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集成電路封裝模塑料

王天堂 王立剛  沈偉 陸士平

（上海富晨化工有限公司   200233）

摘要：本文闡述了集成電路封裝模塑料的研制、應用及發展，著重介紹了上海富晨公司新型封裝絕緣樹脂的優異性能。

關鍵詞：集成電路  超低收縮   封裝   模塑料

 

1、前言

集成電路的封裝就是將封裝材料和半導體芯片結合在一起，形成一個以半導體為基礎的電子功能塊器件。封裝材料除了保護芯片不受外界灰塵、潮氣、機械沖擊外，還起到了機械支撐和散熱的功能。當今約有90%的芯片用模塑料進行封裝。

    隨著IC高度集成化、芯片和封裝面積的增大、封裝層的薄殼化以及要求價格的進一步降低，對于模塑料提出了更高且綜合性的要求，具體如下。

（以下均要修改，調整語辭）

（1）成型性  流動性、固化性、脫模性、模具玷污習性、金屬磨耗性、材料保存性、封裝外觀性等。

（2）耐熱性  耐熱穩定性、玻璃化溫度、熱變形溫度、耐熱周期西、耐熱沖擊性、熱膨脹性、熱傳導性等。

（3）耐濕性  吸濕速度、飽和吸濕量、焊錫處理后耐濕性、吸濕后焊錫處理后耐濕性等。

（4）耐腐蝕性  離子性不純物及分解氣體的種類、含有量、萃取量。

（5）粘接性  和元件、導線構圖、安全島、保護模等的粘接性，高濕、高濕下粘接強度保持率等。

（6）電氣特性 各種環境下電絕緣性、高周波特性、帶電性等。

（7）機械特性  拉伸及彎曲特性（強度、彈性綠高溫下保持率）、沖擊強度等。

（8）其他  打印性（油墨、激光）、難燃性、軟彈性、無毒及低毒性、低成本、著色性等。

    從基材的綜合特性來看，目前IC封裝用鄰甲酚甲醛型環氧樹脂體系的較多，但由于環氧樹脂的特性，使它在耐溫性、工藝性、固化條件、封裝流動性、固化物收縮等存在一些應用缺點。針對這些問題上海富晨化工公司開發了新型封裝絕緣樹脂，這種樹脂具有工藝性好、固化方便、流動性好、固化收縮低的特點，目前已廣泛替代環氧樹脂成為這一行業的新寵。 

               

2、集成電路封裝用樹脂的要求

2．1高純度

IC封裝用模塑料的主要原料是樹脂，由于IC封裝時模塑料直接和蝕刻得十分精細的硅芯片及鋁引線相接觸，因此就對作為原材料的樹脂的純度有一定的要求，IC的集成度越高，對樹脂純度要求越高，因為樹脂中殘留的Na⁺、K⁺、以及HCOO^-、CH₃COO^-對芯片及引線都有腐蝕作用，尤其是樹脂中可水解氯離子遇水和濕氣會生成鹽酸，它的腐蝕作用很大。封裝后的IC例行試驗中其中有一項就是高壓水蒸煮試驗（PCT），一旦樹脂中可水解氯值超過標準，該項試驗就通不過，樹脂按可水解氯的含量不同分成4個等級，詳見表1

表1   各級封裝用樹脂含氯水平（×10⁶）

分級	標準品	高純品	超高純品	最先進品
可水解氯值 [1]   可水解氯值 [2]   總氯值	50   500   1 000~1 200	30   250~350   600~800	20   100~200   400~500	10   100以下   300~400

由于新型封裝絕緣樹脂獨特的結構特點，決定了其水解氯含量一般都在超高純品（總氯值《400—500》以上，具有更經濟，更高純的特性。

 

2．2 高功能化

IC封裝用的樹脂除了要求高純度化外，隨著高集成化封裝的大型、薄殼化，目前要求解決的是低收縮性（低應力化）、耐熱沖擊和低吸水性等技術瓶頸。而新型封裝絕緣樹脂具有大分子高交聯結構，從而使樹脂具有收縮性低，耐熱沖擊性好，吸水率低的特性，可以擁有比同類產品更好的功能性。具體性能如下：

