硅微粉對環(huán)氧塑封料的影響

侍二增，崔 亮，李云芝，蔣小娟

(江蘇華海誠科新材料有限公司，江蘇 連云港222047)

環(huán)氧塑封料又稱環(huán)氧模塑料（EMC：Epoxy Molding Compound），自從1972年美國莫頓(Morton)公司推出Polyset 410B以來，環(huán)氧模塑料在集成電路封裝中一直占據(jù)主要地位。因為它適用于大規(guī)模生產(chǎn)，成本低，而且可靠性較高。通常環(huán)氧模塑料由環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑、無機(jī)填料、偶聯(lián)劑以及應(yīng)力吸收劑等十幾種組分配制而成。環(huán)氧樹脂體系用作封裝材料有許多優(yōu)點：粘接性優(yōu)良，耐腐蝕性強(qiáng)，無固化副產(chǎn)物，電性能優(yōu)異，耐熱性好，固化收縮率很低，吸濕性弱，靈活性好。因此，約有97%以上的半導(dǎo)體器件已采用環(huán)氧模塑料封裝，其中包括晶體管、功率器件、集成電路。

構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路器件的材料很多，如：硅芯片、表面鈍化膜、引線框架等，它們與環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)相差很大。加熱固化時，因熱膨脹系數(shù)的差異而使器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)力的存在會導(dǎo)致幾個方面的不良后果：①塑封料開裂；②表面鈍化膜開裂，鋁布線滑動，電性能變壞；③界面處形成裂縫，耐濕性變差；④封裝器件翹曲。影響熱應(yīng)力大小的因素有彈性模量E、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱膨脹系數(shù)。因此降低內(nèi)應(yīng)力一直是環(huán)氧塑封料行業(yè)中人們普遍關(guān)心的問題。環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)大約為6.0×10-5，而二氧化硅的熱膨脹系數(shù)是6.0×10-7，兩者相差100倍。使用無機(jī)填料可以有效地降低環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)。

本文研究了采用不同類型硅微粉并改變配比對沖擊強(qiáng)度的影響，同時采用DMA（Dynamic mechanical analysis動態(tài)機(jī)械分析儀）測試了環(huán)氧塑封料高溫模量的變化。

1 試驗

1.1 試驗原材料

選用中位粒徑為11 μm的球形硅微粉D，中位粒徑為9 μm的熔融硅微粉E，中位粒徑為8 μm的結(jié)晶硅微粉F，中位粒徑為1.0 μm的超細(xì)球形硅微粉G進(jìn)行了六組試驗。使用的主要原材料及其生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 試驗用主要原材料及生產(chǎn)廠家

1.2 試驗方法及其測試

將EOCN型環(huán)氧樹脂、XYLOK型酚醛樹脂、催化劑（TPP）、脫模劑（巴蠟）、偶聯(lián)劑（KH560），著色劑（炭黑）及填料按質(zhì)量比稱量后放入高速攪拌器中，以250 r/min的速度攪拌0.5 h，取出后使用雙螺桿擠出機(jī)在24 r/min的加料速度和240 r/min的擠出轉(zhuǎn)速下進(jìn)行擠出，擠出后立即在冷卻帶上進(jìn)行冷卻，粉碎后放入冷庫進(jìn)行保存，之后按照SJ-T 11197-2013環(huán)氧模塑料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行凝膠時間、流動長度、溢料、TMA、沖擊強(qiáng)度等試驗測試，使用DMA的三點彎曲法進(jìn)行模量等相關(guān)參數(shù)的測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗方案

表2為填料含量84%、其它樹脂及其添加劑完全相同時，不同填料配比情況。

表2 不同硅微粉配比情況

表3為本次全因子試驗的測試結(jié)果。

表3 不同硅微粉配比的測試結(jié)果

從表3可以看出，所有樣品的室溫儲能模量均在20 GPa到23 GPa，基本上沒有太大變化。這是由于環(huán)氧塑封料的填料含量為84%，在這個條件下，室溫儲能模量基本上由填料控制，不同填料配比對其影響較小。而高溫下的儲能模量、損耗模量的峰值、損耗角正切的峰值及沖擊強(qiáng)度受到填料配比的影響較大。

2.2 用曲線圖來分析不同硅微粉配比對膠化時間和流動長度的影響

膠化時間和流動長度的曲線圖分別如圖1、圖2所示，由圖1、圖2可以看出，隨著填料D添加比例的增加，膠化時間變短和流動長度變長，材料具有較好的流動性能；填料E的加入量對膠化時間和流動長度的影響不大；填料F的加入量對膠化時間的影響不大，但是隨著填料F比例的增加，流動長度明顯下降；填料G的加入增加膠化時間和流動性略有上升。

圖1 膠化時間曲線圖

圖2 流動長度曲線圖

2.3 用折線圖來分析不同硅微粉配比對DMA的高溫模量的影響

由表3和圖3～圖7所示的曲線圖可以看出，隨著熔融硅微粉E的加入，環(huán)氧塑封料的DMA高溫模量（175℃和260℃）略有升高；隨著結(jié)晶硅微粉F的加入，其DMA高溫模量波動不明顯；隨著超細(xì)球形硅微粉G的加入，其DMA高溫模量明顯下降。

圖3 DMA測試的260℃的儲能模量曲線圖

圖7 損耗角正切tanδ值的曲線圖

2.4 用曲線圖來分析不同硅微粉配比對沖擊強(qiáng)度的影響

由表3和圖8可以看出，在熔融硅微粉E加入量為25%時，沖擊強(qiáng)度為56 J/m2，而當(dāng)熔融硅微粉E加入量為50%的時候，沖擊強(qiáng)度升高到了111 J/m2；在結(jié)晶硅微粉F的加入量為25%時，沖擊強(qiáng)度升高到了92 J/m2，而當(dāng)結(jié)晶硅微粉F的加入量為50%時，沖擊強(qiáng)度反而降低到了58 J/m2；隨著超細(xì)球形硅微粉G的加入，沖擊強(qiáng)度有明顯下降。

圖4 DMA測試的175℃的儲能模量曲線圖

圖5 DMA測試的室溫的儲能模量曲線圖

圖6 損耗模量的峰值曲線圖

圖8 沖擊強(qiáng)度的曲線圖

3 結(jié)束語

不同類型硅微粉的配比會影響環(huán)氧塑封料的膠化時間、流動長度、DMA高溫模量和沖擊強(qiáng)度，在相同填料含量條件下，球形硅微粉的使用量增加，會使得環(huán)氧塑封料流動性能增強(qiáng)，但結(jié)晶硅微粉的加入量太多，會使塑封料的熔融黏度增加，流動性能急劇下降，對集成電路的金引線有沖擊，進(jìn)而影響集成電路的可靠性。使用球形的環(huán)氧塑封料具有較低的熱膨脹系數(shù)、較好的流動性能和較高的沖擊強(qiáng)度。總之，如何協(xié)調(diào)填料種類、含量、顆粒形狀、尺寸及分布是評價環(huán)氧塑封料優(yōu)異的一個重要方面，在很多情況下需要根據(jù)不同的封裝形式以及可靠性要求，合理搭配使用不同類型的硅微粉。