淺析集成電路封裝發展對封裝材料的性能要求

吳 娟

(漢高華威電子有限公司，江蘇連云港222006)

近年來，半導體器件為實現高功能化和高集成化，使得布線更微細，結構更復雜，芯片尺寸大型化。同時，為了實現高密度安裝，出現了SMT工藝，要求封裝件向小型化薄型化發展。另一方面，為了滿足高功能半導體器件多引線化的要求還出現了多引線大型封裝。其中，IC日益高度集成化是最顯著的特點，集成度以每3年增加4倍的速度遞增，在10年內集成度增加了100倍。從64 K到64M，線寬由3μm縮小到0.35μm；芯片面積從20～30mm2擴大到120～160mm2；芯片在封裝中的占有率由17%～25%上升到60%～80%。封裝材料的厚度越薄，越易引起封裝開裂。另外，當前表面安裝成為主流。在表面安裝中封裝體整體要暴露在215～260℃高溫中，因而產生受熱沖擊而開裂和焊后耐濕性降低等問題。為滿足上述要求，封裝材料生產廠家一直在進行各方面的努力。

1 環氧模塑料的發展現狀

1.1 國際技術和產業現狀及發展趨勢

環氧塑封料在20世紀60年代首先由美國的Morton公司開始使用,歷經20世紀70年代和80年代的多次改進技術越來越成熟。目前,國際上環氧模塑料已經形成完整的系列產品，包括適合于大型PDIP及PLCC的低應力模塑料；適合于DRAM封裝的低應力、高純度、低α粒子含量的模塑料；還有適合大芯片尺寸、薄型封裝的模塑料等。目前世界上環氧塑封料生產廠家主要集中在日本、美國、韓國和中國臺灣等國家和地區。包括日東電工、住友電木、日立化成、松下電工、信越化學、臺灣長春、東芝、Hysol、Plaskon、Cheil等(見表 1)。環氧塑封料的主流產品為適合于0.35～0.18μm特征尺寸集成電路QFP/TQFP、PBGA以及CSP等封裝用材料，研究水平已達0.10～0.09μm。

表1 全球主要模塑料生產企業

同時，隨著歐盟WEEE和RoHS兩個法令的頒布，電子信息產品的綠色環保要求已經成為一種不可逆轉的趨勢，傳統環氧塑封料含溴、銻等作為阻燃劑。國外研究綠色環氧塑封料是90年代中后期才開始，隨著2003年歐盟WEEE法案的頒布，國外各大公司加快了環保、綠色塑封料的產業化進程，加大了推廣的力度，已有部分技術具備規模化生產的條件。

1.2 國內技術和產業現狀

我國環氧塑封料的研究始于20世紀70年代末，80年代初開始批量生產，90年代初到現在進入了快速發展階段,高性能環氧塑封料質量水平有了較大進步。目前國內生產廠家(包括合資企業)共有8家：漢高華威公司(前身為江蘇中電華威)、北京科化、蘇州住友電木(日資)、昆山長興電子(臺資)、成都齊創、浙江新前電子等，其中華威公司是國內生產規模最大的環氧塑封料生產企業，是國家重點高新技術企業，國家863計劃成果產業化基地，建有國家級博士后科研工作站和省級技術中心，公司有二十多年研發、生產環氧塑封料的豐富技術經驗，從1993年以前年產不足百噸的手工式作坊發展到現在36 000噸/年規模。目前國產環氧塑封料的市場份額約40%左右，其中漢高華威公司占據市場份額約35%左右。

國產環氧塑封料產品的大規模生產技術水平達到0.35～0.25μm特征尺寸集成電路QFP/TQFP封裝生產要求，中試規模生產水平達0.25～0.18μm特征尺寸集成電路QFP/TQFP、PBGA以及CSP等的技術要求，研發水平在0.10μm。我國在環保型環氧塑封料研究方面，現已掌握了綠色環氧模塑料小試及中試生產技術。

環氧塑封料業是環氧樹脂電子高端應用的重要領域，近年在國際制造中心向我國轉移的大背景下，在該領域處于領先地位的國家或地區紛紛前來投資，中國大陸環氧塑封料業開始向世界先進水平邁進。

