第三章 塑料封装的基本材料 PDF

3.3.3 银丝 较少使用，硬度比金球高，影响可靠性
3.3.4 铜丝 便宜，硬度比金高，引线不易刮断； 防止在芯片上产生凹坑，易氧化 铜互连工艺采用铜焊盘，Cu-Cu键合无IMC可靠 性问题
3.4 环氧塑封料
按包封材料分类的封装类型： 陶瓷封装：气密性封装 金属封装：气密性封装 塑料封装：非气密性封装, >90%, 民用产品 采用绝缘塑料，保护电子器件和芯片免受装配、存 储和操作过程中可能的损伤。 塑料封装用树脂选择原则： 优良的介电性能 耐热、耐寒、耐湿、耐大气、耐辐射，散热性能好 CTE匹配好，粘结性能好 固化收缩率小，尺寸稳定 不污染半导体器件表面 加工性能好
5. 阻燃剂
溴代环氧树脂 溴代双酚A环氧树脂，溴代酚醛环氧树脂 溴离子有锈蚀性 锑化物Sb2O3 成本高 其它阻燃剂 氯化石蜡，Al(OH)3，磷衍生物 使用非水溶性化合物及离子吸收剂，可控制 阻燃剂的锈蚀效应
6. 应力释放添加剂
应力释放添加剂：降低热收缩应力，降低诱导 和扩展在塑封料或芯片钝化层内产生的裂纹， 降低弹性模量，增加柔韧性，降低CTE。 增塑剂：降低张力系数，提高塑封料的可延展 性，减少收缩，改进粘附特性。 主要应力释放剂： 硅树脂，丙烯腈-丁二烯橡胶，聚丁烯丙烯酸盐
3.4.2 环氧塑封料的组分与性能
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，在热和固化促进剂作用 下, 环氧树脂与固化剂发生反应, 产生交联固化作 用, 成为热固性树脂。 优良的粘结性 优异的电绝缘性能 机械强度高 耐热性、耐化学腐蚀性良好 吸水率低 成型收缩率低, 成型工艺性能良好 应用范围宽
SiO2的物理性能
单位 外形 相对密度 导热率 CTE 结晶型 熔融型 合成 2.20 1.6-2.0 5.4 5 1017 >0.2 30 角形 角形或球形 2.65 2.20 W/mK 5.0-12.6 1.6-2.0 90 5.4 10-7/C Mors 7 5 硬度 1017 1016 体积电阻率 cm 10-9 10-300 10-300 铀含量 1 3 价格比
1. 焊料芯片粘结剂
用于对散热要求高的大功率器件 选择要点：液相温度、CTE，达到芯片位移小， 无粘结失效 硬焊料：高熔点合金，流动应力高，抗疲劳和耐 蠕变特性优良；缺乏塑性，CTE失配下，芯片中 产生极高应力。 软焊料：两种或三种金属制成的低熔点焊料，塑 性形变能力较强。
2. 聚合物芯片粘结剂
常见填充剂及其对塑封料特性的改进
填充剂 Al2O3 Sb2O3 BeO CaSiO3 Cu SiO2 Ag 特性 耐磨性, 电阻率, 尺寸稳定性, 韧性,热 导率 阻燃性 热导率 抗拉强度, 抗弯强度 电导率, 热导率, 抗拉强度 耐磨性, 电性能, 尺寸稳定性, 热导 率，抗潮性 电导率, 热导率
4. 填充料
改善环氧塑封料的参数与性能：材料粘性、 固化时收缩、CTE、热导率、弹性模量、成本等 使用填充料的优点： 减少收缩，增强韧性，增强耐磨性，减少吸 水性，提高热形变温度，提高热导率，减少 CTE。 使用填充料的缺点： 增加重量，增加粘度，提高介电常数 填充料选择： 大小，机械性能，化学稳定性，导热性，抗 潮性，放射性(存储器)，磨蚀性(磨具寿命)
1. 粘结性 框架与塑封料的粘结性会影响器件的可靠性和寿命 合金42好于铜合金 2. 热膨胀系数(CTE) CTE失配会导致封装模块开裂、分层 Si: 2.3-2.6 10-6 / ℃ (ppm) 环氧塑封料: 16-20 10-6 / ℃ (ppm) 合金42: 4.0-4.7 10-6 / ℃ (ppm) Cu合金: 17-18 10-6 / ℃ (ppm) Au-Si共晶焊弹性模量高，不能用于铜框架 导电聚合物芯片粘结剂柔韧性强，可以吸收应变
3.3.2 铝丝
