淺談I C封裝材料對(duì)產(chǎn)品分層的影響及改善

藺興江，張宏杰，張易勒

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水 741000）

淺談I C封裝材料對(duì)產(chǎn)品分層的影響及改善

藺興江，張宏杰，張易勒

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水 741000）

IC封裝不僅要求封裝材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能以及機(jī)械性能，還要求具有高可靠性、低成本和環(huán)保性，這也是引線框架、環(huán)氧樹脂成為現(xiàn)代電子封裝主流材料的主要原因，其市場(chǎng)份額約占整個(gè)封裝材料市場(chǎng)的95%以上。由于環(huán)氧樹脂封裝是非氣密性封裝，對(duì)外界環(huán)境的耐受能力較差，尤其是受到濕氣侵入時(shí)，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)一些可靠性問題，最容易發(fā)生的現(xiàn)象是分層。簡(jiǎn)要分析了框架和環(huán)氧樹脂對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響，在此基礎(chǔ)上提出一些改善措施。

環(huán)氧樹脂；封裝；分層

微電子器件封裝中往往都要使用多種不同熱膨脹系數(shù)的材料，由于材料間的熱失配及制造和使用過程中的溫度變化，使得各種材料及界面都將承受不同的熱應(yīng)力。層間界面熱應(yīng)力和端部處的熱應(yīng)力集中常常造成封裝結(jié)構(gòu)的分層破壞，形成界面分層，從而導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)的失效。對(duì)封裝件的應(yīng)力分析是對(duì)封裝材料、工藝和可靠性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一，因而分析判斷封裝材料在封裝和使用過程中產(chǎn)生應(yīng)力的影響具有重要的意義，本文主要就引線框架和環(huán)氧樹脂等主要封裝材料對(duì)產(chǎn)品分層的影響進(jìn)行分析和探討。

1 框架的組成及其作用

框架是模塑封裝的骨架，它主要由兩部分組成：芯片焊盤（die paddle）和引腳（lead finger）。其中芯片焊盤在封裝過程中為芯片提供機(jī)械支撐，而引腳則是連接芯片到封裝外的電學(xué)通路，就引腳而言，每一個(gè)引腳末端都與芯片上的一個(gè)焊盤通過引線相連接，該端稱為內(nèi)引腳（inner finger），引腳的另一端就是所謂管腳，它提供與基板或PC板的機(jī)械和電學(xué)連接。

框架通常都是由合金材料制成，加工方法為沖壓法和蝕刻法。通常的框架材料是銅合金材料和鐵鎳合金（也稱合金42，一般情況下鎳的含量為42%，鐵的含量為58%）。除此之外現(xiàn)今各種各樣的復(fù)合材料層出不窮，但是應(yīng)用的范圍還比較狹窄，一是由于技術(shù)上還不夠完善，其次就是價(jià)格因素。框架材料一般是金屬合金，在封裝中主要是關(guān)注它們的粘接性、熱膨脹系數(shù)（CET）、強(qiáng)度以及電導(dǎo)率。下面我們將分別討論框架材料的這些性質(zhì)特性，同時(shí)對(duì)不同材料的這些特性進(jìn)行比較說明，

表1為銅材料分類，表2為銅材料特性，表3為銅材料的組成成分。

2 環(huán)氧樹脂的組成及其作用

環(huán)氧樹脂是一種多組分的高分子復(fù)合材料，其中包括多種有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分。環(huán)氧樹脂的基本組分以及各組分的主要作用見表4。

表1 銅材料分類

表2 銅材料特性

表3 銅材料的組成成分

表4 環(huán)氧樹脂的基本組成及作用

3 分層的定義和機(jī)理

3.1 分層的定義

在電子封裝中，分層是可靠性評(píng)價(jià)的一個(gè)主要方面。分層是產(chǎn)品塑封體內(nèi)部各界面之間發(fā)生了微小的剝離或裂縫，一般在1～2 μm以上，主要發(fā)生的區(qū)域包括：環(huán)氧樹脂與芯片界面、環(huán)氧樹脂與載片界面、環(huán)氧樹脂與引線框架界面、芯片與銀漿界面、銀漿與引線框架界面之間，如圖1所示。