2 集成電路封裝發展對封裝材料的要求

環氧模塑料是一種熱固性材料，由環氧樹脂、固化劑、固化促進劑、填料以及其他改性成分共同組成。環氧模塑料發展至今，已經衍生出很多種不同類型，以適合不同應用場合的要求。按照所使用的環氧樹脂的化學結構來分，可以分為EOCN型、DCPD型、Bi-phenyl型以及Multi-Function型等。按照最終材料的性能來分，環氧模塑料可以分為普通型、快速固化型、高導熱型、低應力型、低放射型、低翹曲型以及無后固化型等。同時為了滿足對環境保護的要求，無鹵無銻的“綠色”環保型環氧模塑料也成為目前業界研發的重點。

不同類型的環氧模塑料分別適用于不同的半導體封裝形式。當然，不同類型的半導體封裝對環氧模塑料的性能要求也不盡相同。半導體工業從器件的可靠性、成形性出發對塑封料提出如下要求：

*可靠性：(1)純度高(2)線膨脹系數低、內應力小；(3)；吸水率、透濕率低；(4)熱傳導率高；(5)與芯片、引線框架的粘附力高；(6)具有較高的高溫強度；(7)低α射線。

* 成形性：(1)快速固化；(2)流動性適宜；(3)脫模性好；(4)固化收縮小。

2.1 高純度

在水存在情況下，塑封料中若含有離子性雜質如Na＋,Cl－會形成電解質溶液腐蝕鋁布線。這些有害雜質主要來自原材料，生產使用過程也會混入。由于鋁為兩性金屬，目前使用較多的環氧塑封料的pH值多小于7，鋁的腐蝕多為Cl－所致。降低的方法主要是從環氧樹脂的生產工藝入手控制生成可水解氯含量，提純原材料并最大限度地降低封裝材料的水份。

最新的方法是加離子捕捉劑和鋁保護劑等。目前，日本有高純度環氧樹脂產品 (有機氯含量200×10-6～300×10-6)，超高純產品 (有機氯含量100×10-6～200×10-6),超高純制品 (有機氯含量100×10-6以下)。環氧塑封料的填料含量占60%～70%，填充料硅微粉的純度也是影響塑封料純度的重要因素。硅微粉的Na＋,Cl-離子含量要小于2×10-6，Fe3＋離子含量小于 10×10-6。環氧塑封料的生產廠房要潔凈。

2.2 低應力和耐熱沖擊性

構成半導體器件的材料很多，如硅晶片、表面鈍化膜、引線框架等。它們與環氧塑封料的熱膨脹系數相差很大，加熱固化時，因熱收縮不同使器件內部產生應力。應力的存在會導致：(1)模塑料開裂；(2)表面鈍化膜開裂，鋁布線滑動，電性能變壞；(3)界面處形成縫隙，耐濕性惡化。隨者芯片尺寸大型化，封裝薄型化，這種現象更嚴重。要降低應力，必須降低封裝材料的彈性模量E，線膨脹系數α和玻璃化轉變溫度Tg。降低Tg會使封裝材料的耐熱性下降，故不可取。為了在不降低Tg的情況下降低E，α，常用的方法是增加填料的含量和加入低應力劑。

增加填料的含量可極有效地降低封裝材料的α，但卻引起流動性下降和E上升。使用球形熔融硅粉，其填充量可大量增加，填料含量可達到85%～90%。同時，球形粉末可緩和填料尖端處所造成的應力集中，減少封裝材料在模具內的磨損。試驗表明，若以角形硅粉為1，則球形的集中應力比為0.6以下。模具磨損比為0.1以下。

添加低應力改進劑可同時降低E，α又不影響Tg。開始使用的是與樹脂不相容的硅橡膠、硅油等，屬于機械分散式的海島結構。該法改性劑易滲出，使封裝器件出現斑痕并污染模具。最近則采用改性劑與樹脂直接反應，形成微細均勻的分散。所用改性劑多為有機硅。兩種方法相比，后面的方法在E相同的情況下可使彎曲強度提高，從而提高了耐熱沖擊性能。

