摘要:

環(huán)氧模塑料是一種重要的微電子封裝材料, 是決定最終封裝性能的主要材料之一, 具有低成本和高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn), 目前已經(jīng)成為半導(dǎo)體封裝不可或缺的重要材料。本文簡(jiǎn)單介紹了環(huán)氧模塑料在半導(dǎo)體封裝中的重要作用和地位; 分析了環(huán)氧模塑料性能對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響, 并對(duì)不同半導(dǎo)體封裝對(duì)環(huán)氧模塑料的不同要求進(jìn)行了分析; 最后展望半導(dǎo)體封裝和環(huán)氧模塑料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì), 以及漢高華威公司在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的方向。

1 前言

環(huán)氧模塑料 ( Epoxy Molding Compound , EMC )是一種微電子封裝材料, 它主要應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片的封裝保護(hù)。環(huán)氧模塑料以其低成本、高生產(chǎn)效率以及合理的可靠性等特點(diǎn), 已經(jīng)成為現(xiàn)代半導(dǎo)體封裝最常見(jiàn)最重要的封裝材料之一。它是緊跟半導(dǎo)體技術(shù)以及半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展, 同時(shí)環(huán)氧模塑料技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展。

當(dāng)今, 全球正迎來(lái)以電子計(jì)算機(jī)和數(shù)字家電為核心的電子信息技術(shù)時(shí)代, 電子產(chǎn)品也隨之向高性能、多功能、高可靠、薄型化、輕型化、便攜式方向發(fā)展, 同時(shí)還要求電子產(chǎn)品具備大眾化、普及化、低成本等特點(diǎn), 這必將要求微電子封裝業(yè)把產(chǎn)品向更輕、更薄、密度更高、有更高的可靠性和更好的性能價(jià)格比的方向發(fā)展。同樣, 對(duì)微電子封裝材料也提出了更高更新的要求。滿足超薄、微型化、高性能化、多功能化、低成本化以及綠色環(huán)保封裝的要求是當(dāng)前微電子封裝材料發(fā)展所面臨的首要問(wèn)題。因此, 環(huán)氧模塑料作為主要的微電子封裝材料, 也面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2 環(huán)氧模塑料對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響

環(huán)氧模塑料是一種熱固性材料, 由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、固化促進(jìn)劑、填料以及其他改性成分組成。環(huán)氧模塑料發(fā)展至今, 已經(jīng)衍生出很多種不同類(lèi)型, 以適合不同應(yīng)用要求。按所用的環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)分 , 可 以 分 為 EOCN型 、 DCPD 型、 聯(lián)苯 基( Bi- phenyl ) 型以及多官能團(tuán)( Multi- Function ) 型等。按最終材料的性能來(lái)分, 環(huán)氧模塑料可以分為普通型、快速固化型、高導(dǎo)熱型、低應(yīng)力型、低放射型、低翹曲型以及無(wú)后固化型等。同時(shí)為了滿足對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求, 無(wú)鹵無(wú)銻的“綠色”環(huán)保型環(huán)氧模塑料也成為目前業(yè)界研發(fā)的重點(diǎn)。圖 1 列出了環(huán)氧模塑料使用的主要環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)。不同類(lèi)型的環(huán)氧模塑料分別適用于不同的半導(dǎo)體封裝形式。當(dāng)然, 不同類(lèi)型的半導(dǎo)體封裝對(duì)環(huán)氧模塑料的性能要求也不盡相同。

通常, 我們可以用一些物理參數(shù)對(duì)環(huán)氧模塑料的性能進(jìn)行表征和衡量, 例如膠化時(shí)間、流動(dòng)長(zhǎng)度、粘度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度( Tg ) 、熱膨脹系數(shù)、吸水率、成型收縮率、熱導(dǎo)率、體積電阻率、介電常數(shù)、離子含量、阻燃性等等。下面主要談一下環(huán)氧模塑料的幾個(gè)重要性能對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響。

( 1 ) 環(huán)氧模塑料的介電性能對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響。

介電性能包括材料的介電常數(shù), 介電損耗, 電導(dǎo)率以及體積電阻率等, 是表征材料本身的絕緣性或?qū)щ娦缘闹匾獏?shù)。由于環(huán)氧模塑料在制造過(guò)程中是由多種成分混合熔融混煉而成的, 每種成分本身的介電性能相差較大, 從而導(dǎo)致不同的環(huán)氧模塑料會(huì)因配方不同而導(dǎo)致介電性能有較大的差異。由于在半導(dǎo)體封裝中環(huán)氧模塑料主要起到絕緣體的作用,其介電性能的好壞將對(duì)封裝好的半導(dǎo)體器件的電性能產(chǎn)生重要影響, 特別是針對(duì)高壓器件的封裝,要求環(huán)氧模塑料在一定的溫度范圍內(nèi)具有相對(duì)低的介電常數(shù)和損耗以及較大的體積電阻率, 通常都需要通過(guò)特定的配方調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言, 可以通過(guò)選擇極性較低的原材料以及控制原材料的純度, 來(lái)提高環(huán)氧模塑料的介電性能。

