一、电子封装的功能及类型半导体微电子技术为现代科技、军事、国民经济和人们的日常工作与生活开创了前所未有的发展基础和条件，一直保持着良好的发展势头，半导体工业的年产值一般均以10以上的速度逐年递增。电子封装伴随着电路、器件和元件的产生而产生，伴随其发展而发展，最终发展成当今的封装行业。在电子技术日新月异的变化潮流下，集成电路正向着超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能的方向迅速发展，因而对集成电路的封装也提出了愈来愈高的要求。中国环氧树脂行业协会专家说，而集成电路封装技术的进步又极大地促进了集成电路水平的提高，深刻地影响着集成电路前进的步伐。半导体芯片只是一个相对独立的个体，为完成它的电路功能，必须与其他芯片、外引线连接起来。由于现代电子技术的发展，集成度迅猛增加，一个芯片上引出线高达千条以上，信号传输时间、信号完整性成为十分重要的问题。集成度的增加使芯片上能量急剧增加，每个芯片上每秒产生的热量高达10J 以上，因而如何及时散热使电路在正常温度下工作，成为一个重要问题。有些电路在恶劣的环境水汽、化学介质、辐射、振动下工作，这就需要对电路进行特殊的保护。由此可见要充分发挥半导体芯片的功能，对半导体集成电路和器件的封装是必不可少的。电子封装的四大功能为：①为半导体芯片提供信号的输入和输出通路；②提供热通路，散逸半导体芯片产生的热量；③接通半导体芯片的电流通路；④提供机械支撑和环境保护。可以说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光、力学等性能，还影响其可靠性和成本。同时，电子封装对系统的小型化常起到非常关键的作用。中国环氧树脂行业协会专家认为，集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、力学性能和光性能，同时还必须具有高的可靠性和低的成本。可以说，无论在军用电子元器件中，还是在民用消费类电 草莓托
路中，电子封装都有着举足轻重的地位，概括起来即基础地位、先行地位和制约地位。集成电路越发展越显示出电子封装的重要作用。一般说来，有一代整机，便有一代电路和一代电子封装。要发展微电子技术，要发展大规模集成电路，必须解决好三个关键问题：芯片设计、芯片制造加工工艺和封装，三者缺一不可，必须协调发展。根据封装材料的不同，电子封装可分为塑料封装、陶瓷封装和金属封装三种。其中后两种为气密性封装，主要用于航天、航空及军事领域，而塑料封装则广泛使用于民用领域。由于塑料封装半导体芯片的材料成本低，又适合于大规模自动化生产，近年来无论晶体管或集成电路都已越来越多地采用塑料封装，陶瓷和金属封装正在迅速减少。随着低应力、低杂质含量，高粘接强度塑封料的出现，部分塑料封装的产品已可满足许多在不太恶劣环境中工作的军用系统的要求，这将使过去完全由陶瓷和金属封装一统天下的军品微电子封装也开始发生变化。现在，整个半导体器件90以上都采用塑料封装，而塑料封装材料中90％以上是环氧塑封料，这说明环氧塑封料已成为半导体工业发展的重要支柱之一。电子材料是发展微电子工业的基础，作为生产集成电路的主要结构材料——环氧塑封料随着芯片技术的发展也正在飞速发展，并且塑封料技术的发展将大大促进微电?庸ひ档姆⒄埂Ｖ泄 费跏髦 幸敌 峤樯芩担 壳凹 傻缏氛 蚋呒 苫 ⒉枷呦肝⒒ ⑿酒 笮突 氨砻姘沧凹际醴⒄梗 氪讼嗍视Φ乃芊饬涎芯靠 ⑶魇剖鞘共牧暇哂懈叽慷取⒌陀αΑ⒌团蛘汀⒌?a 射线、高耐热等性能特征。用于塑料封装的树脂的选择原则是：1在宽的温度、频率范围内，具有优良的介电性能。2具有较好的耐热性、耐寒性、耐湿性、耐大气性、耐辐射性以及散热性。3具有与金属、非金属材料基本相匹配的 便当袋