2．2．1低收縮性

近年來，對于IC封裝用模塑料最為關心的技術是模塑料固化后的內部應力問題。一旦內部應力的存在會使硅芯片表面的鈍化膜產生裂縫、自身龜裂或連接線切斷等現象。在目前超大規模集成電路產業化的時代，隨著鋁配線圖的細微化、硅片大型化、封裝的薄殼化，對樹脂的低收縮特性要求就提出更高的要求。

    內部應力發生的原因如下：模塑料熱收縮與硅片熱收縮有差異，即二者線膨脹系數不同，一般模塑料比硅片、引線的線膨脹系數要大一個數量級，同時加上模塑料在固化過程中生產的固化收縮，所以在成型加熱到冷卻至室溫過程中會在硅片上殘留應力。

  熱應力可以用下式來表示：

                    σ＝K·E·α·ΔT

式中  σ—熱應力；

      K－常數（固定值）；

      E－彈性模量；

     ΔT－模塑料Tg和室溫的差；

     α－熱膨脹系數。

    從該公式中可以看出降低樹脂的彈性模量（E）和Tg，以及減少樹脂的固化收縮率是減少熱應力的有效途徑。

新型封裝絕緣樹脂的最大特點是該樹脂具有超低的固化線收縮率，從而使各種制品具有較低的固化后內應力，能夠保證制品在冷熱沖擊環境中保證形狀不變。表2是新型封裝絕緣樹脂與國內一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表。另外，美國密歇根州立大學的美國復合材料工程技術中心對該樹脂的測試結果（ASTM標準下）也表明，該樹脂的固化收縮率極低，該中心是選擇了一美國著名的樹脂供應商的產品作為對照，具體見表3。

表2  新型封裝絕緣樹脂與國內一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表

固化條件	固化線收縮率*
	新型封裝絕緣樹脂	對比樹脂
常溫固化	0.015%	2.8%
常溫固化后，80℃2hr后固化處理	0.16%	3.6%

*根據HG/T2625-94《環氧澆鑄樹脂線性收縮率測定》進行試驗。

表3  新型封裝絕緣樹脂體收縮率測試結果

（美國密歇根州立大學的美國復合材料工程技術中心對該樹脂的測試結果）

固化條件	固化體收縮率
	新型封裝絕緣樹脂	美國產對比樹脂
CHP固化體系	—	7.18%
MEKP固化體系	1.73%	8.10%

    數據表明，新型封裝絕緣樹脂具有超低的固化收縮率，能有效的保證制品的尺寸精度，以減小固化過程中的應力變化，以減少封裝過程中對元件的電感、電偶等性能的影響，因而更適合于制作各種大面積絕緣封裝。

 

2．2．2耐熱沖擊性

參照相關標準對新型封裝絕緣樹脂的耐熱沖擊性能進行了測試，并結合產品實際應用，作了交變溫度試驗（-80~80℃，溫度變化率4℃/min，循環周期120/min）見圖1：

 

圖1  交變溫度試驗循環示意圖

經10個循環周期試驗，樹脂玻璃鋼試板無裂紋、發白、脫膠、鼓泡等老化現象，證明樹脂耐高低溫交變性良好；同時對玻璃鋼層合板在低溫下的力學性能進行了測試，并與常溫下力學性能進行了比較，具體見如表4。

表4  新型封裝絕緣樹脂耐熱沖擊性能表

溫度（℃）	80℃	-80℃
拉伸強度Mpa	215.0	220.0
拉伸模量Gpa	14.0	13.9
彎曲強度Mpa	291.0	281.1
彎曲模量Gpa	9.1	9.0

 

2．2．3低吸水性

同時新型封裝絕緣樹脂較通用樹脂具有更好耐水性能和力學強度，可以作為絕緣封裝的上佳的結構材料。我們對新型封裝絕緣樹脂按《玻璃纖維增強塑料耐水性試驗方法》（GB2575-89）進行了耐水性試驗，結果見表5：

