环氧树脂灌封料及其工艺和常见问题

环氧树脂灌封料及其工艺和常见问题

黄道生

(汉高华威电子股份有限公司，江苏连云港222006)

1 引言

在电子封装技术领域曾经出现过两次重大的变革。第一次变革出现在20世纪70年代前半期，其特征是由针脚插入式安装技术(如DIP)过渡到四边扁平封装的表面贴装技术(如QFP)；第二次转变发生在20世纪90年代中期，其标志是焊球阵列．BGA型封装的出现，与此对应的表面贴装技术与半导体集成电路技术一起跨人21世纪。随着技术的发展，出现了许多新的封装技术和封装形式，如芯片直接粘接、灌封式塑料焊球阵列(CD-PBGA)、倒装片塑料焊球阵列(Fc-PBGA)、芯片尺寸封装(CSP)以及多芯片组件(MCM)等，在这些封装中，有相当一部分使用了液体环氧材料封装技术。灌封，就是将液态环氧树脂复合物用机械或手工方式灌入装有电子元件、线路的器件内，在常温或加热条件下同化成为性能优异的热同性高分子绝缘材料。

2 产品性能要求

灌封料应满足如下基本要求：性能好，适用期长，适合大批量自动生产线作业；黏度小，浸渗性强，可充满元件和线间；在灌封和固化过程中，填充剂等粉体组分沉降小，不分层；固化放热峰低，固化收缩小；同化物电气性能和力学性能优异，耐热性好，对多种材料有良好的粘接性，吸水性和线膨胀系数小；在某些场合还要求灌封料具有难燃、耐候、导热、耐高低温交变等性能。

在具体的半导体封装中，由于材料要与芯片、基板直接接触，除满足上述要求外，还要求产品必须具有与芯片装片材料相同的纯度。在倒装芯片的灌封中，由于芯片与基板间的间隙很小，要求灌封料的黏度极低。为了减少芯片与封装材料间产生的应力，封装材料的模量不能太高。而且为了防止界面处水分渗透，封装材料与芯片、基板之间应具有很好的粘接性能。

3 灌封料的主要组份及作用

灌封料的作用是强化电子器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高内部元件、线路间绝缘，有利于器件小型化、轻量化；避免元件、线路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能。

环氧树脂灌封料是一多组分的复合体系，它南树脂、固化剂、增韧剂、填充剂等组成，对于该体系的黏度、反应活性、使用期、放热量等都需要在配方、工艺、铸件尺寸结构等方面作全面的设计，做到综合平衡。

3．1 环氧树脂

环氧树脂灌封料一般采用低分子液态双酚A型环氧树脂，这种树脂黏度较小，环氧值高。常用的有E．54、E-51、E-44、E-42。在倒装芯片下填充的灌封中，由于芯片与基板之间的间隙很小，因此要求液体封装料的黏度极低。故单独使用双酚A型环氧树脂不能满足产品要求。为了降低产品黏度，达到产品性能要求，我们可以采用组合树脂：如加入黏度低的双酚F型环氧树脂、缩水甘油酯型树脂以及具有较高耐热、电绝缘性和耐候性的脂环族环氧化物。其中，脂环族环氧化物本身还具有活性稀释剂的作用。

3．2 固化剂

同化剂是环氧灌封料配方中的重要成分，固化物性能很大程度取决于固化剂的结构。

(1)室温同化一般采用脂肪族多元胺做固化剂，但这类固化剂毒性大、刺激性强、放热激烈，同化和使用过程中易氧化。因此，需要对多元胺进行改性，如利用多冗胺胺基上的活泼氢，部分与环氧基合成为羟烷基化及部分与丙烯晴合成为氰乙基化的综合改性，可使固化剂达到低黏度、低毒、低熔点、室温固化并有一定韧性的综合改性效果。

(2)酸酐类同化剂是双组分加热固化环氧灌封料最重要的同化剂。常用的同化剂有液体甲基四氢邻苯二甲酸酐、液体甲基六氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲

酸酐、甲基纳迪克酸酐等。这类固化剂黏度小，配合用量大，能在灌封料配方中起到同化、稀释双重作用，固化放热缓和，同化物综合性能优异。

3．3 固化促进剂

双组分环氧一酸酐灌封料，一般要在140℃左右长时间加热才能固化。这样的固化条件，不仅造成能源浪费，而且多数电子器件中的元件、骨架外壳是难以承受的。配方中加入促进剂组分则可有效降低固化温度、缩短固化时间。常用的促进剂有：卞基二胺、DMP-30等叔胺类。也可使用咪唑类化合物和羧酸的金属盐，如2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑等。

3．4 偶联剂

为了增加二氧化硅和环氧树脂之间的密着性，需加入硅烷偶联剂。偶联剂可以改善材料的粘接性和防潮性。适用于环氧树脂的常用硅烷偶联剂有缩水甘油氧丙基三氧基硅烷(KH-560)、苯胺基甲三乙氧基硅烷、α-氯代丙基三甲氧基硅烷、α-巯基丙基三甲氧基硅烷、苯胺甲基三甲氧基硅烷、二乙烯二胺基丙基三甲氧基硅烷等。

3．5 活性稀释剂

单独使用环氧树脂，加入无机填料后黏度明显增大，不利于操作和消泡，常需加入一定量的稀释剂，以增加其流动性和渗透I生，并延长使用期，稀释剂有活性和非活性之分。非活性稀释剂不参与固化反应，加人量过多，易造成产品收缩率提高，降低产品力学性能及热变形。活性稀释剂参与固化反应增加了反应物的链节，对固化物性能影响较小。灌封料中选用的就是活性生稀释剂，常用的有：正丁基缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、二乙基己基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚。

3．6 填充剂

灌封料中填料的加入对提高环氧树脂制品的某些物理性能和降低成本有明显的作用。它的添加不仅能降低成本，还能降低固化物的热膨胀系数、收缩率以及增加热导率。在环氧灌封料中常用的填充剂有二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼等材料。表1是常见无机填料的导热系数。二氧化硅又分为结晶型、熔融角型和球形二氧化硅。在电子封装用灌封料中，由于产品要求，优选熔融球形二氧化硅。

3．7 消泡剂

为了解决液体封装料同化后表面留有气泡的问题，可加入消泡剂。常用的是乳化硅油类乳化剂。

3．8 增韧剂

增韧剂在灌封料中起着重要作用，环氧树脂的增韧改性主要通过加增韧剂、增塑剂等来改进其韧性，增韧剂有活性和惰性两种，活性增韧剂能和环氧树脂一起参加反应，增加反应物的链节，从而增加固化物的韧性。一般选择端羧剂液体丁腈橡胶，在体系内形成增韧的"海岛结构"，增加材料的冲击韧度和耐热冲击性能。

3．9 其他组分

为满足灌封件特定的技术、工艺要求，还可在配方中加人其他组分。如阻燃剂可提高材料的工艺性；着色剂用以满足制件外观要求等。

4 灌封工艺

环氧树脂灌封有常态和真空两种工艺。图1为手工真空灌封工艺流程。

5 常见问题及解决方法

5．1 放电、线间打火或击穿现象

由于灌封工艺不当，器件在工作时会产生放电、线间打火或击穿现象，这是因为这类产品高压线圈线径很小(一般只有0．02mm～0．04mm)，灌封料未能完全浸透匝间，造成线圈匝问存留空隙。由于空隙介电