集成电路封装模塑料的综合性要求介绍

来源：塑胶五金网发布时间：2008-01-02 15:50:10点击率：

1、前言
集成电路的封装就是将封装材料和半导体芯片结合在一起，形成一个以半导体为基础的电子功能块器件。封装材料除了保护芯片不受外界灰尘、潮气、机械冲击外，还起到了机械支撑和散热的功能。当今约有90%的芯片用模塑料进行封装。
随着IC高度集成化、芯片和封装面积的增大、封装层的薄壳化以及要求价格的进一步降低，对于模塑料提出了更高且综合性的要求，具体如下。
（以下均要修改，调整语辞）
（1）成型性流动性、固化性、脱模性、模具玷污习性、金属磨耗性、材料保存性、封装外观性等。
（2）耐热性耐热稳定性、玻璃化温度、热变形温度、耐热周期西、耐热冲击性、热膨胀性、热传导性等。
（3）耐湿性吸湿速度、饱和吸湿量、焊锡处理后耐湿性、吸湿后焊锡处理后耐湿性等。
（4）耐腐蚀性离子性不纯物及分解气体的种类、含有量、萃取量。
（5）粘接性和元件、导线构图、安全岛、保护模等的粘接性，高湿、高湿下粘接强度保持率等。
（6）电气特性各种环境下电绝缘性、高周波特性、带电性等。
（7）机械特性拉伸及弯曲特性（强度、弹性绿高温下保持率）、冲击强度等。
（8）其他打印性（油墨、激光）、难燃性、软弹性、无毒及低毒性、低成本、着色性等。
从基材的综合特性来看，目前IC封装用邻甲酚甲醛型环氧树脂体系的较多，但由于环氧树脂的特性，使它在耐温性、工艺性、固化条件、封装流动性、固化物收缩等存在一些应用缺点。针对这些问题上海富晨化工公司开发了新型封装绝缘树脂，这种树脂具有工艺性好、固化方便、流动性好、固化收缩低的特点，目前已广泛替代环氧树脂成为这一行业的新宠。

2、集成电路封装用树脂的要求
2．1高纯度
IC封装用模塑料的主要原料是树脂，由于IC封装时模塑料直接和蚀刻得十分精细的硅芯片及铝引线相接触，因此就对作为原材料的树脂的纯度有一定的要求，IC的集成度越高，对树脂纯度要求越高，因为树脂中残留的Na+、K+、以及HCOO-、CH3COO-对芯片及引线都有腐蚀作用，尤其是树脂中可水解氯离子遇水和湿气会生成盐酸，它的腐蚀作用很大。封装后的IC例行试验中其中有一项就是高压水蒸煮试验（PCT），一旦树脂中可水解氯值超过标准，该项试验就通不过，树脂按可水解氯的含量不同分成4个等级，详见表1
表1各级封装用树脂含氯水平（×106）
分级标准品高纯品超高纯品品
可水解氯值[1]可水解氯值[2]总氯值505001000~120030250~350600~80020100~200400~50010100以下300~400
由于新型封装绝缘树脂独特的结构特点，决定了其水解氯含量一般都在超高纯品（总氯值《400—500》以上，具有更经济，更高纯的特性。

2．2高功能化
IC封装用的树脂除了要求高纯度化外，随着高集成化封装的大型、薄壳化，目前要求解决的是低收缩性（低应力化）、耐热冲击和低吸水性等技术瓶颈。而新型封装绝缘树脂具有大分子高交联结构，从而使树脂具有收缩性低，耐热冲击性好，吸水率低的特性，可以拥有比同类产品更好的功能性。具体性能如下：
2．2．1低收缩性
近年来，对于IC封装用模塑料为关心的技术是模塑料固化后的内部应力问题。一旦内部应力的存在会使硅芯片表面的钝化膜产生裂缝、自身龟裂或连接线切断等现象。在目前超大规模集成电路产业化的时代，随着铝配线图的细微化、硅片大型化、封装的薄壳化，对树脂的低收缩特性要求就提出更高的要求。
内部应力发生的原因如下：模塑料热收缩与硅片热收缩有差异，即二者线膨胀系数不同，一般模塑料比硅片、引线的线膨胀系数要大一个数量级，同时加上模塑料在固化过程中生产的固化收缩，所以在成型加热到冷却至室温过程中会在硅片上残留应力。
热应力可以用下式来表示：
σ＝K·E·α·ΔT
式中σ—热应力；
K－常数（固定值）；
E－弹性模量；
ΔT－模塑料Tg和室温的差；
α－热膨胀系数。
从该公式中可以看出降低树脂的弹性模量（E）和Tg，以及减少树脂的固化收缩率是减少热应力的有效途径。
新型封装绝缘树脂的大特点是该树脂具有超低的固化线收缩率，从而使各种制品具有较低的固化后内应力，能够保证制品在冷热冲击环境中保证形状不变。表2是新型封装绝缘树脂与国内一知名品牌封装绝缘树脂的收缩性比较表。另外，美国密歇根州立大学的美国复合材料工程技术中心对该树脂的测试结果（ASTM标准下）也表明，该树脂的固化收缩率极低，该中心是选择了一美国的树脂供应商的产品作为对照，具体见表3。
表2新型封装绝缘树脂与国内一知名品牌封装绝缘树脂的收缩性比较表
固化条件固化线收缩率*
新型封装绝缘树脂对比树脂
常温固化0.015%2.8%
常温固化后，80℃2hr后固化处理0.16%3.6%
*根据HG/T2625-94《环氧浇铸树脂线性收缩率测定》进行试验。
表3新型封装绝缘树脂体收缩率测试结果
（美国密歇根州立大学的美国复合材料工程技术中心对该树脂的测试结果）
固化条件固化体收缩率
新型封装绝缘树脂美国产对比树脂
CHP固化体系—7.18%
MEKP固化体系1.73%8.10%
数据表明，新型封装绝缘树脂具有超低的固化收缩率，能有效的保证制品的尺寸精度，以减小固化过程中的应力变化，以减少封装过程中对元件的电感、电偶等性能的影响，因而更适合于制作各种大面积绝缘封装。