圖1 IC封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 分層的機(jī)理

導(dǎo)致分層的因素很多，從環(huán)氧樹脂的角度來(lái)說，一般認(rèn)為主要是由于內(nèi)部應(yīng)力變化和內(nèi)部水分的蒸汽壓力造成的[1]。當(dāng)封裝體在環(huán)境溫度變化時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力和水分的蒸汽壓力之和大于環(huán)氧樹脂與芯片、載片以及框架表面之間的粘接力，以致于使它們的界面之間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹脂或芯片出現(xiàn)裂紋，如圖2所示。

圖2 分層放大圖片

4 封裝材料對(duì)產(chǎn)品分層的影響及改善[1]

在塑封體內(nèi)部產(chǎn)生分層的原因中，一般認(rèn)為框架、環(huán)氧樹脂的特性是導(dǎo)致塑封體內(nèi)部分層的主要原因。在封裝中，我們主要注意框架的粘接性、熱膨脹系數(shù)（CET）、強(qiáng)度以及電導(dǎo)率等性能對(duì)塑封體內(nèi)部分層影響，同時(shí)環(huán)氧樹脂的延展率、環(huán)氧樹脂的吸濕性和環(huán)氧樹脂的粘接性也是對(duì)分層影響較大的因素，當(dāng)然還有導(dǎo)電膠，芯片等。

4.1 框架材料的粘接性

在考慮選擇材料時(shí)，最重要的是框架與塑封材料的粘合性。這種粘合性僅靠物理鍵合是不夠的，化學(xué)的鍵合也非常必要。一般認(rèn)為，鐵鎳合金與環(huán)氧塑封材料的粘合性比銅合金要好一些，是因?yàn)樵谄浔砻娌灰咨善疴g化作用的氧化層。但是事實(shí)上，銅合金的微氧化促進(jìn)了銅與塑封材料的粘接性，氧化銅結(jié)構(gòu)比較疏松，影響了機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致在銅與氧化銅之間容易產(chǎn)生斷裂，而不是銅與環(huán)氧樹脂之間。所以在選擇材料的時(shí)候，要充分對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇更為合適的材料。

框架與塑料材料的粘接性之所以如此重要，原因在于如果其粘接失效，就會(huì)在界面上發(fā)生分層現(xiàn)象（delamination），這樣，空氣中的水分、各種離子以及塑封材料表面的離子雜質(zhì)就會(huì)直接進(jìn)入封裝模塊，從而影響到引線鍵合處，引起引線鍵合銹蝕失效等問題，所以粘接性是考慮框架材料選擇的一個(gè)很重要因素。在上文中我們已經(jīng)提到，就塑封材料的粘接性而言銅合金要優(yōu)于鐵鎳合金。

由于現(xiàn)在銅合金框架材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所以對(duì)銅合金表面的改進(jìn)也越來(lái)越多。研究表明，在銅框架表面涂一層聚合物，這種聚合物與銅合金和環(huán)氧塑封材料都有良好的粘合作用，這樣可以大大提高銅框架的粘接性。

4.2 框架材料的熱膨脹系數(shù)（CET）

不同的材料的熱膨脹系數(shù)是有一定差別的，硅的熱膨脹系數(shù)是（2.3～2.6）×10-6，而環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)為（16～20）×10-6。由以上數(shù)據(jù)可看出，硅的熱膨脹系數(shù)和環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)相差甚多，CET失配就會(huì)引起封裝模塊開裂、分層等問題,因此，根據(jù)器件的性能仔細(xì)挑選具有合適熱膨脹系數(shù)的框架材料是極為重要的。合金 42（鐵鎳合金）的 CET 為（4.0～4.7）×10-6，銅合金的CET在（17～18）×10-6。從上面的數(shù)據(jù)可看出，合金42的CET與芯片（表面為硅材料）的CET較為匹配，而銅合金的CET與環(huán)氧塑封料的CET較為接近。在解決了框架的粘接性問題之后，為了降低由于熱膨脹系數(shù)失配所引起的熱應(yīng)力，通常行業(yè)內(nèi)更傾向于選擇銅合金作為框架材料。

