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电子元件的塑封和电子级环氧模塑料(一)

 

一、概述

1.电子封装的功能及类型

半导体微电子技术为现代科技、军事、国民经济和人们的日常工作与生活开创了前所未有的发展基础和条件,一直保持着良好的发展势头,半导体工业的年产值一般均以10%以上的速度逐年递增。电子封装伴随着电路、器件和元件的产生而产生,伴随其发展而发展,最终发展成当今的封装行业。在电子技术日新月异的变化潮流下,集成电路正向着超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能的方向迅速发展,因而,对集成电路的封装也提出了愈来愈高的要求。而集成电路封装技术的进步又极大地促进了集成电路水平的提高,深刻地影响着集成电路前进的步伐。

半导体芯片只是一个相对独立的个体,为完成它的电路功能,必须与其他芯片、外引线连接起来。由于现代电子技术的发展,集成度迅猛增加,一个芯片上引出线高达千条以上,信号传输时间、信号完整性成为十分重要的问题。集成度的增加,使芯片上能量急剧增加,每个芯片上每秒产生的热量高达10J以上,因而如何及时散热使电路在正常温度下工作,成为一个重要问题。有些电路在恶劣的环境(水汽、化学介质、辐射、振动)下工作,这就需要对电路进行特殊的保护。由此可见,要充分发挥半导体芯片的功能,对半导体集成电路和器件的封装是必不可少的。电子封装的四大功能为:①为半导体芯片提供信号的输入和输出通路;②提供热通路,散逸半导体芯片产生的热量;③接通半导体芯片的电流通路;④提供机械支撑和环境保护。

可以说,电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和力学性能,还影响其可靠性和成本。同时,电子封装对系统的小型化常起到关键作用。因此,集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、力学性能和光性能,同时还必须具有高的可靠性和低的成本。可以说,无论在军用电子元器件中,还是在民用消费类电路中,电子封装都有着举足轻重的地位,概括起来即基础地位、先行地位和制约地位。

集成电路越发展越显示出电子封装的重要作用。一般说来,有一代整机,便有一代电路和一代电子封装。要发展微电子技术,要发展大规模集成电路,必须解决好三个关键问题:芯片设计、芯片制造加工工艺和封装,三者缺一不可,必须协调发展。

根据封装材料的不同,电子封装可分为塑料封装、陶瓷封装和金属封装三种。其中后两种为气密性封装,主要用于航天、航空及军事领域,而塑料封装则广泛使用于民用领域。由于塑料封装半导体芯片的材料成本低,又适合于大规模自动化生产,近年来无论晶体管或集成电路都已越来越多地采用塑料封装,陶瓷和金属封装正在迅速减少。随着低应力、低杂质含量,高粘接强度塑封料的出现,部分塑料封装的产品已可满足许多在不太恶劣环境中工作的军用系统的要求,这将使过去完全由陶瓷和金属封装一统天下的军品微电子封装也开始发生变化。现在,整个半导体器件90%以上都采用塑料封装,而塑料封装材料中90%以上是环氧塑封料,这说明环氧塑封料已成为半导体工业发展的重要支柱之一。

电子材料是发展微电子工业的基础,作为生产集成电路的主要结构材料——环氧塑封料随着芯片技术的发展也正在飞速发展,并且塑封料技术的发展将大大促进微电子工业的发展。目前集成电路正向高集成化、布线细微化、芯片大型化及表面安装技术发展,与此相适应的塑封料研究开发趋势是使材料具有高纯度、低应力、低膨胀、低!射线、高耐热等性能特征。

用于塑料封装的树脂的选择原则是:

