电子元件塑封和电子级环氧模塑料

电子元件塑封和电子级环氧模塑料

一、电子封装的功能及类型(一)

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。

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、力学等性能，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非常关键的作用。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。

一、电子封装的功能及类型(二)

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a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。

二、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a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。水分进入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人而到达芯片。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。加入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a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a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a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。