表面组装用高可靠性环氧塑封料

表 2 不同垫片构型的“锚泊率” Table 2 The Anchor ing Ra tio for D ifferen t Conf ig-
ura tion of D ie Pad
构 型
锚 泊 率
(configu ra tion)
0. 015″ 0. 030″
标 准
0
0
1
0. 011
0. 044
2
369
N. M og i 等[7]使用联苯型环氧树脂, 特别是 3, 3′, 5, 5′2ห้องสมุดไป่ตู้甲基联苯环氧树脂取代传统的邻甲酚环氧树 脂制造塑封料具有极低吸湿性, 低热膨胀系数及高强 度的优点 (图 325)
熔融粘度, 具有高填充能力的联苯型环氧树脂代替传 the resistance again st so lder crack s and in PCT as
统的邻甲酚环氧树脂获得了低吸水性、低热膨胀系数 com p ared w ith conven tional m o lding com pounds.
(D ep a rtm en t of M acrom o lecu la r Science, Fudan U n iversity, Shangha i, 200433, Ch ina)
摘 要 用于表面组装技术的新型环氧塑封料是基 these p rop erties. M aterials thu s develop ed show , in 于由热焊产生热应力引起的开裂机理研制的。应用低 su rface m oun t p ackages, a sign ifican t im p rovem en t in
简言之, 改进塑封料性能的方向是: 11 降低吸湿性 21 提高塑封料与芯片及垫片等的粘结强度 31 降低热膨胀系数 41 高温低模量 51 高温高强度 下面重点讨论降低塑封料吸湿性的研究成果。
《功能材料》1996, 27 (4)
图 3 塑封料吸湿率与螺旋流动性关系 封装: 52 PQ FP 吸湿: 85℃, 85% , RH , 72h
(kg mm 2)
0195
Ρ Ρmax: 焊接时封装开裂指数 0137
1146
目前, 大量研究报告提出从两个方面降低塑封料 的开裂, 一是提高芯片与塑封料的粘结力, 这不仅仅 与塑封料生产部门有关, 同时对半导体的封装过程及 其实装设计都提出了要求; 二是在降低塑封料吸湿性
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塑封芯片对热循环过程中产生应力的承受能力 与数个因素有关, 其中最主要的是塑封料的热机械性 能以及塑封料与芯片界面的粘结力。若塑封器件内的 所有材料具有弹性形变行为, 良好粘结的界面, 将降 低 热 循 环 过 程 产 生 的 应 力 所 引 起 破 坏2塑 封 第 一 定 律。已有三个方面可提高塑封料与芯片表面之间的粘 结力: 首先是在塑封料生产中使用粘结促进剂, 例如 硅烷或钛基偶联剂; 二是芯片表面的洁净。 例如在键 合过程中采用压缩空气传送框架时, 若空气净化不好 等原因可能导致芯片表面有硅油之类有机物的污染, 可以使用紫外 臭氧等离子体氧化有机污染物, 将后 者分解成为 CO 2, N 2 和 H 2O 等气体碎片, 一般这种 22 3 分钟的处理足以保证良好粘结, 1000 次热循环亦不 发生脱层现象, 但这还要取决于该处理过程与模压过 程之间过渡时间的长短。 三是通过设计, 提高塑封料 与垫片之间锚泊 (ancho ring) 效率, 美国国家半导体公 司[4] 提出在芯片垫片上引入不同种锚点 (孔, 槽沟等) 一定程度上能改进硅芯片的应力释放能力, 取决于锚
及高强度性能。以芳香环或脂环结构取代酚醛树脂中 KEY WO RD S epoxy m old ing com pound, h igh rel i-
亚甲基, 提高了材料的粘结强度, 降低吸水性及弯曲 ab il ity, surface m oun ting technology, solder crack 模量。 因此树脂结构的改变提高了塑封料的综合性
能, 显著地改进了该材料的热焊开裂性及高压蒸煮可 靠性 (PCT )。
1 引 言
关键词 环氧塑封料 高可靠性 表面组装技术 热焊开裂 ABSTRACT N ew epoxy m o ld ing com pound s have been resea rched and develop ed fo r su rface m oun ting techno logy w h ich is eagerly dem anded these days by IC m anufactu rers. In the com pound design ing, p hys2 ica l p rop erties a re estab lished by exam in ing the m echan ism of crack ing w ith therm a l stress genera ted du ring so ldering. A s a resu lt, low w a ter ab so rp tion, low therm a l exp an sion and h igh streng th a re a tta ined by adop ting the b ip henyl epoxy resin w h ich ha s very low m elt visco sity and h igh filler load ing cap ab ility com p a red w ith conven tiona l o rtho 2creso l2novo lac e2 poxy resin. Fo r the p heno lic ha rdener, it is found tha t low flexu ra l m odu lu s, h igh adhesion, and low m o istu re ab so rp tion a re a tta ined by adop ting an a ro2 m a tic and a licyclic structu re in stead of m ethyl cha in in the fram e of conven tiona l p heno l novo lac. T here2 fo re, app rop ria te structu re is adop ted to ba lance