成本低, Al-Al焊盘键合无IMC, 适合于气密性封 装。 水气、水溶性离子会引起键合处锈蚀，失效 铝丝极软，难拉成丝 1%Si(硅铝丝): 室温溶解度0.02wt%, Si相 1%Mg(镁铝丝):室温溶解度2wt%, 铝丝键合方式： 超声焊：速度慢，易发生疲劳断裂 热超声焊：铝丝加热成球形时易氧化 Al-Ni键合：可靠性好，适合高温应用 Al-Au, Al-Ag: IMC，空洞，易锈蚀
2. 低应力
半导体器件材料： 硅芯片，表面钝化膜，引线框架等 环氧树脂CTE差别大，固化时器件内部产生热应 力，导致 塑封料开裂 表面钝化膜开裂，铝布线滑动，电性能变坏 界面处产生裂缝，耐湿性下降 器件翘曲
影响热应力因素 塑封料弹性模量 塑封料Tg
降低应力方法 减小弹性模量 降低Tg
塑封料与器件材料CTE之差 减小塑封料CTE
成型性
成型时间短 流动性适宜 脱模性好 固化收缩小
1. 高耐湿
高分子材料分子间距: 50-200nm 水气进入器件途径： 通过树脂本身渗透到达芯片 通过树脂与引线框架界面浸入而到达芯片 水气与离子性杂质共存时，发生电化学反应腐蚀 铝布线。需提高环氧树脂及硅微粉纯度。 提高环氧树脂耐湿性的方法： 填料表面处理，使水渗透到芯片距离延长 偶联剂提高塑封料与引线框架的粘结力
引线框架的表面处理
目的：防止锈蚀，增加粘结性和可焊性 镀层材料的选择： 比框架基体材料难锈蚀 镀层致密、无空洞，有一定强度 通常在框架芯片焊盘和内引脚上镀银 利用聚合物带增强框架的机械强度 降低引线刮断或芯片移位 防止引脚拉伸变形 聚合物增强带材料：聚酰亚胺薄膜
3.2 芯片粘结剂
芯片贴装是使芯片与引线框架产生机械连 接，并且将芯片工作时产生的热量传到框架，通 过框架散发出去。 芯片键合材料选择： 芯片与框架界面的剪切强度、空洞密度、杂质含 量、体电阻、热导率、加工性能、成本。 早期工艺：Au-Si低共熔合金焊料 CTE失配，芯片开裂，使用合金42(CTE与Si接近) 现代工艺：聚合物芯片粘结剂 可使用镀银的铜合金框架
工艺温度低，成本低；稳定性较差，含溶剂及残余气体 导电环氧树脂粘结剂：70-80%Ag颗粒或Ag片 CTE: 55ppm, 模量小，实际热应力不严重 热导率: 0.008W/cm K 缺点：高吸湿性，固化时产生空洞，回流时引起开裂。 氰酸酯基粘结剂 粘度小，抗湿性、固化速度、可靠性优于环氧，价格高 聚酰亚胺树脂基粘结剂 适用于高温场合，热应力较大，杂质低，溶剂含量高 银-玻璃素质芯片粘结剂 需高温烧结，无机粘结材料 固体薄膜聚合物芯片粘结剂 厚度均匀，无空洞，操作简便
引线框架构成：芯片焊盘，引脚
芯片焊盘(die paddle): 在封装过程中为芯片提供 机械支撑 引脚(lead finger): 连接芯片到封装外的电学通路 内引脚：与芯片上的焊盘通过引线相连 管脚：提供与基板或PCB板的机械和电学连接 选择引线框架材料需考虑因素： 成本、制造难易、框架功能要求
4. 耐浸焊和回流焊性
SMT焊接温度：215-260 ℃ 提高耐浸焊和回流焊性关键 提高树脂耐湿性 提高塑封料高温强度(>200 ℃), 及其与芯片、引 线框架的粘附力 降低树脂的CTE和弹性模量 主要方法： 增加填料含量 降低树脂本身的吸湿、透湿性 选择合适固化剂，使交联更紧密 引入耐热性优异的多官能团环氧树脂，提高其 高温强度
3.3 金属引线
3.3.1 金丝 抗氧化性、抗锈蚀性好，适合非气密性塑料封装 机械强度不够，需添加其他元素 5-20ppm B, 30-100ppm Cu 金丝键合的可靠性 金丝-金合金化焊盘：无可靠性问题 金丝-银合金化焊盘：长时间可靠 金丝-铝焊盘：脆性易碎金属间化合物 金丝-铜框架：脆性金属间化合物 Au-M键合：水气和水溶性离子存在时，会形成 化学原电池加速M锈蚀
引线框架材料
1. 铁镍合金 合金42：镍42%，铁58% 优点：CTE(4.5ppm)与Si(2.6ppm)相近, 易电镀 或浸锡 缺点：热导率低 2. 复合材料: 多层复合条带(如敷铜不锈钢) 特点: 保持了合金42的机械性能, 提高了热导率 3. 铜基合金: Cu: 导热导电性佳, 强度不够
引线框架材料的性质
