表4。

表1 銅材料分類

表2 銅材料特性

表3 銅材料的組成成分

表4 環氧樹脂的基本組成及作用

3 分層的定義和機理

3.1 分層的定義

在電子封裝中，分層是可靠性評價的一個主要方面。分層是產品塑封體內部各界面之間發生了微小的剝離或裂縫，一般在1～2 μm以上，主要發生的區域包括：環氧樹脂與芯片界面、環氧樹脂與載片界面、環氧樹脂與引線框架界面、芯片與銀漿界面、銀漿與引線框架界面之間，如圖1所示。

圖1 IC封裝內部結構圖

3.2 分層的機理

導致分層的因素很多，從環氧樹脂的角度來說，一般認為主要是由于內部應力變化和內部水分的蒸汽壓力造成的[1]。當封裝體在環境溫度變化時，內部應力和水分的蒸汽壓力之和大于環氧樹脂與芯片、載片以及框架表面之間的粘接力，以致于使它們的界面之間出現剝離現象，嚴重時還會導致環氧樹脂或芯片出現裂紋，如圖2所示。

圖2 分層放大圖片

4 封裝材料對產品分層的影響及改善[1]

在塑封體內部產生分層的原因中，一般認為框架、環氧樹脂的特性是導致塑封體內部分層的主要原因。在封裝中，我們主要注意框架的粘接性、熱膨脹系數（CET）、強度以及電導率等性能對塑封體內部分層影響，同時環氧樹脂的延展率、環氧樹脂的吸濕性和環氧樹脂的粘接性也是對分層影響較大的因素，當然還有導電膠，芯片等。

4.1 框架材料的粘接性

在考慮選擇材料時，最重要的是框架與塑封材料的粘合性。這種粘合性僅靠物理鍵合是不夠的，化學的鍵合也非常必要。一般認為，鐵鎳合金與環氧塑封材料的粘合性比銅合金要好一些，是因為在其表面不易生成起鈍化作用的氧化層。但是事實上，銅合金的微氧化促進了銅與塑封材料的粘接性，氧化銅結構比較疏松，影響了機械強度，導致在銅與氧化銅之間容易產生斷裂，而不是銅與環氧樹脂之間。所以在選擇材料的時候，要充分對比其優缺點，選擇更為合適的材料。

框架與塑料材料的粘接性之所以如此重要，原因在于如果其粘接失效，就會在界面上發生分層現象（delamination），這樣，空氣中的水分、各種離子以及塑封材料表面的離子雜質就會直接進入封裝模塊，從而影響到引線鍵合處，引起引線鍵合銹蝕失效等問題，所以粘接性是考慮框架材料選擇的一個很重要因素。在上文中我們已經提到，就塑封材料的粘接性而言銅合金要優于鐵鎳合金。

由于現在銅合金框架材料的應用越來越廣泛，所以對銅合金表面的改進也越來越多。研究表明，在銅框架表面涂一層聚合物，這種聚合物與銅合金和環氧塑封材料都有良好的粘合作用，這樣可以大大提高銅框架的粘接性。

4.2 框架材料的熱膨脹系數（CET）

不同的材料的熱膨脹系數是有一定差別的，硅的熱膨脹系數是（2.3～2.6）×10-6，而環氧樹脂的熱膨脹系數為（16～20）×10-6。由以上數據可看出，硅的熱膨脹系數和環氧塑封料的熱膨脹系數相差甚多，CET失配就會引起封裝模塊開裂、分層等問題,因此，根據器件的性能仔細挑選具有合適熱膨脹系數的框架材料是極為重要的。合金 42（鐵鎳合金）的 CET 為（4.0～4.7）×10-6，銅合金的CET在（17～18）×10-6。從上面的數據可看出，合金42的CET與芯片（表面為硅材料）的CET較為匹配，而銅合金的CET與環氧塑封料的CET較為接近。在解決了框架的粘接性問題之后，為了降低由于熱膨脹系數失配所引起的熱應力，通常行業內更傾向于選擇銅合金作為框架材料。

4.3 框架材料的熱導率

框架的功能之一就是散熱，芯片在工作過程中會產生一定的熱量，其中大部分是通過框架散發出去的，這是因為塑封料的導熱能力相當差。在熱學性能方面，銅合金的優勢顯得極為明顯，要比鐵鎳合金的導熱能力高10倍以上，這也是現在銅合金框架材料使用的越來越廣泛的原因之一。