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(2) 芯片的垫片边缘附近的局部应力强度超过塑 封料的断裂强度, 导致塑封料开裂 (又称爆米花现象 pop co rn) [1 ]。
塑封料元器件发生爆米花现象的机理是: 11 塑封料在贮存时吸湿; 21 热焊过程中由热应力引起芯片与塑封料之间 的脱层; 31 由于湿气气化膨胀, 脱层区域局部压力上升; 41 芯片, 垫片下部的塑封料形变; 51 若所产生的应力超过塑封料强度, 发生塑封 料开裂。 H. K im u ra[2]等在深入研究“爆米花现象”后指出 存在二类塑封料开裂模式, 当框架与塑封料之间发生 脱层或粘结强度下降时, 发生 型开裂, 然而当框架 与芯片之间粘结良好时, 有可能发生 型开裂 (见图 1)。研究表明[2]塑封料的物性, 特别是湿气扩散系数, 湿气溶解系数, 弯曲强度及弯曲模量对其开裂关系最 大。 (表 1) 表 1 开发的塑封料与现有塑封料性能比较 Table 1 Property Com par ision of Epoxy M old ing
lead D IP s
3 提高环氧塑封料的高温强度
在上述讨论中知道, 塑封料的“爆米花现象”与塑 封料的吸湿性及实装时的高温过程有关, 因此对塑封 料的要求是在降低塑封料吸湿性及内应力的同时, 提 高材料的高温强度。 不仅如此, 塑封料吸湿率也影响 其与金属之间的粘结强度, S. K im [5]指出塑封料与铜 的粘结强度随湿气增加而单调下降。
S: 吸 湿 温 度 的 湿 气 溶 解 度
系数 (m g mm 2 kg mm 2)
211
113
D Σ: 焊 接 时 湿 气 扩 散 系 数 2. 3×10- 4 1. 0×10- 4 (mm 2 sec)
Ρmax: 封装内产生的应力 (kg mm 2)
1179
0165
Ρ: 焊接时塑封料的弯曲强度 0166
Com pound
性 能
现 有 开 发
及内应力的同时, 提高材料强度。
图 1 型与 型塑封料开裂的机理 F ig 1 T yp e and typ e p ackage deterio ra tion
m echan ism
E: 焊接时的塑封料弯曲模
量 (kg mm 2)
80
40
2 提高芯片与环氧塑封料之间的粘结力
F ig 3 R ela tion s betw een sp ira l flow and p ackage
m o istu re ab so rp tion ra te Package: 52 PQ FP M o istu re ab so rp tion: 85℃, 85% RH , 72h
表 3 硅粉和有机硅含量对塑封料性能的影响 Table 3 Inf luence of S i Powder and the Con ten t of
O rgan ic S i on the Properties of the M old-
ing Com pound
性 能
增加硅粉含量 增加有机硅含量
D f: 塑封料湿气扩散系数 S: 塑封料湿气溶解系数 E: 塑封料弯曲模量 Ρ: 塑封料机械强度
图 2 402lead D IP s 的标准与锚泊构型图上数值 为孔直径, 间距和槽沟大小
F ig 2 Standa rd and ancho ring configu ra tion of 402
表面组装用高可靠性环氧塑封料Ξ
H igh Rel iab il ity Epoxy M old ing Com pound for Surface M oun ting Technology
李善君 唐晓林
(复旦大学高分子科学系, 上海, 200433)
L i Shan jun T ang X iao lin
《功能材料》1996, 27 (4)
的几何形态, 大小及位置分布。 尽管这种功能是局部 性的, 但在某些场合中可以避免引发脱层。 图 2 显示 了 402lead D IP s 的标与锚泊构型, 图上列出了孔的直 径, 槽沟大小及其间距等, 表 2 的数据为这些锚泊构 型的锚泊率 (ancho ring ratio )。
最近的电子设备由于在重量轻, 小型化, 多功能 及低价格化等方面有进展, 推动了电子元器件实装技 术的革新。因而要求半导体芯片向体积小, 薄型, 高容 量和多端子数发展, 这个趋势必将使半导体实装技术 从插入式 (例如双列封装 D IP) 走向表面组装 SM D 或 SM T (例如扁平封装 Q FP, 小外形封装 SO P, 以及塑 料框架芯片载体 PL CC)。 表面组装过程中的红外再 流焊, 气相再流焊对塑封元器件有极高的温度冲击, 若封装内部的温度超过 210℃, 不同类型的结构缺 陷, 例如脱层或开裂的可能性大大增加。因此, 表面组 装时的高温过程, 加上塑封器件的高吸湿性 (一般超 过 0. 13% ) , 这两者结合是造成破坏塑料封装整体结 构的主要因素。
0. 022
0. 087
3
0. 052
0. 099
4
0. 105
0. 198
5
0. 161
0. 316
T. N ish ioka 等[6]研究, 增加硅粉体积分数及有机 硅改性与湿气扩散系数 D f、湿气溶解系数、弯曲模量 和弯曲强度的关系, 表 3 结果表明增加硅粉量、D f 几 乎不变, S 降低和 Ρ 增加, 这对降低“爆米花现象”有 益, 但同时 E 上升是不利的。
一般而言, 存在两种破坏方式: (1) 金属2塑封料之间和芯片2塑封料界面之间的 局部应力超过两种材料之间的粘结强度, 其结果是发 生界面脱层与剥离现象, 导致钝化层开裂以及金属布 线的形变。
Ξ 初稿收到日期: 1996201221 终稿收到日期: 1996203223
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