集成電路封裝模塑料

（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(yīng)用及發(fā)展，著重介紹了上海富晨公司新型封裝絕緣樹脂的優(yōu)異性能。

關(guān)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(dǎo)體芯片結(jié)合在一起，形成一個(gè)以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電子功能塊器件。封裝材料除了保護(hù)芯片不受外界灰塵、潮氣、機(jī)械沖擊外，還起到了機(jī)械支撐和散熱的功能。當(dāng)今約有90%的芯片用模塑料進(jìn)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(jià)格的進(jìn)一步降低，對(duì)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(diào)整語(yǔ)辭）

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

（2）耐熱性  耐熱穩(wěn)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(dǎo)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(dǎo)線構(gòu)圖、安全島、保護(hù)模等的粘接性，高濕、高濕下粘接強(qiáng)度保持率等。

（6）電氣特性 各種環(huán)境下電絕緣性、高周波特性、帶電性等。

（7）機(jī)械特性  拉伸及彎曲特性（強(qiáng)度、彈性綠高溫下保持率）、沖擊強(qiáng)度等。

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

    從基材的綜合特性來(lái)看，目前IC封裝用鄰甲酚甲醛型環(huán)氧樹脂體系的較多，但由于環(huán)氧樹脂的特性，使它在耐溫性、工藝性、固化條件、封裝流動(dòng)性、固化物收縮等存在一些應(yīng)用缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題上海富晨化工公司開發(fā)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(dòng)性好、固化收縮低的特點(diǎn)，目前已廣泛替代環(huán)氧樹脂成為這一行業(yè)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(shí)模塑料直接和蝕刻得十分精細(xì)的硅芯片及鋁引線相接觸，因此就對(duì)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(duì)樹脂純度要求越高，因?yàn)闃渲袣埩舻?span>Na⁺、K⁺、以及HCOO^-、CH₃COO^-對(duì)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(huì)生成鹽酸，它的腐蝕作用很大。封裝后的IC例行試驗(yàn)中其中有一項(xiàng)就是高壓水蒸煮試驗(yàn)（PCT），一旦樹脂中可水解氯值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)試驗(yàn)就通不過(guò)，樹脂按可水解氯的含量不同分成4個(gè)等級(jí)，詳見表1

表1   各級(jí)封裝用樹脂含氯水平（×10⁶）

由于新型封裝絕緣樹脂獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jīng)濟(jì)，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(yīng)力化）、耐熱沖擊和低吸水性等技術(shù)瓶頸。而新型封裝絕緣樹脂具有大分子高交聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(chǎn)品更好的功能性。具體性能如下：

2．2．1低收縮性

近年來(lái)，對(duì)于IC封裝用模塑料最為關(guān)心的技術(shù)是模塑料固化后的內(nèi)部應(yīng)力問(wèn)題。一旦內(nèi)部應(yīng)力的存在會(huì)使硅芯片表面的鈍化膜產(chǎn)生裂縫、自身龜裂或連接線切斷等現(xiàn)象。在目前超大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代，隨著鋁配線圖的細(xì)微化、硅片大型化、封裝的薄殼化，對(duì)樹脂的低收縮特性要求就提出更高的要求。

    內(nèi)部應(yīng)力發(fā)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(shù)不同，一般模塑料比硅片、引線的線膨脹系數(shù)要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)加上模塑料在固化過(guò)程中生產(chǎn)的固化收縮，所以在成型加熱到冷卻至室溫過(guò)程中會(huì)在硅片上殘留應(yīng)力。

  熱應(yīng)力可以用下式來(lái)表示：

                    σ＝K·E·α·ΔT

式中  σ—熱應(yīng)力；

      K－常數(shù)（固定值）；

      E－彈性模量；

     ΔT－模塑料Tg和室溫的差；

     α－熱膨脹系數(shù)。

    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(yīng)力的有效途徑。

新型封裝絕緣樹脂的最大特點(diǎn)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(nèi)應(yīng)力，能夠保證制品在冷熱沖擊環(huán)境中保證形狀不變。表2是新型封裝絕緣樹脂與國(guó)內(nèi)一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表。另外，美國(guó)密歇根州立大學(xué)的美國(guó)復(fù)合材料工程技術(shù)中心對(duì)該樹脂的測(cè)試結(jié)果（ASTM標(biāo)準(zhǔn)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(guó)著名的樹脂供應(yīng)商的產(chǎn)品作為對(duì)照，具體見表3。