表5  新型封裝絕緣樹脂吸水性試驗

試 驗 條 件	結 果
24小時25℃	增重0.015%
2小時100℃	增重0.43%

從以上的數據可以看出新型封裝絕緣樹脂具有較低的吸水性能。

 

2．2．4固化條件及工藝性能

新型封裝絕緣樹脂的粘度較低（一般0.25~0.65Pa•s），具有良好的工藝性，適合各種成型工藝（包括模壓、拉擠、灌封等）。另外，新型封裝絕緣樹脂還可以根據不同的使用要求采用不同的固化體系，在常溫、中溫、高溫條件下均可以良好地固化達到最佳性能。

 

3、填充料對模塑料性能的影響

   基于樹脂與填料或增強材料等均具有良好的相容性和浸潤性，也為了達到綜合性能的要求和降低成本要求，在模塑料中填充料的用量可達到相當大的比重，最多可達80％（重量比），因此填料對成型性固化產物的特性有顯著的影響。填充料除了粒徑分布、形態、表面處理方面會最終對模塑料性能帶來影響外，各種熱膨脹系統和熱傳導率的填充料對提高模型料的性能有更大的作用。

  （1）減少溢料   

用最大粒徑74μm以下球形的熔融二氧化硅和最大粒徑40μm以下的熔融二氧化硅的粉碎料，以55％～95％（質量分數）和45％～5％（質量分數）相混合，成為比表面積為3m²/g以下的混合填料。它的用量占總個封裝模塑料的40％～90％（質量分數）。由此組成模塑料填料體系可以減少模塑料飛邊的產生。

  （2）提高耐濕性

  （a）最大粒徑149μm的合成低α線球狀二氧化硅；(b)最大粒徑74μm的低線角形二氧化硅。（a）+(b)合計量中含有6％（質量分數）以上為粒徑44μm以上的混合填料。用它作為封裝用模塑料的填料，可以減少吸適量3％左右。

  （3）低應力的填料   

用氨基聚醚型有機硅氧烷處理平均粒徑為8μm的棱角狀二氧化硅及平均粒徑為6～8μm的球狀二氧化硅，按以下配方（質量份）組成模塑料，再測定其熱應力，結果見圖15-10。

  （4）流動性提高 

為提高模塑料的流動性，可采用粒徑為亞微米級到10μm的二氧化硅作填料。

  （5）改善熱力學性能的填料  

用β－鋰霞石代替不分二氧化硅作為填料，可降低成形料的線膨脹系數。用球撞礬土粉末量作填料可提高熱傳導率。

  （6）減少模具磨損的填料  

用部分到一般量的平均粒徑為10μm以下的硫酸鈣代替二氧化硅作填料可減少模具的磨損。

  （7）提高機械性能的填料   

在40％～60％（質量分數）的Al₂O₃和40％～60％（質量分數）的SiO₂混合填料中添加1％－80％（質量分數）平均直徑為0.1～0.5μm、平均長度為1～200μm的陶瓷纖維、由此制成的模塑料的沖擊壓縮強度能提高。

 

4、集成電路封裝用模塑料的發展動向

4．1自20世紀70年代中期開始我國研制電子元器件塑封用模塑料，為了滿足軍事工業的需要研制了聚烷樹脂和聚苯甲基烷氧烷樹脂作為模塑料的基材，雖然它們有很好的耐高、低溫性和耐潮防水性，，但它們的粘接性很差，PCT試驗后泄漏鋁很高。80年代初期收到從美國海索公司、日本日東電工環航模塑料的啟發，轉向研制環氧型模塑料。1986年，實現了基礎樹脂鄰甲酚甲醛環氧樹脂、低氯含量Novolac酚醛樹脂和用于12KIC封裝用環氧膜塑料的生產。經過十幾年來我國個研究院所、大學和工廠的共同努力，在高純度鄰甲酚環氧樹酯、Novolac酚醛樹脂、模塑料配制技術等方面有了很大的進步。

