王殿年，李澤亮，郭本東，段嘉偉

（昆山興凱半導(dǎo)體材料有限公司，江蘇昆山 215301）

1 引言

半導(dǎo)體材料的發(fā)展依次經(jīng)歷了以硅、鍺為主要代表的第一代材料和以砷化鎵為主要代表的第二代材料，以及以碳化硅、氮化鎵為主要代表的第三代材料。與第一、二代半導(dǎo)體材料不同的是，第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，適用于高溫、高頻、大功率的半導(dǎo)體器件。目前，第三代半導(dǎo)體器件具有巨大的市場潛力，在新能源汽車、手機(jī)快充、5G 基站等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

第三代半導(dǎo)體器件通常需要在高溫、高壓、高頻等環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，因此對封裝用環(huán)氧塑封料（EMC）的要求也較為嚴(yán)格。目前國內(nèi)中、高端EMC 市場大部分被外資或中外合資企業(yè)占據(jù)。20 世紀(jì)60 年代，EMC就開始批量用于晶體管封裝[1]，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，各種高性能產(chǎn)品層出不窮。日本學(xué)者SHIN'ICHIRO 等人[2-3]研究了具有良好耐久性的集成電路（IC）封裝用EMC；國內(nèi)學(xué)者郭利靜等人[4]研究的EMC 有望應(yīng)用于球柵陣列封裝、芯片級(jí)封裝等IC 封裝領(lǐng)域。此外，國內(nèi)還陸續(xù)報(bào)道了關(guān)于EMC 的基礎(chǔ)研究，石志想等人[5]研究了填料對EMC 性能的影響；肖瀟等人[6]研究了固化促進(jìn)劑對EMC 性能的影響。由于行業(yè)競爭和知識(shí)產(chǎn)權(quán)等因素的影響，國內(nèi)鮮有對第三代半導(dǎo)體器件用環(huán)氧塑封料的文獻(xiàn)報(bào)道。

為滿足第三代半導(dǎo)體器件在高溫、高壓等環(huán)境下穩(wěn)定工作的要求，所用封裝材料需同時(shí)具備高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、高金屬密著力、低吸濕性、低離子濃度等特點(diǎn)。本文主要通過以下2 方面滿足上述技術(shù)要求：一方面，樹脂作為EMC 的基體決定產(chǎn)品的交聯(lián)密度，直接影響產(chǎn)品的Tg，因此通過不同樹脂的組合試驗(yàn)達(dá)到高Tg、低吸濕的目的；另一方面，通過添加合適的離子捕捉劑與EMC 中的可移動(dòng)離子反應(yīng)達(dá)到降低離子濃度的目的。

2 制備試驗(yàn)

2.1 主要原料

試驗(yàn)用EMC 的主要原料及其類型見表1。

表1 試驗(yàn)的主要原料及其類型

2.2 主要設(shè)備及儀器

本試驗(yàn)采用Aikoh Model-RZ-10 型號(hào)的推晶機(jī)測試樣品的金屬密著力，采用Perkin Elmer TMA 4000 型號(hào)的熱機(jī)械分析儀（TMA）測試樣品的Tg，采用Varian SpectrAA-220 型號(hào)的原子吸收光譜儀測試樣品的Na+濃度，采用Mettler Toledo T5 型號(hào)的自動(dòng)電位滴定儀測試樣品的Cl-濃度，采用EHL-321 型號(hào)的高壓蒸煮儀（PCT）測試樣品的吸水率，采用Sonoscan D9650 型號(hào)的超聲波掃描顯微鏡觀察分層情況。

2.3 樣品制備

2.3.1 EMC 配方

EMC 以環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂為基體，添加填料、促進(jìn)劑和其他添加劑，經(jīng)過充分混合和預(yù)反應(yīng)制得。為保證環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂之間能夠充分交聯(lián)，將環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂的當(dāng)量比保持為1∶1 來計(jì)算質(zhì)量。

