吳 娟

(漢高華威電子有限公司，江蘇連云港222006)

近年來(lái)，半導(dǎo)體器件為實(shí)現(xiàn)高功能化和高集成化，使得布線更微細(xì)，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，芯片尺寸大型化。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高密度安裝，出現(xiàn)了SMT工藝，要求封裝件向小型化薄型化發(fā)展。另一方面，為了滿足高功能半導(dǎo)體器件多引線化的要求還出現(xiàn)了多引線大型封裝。其中，IC日益高度集成化是最顯著的特點(diǎn)，集成度以每3年增加4倍的速度遞增，在10年內(nèi)集成度增加了100倍。從64 K到64M，線寬由3μm縮小到0.35μm；芯片面積從20～30mm2擴(kuò)大到120～160mm2；芯片在封裝中的占有率由17%～25%上升到60%～80%。封裝材料的厚度越薄，越易引起封裝開(kāi)裂。另外，當(dāng)前表面安裝成為主流。在表面安裝中封裝體整體要暴露在215～260℃高溫中，因而產(chǎn)生受熱沖擊而開(kāi)裂和焊后耐濕性降低等問(wèn)題。為滿足上述要求，封裝材料生產(chǎn)廠家一直在進(jìn)行各方面的努力。

1 環(huán)氧模塑料的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)際技術(shù)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

環(huán)氧塑封料在20世紀(jì)60年代首先由美國(guó)的Morton公司開(kāi)始使用,歷經(jīng)20世紀(jì)70年代和80年代的多次改進(jìn)技術(shù)越來(lái)越成熟。目前,國(guó)際上環(huán)氧模塑料已經(jīng)形成完整的系列產(chǎn)品，包括適合于大型PDIP及PLCC的低應(yīng)力模塑料；適合于DRAM封裝的低應(yīng)力、高純度、低α粒子含量的模塑料；還有適合大芯片尺寸、薄型封裝的模塑料等。目前世界上環(huán)氧塑封料生產(chǎn)廠家主要集中在日本、美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)。包括日東電工、住友電木、日立化成、松下電工、信越化學(xué)、臺(tái)灣長(zhǎng)春、東芝、Hysol、Plaskon、Cheil等(見(jiàn)表 1)。環(huán)氧塑封料的主流產(chǎn)品為適合于0.35～0.18μm特征尺寸集成電路QFP/TQFP、PBGA以及CSP等封裝用材料，研究水平已達(dá)0.10～0.09μm。

表1 全球主要模塑料生產(chǎn)企業(yè)

同時(shí)，隨著歐盟WEEE和RoHS兩個(gè)法令的頒布，電子信息產(chǎn)品的綠色環(huán)保要求已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，傳統(tǒng)環(huán)氧塑封料含溴、銻等作為阻燃劑。國(guó)外研究綠色環(huán)氧塑封料是90年代中后期才開(kāi)始，隨著2003年歐盟WEEE法案的頒布，國(guó)外各大公司加快了環(huán)保、綠色塑封料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，加大了推廣的力度，已有部分技術(shù)具備規(guī)模化生產(chǎn)的條件。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)環(huán)氧塑封料的研究始于20世紀(jì)70年代末，80年代初開(kāi)始批量生產(chǎn)，90年代初到現(xiàn)在進(jìn)入了快速發(fā)展階段,高性能環(huán)氧塑封料質(zhì)量水平有了較大進(jìn)步。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家(包括合資企業(yè))共有8家：漢高華威公司(前身為江蘇中電華威)、北京科化、蘇州住友電木(日資)、昆山長(zhǎng)興電子(臺(tái)資)、成都齊創(chuàng)、浙江新前電子等，其中華威公司是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大的環(huán)氧塑封料生產(chǎn)企業(yè)，是國(guó)家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，國(guó)家863計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地，建有國(guó)家級(jí)博士后科研工作站和省級(jí)技術(shù)中心，公司有二十多年研發(fā)、生產(chǎn)環(huán)氧塑封料的豐富技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從1993年以前年產(chǎn)不足百噸的手工式作坊發(fā)展到現(xiàn)在36 000噸/年規(guī)模。目前國(guó)產(chǎn)環(huán)氧塑封料的市場(chǎng)份額約40%左右，其中漢高華威公司占據(jù)市場(chǎng)份額約35%左右。

國(guó)產(chǎn)環(huán)氧塑封料產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)水平達(dá)到0.35～0.25μm特征尺寸集成電路QFP/TQFP封裝生產(chǎn)要求，中試規(guī)模生產(chǎn)水平達(dá)0.25～0.18μm特征尺寸集成電路QFP/TQFP、PBGA以及CSP等的技術(shù)要求，研發(fā)水平在0.10μm。我國(guó)在環(huán)保型環(huán)氧塑封料研究方面，現(xiàn)已掌握了綠色環(huán)氧模塑料小試及中試生產(chǎn)技術(shù)。