( 2 ) 環(huán)氧模塑料的吸水率對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響。

環(huán)氧模塑料的吸水率是衡量環(huán)氧模塑料性能的另一重要指標(biāo)。由于交聯(lián)的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)水分子沒(méi)有封閉作用, 在一定的環(huán)境濕度以及溫度下, 水分子可以通過(guò)擴(kuò)散的方式從外界通過(guò)模塑料進(jìn)入封裝器件內(nèi)部, 對(duì)封裝器件造成破壞。這種破壞不僅體現(xiàn)在降低界面強(qiáng)度以及在瞬時(shí)高溫時(shí)形成蒸汽壓造成器件內(nèi)部分層, 而且水分子可以作為模塑料中雜質(zhì)離子的載體, 將雜質(zhì)離子帶到芯片表面以及焊盤(pán)表面, 從而引起不同程度的腐蝕以及表面電荷的沉積, 從而嚴(yán)重影響封裝器件的電性能。因而, 降低材料的吸水率始終是提高環(huán)氧模塑料性能的重要方向。

( 3 ) 環(huán)氧模塑料的應(yīng)力對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響。

環(huán)氧模塑料的應(yīng)力是衡量環(huán)氧模塑料性能的又一個(gè)重要因素, 它的大小主要取決于環(huán)氧模塑料的熱膨脹系數(shù)和模量的大小。如果認(rèn)為在封裝溫度下的應(yīng)力為零, 則可以用以下公式來(lái)簡(jiǎn)單計(jì)算模塑料的應(yīng)力:

其中 SI25 和 SI260 分別對(duì)應(yīng) 25℃ 和 260℃下的應(yīng)力指數(shù)。 E25 和 E260 分別對(duì)應(yīng) 25℃ 和 260℃下模塑料的模量。 α1 , α2 和 α sub 是模塑料在低于和高于 Tg 時(shí)以及對(duì)應(yīng)材料的熱膨脹系數(shù)。

由于不同原材料的熱膨脹系數(shù)和模量都不一樣, 所以可以通過(guò)控制原材料的種類(lèi)的比例來(lái)控制和調(diào)整環(huán)氧模塑料的熱膨脹系數(shù)和模量, 從而達(dá)到調(diào)整應(yīng)力的目的。在半導(dǎo)體封裝中, 環(huán)氧模塑料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于芯片、框架、基島等其他無(wú)機(jī)封裝材料。隨著溫度的變化, 由于封裝器件中不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配而在材料界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果這種應(yīng)力大于相應(yīng)界面的粘合力時(shí), 就會(huì)引起界面的分層, 甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)封裝體的開(kāi)裂。因此, 如何有效地控制環(huán)氧模塑料的應(yīng)力, 使之與其他電子材料的應(yīng)力相匹配, 一直都是環(huán)氧模塑料制造廠商的重要研究課題。

總之, 在半導(dǎo)體封裝中, 環(huán)氧模塑料是半導(dǎo)體微電子封裝的主要材料之一, 所以環(huán)氧模塑料的性能對(duì)半導(dǎo)體封裝產(chǎn)品的性能有非常重要的影響。

3 環(huán)氧模塑料在半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)用

不同的封裝形式以及可靠性要求對(duì)環(huán)氧模塑料也有不同的要求。對(duì)半導(dǎo)體封裝來(lái)講, 按照封裝外形以及具體的應(yīng)用, 可以將半導(dǎo)體封裝分為通孔式封裝、表面貼裝引線框架封裝和表面貼裝基板封裝三大類(lèi)。其對(duì)環(huán)氧模塑料的要求也各不相同。