EMC 樣品的配方見表2，按照該配方稱取各組分，按一定順序添加并混合均勻，將所得混合料放置在105 ℃/25 ℃的雙輥開煉機(jī)上進(jìn)行4 min 的煉膠，然后經(jīng)冷卻和粉碎，得到粉末狀的EMC（簡稱“粉料”）。使用打餅機(jī)將所得的粉料制成一定規(guī)格的餅狀EMC（簡稱“餅料”），用于制備所需的測試樣條。

表2 EMC 樣品的配方表 單位：g

2.3.2 離子捕捉劑配方

EMC 是由多種原料組成的混合物，產(chǎn)品中不可避免的會(huì)存在可移動(dòng)的離子。企業(yè)為追求低成本通常不能兼顧原料的高純度，使得產(chǎn)品中的離子濃度更大。本試驗(yàn)通過添加離子捕捉劑的方法降低離子濃度。

選擇不同類型的離子捕捉劑作為添加劑，按照表3 的配方進(jìn)行配制。準(zhǔn)確稱取各組分，按一定順序添加并混合均勻，將所得的混合料在雙輥開煉機(jī)上進(jìn)行煉膠、冷卻和粉碎，得到粉料，然后使用打餅機(jī)將所得的粉料制成餅料，用于制備所需的測試樣條。

表3 添加不同離子捕捉劑的樣品配方表 單位：g

2.4 EMC 性能表征

2.4.1 吸水率

將EMC 壓制成直徑為50 mm 的圓片，放入PCT中進(jìn)行吸水率測試，在121 ℃飽和蒸汽壓力下保持24 h，稱量圓片測試前后的質(zhì)量，計(jì)算吸水率。

2.4.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg

將EMC 壓制成10 mm×4 mm×4 mm 的小立方體，使用TMA 測試樣品的Tg，將測試溫度設(shè)置為30～250 ℃，升溫速率為3 ℃/min，同時(shí)可計(jì)算熱膨脹系數(shù)α1、α2。

2.4.3 金屬密著力

使用特定的模具將EMC 附著于金屬片（材質(zhì)為銅、銀）上，使用推晶機(jī)施加橫向推力，記錄EMC 與金屬片脫開時(shí)的推力值。

2.4.4 離子濃度

將一定質(zhì)量的EMC 置于聚四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜中，按照1∶10 的質(zhì)量比加入去離子水，在180 ℃烘箱中萃取2 h 得到萃取液。使用原子吸收光譜儀測量Na+濃度，使用自動(dòng)電位滴定儀測量Cl-濃度。

2.4.5 阻燃性能

采用UL94-2008 的測試標(biāo)準(zhǔn)測試樣品的阻燃性能。

2.4.6 吸濕敏感性

參考IPC/JEDEC J-STD-020D.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，將EMC 以TO-220 形式封裝，在175 ℃下進(jìn)行6 h 的后固化，使用超聲波掃描顯微鏡觀察分層情況。在溫度85 ℃、相對濕度85%的條件下吸濕168 h，經(jīng)過3 次回流焊后再次掃描分層情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 配方優(yōu)化分析

第三代半導(dǎo)體器件用EMC 應(yīng)同時(shí)具備高Tg、高金屬密著力、低吸濕性、低離子濃度等特點(diǎn)，本試驗(yàn)通過調(diào)整樹脂和添加離子捕捉劑實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