環(huán)氧塑封料業(yè)是環(huán)氧樹(shù)脂電子高端應(yīng)用的重要領(lǐng)域，近年在國(guó)際制造中心向我國(guó)轉(zhuǎn)移的大背景下，在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的國(guó)家或地區(qū)紛紛前來(lái)投資，中國(guó)大陸環(huán)氧塑封料業(yè)開(kāi)始向世界先進(jìn)水平邁進(jìn)。

2 集成電路封裝發(fā)展對(duì)封裝材料的要求

環(huán)氧模塑料是一種熱固性材料，由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、固化促進(jìn)劑、填料以及其他改性成分共同組成。環(huán)氧模塑料發(fā)展至今，已經(jīng)衍生出很多種不同類型，以適合不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。按照所使用的環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)分，可以分為EOCN型、DCPD型、Bi-phenyl型以及Multi-Function型等。按照最終材料的性能來(lái)分，環(huán)氧模塑料可以分為普通型、快速固化型、高導(dǎo)熱型、低應(yīng)力型、低放射型、低翹曲型以及無(wú)后固化型等。同時(shí)為了滿足對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，無(wú)鹵無(wú)銻的“綠色”環(huán)保型環(huán)氧模塑料也成為目前業(yè)界研發(fā)的重點(diǎn)。

不同類型的環(huán)氧模塑料分別適用于不同的半導(dǎo)體封裝形式。當(dāng)然，不同類型的半導(dǎo)體封裝對(duì)環(huán)氧模塑料的性能要求也不盡相同。半導(dǎo)體工業(yè)從器件的可靠性、成形性出發(fā)對(duì)塑封料提出如下要求：

*可靠性：(1)純度高(2)線膨脹系數(shù)低、內(nèi)應(yīng)力??；(3)；吸水率、透濕率低；(4)熱傳導(dǎo)率高；(5)與芯片、引線框架的粘附力高；(6)具有較高的高溫強(qiáng)度；(7)低α射線。

* 成形性：(1)快速固化；(2)流動(dòng)性適宜；(3)脫模性好；(4)固化收縮小。

2.1 高純度

在水存在情況下，塑封料中若含有離子性雜質(zhì)如Na＋,Cl－會(huì)形成電解質(zhì)溶液腐蝕鋁布線。這些有害雜質(zhì)主要來(lái)自原材料，生產(chǎn)使用過(guò)程也會(huì)混入。由于鋁為兩性金屬，目前使用較多的環(huán)氧塑封料的pH值多小于7，鋁的腐蝕多為Cl－所致。降低的方法主要是從環(huán)氧樹(shù)脂的生產(chǎn)工藝入手控制生成可水解氯含量，提純?cè)牧喜⒆畲笙薅鹊亟档头庋b材料的水份。

最新的方法是加離子捕捉劑和鋁保護(hù)劑等。目前，日本有高純度環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品 (有機(jī)氯含量200×10-6～300×10-6)，超高純產(chǎn)品 (有機(jī)氯含量100×10-6～200×10-6),超高純制品 (有機(jī)氯含量100×10-6以下)。環(huán)氧塑封料的填料含量占60%～70%，填充料硅微粉的純度也是影響塑封料純度的重要因素。硅微粉的Na＋,Cl-離子含量要小于2×10-6，F(xiàn)e3＋離子含量小于 10×10-6。環(huán)氧塑封料的生產(chǎn)廠房要潔凈。

2.2 低應(yīng)力和耐熱沖擊性

構(gòu)成半導(dǎo)體器件的材料很多，如硅晶片、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(shí)，因熱收縮不同使器件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致：(1)模塑料開(kāi)裂；(2)表面鈍化膜開(kāi)裂，鋁布線滑動(dòng)，電性能變壞；(3)界面處形成縫隙，耐濕性惡化。隨者芯片尺寸大型化，封裝薄型化，這種現(xiàn)象更嚴(yán)重。要降低應(yīng)力，必須降低封裝材料的彈性模量E，線膨脹系數(shù)α和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。降低Tg會(huì)使封裝材料的耐熱性下降，故不可取。為了在不降低Tg的情況下降低E，α，常用的方法是增加填料的含量和加入低應(yīng)力劑。

增加填料的含量可極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。使用球形熔融硅粉，其填充量可大量增加，填料含量可達(dá)到85%～90%。同時(shí)，球形粉末可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。試驗(yàn)表明，若以角形硅粉為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)力改進(jìn)劑可同時(shí)降低E，α又不影響Tg。開(kāi)始使用的是與樹(shù)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(shù)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。兩種方法相比，后面的方法在E相同的情況下可使彎曲強(qiáng)度提高，從而提高了耐熱沖擊性能。