4.4 降低環氧樹脂的應力

由于構成集成電路的材料很多，包括芯片、引線框架、金絲、載片、導電膠等，它們與環氧樹脂的熱膨脹系數相差很大，在環境溫度變化時，因它們熱膨脹系數的差異而使塑封體內部產生應力，應力的產生會引起界面分層、膠體翹曲、表面鈍化膜開裂、鋁布線滑動等不良現象。

環氧樹脂的應力計算為：

式中：K1、K2是常數，a1、a2是環氧樹脂的熱膨脹系數，E是環氧樹脂的彈性模量，dT是溫度變化，從公式可以看出，影響環氧樹脂的應力因素有：環氧樹脂的熱膨脹系數、環氧樹脂的彈性模量和環氧樹脂的玻璃化溫度，但是降低環氧樹脂的玻璃化溫度會降低材料的機械性能，所以降低環氧樹脂的熱膨脹系數和彈性模量是降低環氧樹脂應力的有效方法。

（1）加大環氧樹脂填充材料的含量，可以降低熱膨脹系數。填料不僅能夠起增加導熱、支撐的作用，而且還能降低環氧樹脂的熱膨脹系數和封裝成本。目前所使用的填充材料主要是二氧化硅，其熱膨脹系數為6×10-7℃-1，而環氧樹脂的熱膨脹系數大約是6×10-5℃-1，兩者相差100倍。所以要降低環氧樹脂的熱膨脹系數，必須加大填充材料的含量（見表5）。

表5 填料含量對環氧樹脂熱膨脹系數和分層的影響

（2）添加應力吸收劑，可以有效降低環氧樹脂的彈性模量。研究表明使用一種添加劑既可以降低熱應力，又可以有效降低環氧樹脂的彈性模量，所以也稱為應力吸收劑。目前所使用的應力吸收劑主要是一種硅油或硅橡膠，它可以有效降低這種熱應力和環氧樹脂的彈性模量，另外，研究發現使用角形填料也會使應力集中，而形成一種角應力，所以球形填料比角形填料有更低的應力表現，使用應力吸收劑也會有效地降低這種角應力。應力吸收劑對環氧樹脂的應力和分層的影響情況列于表6。

表6 應力吸收劑對環氧樹脂的應力和分層的影響

總之，降低環氧樹脂的熱膨脹系數和彈性模量，可以有效降低環氧樹脂內部應力，從而改善因應力而產生的分層現象。

4.5 改善環氧樹脂的吸濕性

環氧樹脂是一種多組分的高分子材料，其中環氧樹脂的分子間距為50～200 nm，這種間距足可以讓水分子滲透進去，樹脂封裝是一種非氣密性的封裝，水分可以不同程度地進入塑封體內部，進入塑封體內部的途徑主要是環氧樹脂本身的滲透和環氧樹脂與引線框架界面之間的侵入，在塑封體內部中，水分會因環境溫度升高而產生蒸汽壓，當這種蒸汽壓力大于環氧樹脂、芯片、框架、載片等表面之間的粘接力時，就會形成分層現象。

改善這種環氧樹脂的吸濕性能的方法主要有：（1）選擇低吸濕的環氧樹脂；（2）加大環氧樹脂的填料含量；（3）提高環氧樹脂內部的交聯密度。可以通過對二氧化硅表面進行改性處理，常用偶聯劑來改善無機二氧化硅表面與其他有機材料表面的相容性，有利于阻止水分的侵入，還可以選擇一些多功能團的環氧樹脂和固化劑體系，來提高交聯反應的密度，改善環氧樹脂防止水分侵入的能力，以降低環氧樹脂的吸濕性能。

偶聯劑主要作用就是通過化學反應或者化學吸附的辦法（如圖3）來改變填料表面的物理化學性能，提高其在樹脂和有機物中的分散性增進填料與樹脂等基體界面的相容性，進而提高材料的力學性能，提高材料之間的結合。

圖3 偶聯劑作用機理示意圖

在高溫的情況下，水分會形成水汽膨脹而導致分層、斷線、頸部裂紋，甚至造成膠體或芯片開裂，以致于集成電路或器件失效，如圖4所示。

圖4 水分膨脹導致裂紋過程

4.6 提高環氧樹脂的粘接性

在塑封體內部，環氧樹脂與芯片、引線框架、載片等表面之間都存在界面粘接問題，如果粘接不良就會出現所謂的分層現象。因此，提高環氧樹脂的粘接性能對改善塑封體內部分層現象是非常重要的。

