環氧樹脂和酚醛樹脂對芯片框架粘結力的研究

秦蘇瓊，侍二增，譚 偉，劉紅杰

(連云港華海誠科電子材料有限公司，江蘇連云港222047)

環氧樹脂和酚醛樹脂對芯片框架粘結力的研究

秦蘇瓊，侍二增，譚 偉，劉紅杰

(連云港華海誠科電子材料有限公司，江蘇連云港222047)

研究了環氧模塑料配方中不同種類的環氧樹脂和酚醛樹脂對銅、銅鍍銀以及銅鍍鎳鈀金3種框架材料粘結力的影響。通過粘結力測試對比，選出對框架粘結力優秀的的樹脂，并分析影響框架粘結力的原因。試驗結果顯示粘結力好的樹脂對3種框架的粘結性均有顯著提高。

環氧模塑料；框架；粘結力

電子封裝的最初定義為保護電路芯片以免受到周圍環境的影響。電子封裝對于芯片來說是必須的，也是至關重要的。根據封裝所用的材料來劃分，電子封裝形式有金屬封裝、陶瓷封裝、金屬一陶瓷封裝和塑料封裝。塑料封裝由于其成本低廉、工藝簡單而廣泛應用于電子工業。目前絕大部分的封裝都采用塑料封裝，而其中環氧模塑料又占了塑料封裝中的90%以上，環氧模塑料已經成為半導體工業發展的重要支柱之一。環氧模塑料是指由環氧樹脂、填充料、催化劑、偶聯劑、改性劑、脫模劑、阻燃劑和著色劑等組分組成的粉末，按一定的比例經過前混、擠出、粉碎、磁選、后混合、預成型（打餅）等工藝制成。在注塑成型過程中將半導體芯片包埋在其中，在熱壓作用下交聯固化成熱固性塑料，并賦予其一定的結構外形，成為塑料封裝的半導體器件。

引線框架作為集成電路的芯片載體，是一種借助于鍵合材料（金絲、鋁絲、銅絲）實現芯片內部電路引出端與外引線的電氣連接，形成電氣回路的關鍵結構件，它起到了和外部導線連接的橋梁作用。銅基材料以其良好的導電性、導熱性、價格低的優勢而大量出現于集成電路用引線框架之行列，應用前景十分廣闊，目前已占據引線框架材料用量的80%。但由于銅容易氧化，使潤濕性變差，為了保證封裝工藝中的裝片和鍵合性能，使芯片和金絲與引線框架形成良好的擴散焊接，引線框架的裝片和鍵合區域(內引線腳上和小島)一般要進行鍍銀或者鍍鎳鈀金等表面處理。對框架進行表面處理是因為鍍層與引線框架基體和金絲有比其它金屬更加好的結合力和焊接性能，保證了很好的裝片和鍵合強度，而且化學性質穩定、耐腐蝕、耐氧化、可靠性好。

1 環氧模塑料與框架材料的粘結力

粘結力是指環氧模塑料與引線框架之間的粘結力的大小。由于SMT回流焊溫度在215～260℃，靠近界面的水分先驟熱膨脹形成氣孔或分層，從而使得塑封料在這個溫度下粘結力大幅度下降，導致塑封材料與引線框架以及晶片之間開始分離，因此確保塑封材料密封芯片的效果，必須具有良好的的粘結性能。

2 試驗部分

2.1 試驗原材料

主要環氧樹脂（見表1）。

主要酚醛樹脂（見表2）。

框架材料（見表3）。

3.2 試驗方法及步驟

試驗基礎配方（見表4）。

試驗步驟：將原材料處理為粉狀，按配方比例加入高攪機進行高速混合，混合后加入擠出機擠出，粉碎過篩冷藏備用。

表1 主要環氧樹脂原料

表2 主要酚醛樹脂原料

表3 框架材料

表4 基礎配方

3.3 粘結力測試

將環氧模塑料粉末在40 MPa的壓力下壓制成餅料，將餅料在高頻預熱機上預熱到約100℃，投入注塑孔內，用tap pull模具傳遞模塑成型，框架為銅鍍銀材質。脫模后在175℃的烘箱內后固化6 h。將tab pull樣品放入潮箱內，置于60℃，60RH%下放置40 h后取出。進行3次回流焊，隨后進行拉力測試，測定塑封料與框架之間的粘接力。見圖1所示。

圖1 tab pull樣品示意圖

4 結果與討論

4.1 環氧模塑料中各成分對銅鍍銀框架粘結力的研究

本節內容研究模塑料中主要成分環氧樹脂和酚醛樹脂對銅鍍銀框架的粘結力的影響。

（1）不同環氧樹脂對銅鍍銀框架粘結力的影響如圖2所示。

圖2 不同環氧樹脂對銅鍍銀框架粘結力的影響

試驗分析了4種不同環氧樹脂對銅鍍銀框架粘結力比較。圖2為方差分析結果。其中E1環氧樹脂為通用鄰甲酚環氧樹脂，E2為多芳香基團環氧樹脂，E3為雙環戊二烯基團環氧樹脂，E4為聯苯型環氧樹脂。