樹脂作為EMC 配方體系中唯一的連續(xù)相，其特性直接影響EMC 整體的性能。試驗(yàn)主要通過調(diào)配環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂來影響化學(xué)反應(yīng)的交聯(lián)密度，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性要求。多官能團(tuán)型環(huán)氧樹脂的官能團(tuán)多，反應(yīng)活性高，與酚醛樹脂的交聯(lián)密度更大，其產(chǎn)物的Tg高，耐熱性強(qiáng)[7]，但其分子結(jié)構(gòu)中較多的環(huán)氧官能團(tuán)使其吸水率較高，導(dǎo)致可靠性降低。聯(lián)苯型樹脂的分子結(jié)構(gòu)中含有的聯(lián)苯結(jié)構(gòu)使其具有一定的疏水性，使用聯(lián)苯型樹脂可降低吸水率，但其反應(yīng)活性低會(huì)導(dǎo)致Tg偏低[8]。雙環(huán)戊二烯型樹脂的粘度低，其分子結(jié)構(gòu)中含有的極性官能團(tuán)較多，浸潤性更好，密著力更高[9]。綜上，單一類型的樹脂在功能上不能同時(shí)滿足高Tg、低吸水性、高密著力等要求，本試驗(yàn)采用表2 給出的多種樹脂復(fù)配方式，制得了兼具高Tg、低吸水率、高密著力要求的EMC。樣品的測試結(jié)果如表4 所示，其中樣品9#為對照組。分別對比樣品1#與5#、2#與6#、3#與7#、4#與8#的Tg，可以明顯看出樣品1#～4#的Tg均高于樣品5#～8#，這是因?yàn)闃悠?#～4#使用了多官能團(tuán)型環(huán)氧樹脂，而樣品5#～8#使用了多環(huán)芳烴型環(huán)氧樹脂，說明多官能團(tuán)型環(huán)氧樹脂的活性基團(tuán)更多，與酚醛樹脂的交聯(lián)密度更大，因此Tg更高。且樣品1#～4#的吸水率會(huì)高于樣品5#～8#，這是因?yàn)檩^多的環(huán)氧基團(tuán)使整體極性更高，吸水率提高。對比樣品1#與2#，可以看出雖然1#的Tg稍低于2#，但1#的吸水率更低，具有更好的耐濕性，因此優(yōu)選1#的樹脂組合。

EMC 中的可移動(dòng)離子濃度對電性能有很大的影響。在普通硅器件中由于工作電壓較低，電性能的問題不會(huì)顯現(xiàn)，但在第三代半導(dǎo)體材料SiC 器件中，部分MOSFET 工作電壓達(dá)到了1200 V 甚至1700 V，使用傳統(tǒng)的EMC 時(shí)器件往往會(huì)出現(xiàn)漏電或擊穿等電性能問題。離子捕捉劑能夠與混合體系中的可移動(dòng)離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有效降低可移動(dòng)離子濃度，其作用機(jī)理如下：

其中，R-OH 為有機(jī)物，M+為陽離子，A-為陰離子。

在樹脂優(yōu)化后的基礎(chǔ)上，采用表3 的配方添加不同類型的離子捕捉劑，成功制備出了兼具高Tg、高金屬密著力、低吸濕性、低離子濃度等特點(diǎn)的EMC。從表4 中樣品10#～13#的測試結(jié)果可以看出，未添加離子捕捉劑的樣品13#的離子濃度明顯偏高，而添加了陰離子捕捉劑的樣品11#的離子濃度較低。

表4 樣品的測試結(jié)果

3.2 性能測試結(jié)果

根據(jù)3.1 所述配方選擇最佳樹脂組合和離子捕捉劑制備出EMC，對樣品11#進(jìn)行了測試，所得樣品的特性數(shù)據(jù)如表5 所示，樣品的Tg高達(dá)190 ℃，高于相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的136 ℃[4]、142 ℃[10]、139.5 ℃[6]和180 ℃[11]，高Tg可使器件在高溫工作時(shí)的可靠性更高。樣品中的可移動(dòng)離子主要為Na+、Cl-，用2.4.4 節(jié)的方法進(jìn)行測試，得到的Na+濃度為5×10-6，Cl-濃度為3×10-6，極低的可移動(dòng)離子濃度有利于提升材料的耐壓能力。樣品對金屬銀和銅的粘結(jié)力分別為73.5 N/cm2和82.3 N/cm2，其高密著力可使EMC 與芯片或基島牢固地結(jié)合在一起，足以抵抗EMC 與芯片之間的熱應(yīng)力。樣品的吸水率為0.25%，低吸水率對器件的耐壓和抗分層能力有重要作用，可保證器件的穩(wěn)定運(yùn)行和工作壽命。樣品的阻燃性能可達(dá)到最高等級(jí)UL94 V-0，說明樣品具有優(yōu)異的阻燃性，可確保使用中的安全性。

表5 11#樣品的特性數(shù)據(jù)