表2  新型封裝絕緣樹脂與國(guó)內(nèi)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(duì)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(jù)HG/T2625-94《環(huán)氧澆鑄樹脂線性收縮率測(cè)定》進(jìn)行試驗(yàn)。

表3  新型封裝絕緣樹脂體收縮率測(cè)試結(jié)果

（美國(guó)密歇根州立大學(xué)的美國(guó)復(fù)合材料工程技術(shù)中心對(duì)該樹脂的測(cè)試結(jié)果）

固化條件	固化體收縮率
	新型封裝絕緣樹脂	美國(guó)產(chǎn)對(duì)比樹脂
CHP固化體系	—	7.18%
MEKP固化體系	1.73%	8.10%

    數(shù)據(jù)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(guò)程中的應(yīng)力變化，以減少封裝過(guò)程中對(duì)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新型封裝絕緣樹脂的耐熱沖擊性能進(jìn)行了測(cè)試，并結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用，作了交變溫度試驗(yàn)（-80~80℃，溫度變化率4℃/min，循環(huán)周期120/min）見圖1：

圖1  交變溫度試驗(yàn)循環(huán)示意圖

經(jīng)10個(gè)循環(huán)周期試驗(yàn)，樹脂玻璃鋼試板無(wú)裂紋、發(fā)白、脫膠、鼓泡等老化現(xiàn)象，證明樹脂耐高低溫交變性良好；同時(shí)對(duì)玻璃鋼層合板在低溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，并與常溫下力學(xué)性能進(jìn)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

2．2．3低吸水性

同時(shí)新型封裝絕緣樹脂較通用樹脂具有更好耐水性能和力學(xué)強(qiáng)度，可以作為絕緣封裝的上佳的結(jié)構(gòu)材料。我們對(duì)新型封裝絕緣樹脂按《玻璃纖維增強(qiáng)塑料耐水性試驗(yàn)方法》（GB2575-89）進(jìn)行了耐水性試驗(yàn)，結(jié)果見表5：

表5  新型封裝絕緣樹脂吸水性試驗(yàn)

從以上的數(shù)據(jù)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(jù)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(dá)到最佳性能。

3、填充料對(duì)模塑料性能的影響

   基于樹脂與填料或增強(qiáng)材料等均具有良好的相容性和浸潤(rùn)性，也為了達(dá)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(dá)到相當(dāng)大的比重，最多可達(dá)80％（重量比），因此填料對(duì)成型性固化產(chǎn)物的特性有顯著的影響。填充料除了粒徑分布、形態(tài)、表面處理方面會(huì)最終對(duì)模塑料性能帶來(lái)影響外，各種熱膨脹系統(tǒng)和熱傳導(dǎo)率的填充料對(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）和45％～5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(gè)封裝模塑料的40％～90％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。由此組成模塑料填料體系可以減少模塑料飛邊的產(chǎn)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(jì)量中含有6％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(yīng)力的填料   

用氨基聚醚型有機(jī)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(zhì)量份）組成模塑料，再測(cè)定其熱應(yīng)力，結(jié)果見圖15-10。

  （4）流動(dòng)性提高 

為提高模塑料的流動(dòng)性，可采用粒徑為亞微米級(jí)到10μm的二氧化硅作填料。

  （5）改善熱力學(xué)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(shù)。用球撞礬土粉末量作填料可提高熱傳導(dǎo)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(jī)械性能的填料   

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

4、集成電路封裝用模塑料的發(fā)展動(dòng)向

4．1自20世紀(jì)70年代中期開始我國(guó)研制電子元器件塑封用模塑料，為了滿足軍事工業(yè)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(yàn)后泄漏鋁很高。80年代初期收到從美國(guó)海索公司、日本日東電工環(huán)航模塑料的啟發(fā)，轉(zhuǎn)向研制環(huán)氧型模塑料。1986年，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)樹脂鄰甲酚甲醛環(huán)氧樹脂、低氯含量Novolac酚醛樹脂和用于12KIC封裝用環(huán)氧膜塑料的生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)我國(guó)個(gè)研究院所、大學(xué)和工廠的共同努力，在高純度鄰甲酚環(huán)氧樹酯、Novolac酚醛樹脂、模塑料配制技術(shù)等方面有了很大的進(jìn)步。