制備有機(jī)硅改性劑的基本路線主要有3種：

(1)預(yù)制法：即預(yù)先用乳液聚合法或其它方法制成硅橡膠粉末，然后將硅橡膠粉末均勻地分散在基體樹(shù)脂中。此法的缺點(diǎn)在于目前還難于合成粒度≤1μm的硅橡膠粉末和難以達(dá)到塑封料的高純度要求。

(2)共混法：此法是采用高分子分散劑和特定的加工工藝，將硅橡膠細(xì)分散在基體樹(shù)脂中，可形成具有海島結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定二相體系。若高分子分散劑、加工方法和工藝條件選擇適當(dāng)，硅橡膠微區(qū)尺寸可≤1μm甚至更小。

(3)嵌段或接枝共聚法：通過(guò)帶活性基團(tuán)的聚硅氧烷與基體樹(shù)脂進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成嵌段或接枝共聚物，這些共聚物與基體樹(shù)脂形成微相分離的高分子合金。如此形成的有機(jī)硅微區(qū)的尺寸較小(≤5μm)，其改性效果可能會(huì)更好。本法的難點(diǎn)在于硅氧烷上官能團(tuán)的引進(jìn)和共聚反應(yīng)的控制，難度與工作量都較大。目前國(guó)外16M，64M DRAM芯片封裝材料的 α 為 (1.0～1.4)×10-5/℃，E為 1 000～1400 kg·mm-2。

2.3 低α射線

塑封16M以上存儲(chǔ)器時(shí)，環(huán)氧塑封料鈾含量要低，否則會(huì)使器件產(chǎn)生軟誤差。鈾主要來(lái)自填料SiO2。一種方法是尋找低鈾礦石，令一種方法是合成硅粉。目前國(guó)外可人工合成球形硅粉鈾含量可達(dá)0.1×10-9以下，但是價(jià)格較高。還有使用表面鈍化膜防止α射線影響芯片。

2.4 耐浸焊和再流焊性

在表面安裝中，焊接時(shí)整個(gè)封裝件被加熱至200℃以上，如果原來(lái)就處于吸濕狀態(tài)，水分氣化產(chǎn)生的蒸汽壓力高于封裝材料的破壞強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部剝離或封裝件開(kāi)裂。由此可見(jiàn)，提高樹(shù)脂的耐濕性；提高封裝材料在200℃以上時(shí)的強(qiáng)度和與芯片、引線框架的粘附力；降低熱膨脹系數(shù)α和E，是提高封裝材料耐浸焊性的關(guān)鍵。提高耐濕性的方法有：

(1)增加填料含量，因填料不吸濕、透濕。但會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)性和強(qiáng)度下降的問(wèn)題。防止流動(dòng)性下降可采用球形硅粉，為保持強(qiáng)度可對(duì)填料進(jìn)行表面處理；

(2)降低樹(shù)脂本身的吸濕、透濕性。如引入烷基、氟基等憎水基。為了解決因官能團(tuán)間的距離和立體障礙引起的反應(yīng)性下降問(wèn)題需要選擇合適的催化劑；

(3)正確選擇固化促進(jìn)劑，使基礎(chǔ)樹(shù)脂與固化劑交聯(lián)更緊密。提高強(qiáng)度可對(duì)填料—樹(shù)脂界面進(jìn)行適當(dāng)處理；對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂可通過(guò)引入耐熱性優(yōu)異的多官能團(tuán)提高其Tg，從而提高高溫強(qiáng)度，但要防止耐濕性下降。大日本油墨公司開(kāi)發(fā)的耐熱、耐濕、高強(qiáng)度含萘新型環(huán)氧樹(shù)脂，雙官能團(tuán)型的拉伸強(qiáng)度比通常的環(huán)氧樹(shù)脂高2倍；3官能團(tuán)型的耐熱溫度由原來(lái)的200℃提高到240℃；耐濕性能提高35%；4官能團(tuán)型的耐熱溫度高達(dá)320℃，耐濕性提高20%。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著集成電路向高超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速發(fā)展及電子封裝技術(shù)由通孔插裝(PHT)向表面貼裝技術(shù)發(fā)展，封裝形式由雙列直插(DIP)向(薄型)四邊引線扁平封裝(TQFP/QFP)和球柵陣列塑裝(PBGA)以及芯片尺寸封裝(CSP)方向發(fā)展，環(huán)氧模塑料/環(huán)氧塑封料的發(fā)展方向正在朝著高純度、高可靠性、高導(dǎo)熱、高耐焊性、高耐濕性、高粘接強(qiáng)度、低應(yīng)力、低膨脹、低粘度、易加工、低環(huán)境污染等方向發(fā)展。

[1]中國(guó)電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì)叢書(shū)編委組編.微電子封裝技術(shù)[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.4.

[2]畢克允.高尚通.現(xiàn)代電子封裝技術(shù)[C].1997年電子封裝論文集.

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

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