催化劑和偶聯(lián)劑對芯片框架粘結(jié)力的研究

秦蘇瓊，王 志，吳淑杰，譚 偉

(連云港華海誠科電子材料有限公司，江蘇連云港 222047)

催化劑和偶聯(lián)劑對芯片框架粘結(jié)力的研究

秦蘇瓊，王 志，吳淑杰，譚 偉

(連云港華海誠科電子材料有限公司，江蘇連云港 222047)

催化劑和偶聯(lián)劑是環(huán)氧模塑料的主要成分，銅、銅鍍銀以及銅鍍鎳鈀金三種框架材料則是電子封裝中常用的框架材料。通過對環(huán)氧模塑料與框架材料的粘結(jié)力研究，選出對框架粘結(jié)力優(yōu)秀的催化劑和偶聯(lián)劑。

環(huán)氧模塑料；框架；粘結(jié)力

電子封裝是指把設(shè)計好的電子芯片或電子電路用封裝材料包封起來，實現(xiàn)電路保護，方便使用的作用。其中芯片框架在封裝體中起到芯片和外面的連接作用，銅基材料具有良好的導電性、導熱性以及和模塑料相近的熱膨脹系數(shù)而成為塑料封裝中常見的框架材料。為了保證封裝工藝中的裝片性能，使芯片和金絲與芯片框架形成良好的擴散焊接，芯片框架的裝片區(qū)域一般要求壓印，然后在上面鍍金或鍍銀。銅基引線框架根據(jù)其表面處理情況分為裸銅，鍍銀和鍍鎳鈀金等。

電子封裝用到的塑料封裝由于低成本、薄型化、適合自動化生產(chǎn)等優(yōu)點廣泛應用于電子工業(yè)，而塑料封裝一般都以環(huán)氧模塑料為主要原料。塑封料與引線框架之間的粘結(jié)力對封裝產(chǎn)品的可靠性有著重要的影響。由于SMT回流焊溫度在215～260℃之間，靠近界面的水分先驟熱膨脹形成氣孔或分層，從而使得塑封料在這個溫度下粘結(jié)力大幅度下降，導致塑封材料與引線框架以及晶片之間開始分離，因此必須具有良好的的粘結(jié)性能才能夠確保塑封材料密封芯片的效果。

電子封裝用環(huán)氧模塑料主要是由環(huán)氧樹脂、填充料、催化劑、偶聯(lián)劑、改性劑、脫模劑、阻燃劑和著色劑等組分組成的混合物。模塑料的各種成分扮演著不同的作用。催化劑也稱固化促進劑，它的作用是加快環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的反應速度。由于它影響模塑料固化速度的快慢，對環(huán)氧模塑料的力學性能、熱性能、吸濕性能、粘結(jié)性、成型工藝性能都有顯著影響。偶聯(lián)劑主要用于增強環(huán)氧樹脂與硅填料的粘接力,同時有降低材料的吸水，提高阻抗，提高材料的強度，提高對芯片、引線框架的粘接力,降低材料的分層等優(yōu)點。

本文選用不同種類的催化劑和偶聯(lián)劑，研究其對銅、銅鍍銀以及銅鍍鎳鈀金三種框架界面粘結(jié)力的影響，并通過粘結(jié)力評價尋找對各種框架均有優(yōu)異表現(xiàn)的催化劑和偶聯(lián)劑。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

主要催化劑（見表1）。

表1 主要催化劑原料

主要偶聯(lián)劑（見表2）。

表2 主要偶聯(lián)劑原料

框架材料（見表3）。

表3 框架材料

1.2 試驗方法及步驟

試驗基礎(chǔ)配方（見表4）。

表4 基礎(chǔ)配方

試驗主要設(shè)備（見表5）。

表5 所用主要試驗設(shè)備一覽表

試驗步驟：將原材料處理為粉狀，按配方比例加入高攪機進行高速混合，混合后加入擠出機擠出，粉碎過篩冷藏備用。

1.3 粘結(jié)力測試

圖1 tab pull樣品示意圖

將環(huán)氧模塑料粉末在40 MPa的壓力下壓制成餅料，將餅料在高頻預熱機上預熱到約100℃，投入注塑孔內(nèi)，用tap pull模具傳遞模塑成型，框架為銅、銅鍍銀和銅鍍鎳鈀金材質(zhì)。脫模后在175℃的烘箱內(nèi)后固化6 h。將tab pull樣品放入潮箱內(nèi)，置于60℃,60RH%下放置40 h后取出。進行3次回流焊，隨后進行拉力測試,測定塑封料與框架之間的粘接力，見圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅框架的粘接力