采用2.4.6 節(jié)的測試方法測試樣品的抗分層能力，固化后器件的超聲波掃描照片如圖1 所示，固化后器件未分層。經(jīng)過吸濕和3 次回流焊后器件的超聲波掃描照片如圖2 所示，樣品仍未分層，說明本試驗(yàn)制得的高可靠性EMC 有極好的抗分層能力。

圖1 固化后器件的超聲波掃描照片

圖2 經(jīng)過吸濕和3 次回流焊后器件的超聲波掃描照片

3.3 客戶端考核

為進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的實(shí)用性，將根據(jù)試驗(yàn)所得最優(yōu)配方生產(chǎn)的EK5600GHV 型EMC 產(chǎn)品在封裝廠進(jìn)行全面的考核評價(jià)。作為電子元器件的生產(chǎn)銷售企業(yè)，封裝廠對生產(chǎn)的電子器件的品質(zhì)負(fù)有直接責(zé)任，因此，封裝廠考核結(jié)果的可信度極高，能直接體現(xiàn)EMC 的實(shí)用價(jià)值。

3.3.1 生產(chǎn)工藝流程

客戶端芯片封裝的生產(chǎn)工藝流程如圖3 所示。

圖3 芯片封裝的生產(chǎn)工藝流程

將EMC 應(yīng)用于封裝環(huán)節(jié)，封裝過程的順利與否直接影響生產(chǎn)效率，同時(shí)EMC 的品質(zhì)直接影響最終成品率。

3.3.2 主要考核項(xiàng)目與結(jié)果

選用高電壓要求的 SiC MOSFET，對EK5600GHV EMC 進(jìn)行多方面的考核評價(jià)，MOSFET采用的封裝形式是TO-252，EMC 封裝試驗(yàn)項(xiàng)目如表6 所示，其可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目如表7 所示。

從客戶端的評價(jià)結(jié)果來看，該EMC 通過了封裝試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。從表6 的封裝測試結(jié)果可以看出，該EMC 在實(shí)際封裝過程中，在正常的清模周期內(nèi)（400 模次）不會(huì)出現(xiàn)臟模現(xiàn)象，生產(chǎn)的連續(xù)性良好，說明EMC 的固化性能和脫模性良好。封裝后的產(chǎn)品外觀未出現(xiàn)缺膠、溢料、斷膠和沖絲等異常，說明EMC的流動(dòng)性、粘度、強(qiáng)度均在適宜的范圍內(nèi)。超聲檢測的結(jié)果表明，其本體內(nèi)部未出現(xiàn)分層等異?，F(xiàn)象，說明EMC 的密著性較好且注塑時(shí)EMC 的浸潤性良好。從表7 的可靠性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，EMC 的電性能可靠性、環(huán)境可靠性、使用可靠性均能滿足客戶的使用要求，說明EMC 適用于高電壓要求（1700 V）的SiC MOSFET，并有望應(yīng)用于其他SiC 器件中。

表6 EMC 封裝試驗(yàn)項(xiàng)目

表7 可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目

圖4 MSL 試驗(yàn)后的超聲波掃描照片

4 結(jié)論

本文以第三代半導(dǎo)體器件對EMC 的使用要求為出發(fā)點(diǎn)，通過多官能團(tuán)型環(huán)氧樹脂、聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂、多環(huán)芳烴型酚醛樹脂組合的方式制備出EMC，其Tg高達(dá)190 ℃、對金屬銀的密著力高達(dá)73.5 N/cm2、阻燃級(jí)別達(dá)到UL94 V-0 級(jí)。同時(shí)添加陰離子捕捉劑吸附配方中的游離Cl-，進(jìn)一步降低EMC 中的可移動(dòng)離子濃度，有助于提升所封裝器件的耐電壓性。在封裝廠對該產(chǎn)品進(jìn)行多方面考核，結(jié)果表明，該產(chǎn)品應(yīng)用在1700 V 的SiC MOSFET 上表現(xiàn)出良好的可靠性，通過了電性能可靠性、環(huán)境可靠性、使用可靠性等一系列可靠性試驗(yàn)。該高可靠性EMC 也有望應(yīng)用在其他耐高溫、耐高壓的第三代半導(dǎo)體器件上。