(1)在宽的温度、频率范围内,具有优良的介电性能。

(2)具有较好的耐热性、耐寒性、耐湿性、耐大气性、耐辐射性以及散热性。

(3)具有与金属、非金属材料基本相匹配的热膨胀系数,粘接性好。

(4)固化过程中收缩率要小,尺寸要稳定。

(5)不能污染半导体器件表面及具有较好的加工性能。

环氧塑封料是由环氧树脂及其固化剂酚醛树脂等组分组成的模塑粉,它在热的作用下交联固化成为热固性塑料,在注塑成形过程中将半导体芯片包埋在其中,并赋予它一定结构外形,成为塑料封装的半导体器件。它是国外在20世纪70年代初研究开发的新产品。用塑料封装方法生产晶体管、集成电路(IC)、大规模集成电路(LIC)、超大规模集成电路(VLIC)等在国内外已广泛使用并成为主流。据资料统计,当今世界每年用于封装用的环氧塑封料大约15~17万t,其中日本产量最多,居世界第一。

2.集成电路的封装对环氧塑封料性能的要求

半导体工业从器件的可靠性,成形性出发,对环氧塑封料性能提出越来越高的要求。主要是高耐潮、低应力、低α射线,耐浸焊和回流焊,塑封工艺性能好。

(1)高耐潮   塑料封装从本质上说是一种非气密性封装。树脂是高分子材料,其分子间距为50~200nm,这种间距大得足以让水分子渗透过去。水分进人半导体器件的途径有两条:①从树脂本身渗透过去到达芯片;②从树脂和引线框架的界面处浸入而到达芯片。在水存在的情况下,塑封料中若含有离子性杂质如Na+、Cl-等,则会由于电化学反应而腐蚀芯片上的铝布线。这些杂质主要来自原材料,生产使用过程也会混入。因为铝为两性金属,酸性和碱性环境下都可以导致其腐蚀。目前使用较多的环氧塑封料的pH值多小于7,铝的腐蚀多为氯离子所致。降低氯离子的方法主要是,从环氧树脂的生产工艺人手控制可水解氯含量,提纯原材料并最大限度地降低塑封料中的水分。近些年来最新的方法是加入离子捕捉剂和铝保护剂等。另外,环氧塑封料中填充料二氧化硅微粉的含量约占总量的70%~85%,因此硅微粉的纯度是影响塑封料纯度的重要因素。硅微粉中的Na+、Cl-含量要求小于2×10-6,Fe3+含量小于10×10-6。

目前,除降低杂质离子含量外,提高耐湿性主要依靠加入经过表面处理的填料,使水分渗透到芯片的距离尽可能延长。加人偶联剂可提高塑封料与引线框架的粘接力,使水分不易从塑封料与框架的界面处渗透到芯片。

(2)低应力构成半导体集成电路器件的材料很多,如硅芯片、表面钝化膜、引线框架等,它们与环氧塑封料的热膨胀系数相差很大。加热固化时,因热膨胀系数的差异而使器件内部产生热应力。应力的存在会导致:①塑封料开裂;②表面钝化膜开裂,铝布线滑动,电性能变坏;③界面处形成裂缝,耐湿性变差;④封装器件翘曲。影响热应力大小的因素和降低应力的方法请看8.4.5之5.低应力型一节。

(3)低α射线1978年Intel公司的T.C.May等人发现封装材料中的放射性元素放出的α射线会使集成电路中存贮的信息破坏,集成电路不能正常工作,产生软误差。解决方法见8.4.5节第6款低α射线型一节。

(4)耐浸焊和回流焊性在表面安装(SMT)过程中,焊接时封装外壳温度高达215~260℃,如果封装产品处于吸湿状态,当水分气化产生的蒸汽压力大于封装材料的破坏强度时,会导致封装产品内部剥离或封装件开裂。由此可见,提高树脂的耐湿性;提高封装材料在200℃以上时的强度和其与芯片、引线框架的粘附力;降低塑封料的热膨胀系数和弹性模量是提高环氧塑封料耐浸焊性和回流焊性的关键。主要方法有:

1)增加填料含量。因为填料不吸湿、透湿,但会出现流动性下降的问题。

2)降低树脂本身的吸湿、透湿性,如引入烷基、氟基等憎水基。为了解决因官能团的距离和立体障碍引起的反应性下降问题需选择合适的固化剂和促进剂。

3)正确选择固化促进剂,使基体树脂与固化剂反应交联更紧密。

4)引入耐热性优异的多官能团环氧树脂,从而提高其高温强度。但要防止耐湿性下降。

(5)成型性好通过对环氧模塑料成型性能的不断改进,模塑料的脱模性和耐溢料性能得到了很大提高,成型时间缩短到20~30s,还出现了不需后固化的产品。

3.电子级环氧模塑料发展历程

电子级环氧塑料的开发过程见表5-5。

早期曾用环氧-酸酐模塑料及硅酮树脂模塑料和聚丁二烯树脂模塑料,但因Tg较低,腐蚀铝布线或因收缩率大,粘接性能及耐湿性较差而未得到应用。

1972年美国Morton化学公司报导了邻甲酚醛环氧一酚醛树脂体系模塑料被人们广泛重视,此后人们一直沿着这个方向不断研究改进提高。不断出现新产品。1975年出现了阻燃型环氧模塑料,1977年出现了低水解氯的环氧一酚醛模塑料,1982年出现了低应力环氧模塑料,1985年出现了有机硅改性低应力环氧模塑料,1995年前后出现了低膨胀、超低膨胀环氧模塑料、低翘曲的环氧模型料等等。随着环氧模塑料性能不断提高、新品种不断出现,产量逐年增加,目前全世界年产量在15万t以上,我国年产量5000t左右。由于塑料封装半导体器件价格低,又适合大规模自动化生产,所以越来越多地采用塑料封装生产,目前在全世界范围内塑封半导体器件产品占市场总量的93%~95%。而陶瓷和金属封装正在迅速减少。由于塑封半导体器件可靠性大幅度提高,在许多不太恶劣环境下也可以满足军用系统的要求。塑料封装生产的半导体器件有二极管、三极管,集成电路(IC)、大规模集成电路(LSI),超大特大规模集成电路(VLSI、UL.SI)等。

1976年中科院化学所在国内率先开拓环氧塑封料研究领域,于1983年研制成功KH407型邻甲酚醛环氧模塑料并通过部级技术鉴定,此后又连续承担了国家“七五”、“八五“、“九五”重点科技攻关项目:5μm技术用环氧塑封料的研制与中试;LSI用环氧塑封料制造技术研究; 0.5μm技术用环氧塑封料的研制与中试;0.35μm技术用环氧塑封料的研制,这些研究项目均通过部级技术鉴定与验收。研制成功KH407、KH850、KH950系列产品,有普通型、快速固化型、高热导型、低应力型、低膨胀型、低翘曲型等多种类型环氧模塑料。这些产品广泛用于塑封半导体分立器件、集成电路,大规模超大规模集成电路。不久前首钢日电电子有限公司给化学所做了一次塑封超大规模集成电路的考核试验,用KH950—2、KH950—3在自动塑封模上塑封线宽为0.35μM的芯片1200片,生产集成电路1200块,综合成品率97.6%。并按NEC考核标准进行全面的可靠性考核,其结果是所有考核项目全部合格,经超声扫描检查未发现有剥离现象。考核结果见表5-6。

中科院化学所在研究模塑料的同时还开展了制造工艺技术研究,掌握该材料的制备技术工艺条件,并建成了规模为1500t/a中试生产线。为了推进我国环氧模塑料工业生产的发展,1984年化学所将环氧模塑料制备技术转让给现在的连云港华威电子集团公司,1996年转让给长兴电子材料(昆山)有限公司,如今他们都已建成了生产规模为千吨级现代化工厂。

4.电子级环氧模塑料的分类、型号及用途

电子行业标准SJ/P11197—1999规定见表5-7。

· 2019-01-29 10:09  本新闻来源自:IC封装设计,版权归原创方所有

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