2.1.1 不同催化劑對銅框架的粘結(jié)力

試驗結(jié)果顯示所有成分均在銅框架上具有優(yōu)異的粘結(jié)力。這是由于銅表面存在了二價氫氧鍵，其與模塑料中的羥基、氫鍵的結(jié)合力好。所以說由于裸銅框架表面的化學鍵決定了模塑料與其具有優(yōu)異的粘結(jié)力。

雖然銅框架的粘接力均較大，但是4種催化劑對銅框架的粘結(jié)力還是有區(qū)別的。4種催化劑對銅框架粘結(jié)力大小為 C4＞C3＞C2＞C1。C1[TPP，三苯基膦）和 C2（DBU，1，8-二氮雜 -雙環(huán)（5，4，0）-7-十一碳烯]為最常的環(huán)氧催化劑。C3，C4為咪唑類催化劑，與環(huán)氧樹脂體系固化有優(yōu)異的耐熱性、力學性能以及粘結(jié)力。但是咪唑的活性大，不穩(wěn)定。目前市場上有多種咪唑類的衍生物，C3，C4為其中兩種。C3為2P4MZ（2-苯基-4-甲基咪唑），由于2位取代基的結(jié)構(gòu)位阻效應改善了穩(wěn)定性。C4為2MZ-OK（2-甲基咪唑-三聚異氰酸鹽），在低溫下穩(wěn)定不發(fā)生反應，到達一定溫度后能很快加速環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的反應，同時其三聚異氰酸鹽成分參與反應并顯著增加粘結(jié)力。不同催化劑對銅框架粘結(jié)力的影響見圖2。2.1.2不同偶聯(lián)劑對銅框架的粘結(jié)力

試驗研究不同官能團的硅烷偶聯(lián)劑對框架表面粘結(jié)力的影響。試驗共使用了5種硅烷偶聯(lián)劑。其中固定了G1偶聯(lián)劑，這是因為G1偶聯(lián)劑是用來改善樹脂和填料分散，增加有機物和無機物相容性的助劑。圖3分析結(jié)果顯示不同偶聯(lián)劑對粘接力的影響順序為G2＞G4＞G3=G5。從偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)可以看出G2((CH3O)3SiC3H6SH)和G4((C2H5O)3SiC3H6S4C3H6Si(OC2H5)3)的結(jié)構(gòu)中均含有硫（S），可見硫?qū)︺~的粘結(jié)力有增加。由于G2為含活潑氫的巰基，其產(chǎn)生的氫鍵對金屬表面粘結(jié)力更好。另外G3為含氮的偶聯(lián)劑，G5為脂環(huán)族環(huán)氧官能團，對銅框架粘接力的作用差不多。

圖2 不同催化劑對銅框架粘結(jié)力的影響

圖3 不同偶聯(lián)劑對銅框架粘結(jié)力的影響

2.2 銅鍍銀框架的粘結(jié)力

2.2.1 不同催化劑對銅鍍銀框架的粘結(jié)力

模塑料對銅鍍銀框架有較好的粘接力，但是粘接力數(shù)據(jù)明顯小于銅框架，這是由于金屬銀沒有銅活潑。由圖4的結(jié)果可見4種催化劑對銅鍍銀框架粘結(jié)力大小為C4＞C3＞C2＞C1。催化劑對銅鍍銀框架的影響和對銅框架的影響是一致的，咪唑類催化劑的粘接力要高于磷氮類的。

2.2.2 不同偶聯(lián)劑對銅鍍銀框架的粘結(jié)力

圖5分析結(jié)果顯示粘接力的順序為G2＞G4＞G3＞G5。含活潑氫巰基的G2對金屬表面粘結(jié)力更好，含氮的偶聯(lián)劑G3對銀表面粘結(jié)力有增加但是不明顯。含脂環(huán)族環(huán)氧官能團的G5，對銀框架沒有顯著影響。