4.3 框架材料的熱導(dǎo)率

框架的功能之一就是散熱，芯片在工作過程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，其中大部分是通過框架散發(fā)出去的，這是因?yàn)樗芊饬系膶?dǎo)熱能力相當(dāng)差。在熱學(xué)性能方面，銅合金的優(yōu)勢(shì)顯得極為明顯，要比鐵鎳合金的導(dǎo)熱能力高10倍以上，這也是現(xiàn)在銅合金框架材料使用的越來(lái)越廣泛的原因之一。

4.4 降低環(huán)氧樹脂的應(yīng)力

由于構(gòu)成集成電路的材料很多，包括芯片、引線框架、金絲、載片、導(dǎo)電膠等，它們與環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，在環(huán)境溫度變化時(shí)，因它們熱膨脹系數(shù)的差異而使塑封體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)引起界面分層、膠體翹曲、表面鈍化膜開裂、鋁布線滑動(dòng)等不良現(xiàn)象。

環(huán)氧樹脂的應(yīng)力計(jì)算為：

式中：K1、K2是常數(shù)，a1、a2是環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)，E是環(huán)氧樹脂的彈性模量，dT是溫度變化，從公式可以看出，影響環(huán)氧樹脂的應(yīng)力因素有：環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)、環(huán)氧樹脂的彈性模量和環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度，但是降低環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度會(huì)降低材料的機(jī)械性能，所以降低環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)和彈性模量是降低環(huán)氧樹脂應(yīng)力的有效方法。

（1）加大環(huán)氧樹脂填充材料的含量，可以降低熱膨脹系數(shù)。填料不僅能夠起增加導(dǎo)熱、支撐的作用，而且還能降低環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)和封裝成本。目前所使用的填充材料主要是二氧化硅，其熱膨脹系數(shù)為6×10-7℃-1，而環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)大約是6×10-5℃-1，兩者相差100倍。所以要降低環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)，必須加大填充材料的含量（見表5）。

表5 填料含量對(duì)環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)和分層的影響

（2）添加應(yīng)力吸收劑，可以有效降低環(huán)氧樹脂的彈性模量。研究表明使用一種添加劑既可以降低熱應(yīng)力，又可以有效降低環(huán)氧樹脂的彈性模量，所以也稱為應(yīng)力吸收劑。目前所使用的應(yīng)力吸收劑主要是一種硅油或硅橡膠，它可以有效降低這種熱應(yīng)力和環(huán)氧樹脂的彈性模量，另外，研究發(fā)現(xiàn)使用角形填料也會(huì)使應(yīng)力集中，而形成一種角應(yīng)力，所以球形填料比角形填料有更低的應(yīng)力表現(xiàn)，使用應(yīng)力吸收劑也會(huì)有效地降低這種角應(yīng)力。應(yīng)力吸收劑對(duì)環(huán)氧樹脂的應(yīng)力和分層的影響情況列于表6。

表6 應(yīng)力吸收劑對(duì)環(huán)氧樹脂的應(yīng)力和分層的影響

總之，降低環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，可以有效降低環(huán)氧樹脂內(nèi)部應(yīng)力，從而改善因應(yīng)力而產(chǎn)生的分層現(xiàn)象。