制備有機硅改性劑的基本路線主要有3種：

(1)預制法：即預先用乳液聚合法或其它方法制成硅橡膠粉末，然后將硅橡膠粉末均勻地分散在基體樹脂中。此法的缺點在于目前還難于合成粒度≤1μm的硅橡膠粉末和難以達到塑封料的高純度要求。

(2)共混法：此法是采用高分子分散劑和特定的加工工藝，將硅橡膠細分散在基體樹脂中，可形成具有海島結構的穩定二相體系。若高分子分散劑、加工方法和工藝條件選擇適當，硅橡膠微區尺寸可≤1μm甚至更小。

(3)嵌段或接枝共聚法：通過帶活性基團的聚硅氧烷與基體樹脂進行化學反應生成嵌段或接枝共聚物，這些共聚物與基體樹脂形成微相分離的高分子合金。如此形成的有機硅微區的尺寸較小(≤5μm)，其改性效果可能會更好。本法的難點在于硅氧烷上官能團的引進和共聚反應的控制，難度與工作量都較大。目前國外16M，64M DRAM芯片封裝材料的 α 為 (1.0～1.4)×10-5/℃，E為 1 000～1400 kg·mm-2。

2.3 低α射線

塑封16M以上存儲器時，環氧塑封料鈾含量要低，否則會使器件產生軟誤差。鈾主要來自填料SiO2。一種方法是尋找低鈾礦石，令一種方法是合成硅粉。目前國外可人工合成球形硅粉鈾含量可達0.1×10-9以下，但是價格較高。還有使用表面鈍化膜防止α射線影響芯片。

2.4 耐浸焊和再流焊性

在表面安裝中，焊接時整個封裝件被加熱至200℃以上，如果原來就處于吸濕狀態，水分氣化產生的蒸汽壓力高于封裝材料的破壞強度時，便會導致內部剝離或封裝件開裂。由此可見，提高樹脂的耐濕性；提高封裝材料在200℃以上時的強度和與芯片、引線框架的粘附力；降低熱膨脹系數α和E，是提高封裝材料耐浸焊性的關鍵。提高耐濕性的方法有：

(1)增加填料含量，因填料不吸濕、透濕。但會出現流動性和強度下降的問題。防止流動性下降可采用球形硅粉，為保持強度可對填料進行表面處理；

(2)降低樹脂本身的吸濕、透濕性。如引入烷基、氟基等憎水基。為了解決因官能團間的距離和立體障礙引起的反應性下降問題需要選擇合適的催化劑；

(3)正確選擇固化促進劑，使基礎樹脂與固化劑交聯更緊密。提高強度可對填料—樹脂界面進行適當處理；對于環氧樹脂可通過引入耐熱性優異的多官能團提高其Tg，從而提高高溫強度，但要防止耐濕性下降。大日本油墨公司開發的耐熱、耐濕、高強度含萘新型環氧樹脂，雙官能團型的拉伸強度比通常的環氧樹脂高2倍；3官能團型的耐熱溫度由原來的200℃提高到240℃；耐濕性能提高35%；4官能團型的耐熱溫度高達320℃，耐濕性提高20%。

3 結束語

隨著集成電路向高超大規模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速發展及電子封裝技術由通孔插裝(PHT)向表面貼裝技術發展，封裝形式由雙列直插(DIP)向(薄型)四邊引線扁平封裝(TQFP/QFP)和球柵陣列塑裝(PBGA)以及芯片尺寸封裝(CSP)方向發展，環氧模塑料/環氧塑封料的發展方向正在朝著高純度、高可靠性、高導熱、高耐焊性、高耐濕性、高粘接強度、低應力、低膨脹、低粘度、易加工、低環境污染等方向發展。

[1]中國電子學會生產技術學分會叢書編委組編.微電子封裝技術[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2003.4.

[2]畢克允.高尚通.現代電子封裝技術[C].1997年電子封裝論文集.

[3]孫忠賢.電子化學品[M].北京:化學工業出版社，2001.

[4]成興明.環氧模塑料性能及其發展趨勢[J].半導體技術,2004,29(1):54-60.