從本質上講，提高粘接性就是提高界面層反應的牢固程度。研究表明不同種類的環氧樹脂與樹脂的含量對環氧樹脂的粘接強度有很大的影響，一般來說軟質結構的環氧樹脂比硬質結構的環氧樹脂更容易與固體表面結合，聯苯型環氧樹脂是一種較好的選擇。聯苯型環氧樹脂由于處于單分子的結晶態，熔融黏度極低，可以大量填充球形硅微粉填料，可以使環氧樹脂的熱膨脹系數極大地降低。聯苯型環氧樹脂是超低應力、低膨脹型樹脂的首選基體樹脂，缺點是價格昂貴，儲存期較短，容易發生溢料。

另外，提高環氧樹脂粘接性很重要的一方面，就是微量成分中偶聯劑的使用。在環氧樹脂中，一般使用硅烷類偶聯劑，其種類及配比是生產研制單位的一項核心技術，偶聯劑的作用，就是改善界面的相容性，主要表現在以下兩個方面：（1）二氧化硅與環氧樹脂等有機界面。實驗數據也表明，偶聯劑的加入與否，所形成的復合材料界面層是截然不同的，直接影響著環氧樹脂的密封及粘接性能。（2）環氧樹脂與金屬、芯片等界面。此界面內

（包含脫模劑及偶聯劑，而脫模劑對環氧樹脂與芯片及引線框架的粘接強度有很大的影響。由于脫模劑在環氧樹脂流動的同時，因其分子量小易流動，比其他樹脂移動得快，能很快吸附在芯片及引線框架的表面從而影響環氧樹脂與其表面的正常粘接，脫模劑量越大，其覆蓋界面的面積越大，會嚴重影響環氧樹脂與其他界面之間的粘接性。所以我們一方面要盡可能減少脫模劑的量，另一方面可以通過添加不同種類的偶聯劑，如硅烷偶聯劑也是分子量小且移動速度快，可吸附在界面上產生偶聯反應，形成相對牢固的結合，從而提高環氧樹脂與其他表面的粘接力。

總之，使用對芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好粘接性能的環氧樹脂、偶聯劑以及粘接劑，并選擇適當的脫模劑種類以及用量，可以大大提高環氧樹脂的粘接性能，以改善塑封體內部分層現象。

5 結 論

通過以上的分析與研究，可以得出以下結論：塑封體內部分層是樹脂封裝的一種普遍現象，可以通過選擇適合框架材料的黏度、膨脹系數和導熱的環氧樹脂，還可以通過加大填料含量、添加應力吸收劑來降低環氧樹脂的應力，以達到改善塑封體內部分層現象；也可以通過選擇低吸濕性環氧樹脂、加大填料含量、提高環氧樹脂的交聯反應密度來降低環氧樹脂的吸濕性，以達到改善塑封體內部分層現象；還可以通過使用對芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好的粘接性能的環氧樹脂、偶聯劑以及粘接劑，選擇適當的脫模劑種類，并盡可能減少脫模劑的使用量，來提高環氧樹脂的粘接性能，以達到改善塑封體內部分層現象。當然，導致塑封體內部分層的原因也很復雜，不僅要從環氧樹脂角度來研究，還要從優化封裝結構的設計、框架的設計、封裝工藝的改善等諸多因素進行綜合分析與研究，才能有效減少或者避免塑封體內部分層現象的發生。

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[1]謝廣超.封裝樹脂與PKG分層的關系[J].電子與封裝，2006，6（2）：20～23.

Discussion to the Delaminating of IC Packaging Material for Product and Its Improvement Measures

LIN Xingjiang，ZHANG Hongjie，ZHANG Yile
（Huatian Technology Co.,Ltd，Tianshui 741000,China）

Abstract:IC package materials are not only with electrical conductivity,thermal conductivity and excellent mechanical properties,but also high reliability,low cost and environmental protection.So，lead frame and molding compound as main materials of IC package，accounts for over 95%of the whole package materials.But because the Plastic packaging is non hermetic package，it was easily affected by the external environment，especially when moisture entrained into the package will lead to products failure，such as delaminating.This paper briefly analyzes lead frame and molding compound impact on the reliability of the product，and improving measures are put forward.

Keywords:molding compound ；package；delaminating

2013-11-20

TN604

A

1004-4507（2013）12-0001-06

藺興江（1974.9～），男，甘肅省靖遠人，工程師，畢業于成都電子機械高等專科學校模具設計與制造專業，畢業后在天水華天科技股份有限公司一直從事集成電路封裝研究工作。