2．2．2耐热冲击性
参照相关标准对新型封装绝缘树脂的耐热冲击性能进行了测试，并结合产品实际应用，作了交变温度试验（-80~80℃，温度变化率4℃/min，循环周期120/min）见图1：

图1交变温度试验循环示意图
经10个循环周期试验，树脂玻璃钢试板无裂纹、发白、脱胶、鼓泡等老化现象，证明树脂耐高低温交变性良好；同时对玻璃钢层合板在低温下的力学性能进行了测试，并与常温下力学性能进行了比较，具体见如表4。
表4新型封装绝缘树脂耐热冲击性能表
温度（℃）80℃-80℃
拉伸强度Mpa215.0220.0
拉伸模量Gpa14.013.9
弯曲强度Mpa291.0281.1
弯曲模量Gpa9.19.0

2．2．3低吸水性
同时新型封装绝缘树脂较通用树脂具有更好耐水性能和力学强度，可以作为绝缘封装的上佳的结构材料。我们对新型封装绝缘树脂按《玻璃纤维增强塑料耐水性试验方法》（GB2575-89）进行了耐水性试验，结果见表5：
表5新型封装绝缘树脂吸水性试验
试验条件结果
24小时25℃增重0.015%
2小时100℃增重0.43%
从以上的数据可以看出新型封装绝缘树脂具有较低的吸水性能。

2．2．4固化条件及工艺性能
新型封装绝缘树脂的粘度较低（一般0.25~0.65Pa•s），具有良好的工艺性，适合各种成型工艺（包括模压、拉挤、灌封等）。另外，新型封装绝缘树脂还可以根据不同的使用要求采用不同的固化体系，在常温、中温、高温条件下均可以良好地固化达到性能。

3、填充料对模塑料性能的影响
基于树脂与填料或增强材料等均具有良好的相容性和浸润性，也为了达到综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达到相当大的比重，多可达80％（重量比），因此填料对成型性固化产物的特性有显著的影响。填充料除了粒径分布、形态、表面处理方面会终对模塑料性能带来影响外，各种热膨胀系统和热传导率的填充料对提高模型料的性能有更大的作用。
（1）减少溢料
用大粒径74μm以下球形的熔融二氧化硅和大粒径40μm以下的熔融二氧化硅的粉碎料，以55％～95％（质量分数）和45％～5％（质量分数）相混合，成为比表面积为3m2/g以下的混合填料。它的用量占总个封装模塑料的40％～90％（质量分数）。由此组成模塑料填料体系可以减少模塑料飞边的产生。
（2）提高耐湿性
（a）大粒径149μm的合成低α线球状二氧化硅；(b)大粒径74μm的低线角形二氧化硅。（a）+(b)合计量中含有6％（质量分数）以上为粒径44μm以上的混合填料。用它作为封装用模塑料的填料，可以减少吸适量3％左右。
（3）低应力的填料
用氨基聚醚型有机硅氧烷处理平均粒径为8μm的棱角状二氧化硅及平均粒径为6～8μm的球状二氧化硅，按以下配方（质量份）组成模塑料，再测定其热应力，结果见图15-10。
（4）流动性提高
为提高模塑料的流动性，可采用粒径为亚微米级到10μm的二氧化硅作填料。
（5）改善热力学性能的填料
用β－锂霞石代替不分二氧化硅作为填料，可降低成形料的线膨胀系数。用球撞矾土粉末量作填料可提高热传导率。
（6）减少模具磨损的填料
用部分到一般量的平均粒径为10μm以下的硫酸钙代替二氧化硅作填料可减少模具的磨损。
（7）提高机械性能的填料
在40％～60％（质量分数）的Al2O3和40％～60％（质量分数）的SiO2混合填料中添加1％－80％（质量分数）平均直径为0.1～0.5μm、平均长度为1～200μm的陶瓷纤维、由此制成的模塑料的冲击压缩强度能提高。

4、集成电路封装用模塑料的发展动向
4．1自20世纪70年代中期开始我国研制电子元器件塑封用模塑料，为了满足军事工业的需要研制了聚烷树脂和聚苯甲基烷氧烷树脂作为模塑料的基材，虽然它们有很好的耐高、低温性和耐潮防水性，，但它们的粘接性很差，PCT试验后泄漏铝很高。80年代初期收到从美国海索公司、日本日东电工环航模塑料的启发，转向研制环氧型模塑料。1986年，实现了基础树脂邻甲酚甲醛环氧树脂、低氯含量Novolac酚醛树脂和用于12KIC封装用环氧膜塑料的生产。经过十几年来我国个研究院所、大学和工厂的共同努力，在高纯度邻甲酚环氧树酯、Novolac酚醛树脂、模塑料配制技术等方面有了很大的进步。
李善君等指出天然石英粉往往含有放射性杂质，它在衰老时放出α粒子会引起存芯片工作的“软误差”，而由气体硅烷制造的高纯度石英粉可以大幅度降低因放射性产生的软误差。
张知方等人报道研制成功，高纯度的邻甲酚甲醛环氧树脂，其质量已接近日本住友E同类产品。
俞亚君报道了萘环类多

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