热膨胀系数，粘接性好。4固化过程中收缩率要小，尺寸要稳定。5不能污染半导体器件表面及具有较好的加工性能。环氧塑封料是由环氧树脂及其固化剂酚醛树脂等组分组成的模塑粉，它在热的作用下交联固化成为热固性塑料，在注塑成形过程中将半导体芯片包埋在其中，并赋予它一定结构外形，成为塑料封装的半导体器件。它是国外在20 世纪70 年代初研究开发的新产品。据中国环氧树脂行业协会专家介绍，用塑料封装方法生产晶体管、集成电路IC、大规模集成电路LIC、超大规模集成电路VLIC等在国内外已广泛使用并成为主流。据资料统计，当今世界每年用于封装用的环氧塑封料大约15～17 万吨，其中日本产量最多，居世界第一。二、集成电路的封装对环氧塑封料性能的要求半导体工业从器件的可靠性，成形性出发，对环氧塑封料性能提出越来越高的要求。主要是高耐潮、低应力、低a 射线，耐浸焊和回流焊，塑封工艺性能好。1高耐潮塑料封装从本质上说是一种非气密性封装。树脂是高分子材料，其分子间距为50～200nm，这种间距大得足以让水分子渗透过去。水分进入半导体器件的途径有两条：①从树脂本身渗透过去到达芯片；②从树脂和引线框架的界面处浸人而到达芯片。在水存在的情况下，塑封料中若含有离子性杂质如Na、Cl-等，则会由于电化学反应而腐蚀芯片上的铝布线。这些杂质主要来自原材料，生产使用过程也会混入。因为铝为两性金属，酸性和碱性环境下都可以导致其腐蚀。据中国环氧树脂行业协会介绍，目前使用较多的环氧塑封料的pH 值多小于7，铝的腐蚀多为氯离子所致。降低氯离子的方法主要是，从环氧树脂的生产工艺人手控制可水解氯含量，提纯原材料并最大限度地降低塑封料中的水分。近些年来最新的方法是加入离子捕捉剂和铝保护剂等。另外，环氧塑封料中填充料二氧化硅微粉的含量约占总量的70～85，因此硅微粉的纯度是影
响塑封料纯度的重要因素。硅微粉中的Na、Cl-含量要求小于2×10-6，Fe3含量小于10×10-6。目前，除降低杂质离子含量外，提高耐湿性主要依靠加入经过表面处理的填料，使水分渗透到芯片的距离尽可能延长。加入偶联剂可提高塑封料与引线框架的粘接力，使水分不易从塑封料与框架的界面处渗透到芯片。2低应力构成半导体集成电路器件的材料很多，如硅芯片、表面钝化膜、引线框架等，它们与环氧塑封料的热膨胀系数相差很大。加热固化时，因热膨胀系数的差异而使器件内部产生热应力。应力的存在会导致：①塑封料开裂；②表面钝化膜开裂，铝布线滑动，电性能变坏；③界面处形成裂缝，耐湿性变差；④封装器件翘曲。影响热应力大小的因素和降低应力的方法请看8.4.5 之 5.低应力型一节。3低 a 射线1978 年Intel 公司的T.C.May 等人发现封装材料中的放射性元素放出的a 射线会使集成电路中存贮的信息破坏，集成电路不能正常工作，产生软误差。解决方法见8.4.5 节第 6 款低a 射线型一节。4耐浸焊和回流焊性在表面安装SMT过程中，焊接时封装外壳温度高达215～260℃，如果封装产品处于吸湿状态，当水分气化产生的蒸汽压力大于封装材料的破坏强度时，会导致封装产品内部剥离或封装件开裂。由此可见，提高树脂的耐湿性；提高封装材料在200℃以上时的强度和其与芯片、引线框架的粘附力；降低塑封料的热膨胀系数和弹性模量是提高环氧塑封料耐浸焊性和回流焊性的关键。主要方法有：1增加填料含量。因为填料不吸湿、透湿，但会出现流动性下降的问题。2降低树脂本身的吸湿、透湿性，如引入烷基、氟基等憎水基。为了解决因官能团的距离和立体障碍引起的反应性下降问题需选择合适的固化剂和促进剂。3正确选择固化促进剂，使基体树脂与固化剂反应交联更紧密。4引入耐热性优异的多官能团环氧树脂，
从而提高其高温强度?５ 乐鼓褪 韵陆怠?成型性好通过对环氧模塑料成型性能的不断改进，模塑料的脱模性和耐溢料性能得到了很大提高，成型时间缩短到20～30s，还出现了不需后固化的产品。三、电子级环氧模塑料发展历程电子级环氧塑料的开发过程早期曾用环氧—酸酐模塑料及硅酮树脂模塑料和聚丁二烯树脂模塑料，但因强较低，腐蚀铝布线或因收缩率大，粘接性能及耐湿性较差而未得到应用。1972 年美国Morton 化学公司报导了邻甲酚醛环氧．酚醛树脂体系模塑料被人们广泛重视，此后人们一直沿着这个方向不断研究改进提高。不断出现新产品。1975 年出现了阻燃型环氧模塑料，1977 年出现了低水解氯的环氧-酚醛模塑料，1982 年出现了低应力环氧模塑料，1985 年出现了有机硅改性低应力环氧模塑料，1995 年前后出现了低膨胀、超低膨胀环氧模塑料、低翘曲的环氧模型料等等。随着环氧模塑料性能不断提高、新品种不断出现，产量逐年增加，目前全世界年产量在15 万t 以上，我国年产量5000t 左右。由于塑料封装半导体器件价格低，又适合大规模自动化生产，所以越来越多地采用塑料封装生产，目前在全世界范围内塑封半导体器件产品占市场总量的93～95。而陶瓷和金属封装正在迅速减少。