半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料研究進展

1、半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料研究進展概 要半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料是用來保護半導(dǎo)體芯片以避免其受到機械外力、濕度、高溫以及紫外線的傷害。隨著半導(dǎo)體器件封裝向薄型化、小型化和高密度化發(fā)展，封裝材料的高性能化和高功能化勢在必行。最近幾年，由于全球范圍內(nèi)環(huán)境保護意識不斷提高，對封裝材料也提出了節(jié)能環(huán)保的要求。本文介紹了半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料的概要及其阻燃性能、耐高溫性能的研究開發(fā)情況。1、前言半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料可以保護半導(dǎo)體芯片，避免其受到機械外力、濕度、高溫以及紫外線的傷害。合適的封裝形式，既可以確保半導(dǎo)體器件的電氣絕緣性能，同時也使器件與印制電路板的連接更加方便簡單。半導(dǎo)體器

2、件的封裝形式可大致分為兩類，一是適用于通孔插入型安裝的器件封裝形式，二是適用于表面貼裝的器件封裝形式。插入型半導(dǎo)體器件封裝形式是將外部端子的引線以及器件引腳插入印制線路板的通孔中并加以固定。表面貼裝式半導(dǎo)體封裝是將半導(dǎo)體器件的外部端子貼在印制電路板的表面并加以固定。具有代表性的表面貼裝型半導(dǎo)體封裝形式包括TSOP(Thin Small Outline Package)、QFP(Quad Flat Package)、PBGA(Plastic Ball Grid Array)、FC-BGA(Flip Chip-Ball Grid Array)等。如Fig.1所示。Fig.1標準封裝結(jié)構(gòu)隨著半導(dǎo)體器

3、件封裝不斷向薄型化、小型化、以及高密度化發(fā)展，環(huán)氧樹脂封裝材料也向著高性能化和高功能化方向發(fā)展。而且，隨著環(huán)境保護意識的不斷提高，對于可能導(dǎo)致環(huán)境破壞的有害物質(zhì)的使用限制越來越嚴格。迄今為止，為了提升半導(dǎo)體封裝材料的阻燃性能，會在環(huán)氧樹脂中加入鹵素元素溴（Br）以及作為阻燃助劑的銻（Sb）化合物。按照歐洲RoHS規(guī)則的規(guī)定，PBB(多溴雙烯基)、PBDE(多溴二苯醚)等含溴樹脂均在受限之列，含有鹵素化合物的材料在燃燒的時候會產(chǎn)生有害物質(zhì)二惡英（Dioxin）。因此，從保護地球的觀點出發(fā)，必須開發(fā)出環(huán)境友好型的無鹵環(huán)氧樹脂成型材料。近年來，在汽車、家電、機器人等各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以及鐵路、社會基礎(chǔ)設(shè)

4、施等應(yīng)用范圍內(nèi)，為實現(xiàn)高效節(jié)能的目的，開始使用高耐壓、大電流碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件。與硅器件相比，SiC和GaN器件可以工作在更高溫度下，因此對封裝材料也提出了能夠工作在高溫環(huán)境下的要求。本文將對半導(dǎo)體封裝用環(huán)境友好型環(huán)氧樹脂成型材料的阻燃性技術(shù)及其耐高溫性技術(shù)分別加以介紹。2、半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料概要根據(jù)所使用封裝材料的形態(tài)不同，半導(dǎo)體器件的封裝方法可以分為液態(tài)封裝和固態(tài)封裝，其工藝方法也各不相同。液態(tài)封裝材料，稱為CUF（Capillary Under Fill），利用液體的毛細現(xiàn)象，一般采用注型法、浸漬法或下落法進行封裝。固態(tài)封裝材料，以環(huán)氧系熱固性樹脂和無機

5、填料為主要成份，一般多采用轉(zhuǎn)移注塑成型工藝。通過控制環(huán)氧系熱固性樹脂轉(zhuǎn)移注塑成型時的流動性及其粘度以達到對固化后材料的機械性能、電氣性能以及熱傳導(dǎo)性能進行控制的目的。無機填料的加入可以提高成型后封裝材料的機械強度、改善熱膨脹系數(shù)及其電氣絕緣性能。同時還需要配合加入其他多種填加劑，如硬化促進劑、離型劑、著色劑、阻燃劑等。一般情況下，將各種原料混合在一起，以揉合機、壓延機進行加熱混煉混合均勻并制成片狀，然后再冷卻、粉碎制成封裝用的成型材料。粉末狀的成型材料再通過壓縮制錠工藝制成片劑狀用于轉(zhuǎn)移注塑成型工藝。在轉(zhuǎn)移成型工藝過程中，半導(dǎo)體芯片放置在封裝模具的空腔內(nèi)，片狀成型材料放置在模具通道中，設(shè)定溫度