4種環氧樹脂對銅鍍銀框架粘結力大小為E4＞E3≈E2＞E1。E2中多芳香基團以及E3中雙環戊二烯基團由于其交聯密度小，具有低吸水性，在60℃，60RH%下40 h后在回流焊中由于吸水產生的應力小，因而粘結力好。而E4聯苯型環氧樹脂由于其分子量小，其固化后產物的線膨脹系數小，在考核過程中同樣產生應力小，表現為對框架的粘結力好。但是由于E4為低分子量樹脂，其軟化點低，操作性差，因而不建議單獨使用，可以配合其它樹脂使用。

（2）不同酚醛樹脂對銅鍍銀框架粘結力的影響如圖3所示。

圖3 不同酚醛樹脂對銅鍍銀框架粘結力的影響

試驗考察了4種不同酚醛樹脂對銅鍍銀框架粘結力比較。圖3為方差分析結果。其中H1為通用酚醛樹脂，H2為多官能團酚醛樹脂，H3為多芳香基團酚醛樹脂，H4為也多芳香基團酚醛樹脂。

4種酚醛樹脂對銅鍍銀框架粘結力大小為H4≈H3＞H2≈H1。同樣類似環氧樹脂，H3和H4由于其交聯密度低，吸水率低，經過溫度、濕度以及過回流焊后產生的應力小，因而粘結力好。而H2由于其含有多官能團，極性基團多，吸水率大，造成三級考核后粘結力小。

按照銅鍍銀框架的試驗方法測試不同環氧樹脂和酚醛樹脂對銅框架的粘結力見圖4所示。

圖4 不同成分對銅框架粘結力的影響

試驗結果顯示所有成分均在銅框架上具有優異的粘結力。通過銅表面的XPS（X射線光電子能譜）分析（見圖5），其中932.4 eV的峰歸為金屬銅或一價銅；934.6 eV、940.7 eV和943.9 eV的峰為二價銅，即氫氧化銅和氧化亞銅。由于銅表面存在了二價氫氧鍵，其與模塑料中的羥基、氫鍵的結合力好。所以說由于裸銅框架表面的化學鍵決定了模塑料與其具有優異的粘結力。

圖5 銅框架表面的XPS

4.2 環氧模塑料中各成分對鎳鈀金框架粘結力的研究

按照銅鍍銀框架的試驗方法測試不同環氧樹脂和酚醛樹脂對鎳鈀金框架的粘結力見圖6所示。

圖6 不同成分對銅鍍鎳鈀金框架粘結力的影響

通過粘結力數據可以看出催化劑環氧樹脂E4對粘結力提高最有效。總體而言，所有環氧模塑料對PPF的粘結力均不好，銅鍍鎳鈀金框架表面示意圖見圖7，模塑料與框架粘結面的材質為金。由于金表面沒有活潑的化學鍵，因而與環氧模塑料粘結力較差。

圖7 銅鍍鎳鈀金框架結構

5 結 論

本文研究了模塑料對3種框架材料銅、銅鍍銀、銅鍍鎳鈀金粘結力的影響，分析了不同的環氧樹脂和酚醛樹脂對粘結力影響的原因。得出主要結論：

（1）不同結構的環氧樹脂對粘結力有顯著的影響，粘結力減小次序為：聯苯型環氧樹脂＞雙環戊二烯基團環氧樹脂≈多芳香基團環氧樹脂>鄰甲酚環氧樹脂。

（2）不同的酚醛樹脂對粘結力影響明顯，粘結力遞減順序為：多芳香基團酚醛樹脂＞多官能團酚醛樹脂＞普通酚醛樹脂。

（3）對粘結力有顯著提高的各成分均適用于銅、銅鍍銀以及銅鍍鎳鈀金框架。銅框架的粘結力最好，銅鍍鎳鈀金框架粘結力最小。

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Research of Adhesion Among Epoxy Resin，Phenolic Resin and Lead Frame

QIN Suqiong，SHI Erzeng，TAN Wei，LIU Hongjie

(Lianyungang HHCK electronic Materials Co.Ltd，Lianyungang 222047 China)

Epoxy resin and phenolic resin are main components of epoxy molding compound.Cu，Cu/Ag，Cu/NiPdAu(PPF)are common lead frames materials on semiconductor packaging.This thesis mainly focuses on the study of the adhesion enhancement between EMC and different lead frames.The influence of resins on Cu/Ag also showed similar influence to Cu and Cu/NiPdAu lead frames.

Epoxy molding compound；Lead frame；Adhesion

TN405

：A

：1004-4507(2015)08-0001-05

秦蘇瓊（1982-），女，江蘇連云港人，工程師，南京大學化學工程碩士，現任職于連云港華海誠科電子材料有限公司研發經理，主要從事于半導體封裝以及集成電路組裝中電子材料的研究和開發工作。

2015-06-30