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(shù)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(kāi)始就沒(méi)有停止過(guò)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(wú)鹵無(wú)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(mǎn)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(shù)脂、線(xiàn)性酚醛樹(shù)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(shù)脂作為膠粘劑，固化劑為線(xiàn)性酚醛樹(shù)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(shù)脂的環(huán)氧基具有很高的反應(yīng)活性，環(huán)氧基開(kāi)環(huán)與酚醛樹(shù)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(shù)脂是環(huán)氧模塑料的重要組成部分之一，環(huán)氧樹(shù)脂的種類(lèi)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(lèi)型的環(huán)氧樹(shù)脂具有不同的特性，如鄰甲酚型環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂具有低收縮性和低揮發(fā)成份；多官能團(tuán)型環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂具有較低的黏度、高填充性等特點(diǎn)；萘型環(huán)氧樹(shù)脂具有高Tg、高耐熱性能；改性環(huán)氧樹(shù)脂具有良好柔韌性等。

(2)固化劑的主要作用是與環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(lèi)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(jiàn)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(guò)化學(xué)反應(yīng)或者化學(xué)吸附的辦法來(lái)改變填料表面的物理化學(xué)性能，提高其在樹(shù)脂和有機(jī)物中的分散性增進(jìn)填料與樹(shù)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(guò)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(chēng)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(guò)擠出機(jī)進(jìn)行擠出，此過(guò)程為化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(guò)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(guò)篩完成。

(6)磁選。主要目的對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(hù)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(kù)房。

3 環(huán)氧模塑料的分類(lèi)及其性能

IC模塑料發(fā)展至今，按樹(shù)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(chēng)移轉(zhuǎn)注模成型材料液態(tài)塑封料、底部充填膠3大類(lèi)，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(lèi)逐一說(shuō)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(chǎng)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(xiàn)膨脹系數(shù)較大，成本較低。主要用來(lái)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(xiàn)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(jiàn)表4，典型性能對(duì)比見(jiàn)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?？焖俟袒彤a(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(mǎn)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(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)微細(xì)化、封裝薄型化方向發(fā)展，熱應(yīng)力問(wèn)題逐漸變得愈來(lái)愈尖銳。熱應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致：塑料開(kāi)裂；表面鈍化膜開(kāi)裂；鋁布線(xiàn)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(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。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(jiàn)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(xiàn)寬度越來(lái)越窄，芯片面積越來(lái)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(mǎn)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(xiàn)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(shù)脂體系，環(huán)氧樹(shù)脂大部分采用聯(lián)苯型環(huán)氧樹(shù)脂(Biphenyl)及聚雙環(huán)戊二烯型環(huán)氧樹(shù)脂(DCPD)，表10顯示了此塑封料在原材料環(huán)氧樹(shù)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(xiàn)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(jiàn)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(lèi)集成電路的精密化程度越來(lái)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(lái)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(wèn)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(wèn)題，美國(guó)MOTOROLA公司在20世紀(jì)90年代開(kāi)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(xiàn)間電容、引線(xiàn)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(lái)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(xiàn)是從芯片開(kāi)始以金線(xiàn)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(wú)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(chēng)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(shù)脂作為基質(zhì)樹(shù)脂，酚醛樹(shù)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(jiàn)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(lái)要求整個(gè)供應(yīng)鏈滿(mǎn)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(lái)滿(mǎn)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(jiàn)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(yǔ)

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].