6、為180，成型材料受熱熔融流動注入到相應(yīng)的空腔內(nèi)，溫度保持1分鐘完成初期固化后，即可將半導(dǎo)體器件從模具中取出。一般的固態(tài)封裝材料轉(zhuǎn)移成型工藝如Fig.2所示。為了保證成型后半導(dǎo)體封裝的穩(wěn)定性，通常還要進行后期硬化工序。Fig.2通用轉(zhuǎn)移注塑成型工藝一般而言，環(huán)氧樹脂具有粘度高、硬化收縮比例小，以及耐腐蝕、耐濕熱等優(yōu)良特性。環(huán)氧樹脂成型材料不必通過高溫處理來改善固化后的電氣特性，固化時間短也使得后期處理更加容易。表1總結(jié)了各種具有代表性的固態(tài)環(huán)氧樹脂材料的封裝結(jié)構(gòu)。用于固態(tài)封裝的主流環(huán)氧樹脂材料為交聯(lián)密度較高的苯酚系環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂。表1 注塑成型常用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)然而，在半導(dǎo)體器件表面貼裝工藝

7、過程中，器件與印制電路板接合的時候，需要在回流焊爐中對焊料進行加熱熔融，因此會對半導(dǎo)體器件及其整體封裝結(jié)構(gòu)施加一個熱應(yīng)力。在空氣中吸收了部分水汽的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，在回流焊爐中受到高溫加熱，其中的水份發(fā)生汽化會產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力會造成半導(dǎo)體芯片與引線框架以及環(huán)氧樹脂成型材料之間的界面發(fā)生剝離，進而在半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)上形成裂縫，從而形成足以損害到半導(dǎo)體器件可靠性缺陷。能夠經(jīng)受這種由回流焊工序引起的熱沖擊而不產(chǎn)生缺陷的性能稱為材料的耐焊性。為了提高耐焊性，對半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料提出了低吸濕化、低尺寸變化的要求。研究了采用提高填料量的辦法，可是又帶來了融熔粘度升高的問題。因此，開始普遍采用以雙酚

8、類環(huán)氧化合物為代表的結(jié)晶性低粘度環(huán)氧樹脂。雙酚類環(huán)氧樹脂（BP-E.R.）具有高對稱性分子結(jié)構(gòu)，是一種熔點為100的結(jié)晶型固體。與之前的環(huán)氧樹脂（軟化點約為55-85）相比，具有高軟化點，在成型溫度（180左右）附近粘度較低，因此可以提高填料比例。鄰甲酚醛型環(huán)氧樹脂（OCN-E.R.）由于具有多官能團，固化性優(yōu)良，吸水率低、且成本較低，具有平衡的性價比，是一種方便使用的樹脂材料。多官能團的三苯酚甲烷型環(huán)氧樹脂（TPM-E.R.），因為官能團密度高使得材料固化后的Tg非常高，而且硬化后收縮比例較小，具有抑制回熔的效果。雙環(huán)戊二烯型環(huán)氧樹脂（DCPD-E.R.）結(jié)構(gòu)為環(huán)狀脂肪族碳水化合物骨架，因而

9、具有低吸水率、低彈性、低電導(dǎo)率等特征。表2總結(jié)了具有代表性的半導(dǎo)體封裝材料用硬化劑苯酚類樹脂的結(jié)構(gòu)。酚醛樹脂（PN）是由苯酚與亞甲基連結(jié)形成二元至多元亞甲基苯酚團混合物，使用時需考慮流動性與固化后機械性能的平衡，選用與目標軟化點相適應(yīng)的材料等級。三甲基烷型酚醛樹脂（TPM-N.R.）與環(huán)氧樹脂具有相同的較高官能團密度，因此固化后的Tg變得非常高，可以后效地抑制回熔。苯酚-芳烷基酚醛樹脂（Aralky-N.R.）擁有疏水性的芳烷基，因此吸水率低，耐回流焊性能優(yōu)良。因為羥基當量較大，與環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度變低，從而使得材料固化后其內(nèi)部應(yīng)力很小。表2 注塑成型常用固化劑結(jié)構(gòu)3、半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型