    李善君等指出天然石英粉往往含有放射性雜質，它在衰老時放出α粒子會引起存芯片工作的“軟誤差”，而由氣體硅烷制造的高純度石英粉可以大幅度降低因放射性產生的軟誤差。

    張知方等人報道研制成功，高純度的鄰甲酚甲醛環氧樹脂，其質量已接近日本住友ESCN同類產品。

俞亞君報道了萘環類多功能環氧樹脂作為乃熱低吸水性模塑料基材，可解決超大規模集成電路在安裝時的軟焊開列問題。

上海富晨化工有限公司根據封裝用模塑料市場情況，開發出新一代高性能快固化封裝絕緣樹脂，具有低收縮、低吸水率、耐熱沖擊性好、絕緣耐熱溫度高（F、H、C、N級均有）、固化物導熱好、固化后熱應力低等特點，而且可以以任意溫度固化，固化方便，工藝性能優異。

    上述的研究成果都處于實驗室階段，總體上來說我國的電子封裝用模塑料技術水平、產品質量、可靠性等和國際先進水平還有很大的差距，還不能滿足大規模集合成電路封裝的要求。

    隨著電子工業的飛速發展，集成度迅速從16K比特發展到64K比特，又飛躍到256K比特，目前發達國家已實現了1024比特超大規模集成電路（VLSL）的工業化生產，線徑0.03μm.，集成度的提高、元件的小型、扁平化均對EMC提出了更高的要求。

  （1）樹脂純度的提高  IC中的鋁電極極易受到樹脂中的N a⁺、CL^-的腐蝕，因此必須嚴加控制，要求進一步提高環氧樹脂凈化技術，目前已使高純度的鄰甲酚甲醛樹脂實現了工業化生產（N a⁺含量<1×10⁶，CL^-<1×10^6，，可水解釋氯<350×10⁶）；超高純度的樹脂正在創造條件進入工業化生產階段（N a⁺、CL^-含量同前，可水解氯量進一步下降N a⁺含量<150*10⁶）。

   （2）提高封裝料可靠性的關鍵技術是實現低應力化。封裝后的IC在經受嚴格的冷、熱沖擊，高壓水蒸者的試驗時，致使封裝失敗的原因是內應力引起的封裝料和元件界面發生開裂。所以在實現封裝料的低應力化時，只有采取降低線膨脹系數和降低彈性率。降低線膨脹系數的最好方法是在封裝料中使用高填充量的二氧化硅。據研究，當填料量應達到60％～70％（體積分數），甚至更高，線膨脹系數可抵達1.0×10^-5／℃ ，固化收縮幾乎是零。高填充量會是模塑料的熔融流動性變差，對測試使用平均粒度為6～8μm球型熔融二氧化硅。

 

4．2通用級模塑料

    通用級模塑料主要作為電器絕緣和結構件的制造，雖然樹脂的純度要求沒有電子級那么高，但對力學性能要求卻橫傲。為了提高材料扥愛熱性、層間剪切強度，對樹脂體系和纖維增強方法進行了深入的研究。例如美國3M公司最近推出名為Scotchply PR-500的產品，制造過程中采用真空混煉，模塑時無需排泡，制品有很高的耐沖擊強度，短梁剪切強度達到83～90Mpa,彎曲模量為3 500Mpa。

    該公司另一個新產品SP381S－2是特種玻璃纖維增強的環氧樹脂預浸料，它具有很好的耐低溫、防濕熱型，能在－54～104℃范圍內使用，使熱壓縮強度為531Mpa,室溫下短梁剪切強度為93.2Mpa,分別是E玻璃纖維增強預浸料的1.36倍和1.21倍。

 

參考文獻：

1. （日）特許公報。昭62-223246

2. （日）特許公報。昭62-240313

3. （日）特許公報。昭62-153336

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6. 唐傳林，季承鈞，單書發．絕緣材料工藝原理［Ｍ］．北京：機械工業出版社，１９９３．