    李善君等指出天然石英粉往往含有放射性雜質(zhì)，它在衰老時(shí)放出α粒子會(huì)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(chǎn)生的軟誤差。

    張知方等人報(bào)道研制成功，高純度的鄰甲酚甲醛環(huán)氧樹脂，其質(zhì)量已接近日本住友ESCN同類產(chǎn)品。

俞亞君報(bào)道了萘環(huán)類多功能環(huán)氧樹脂作為乃熱低吸水性模塑料基材，可解決超大規(guī)模集成電路在安裝時(shí)的軟焊開列問(wèn)題。

上海富晨化工有限公司根據(jù)封裝用模塑料市場(chǎng)情況，開發(fā)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(jí)均有）、固化物導(dǎo)熱好、固化后熱應(yīng)力低等特點(diǎn)，而且可以以任意溫度固化，固化方便，工藝性能優(yōu)異。

    上述的研究成果都處于實(shí)驗(yàn)室階段，總體上來(lái)說(shuō)我國(guó)的電子封裝用模塑料技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性等和國(guó)際先進(jìn)水平還有很大的差距，還不能滿足大規(guī)模集合成電路封裝的要求。

    隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，集成度迅速?gòu)?span>16K比特發(fā)展到64K比特，又飛躍到256K比特，目前發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了1024比特超大規(guī)模集成電路（VLSL）的工業(yè)化生產(chǎn)，線徑0.03μm.，集成度的提高、元件的小型、扁平化均對(duì)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(yán)加控制，要求進(jìn)一步提高環(huán)氧樹脂凈化技術(shù)，目前已使高純度的鄰甲酚甲醛樹脂實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)（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(chuàng)造條件進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段（N a⁺、CL^-含量同前，可水解氯量進(jìn)一步下降N a⁺含量<150*10⁶）。

   （2）提高封裝料可靠性的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力化。封裝后的IC在經(jīng)受嚴(yán)格的冷、熱沖擊，高壓水蒸者的試驗(yàn)時(shí)，致使封裝失敗的原因是內(nèi)應(yīng)力引起的封裝料和元件界面發(fā)生開裂。所以在實(shí)現(xiàn)封裝料的低應(yīng)力化時(shí)，只有采取降低線膨脹系數(shù)和降低彈性率。降低線膨脹系數(shù)的最好方法是在封裝料中使用高填充量的二氧化硅。據(jù)研究，當(dāng)填料量應(yīng)達(dá)到60％～70％（體積分?jǐn)?shù)），甚至更高，線膨脹系數(shù)可抵達(dá)1.0×10^-5／℃ ，固化收縮幾乎是零。高填充量會(huì)是模塑料的熔融流動(dòng)性變差，對(duì)測(cè)試使用平均粒度為6～8μm球型熔融二氧化硅。

4．2通用級(jí)模塑料

    通用級(jí)模塑料主要作為電器絕緣和結(jié)構(gòu)件的制造，雖然樹脂的純度要求沒(méi)有電子級(jí)那么高，但對(duì)力學(xué)性能要求卻橫傲。為了提高材料扥愛(ài)熱性、層間剪切強(qiáng)度，對(duì)樹脂體系和纖維增強(qiáng)方法進(jìn)行了深入的研究。例如美國(guó)3M公司最近推出名為Scotchply PR-500的產(chǎn)品，制造過(guò)程中采用真空混煉，模塑時(shí)無(wú)需排泡，制品有很高的耐沖擊強(qiáng)度，短梁剪切強(qiáng)度達(dá)到83～90Mpa,彎曲模量為3 500Mpa。

    該公司另一個(gè)新產(chǎn)品SP381S－2是特種玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，它具有很好的耐低溫、防濕熱型，能在－54～104℃范圍內(nèi)使用，使熱壓縮強(qiáng)度為531Mpa,室溫下短梁剪切強(qiáng)度為93.2Mpa,分別是E玻璃纖維增強(qiáng)預(yù)浸料的1.36倍和1.21倍。

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