10、材料的阻燃性為了防止火災(zāi)的發(fā)生，要求用于電子器件的封裝用環(huán)氧樹脂成型材料具有高度的阻燃性能。以前的半導(dǎo)體封裝用材料中通過在樹脂中加入以溴為代表的鹵素元素或者加入銻化物作為阻燃劑來提高樹脂的阻燃性能。具有阻燃性效果的含鹵素環(huán)氧樹脂主要是含溴環(huán)氧樹脂（單溴酚醛型環(huán)氧樹脂或四溴雙酚A型環(huán)氧樹脂）。含溴環(huán)氧樹脂中加入三氧化二銻可以使材料的阻燃性能成倍提高，即使加入很小比例也可以提升阻燃效果。含溴環(huán)氧樹脂在燃燒的時候會分解生成鹵素自由基，自由基與樹脂分解物之間因自由基捕獲效應(yīng)導(dǎo)致阻燃效果。然而，燃燒時產(chǎn)生的二惡英類化合物對人體有害，通常作為阻燃助劑使用的三氧化二銻也會引起慢性中毒，正是基于對這些有害物質(zhì)

11、的擔憂，人們一直在尋求無鹵、無銻材料。為了得到無鹵和無銻材料，可以用金屬氧化物或磷系化合物來代替環(huán)氧樹脂中的鹵素和三氧化二銻。但是，如果只是單純地以金屬氧化物或磷化合物來取代以前的阻燃劑，要達到相同的阻燃效果，環(huán)氧樹脂成型材料的整體性能不可避免會有所降低。如果不增加金屬氧化物的填加比例，就不能得到同樣的阻燃效果。金屬氧化物含量的提高會導(dǎo)致固化性、成型性、流動性以及密封性能的下降，從而使得半導(dǎo)體封裝工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定性和可靠性降低。對于磷系化合物，其環(huán)境安全性同樣令人擔憂，特別是在高溫高濕條件下對半導(dǎo)體芯片的腐蝕會導(dǎo)致器件電氣性能的下降。對于半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂材料，通過提高二氧化硅填料的填加比例也

12、可以實現(xiàn)阻燃性能，即減少可燃性樹脂的比例，增加不可燃的二氧化硅填料的比例，來提高環(huán)氧樹脂封裝材料的阻燃性能。Fig.3所示是筆者等人的研究成果之一。聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂中二氧化硅填料的比例達到90%程度時，材料的阻燃等級可以達到UL94的V-0級。UL94阻燃試驗是將樣片垂直懸掛，以特定的燃燒源將樣片點燃，通過測定燃燒源移開后樣片的有焰燃燒時間來劃分材料的阻燃等級。在Fig.3的阻燃性能試驗中，樣品長度為127mm，寬度12.7mm，厚度小于3.2mm，每5片樣品為一組。樣品制備采用專用模具，注塑成型溫度為175，固化時間為120秒，固化后處理溫度175，處理時間4小時。測量各試樣的有焰燃燒時間和無

13、焰燃燒時間，以5個試樣的合計有焰燃燒時間F來判定材料阻燃等級為V-0、V-1或V-2，F(xiàn)不超過50秒的判定為V-0級，F(xiàn)不超過250秒的判定為V-1級。對于半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料，希望其阻燃等級達到V-0級。與此同時，通過二氧化硅填料的大量使用還可以提高成型材料的耐焊性，這是因為填料的大量使用使得成型材料的線膨脹系數(shù)變小，從而使其與半導(dǎo)體芯片線膨脹系數(shù)之間的差距減小，這樣在回流焊的時候就可以降低熱應(yīng)力。同時，吸水率降低使得回流焊過程中形成的蒸汽減少，從而抑制了剝離和開裂等不良現(xiàn)象的發(fā)生。高填充化也會帶來一些不利影響，注塑成型時樹脂在模具內(nèi)達到完全充填前已開始固化，由于樹脂粘度上升使流動性