圖4 不同催化劑對銅鍍銀框架粘結(jié)力的影響

圖5 不同偶聯(lián)劑對銅鍍銀框架粘結(jié)力的影響

2.3 鎳鈀金框架的粘結(jié)力

模塑料對鎳鈀金框的粘接力很小。這是由于模塑料與框架粘結(jié)面的材質(zhì)為金，金表面沒有活潑的化學鍵，因而與環(huán)氧模塑料粘結(jié)力較差。通過圖6和圖7的粘結(jié)力數(shù)據(jù)可以看出催化劑C3和C4，偶聯(lián)劑G2對銅鍍鎳鈀金粘結(jié)力提高最有效。

圖6 不同催化劑對銅鍍鎳鈀金框架粘結(jié)力的影響

圖7 不同偶聯(lián)劑對對銅鍍鎳鈀金框架粘結(jié)力的影響

3 結(jié) 論

本文研究了催化劑和偶聯(lián)劑對三種框架材料銅、銅鍍銀、銅鍍鎳鈀金粘結(jié)力的影響，得出以下結(jié)論：

（1）咪唑類的催化劑對框架的粘結(jié)力最好，通用的TPP和DBU要次之。

（2）不同硅烷類偶聯(lián)劑對粘結(jié)力的影響也很顯著，含S的偶聯(lián)劑對框架表面粘結(jié)力最好，其次為含N的偶聯(lián)劑，普通環(huán)氧類硅烷偶聯(lián)劑相對較差。

（3）對粘結(jié)力有顯著提高的各成分均適用于銅、銅鍍銀以及銅鍍鎳鈀金框架。

[1]李可為.集成電路芯片封裝技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]孫忠賢.電子化學品[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[3]韓江龍.環(huán)氧塑封料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41(12)：6-9.

[4]謝廣超，黃道生，侍二增，等.偶聯(lián)劑對環(huán)氧模塑料的性能影響分析與研究[J].集成電路應用，2005，(11)：19-21.

[5]鄔震泰.半導體器件引線框架材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].材料科學與工程，2001，19(3)：127-130.

[6]李銀華，劉平，田保紅，等.集成電路用銅基引線框架材料的發(fā)展與展望[J].材料導報，2007，21(7)：24-26.

[7]L Xu，X Lu J Liu，X Du.Adhesion behavior between epoxy molding compound and different leadframes in plastic packaging[C].Beijing，China：International Conference on Electronic PackagingTechnology&High Density Packaging，2009.

[8]E.Takano，T.Mino，K.Takahashi，K.Sawada，S-Y.Shimizu，H.Y.Yoo.The oxidation control of copper Leadframe Package for prevention ofPopcorn Cracking[C].San Jose，Califonia，USA：IEEE 47thECT Conference，1997.

[9]H.Y.LEE，JIN YU.Adhesion strength of leadframe/MEC Interface[J].Journal ofelectronic materials.1999，l28(12)：1444-1447.

Research of Adhesion Among Catalyst,Coupling Agent and Lead Frame

QIN Suqiong，WANG Zhi，WU Shujie，TAN Wei

(Lianyungang HHCK electronic Materials Co.Ltd,Lianyungang 222047，China)

Catalyst and coupling agent are main components of epoxy molding compound.Cu,Cu/Ag,Cu/NiPdAu(PPF)are common lead frames materials on semiconductor packaging.This paper mainly focuses on the study of the adhesion enhancement between EMC and different lead frames.Catalysts and coupling agents for effective adhesion of lead frames were selected.

Epoxy molding compound；Lead frame；Adhesion

TN405.96

B

1004-4507(2017)06-0045-05

2017-11-04

秦蘇瓊（1982-），女，江蘇連云港人，工程師，南京大學化學工程碩士，現(xiàn)任職于連云港華海誠科電子材料有限公司研發(fā)經(jīng)理，主要從事于半導體封裝以及集成電路組裝中電子材料的研究和開發(fā)工作。