3. 热导率 引线框架：芯片到电路板的导热通道 Cu合金：200-400 W/(mK) 合金42：15.89 W/(mK) 4. 强度 合金42的机械强度和柔顺性优于Cu合金 抗拉强度：Cu比合金42、敷铜不锈钢低 添加Fe, Zn, Zr, Sn, P, 可提高合金的热处理及硬加工 特性，满足抗拉强度和韧性要求。 柔顺性：冷加工处理，提高机械强度，降低韧性；回火 处理，提高柔顺性 5. 电导率 Cu合金电性能优于合金42
环氧塑封料Байду номын сангаас成
环氧树脂 固化剂 固化促进剂 惰性填充剂 阻燃剂 脱模剂 偶联剂 着色剂 释放应力添加剂 其它 10-30% 6% < 1% 60-90% < 8% 痕量 痕量 < 2% < 2.5% < 2%
1. 环氧树脂
作为基体树脂将其它成分结合到一起； 决定塑封料成型时的流动性和反应性; 决定固化物的机械、电气、耐热性能。 环氧当量是环氧树脂最重要技术指标。 环氧当量低(官能团密度高)，交联密度高，Tg 高，塑封料弯曲强度高，耐热性及介电性能好。 若交联密度过高，材料变脆。 选择合适的基质树脂分子量、环氧当量和交 联密度是制备模塑料的关键。
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，在热作用下交联固 化成为热固性塑料，在注塑成型过程中将芯片 包埋在其中，并赋予其一定结构外形，成为塑 料封装的半导体器件。
3.4.1 集成电路用环氧塑封料的性能
可靠性
吸水率、透湿率低 内应力小 纯度高 热传导率高 与芯片、引线框架粘附力高 高温强度好 低α射线
1. 降低Tg: 塑封料高温机械性能和电性能下降 2. 降低CTE: 加入无机填料 Epoxy: CTE 60ppm; SiO2: CTE 0.6ppm 3. 降低弹性模量：增柔剂与基体树脂共混使其均匀分散 降低弹性模量的同时，避免Tg的下降 塑封料强度会下降
3. 低α射线
α射线破坏IC存储信息 放射性元素来源：SiO2 解决方法：低铀矿石；合成硅粉
SiO2(硅微粉)
介电性能优异，CTE低，导热系数高，价格低 降低：CTE, 吸水率，成型收缩率，成本 提高：耐热性，机械强度，介电性能，导热率 SiO2在塑封料中含量：60-90%，其性能优劣 影响塑封料的品质。 SiO2的粒径：10-25um较合适，<125um 增加填充料含量，可降低CTE，改善失配， 但粘度增加，带来流动性、成型问题，如空洞增 加。
2. 固化剂
与环氧树脂发生化学反应形成交联结构的化 合物。 固化剂与环氧树脂共同影响塑封料的流动 性、热性能、机械性能、电性能。 环氧交联剂：胺、酸酐、酚类 微电子封装常用：苯酚酚醛树脂、邻甲酚醛树脂 成型性、电学性能、热学性能和抗潮性良好。
3. 促进剂
提高聚合反应速度，缩短在模固化时间。 常见促进剂：胺类、咪唑、有机磷酸盐， Lewis酸及盐 重要性质：反应性增强程度，反应时间，电性能 胺类 反应性 固化时间 电学性能 抗潮性 好 短 差 差 有机磷酸盐 Lewis酸及盐 好 短 好 好 适中 理想 理想 理想
第三章 塑料封装的基本材料
3.1 引线框架材料 3.2 芯片粘结剂 3.3 金属引线 3.4 环氧塑封料 3.5 环氧塑封料的组分与性能 3.6 环氧塑封料的性质及评估
3.1 引线框架材料
引线框架是模塑封装的骨架，通过将大片的金 属条带冲制或化学刻蚀而制成，它首先作为组装过 程的支撑件，然后经过包封成为封装整体的一部 分。 引线框架的功能： 封装器件的支撑体 在模塑过程中连筋，防止模塑料在引线间突然涌出 芯片连接基板 为塑封料提供支撑 提供芯片到线路板的电及热通道
引线框架的制造
化学刻蚀法：采用光刻及金属溶解的化学试剂从金 属条带上刻蚀出图形。 (1) 冲压定位孔 (2) 双面涂光刻胶 (3) UV通过掩模板曝光、显影、固化 (4) FeCl3或(NH4)2SO4腐蚀暴露金属 (5) 去除光刻胶 特点：设备成本低，但框架生产成本高，生产周期 短。 机械冲制法：使用跳步模具靠机械力作用进行冲 切。 特点：跳步模具昂贵，但框架生产成本低