14、下降，這種會造成鍵合引線的狀態(tài)不佳（變形、接觸、折斷），或者發(fā)生樹脂未填充的現(xiàn)象。由于成型基材的浸潤度下降導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)的致密度下降等等。為避免這些不利情況的發(fā)生，必須對填料的粒度分布進行優(yōu)化，或者使用低粘度樹脂（如雙酚型環(huán)氧樹脂等）。由于低粘度樹脂會使成型材料的固化性能降低，導(dǎo)致成型工序半導(dǎo)體封裝的離型性下降，成為生產(chǎn)穩(wěn)定性下降的原因。因此，對樹脂的低粘度化和固化性能必須平衡兼顧。Fig.3填料量與阻燃性的關(guān)系研究了另外一種多芳香環(huán)樹脂（MAR：Multi Aromatic Resin）及其固化劑，這是一種主骨架中含有亞聯(lián)苯基的聯(lián)苯芳烷基環(huán)氧樹脂。表3所示為其結(jié)構(gòu)式。與普通的環(huán)氧樹脂及其固化劑

15、相比，MAR型環(huán)氧樹脂的軟化點及其高剪切粘度基本相同，最大特點是發(fā)現(xiàn)其具有高阻燃性。在其中不加入鹵素化合物及銻化物等阻燃劑的情況下，即可達到UL94的V-0級阻燃效果，而且以相對較低的填料比例即可得到較高的阻燃性能。Fig.3中未填加任何阻燃劑的MAR型環(huán)氧樹脂成型材料很容易即可達到阻燃等級V-0。而聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂在填料量達到85%時也只達到了阻燃等級V-1。下面簡單分析一下MAR型環(huán)氧樹脂成型材料的阻燃性機理。MAR型環(huán)氧樹脂成型材料的交聯(lián)點間距比較長（交聯(lián)密度較低），在高溫下樹脂變軟，材料被點燃時產(chǎn)生的可燃性氣體使變軟的樹脂表面膨脹起來，形成了一層表面保護膜（發(fā)泡層）。而且亞聯(lián)苯基骨架本身

16、具有較高的耐熱分解性能，在與火焰接觸時可以保持穩(wěn)定的表面保護膜（發(fā)泡層），這層保護膜客觀上起到了隔絕空氣和隔熱的效果，從而最終保證了材料的高阻燃性能。Fig.4所示為燃燒試驗過程示意圖。對于普通的環(huán)氧樹脂材料，在不填加鹵素化合物、銻化物以及替代阻燃劑的情況下，由于具有較高的交聯(lián)密度，在燃燒時并不會形成這樣的發(fā)泡層，燃燒時樹脂表面脆化開裂，樹脂分解生成的可燃性氣體擴散出來使得燃燒得以持續(xù)。Fig.5所示為實際UL94燃燒試驗后MAR型環(huán)氧樹脂成型材料試驗片的外觀。Fig.4燃燒試驗示意圖Fig.5燃燒試驗后樣品外觀此外，MAR型環(huán)氧樹脂成型材料還同時具有低吸水率、高溫下低彈性、高致密性等特征。筆

17、者等人對MAR型環(huán)氧樹脂成型材料的抗拉強度指標進行了計算，較大的抗拉強度數(shù)值表明材料具有良好的耐焊性。表4所示為各種類型環(huán)氧樹脂及其所用固化劑組合的性能參數(shù)對比，其中二氧化硅填料的使用比例為86%?？梢钥吹?，其中（BP-E.R./Aralky-N.R.）組合的抗拉強度特征值為1.0，而MAR型環(huán)氧樹脂成型材料的抗拉強度達到了傳統(tǒng)樹脂材料的1.6倍，因此具有優(yōu)異的耐焊性。同時，MAR型環(huán)氧樹脂/固化劑組合與其他組合相比，還具有低吸水率、低彈性、高粘度等特點。在MAR型環(huán)氧樹脂成型材料開發(fā)初期，其樹脂粘度要高于聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂，其成型性和流動性不利于使用。然而，經(jīng)過研究人員的努力，通過優(yōu)化填料的粒度