4.5 改善環(huán)氧樹脂的吸濕性

環(huán)氧樹脂是一種多組分的高分子材料，其中環(huán)氧樹脂的分子間距為50～200 nm，這種間距足可以讓水分子滲透進(jìn)去，樹脂封裝是一種非氣密性的封裝，水分可以不同程度地進(jìn)入塑封體內(nèi)部，進(jìn)入塑封體內(nèi)部的途徑主要是環(huán)氧樹脂本身的滲透和環(huán)氧樹脂與引線框架界面之間的侵入，在塑封體內(nèi)部中，水分會(huì)因環(huán)境溫度升高而產(chǎn)生蒸汽壓，當(dāng)這種蒸汽壓力大于環(huán)氧樹脂、芯片、框架、載片等表面之間的粘接力時(shí)，就會(huì)形成分層現(xiàn)象。

改善這種環(huán)氧樹脂的吸濕性能的方法主要有：（1）選擇低吸濕的環(huán)氧樹脂；（2）加大環(huán)氧樹脂的填料含量；（3）提高環(huán)氧樹脂內(nèi)部的交聯(lián)密度。可以通過對(duì)二氧化硅表面進(jìn)行改性處理，常用偶聯(lián)劑來(lái)改善無(wú)機(jī)二氧化硅表面與其他有機(jī)材料表面的相容性，有利于阻止水分的侵入，還可以選擇一些多功能團(tuán)的環(huán)氧樹脂和固化劑體系，來(lái)提高交聯(lián)反應(yīng)的密度，改善環(huán)氧樹脂防止水分侵入的能力，以降低環(huán)氧樹脂的吸濕性能。

偶聯(lián)劑主要作用就是通過化學(xué)反應(yīng)或者化學(xué)吸附的辦法（如圖3）來(lái)改變填料表面的物理化學(xué)性能，提高其在樹脂和有機(jī)物中的分散性增進(jìn)填料與樹脂等基體界面的相容性，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能，提高材料之間的結(jié)合。

圖3 偶聯(lián)劑作用機(jī)理示意圖

在高溫的情況下，水分會(huì)形成水汽膨脹而導(dǎo)致分層、斷線、頸部裂紋，甚至造成膠體或芯片開裂，以致于集成電路或器件失效，如圖4所示。

圖4 水分膨脹導(dǎo)致裂紋過程

4.6 提高環(huán)氧樹脂的粘接性

在塑封體內(nèi)部，環(huán)氧樹脂與芯片、引線框架、載片等表面之間都存在界面粘接問題，如果粘接不良就會(huì)出現(xiàn)所謂的分層現(xiàn)象。因此，提高環(huán)氧樹脂的粘接性能對(duì)改善塑封體內(nèi)部分層現(xiàn)象是非常重要的。

從本質(zhì)上講，提高粘接性就是提高界面層反應(yīng)的牢固程度。研究表明不同種類的環(huán)氧樹脂與樹脂的含量對(duì)環(huán)氧樹脂的粘接強(qiáng)度有很大的影響，一般來(lái)說軟質(zhì)結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂比硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂更容易與固體表面結(jié)合，聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂是一種較好的選擇。聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂由于處于單分子的結(jié)晶態(tài)，熔融黏度極低，可以大量填充球形硅微粉填料，可以使環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)極大地降低。聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂是超低應(yīng)力、低膨脹型樹脂的首選基體樹脂，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，儲(chǔ)存期較短，容易發(fā)生溢料。

另外，提高環(huán)氧樹脂粘接性很重要的一方面，就是微量成分中偶聯(lián)劑的使用。在環(huán)氧樹脂中，一般使用硅烷類偶聯(lián)劑，其種類及配比是生產(chǎn)研制單位的一項(xiàng)核心技術(shù)，偶聯(lián)劑的作用，就是改善界面的相容性，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）二氧化硅與環(huán)氧樹脂等有機(jī)界面。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，偶聯(lián)劑的加入與否，所形成的復(fù)合材料界面層是截然不同的，直接影響著環(huán)氧樹脂的密封及粘接性能。（2）環(huán)氧樹脂與金屬、芯片等界面。此界面內(nèi)