( 1 ) 通孔式封裝 ( Through Hol e Pack-age ) 。

通孔式封裝主要適用于半導(dǎo)體分立器件的封裝, 包括二極管、三極管、功率晶體管等, 具體封裝形式有軸向二極管、 TO 、橋塊、 SOT 、 DPAK 、 SMX 等; 還有部分簡(jiǎn)單的集成電路如 DIP 和 SIL 。其主要的共性就是不需要經(jīng)過(guò) Jedec 的級(jí)別考核, 從而對(duì)模塑料的性能要求不高。但是不同的封裝形式和應(yīng)用背景還是對(duì)環(huán)氧模塑料的性能提出了不同要求, 如高壓器件需要環(huán)氧模塑料具有良好的介電性能, 全包封器件要求環(huán)氧模塑料具有很高的導(dǎo)熱性能等。針對(duì)這種通孔式半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)的不同要求, 漢高華威公司研發(fā)出一系列能夠滿足這些不同封裝要求的環(huán)氧模塑料產(chǎn)品( 圖 4 ) 。目前, 漢高華威公司正著力于研究開(kāi)發(fā)適合于通孔式半導(dǎo)體封裝的綠色環(huán)保環(huán)氧模塑料, 并已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出一系列綠色環(huán)保產(chǎn)品。 Hysol! Huawei TM KL- G100 、KL- G200 已經(jīng)成功應(yīng)用于二極管、三極管和功率晶體管的封裝并通過(guò)客戶考核, Hysol! GR750 作為高導(dǎo)熱材料, 也已通過(guò)客戶在模塊( module ) 封裝上的考核并小批量生產(chǎn)。 Hysol! GR15F- 1 、GR15F- A 作為綠色酸酐基的環(huán)氧模塑料, 在超高電壓器件的應(yīng)用上處于世界領(lǐng)先的水平。 GR15F- A 還在內(nèi)部測(cè)試中通過(guò) Jedec 二級(jí)水平的考核, 具有良好的綜合性能。

( 2 ) 表面貼裝引線框架封裝( Surface Mount / Lead Frame ) 。

為了滿足電子整機(jī)小型化的要求, 要在更小的單位面積里引出更多的器件引腳和信號(hào), 向輕、薄、短、小方向發(fā)展。那些通孔插裝式安裝器件已無(wú)法滿足這種需要。代之而起的就是有引腳的表面貼裝技術(shù)( SMT ) 。具體的封裝形式主要有SOT 、 DPAK/D2PAK 、SOIC 、 SSOP 、 TSSOP 、QFP 、 T/LQFP 、 QFN 等 。由于表面貼裝工藝需要器件在向線路板焊接過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次回流, 因此要求表面貼裝的器件必須能通過(guò)一定溫濕度條件下吸濕并回流的考核而沒(méi)有明顯的分層或其他問(wèn)題, 也就是所謂的 Jedec級(jí)別考核。對(duì)環(huán)氧模塑料而言, 要求材料具有低吸濕性、低應(yīng)力、高耐熱以及低成本等特性, 才能在通過(guò)高溫時(shí)不產(chǎn)生內(nèi)部分層或開(kāi)裂等失效問(wèn)題。圖 5列出了漢高華威公司產(chǎn)品線中應(yīng)用于這一封裝類(lèi)型的推薦產(chǎn)品。

目前, 漢高華威公司以及漢高電子美國(guó)研發(fā)中心都大力著眼于開(kāi)發(fā)適合 SMT 半導(dǎo)體封裝的綠色環(huán)氧模塑料, 并已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出一系列綠色環(huán)氧模塑料, 其中 Hysol! HuaweiTMKL- G730用于封裝SOIC 、 QFP 、 TSSOP 、 T/LQFP 等, 對(duì)銀鍍層具有良好的粘結(jié)力并同時(shí)具有低應(yīng)力, 低吸水率等特點(diǎn), 已在多個(gè) 客 戶 通 過(guò) 可 靠 性 考 核 并 開(kāi) 始 批 量 使 用 。KL- G900H 作為應(yīng)用于 QFN 封裝的模塑料, 可以在大尺寸 QFN 上穩(wěn)定地通過(guò)二級(jí)水平考核, 并具有良好的翹曲控制能力; GR828FC 已成功通過(guò)柵漏泄( Gate Leakage ) 以及其他客戶測(cè)試并開(kāi)始批量生產(chǎn)。