18、分布以及高潛伏性固化促進劑的技術(shù)改進，已經(jīng)可以對配方設(shè)計進行合理的調(diào)整。填料的粒度分布對充填密度、流動性以及材料粘度都有較大影響。一般情況下，填料的粗顆粒和細顆粒會形成雙峰分布，通過調(diào)整粗顆粒和細顆粒的比例可以最大程度上對雙峰分布進行優(yōu)化，從而提高材料的流動性。高潛伏性固化促進劑可以成為環(huán)氧樹脂和苯酚樹脂的催化劑，由于可以對其活性進行控制從而使其具有潛伏性?？赡芨鶕?jù)成型時的溫度變化來對反應(yīng)進行催化，因此可以延長樹脂的流動時間，實現(xiàn)低粘度化。通過這些技術(shù)進步，目前MAR型環(huán)氧樹脂已經(jīng)成為無鹵半導(dǎo)體封裝用成型材料的主流。表3 MAR型樹脂結(jié)構(gòu)表4 各種類型環(huán)氧樹脂及其所用固化劑組合的性能參數(shù)4、半

19、導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料的耐高溫化近年來節(jié)能減排成為時代潮流，用于電力控制和電力轉(zhuǎn)換的逆變器和變流器的半導(dǎo)體器件引起業(yè)界越來越多的關(guān)注。對于電力轉(zhuǎn)換的節(jié)能化、小型化和輕量化的要求，以前僅僅局限于用電量較低的空調(diào)等白色家電以及服務(wù)器等。最近這種趨勢已經(jīng)擴展到汽車、鐵路等大功率用電領(lǐng)域。用SiC、GaN這些下一代功率器件來取代現(xiàn)有的硅器件可以減少電力損失，提升用電效率，從而達到節(jié)能減排的效果。由于這些下一代功率器件可以在200以上的高溫下工作，因此制冷設(shè)備將進一步小型化。同時，為了配合這些下一代功率器件的工作，必須解決芯片封裝材料的高耐熱化。筆者等人正在研究一種耐高溫半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料

20、，其目標工作溫度可以達到175或200，為了使SiC或GaN器件的芯片能夠在高溫環(huán)境下正常工作，要求半導(dǎo)體封裝用環(huán)氧樹脂成型材料在高溫下保持較小的特性變化。Fig.6所示為這種環(huán)氧樹脂成型材料在175和200下高溫貯存（HTSL）的試驗結(jié)果。HTSL是對器件所做的貯存環(huán)境可靠性試驗，高溫環(huán)境下，金屬合金和樹脂的劣化會造成器件可靠性下降，一般是用特定溫度下阻抗值的變化來進行評價。對比試驗所用成型材料的環(huán)氧樹脂/固化劑組合包括：（MAR-E.R./MAR-N.R.）、（BP-E.R./PN）和（TPM-E.R./TPM-N.R.），其中二氧化硅填料的比例為86%。MAR型環(huán)氧樹脂/固化劑組合因其交

21、聯(lián)點間距較長具有較低交聯(lián)密度，且Tg較低。而TPM型環(huán)氧樹脂/固化劑組合因分子中含有的環(huán)氧基和羥基較多，會形成具有高交聯(lián)密度的固化材料，因而Tg較高。HTSL的試驗結(jié)果表明，具有較高Tg的材料其粘合的可靠性也高。這可能是由于在高溫環(huán)境下，如果環(huán)氧樹脂成型材料的Tg較低會使得分子運動更加活躍，從而使得電荷載流子的移動更加容易。Fig.6 HTSL試驗結(jié)果另一方面，熱分解性也是高Tg材料的缺點之一。表5所示為是對各種樹脂組合固化后進行的空氣中200、5000小時高溫長期貯存的物性劣化評價。所用成型材料的環(huán)氧樹脂/固化劑組合包括：（MAR-E.R./MAR-N.R.）、（MAR-E.R./PN）（OCN-E.R./PN）、（TPM-E.R./PN）和（TPM-E.R./TPM-N.R.），其中二氧化硅填料的比例為85%。與Fig.6的情況相類似，MAR型環(huán)氧樹脂/固化劑組合因其交聯(lián)點間距較長具有較低交聯(lián)密度，且Tg較低。而TPM型環(huán)氧樹脂/固化劑組合因其交聯(lián)點間距短、交聯(lián)密度高，因而Tg較高。試驗結(jié)果表明，高Tg材料重量減少幅度較大（