（包含脫模劑及偶聯(lián)劑，而脫模劑對(duì)環(huán)氧樹脂與芯片及引線框架的粘接強(qiáng)度有很大的影響。由于脫模劑在環(huán)氧樹脂流動(dòng)的同時(shí)，因其分子量小易流動(dòng)，比其他樹脂移動(dòng)得快，能很快吸附在芯片及引線框架的表面從而影響環(huán)氧樹脂與其表面的正常粘接，脫模劑量越大，其覆蓋界面的面積越大，會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)氧樹脂與其他界面之間的粘接性。所以我們一方面要盡可能減少脫模劑的量，另一方面可以通過添加不同種類的偶聯(lián)劑，如硅烷偶聯(lián)劑也是分子量小且移動(dòng)速度快，可吸附在界面上產(chǎn)生偶聯(lián)反應(yīng)，形成相對(duì)牢固的結(jié)合，從而提高環(huán)氧樹脂與其他表面的粘接力。

總之，使用對(duì)芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好粘接性能的環(huán)氧樹脂、偶聯(lián)劑以及粘接劑，并選擇適當(dāng)?shù)拿撃┓N類以及用量，可以大大提高環(huán)氧樹脂的粘接性能，以改善塑封體內(nèi)部分層現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

通過以上的分析與研究，可以得出以下結(jié)論：塑封體內(nèi)部分層是樹脂封裝的一種普遍現(xiàn)象，可以通過選擇適合框架材料的黏度、膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，還可以通過加大填料含量、添加應(yīng)力吸收劑來(lái)降低環(huán)氧樹脂的應(yīng)力，以達(dá)到改善塑封體內(nèi)部分層現(xiàn)象；也可以通過選擇低吸濕性環(huán)氧樹脂、加大填料含量、提高環(huán)氧樹脂的交聯(lián)反應(yīng)密度來(lái)降低環(huán)氧樹脂的吸濕性，以達(dá)到改善塑封體內(nèi)部分層現(xiàn)象；還可以通過使用對(duì)芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好的粘接性能的環(huán)氧樹脂、偶聯(lián)劑以及粘接劑，選擇適當(dāng)?shù)拿撃┓N類，并盡可能減少脫模劑的使用量，來(lái)提高環(huán)氧樹脂的粘接性能，以達(dá)到改善塑封體內(nèi)部分層現(xiàn)象。當(dāng)然，導(dǎo)致塑封體內(nèi)部分層的原因也很復(fù)雜，不僅要從環(huán)氧樹脂角度來(lái)研究，還要從優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、框架的設(shè)計(jì)、封裝工藝的改善等諸多因素進(jìn)行綜合分析與研究，才能有效減少或者避免塑封體內(nèi)部分層現(xiàn)象的發(fā)生。

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[1]謝廣超.封裝樹脂與PKG分層的關(guān)系[J].電子與封裝，2006，6（2）：20～23.

Discussion to the Delaminating of IC Packaging Material for Product and Its Improvement Measures

LIN Xingjiang，ZHANG Hongjie，ZHANG Yile
（Huatian Technology Co.,Ltd，Tianshui 741000,China）

Abstract:IC package materials are not only with electrical conductivity,thermal conductivity and excellent mechanical properties,but also high reliability,low cost and environmental protection.So，lead frame and molding compound as main materials of IC package，accounts for over 95%of the whole package materials.But because the Plastic packaging is non hermetic package，it was easily affected by the external environment，especially when moisture entrained into the package will lead to products failure，such as delaminating.This paper briefly analyzes lead frame and molding compound impact on the reliability of the product，and improving measures are put forward.

Keywords:molding compound ；package；delaminating

2013-11-20

TN604

A

1004-4507（2013）12-0001-06

藺興江（1974.9～），男，甘肅省靖遠(yuǎn)人，工程師，畢業(yè)于成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，畢業(yè)后在天水華天科技股份有限公司一直從事集成電路封裝研究工作。