( 3 ) 表面 貼裝 式基 板封 裝( Surface Mount / Lami nat e ) 。

由于引線框架生產(chǎn)工藝的局限性, 其能實(shí)現(xiàn)的輸入輸出以及封裝密度和線距等都不可能滿足日益發(fā)展的半導(dǎo)體工業(yè)的要求。利用基板材料( sub-strate ) 將連接電路預(yù)設(shè)于基板中的封裝形式已成為先進(jìn)封裝的主要發(fā)展方向。目前發(fā)展出來(lái)的主要的封裝形式有 BGA 、 CSP 、 MCP 、 SIP 等。這種封裝對(duì)環(huán)氧模塑料的耐熱性、吸濕性、應(yīng)力、翹曲控制以及粘度等都有很高的要求。近年來(lái), 漢高華威公司已經(jīng)開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)適合于這種高端半導(dǎo)體封裝的綠色環(huán)保環(huán)氧模塑料, 并有部分新產(chǎn)品已經(jīng)在一些知名封裝廠家考核試用( 圖 8 ) 。 Hysol! GR9851M 具有高可靠性、低翹曲、低成本等優(yōu)點(diǎn), 在存儲(chǔ)卡( MMC card ) 封 裝 上 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 ; Hysol !GR9810- 1P 是漢高電子最新研發(fā)的具有高耐熱性、低沖絲、低翹曲等特點(diǎn)的綠色環(huán)氧模塑料, 在 POP 、SCSP 等應(yīng)用場(chǎng)合可以通過(guò) Jedec 二級(jí)水平的考核,并能滿足 POP 等對(duì)高溫翹曲的特殊要求, 已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

4 展望

半導(dǎo)體封裝技術(shù)正在經(jīng)歷著又一次深刻的變革。從穿孔式封裝到表面貼裝, 從傳統(tǒng)的引線框架封裝轉(zhuǎn)向基板封裝 , 目前半導(dǎo)體封裝已經(jīng)邁進(jìn)了多維封裝的世界。倒裝芯片 ( Flip- chip ) , 芯片疊層( stack die ) , 封裝疊層( package on package , PoP ) , 系統(tǒng)封裝( system in package , SiP ) 等先進(jìn)封裝形式使得半導(dǎo)體封裝向更小尺寸, 更高密度, 更高性能等方向邁進(jìn)。

伴隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的快速發(fā)展, 環(huán)氧模塑料作為重要的半導(dǎo)體封裝材料也在飛速發(fā)展。未來(lái)不斷涌現(xiàn)出來(lái)的先進(jìn)封裝技術(shù), 將對(duì)環(huán)氧模塑料的性能提出越來(lái)越高的要求。同時(shí)傳統(tǒng)封裝形式還將長(zhǎng)期存在, 但是對(duì)器件的價(jià)格、生產(chǎn)效率以及功能等將提出全新的要求。因而, 對(duì)環(huán)氧模塑料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能、固化性能、粘結(jié)性能、吸濕性、應(yīng)力、成本以及介電性能等都不斷有更高的要求。作為全球主要的環(huán)氧模塑料供應(yīng)商, 漢高華威公司目前致力于以下幾個(gè)方面的工作:

( 1 ) 對(duì)鍍鎳框架粘結(jié)力的改善。由于鎳元素自身的惰性, 鍍鎳框架的粘結(jié)力偏弱始終是困擾封裝廠的主要問(wèn)題之一。圖 9 是漢高華威材料在鎳框架上的粘結(jié)測(cè)試結(jié)果 :

( 2 ) 翹曲度的控制。翹曲是困擾 BGA 和 QFN類(lèi)型封裝的主要問(wèn)題。目前漢高華威已經(jīng)掌握了通過(guò)調(diào)整模塑料性能達(dá)到控制翹曲的技術(shù)?？梢愿鶕?jù)具體的封裝設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整模塑料參數(shù), 從而達(dá)到控制翹曲度的目的。目前這一技術(shù)已應(yīng)用于漢高華威的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

( 3 ) 一次成型倒裝芯片用模塑料的開(kāi)發(fā)( molded un-derfill ) 。絕大多數(shù)倒裝芯片都是使用液體下填充料( liquid underfill ) 進(jìn)行保護(hù)。但是這一方式具有高成本低效率的缺點(diǎn)。同時(shí)由于液體下填充料的熱膨脹系數(shù)不能減低很多, 導(dǎo)致最終產(chǎn)品的應(yīng)力水平較高, 從而影響可靠性的進(jìn)一步提高。通過(guò)改變模塑料的性能, 可以使模塑料在模壓過(guò)程中填充到芯片下面, 起到下填充料的作用, 又同時(shí)可以完成灌封( encapsulation ) 保護(hù),提高生產(chǎn)效率。漢高華威已經(jīng)初步開(kāi)發(fā)出適合這一應(yīng)用的產(chǎn)品, 在模壓過(guò)程中沒(méi)有任何模塑問(wèn)題產(chǎn)生。目前已經(jīng)提供客戶進(jìn)行進(jìn)一步考核。

審核編輯：湯梓紅