由于塑封半导体器件可靠性大幅度提高，在许多不太恶劣环境下也可以满足军用系统的要求。塑料封装生产的半导体器件有二极管、三极管，集成电路IC、大规模集成电路LSI，超大特大规模集成电路VLSI、ULSI等。1976 年中科院化学所在国内率先开拓环氧塑封料研究领域，于1983 年研制成功KH407 型邻甲酚醛环氧模塑料并通过部级技术鉴定，此后又连续承担了国家“七五”、“八五“、“九五”重点科技攻关项目：5um 技术用环氧塑封料的研制与中试；LSI 用环氧塑封料制造技术研究；0.5um 技术用环氧塑封料的研制与中试；0.35um 技术用环氧塑封料的研制，这些研究
衣架钩项目均通过部级技术鉴定与验收。研制成功KH407、KH850、KH950 系列产品，有普通型、快速固化型、高热导型、低应力型、低膨胀型、低翘曲型等多种类型环氧模塑料。这些产品广泛用于塑封半导体分立器件、集成电路，大规模超大规模集成电路。据中国环氧树脂行业协会介绍，不久前首钢日电电子有限公司给化学所做了一次塑封超大规模集成电路的考核试验，用KH950-2、KH950-3 在自动塑封模上塑封线宽为0.5um 的芯片1200 片，生产集成电路1200 块，综合成品率97.6。并按NEC 考核标准进行全面的可靠性考核，其结果是所有考核项目全部合格，经超声扫描检查未发现有剥离现象。中科院化学所在研究模塑料的同时还开展了制造工艺技术研究，掌握该材料的制备技术工艺条件，并建成了规模为1500 吨/年中试生产线。为了推进我国环氧模塑料工业生产的发展，1984 年化学所将环氧模塑料制备技术转让给现在的连云港华威电子集团公司，1996 年转让给长兴电子材料昆山有限公司，如今他们都已建成了生产规模为千吨级现代化工厂。四、电子级环氧模塑料的组成及其主要性能环氧模塑料主要由环氧树脂、固化剂、促进剂、填料、偶联剂、改性剂、阻燃剂、脱模剂、着剂等组成。1、环氧树脂环氧树脂作为基体树脂起着将其他组分粘合到一起的重要作用，它决定了模塑料成型时的流动性和反应性及固化物的力学、电气、耐热等众多性能。据中国环氧树脂行业协会专家介绍，常用的环氧树脂有：1邻甲酚醛环氧树脂由于它具有优良的热稳定性和化学稳定性，优异的耐湿性能，已成为环氧模塑料使用最广泛的基体树脂。环氧当量低时模塑料弯曲强度高、耐热性及介电性能好，若环氧当量相同时树脂黏度增加，软化点也相应增加，模塑料的玻璃化温度Tg略有增加，但螺旋流动长度变短、吸水率增加。树脂合成时的副反应导致产物
六六六滴滴涕
有副反应产物即杂质，从分子结构式可以看出杂质是含有化学键的氯化物和羟基化合物。水解氯主要来源于a、b、c 三种杂质，a 是氯代醇化合物，它很容易水解，提高制备工艺水平可以除去。但是b、c 杂质含的氯不易水解，很?殉 簦 曰费跏髦 谢 戎饕 嬖?b、c 杂质中。d 杂质是环氧基水解产物，e 杂质是产物分子之间反应所致。f 杂质是未反应的酚醛。d、e、f 杂质均含有羟基。这些杂质的存在会使环氧模塑料性能下降，影响到塑封半导体器件的可靠性。所以在制备环氧树脂时应选择最佳聚合条件，使杂质含量越少越好。因为聚合物分子链上的氯即有机氯在高温环境下可部分水解成为无机氯。一般产品有机氯含量为400～500×10-6，高纯产品小于200×10-6，超高纯产品小于100×10-6。有机氯含量愈少高温水解成无机氯也就愈少。环氧塑封料含氯离子和钠离子愈少，塑封半导体器件芯片上铝布线被腐蚀也就越小。2含溴环氧树脂环氧模塑料中加入含溴环氧树脂可起阻燃作用，一种是含溴双酚A 环氧树脂，另一种是含溴酚醛环氧树脂主要性能指标见表8-10。在燃烧时溴化物能起到阻燃作用效果较好，但同时产生对人身健康有害物质，所以人们正积极寻代用品。3新型环氧树脂由于邻甲酚醛环氧树脂熔融黏度较大，增加填充料用量时模塑料熔融黏度变大不能满足使用要求，所以近年来人们在努力开发新型的环氧树脂，其特点是熔融黏度低、吸水率低、耐热性能好的双官能团或多官能团的新型环氧树脂。联苯型环氧树脂由于处于单分子的结晶态，熔融黏度极低150℃时为0.01Pas，可以大量填充球形熔融二氧化硅填料，使环氧模塑料的线膨胀系数极大地降低。联苯型环氧树脂是超低应力、低膨胀型环氧模塑料的首选基础树脂，缺点是价格昂贵，贮存期较短，容易发生溢料。双环戊二烯型环氧树脂DCPD 是由日本大日本油墨公司开发出的另一低黏度环氧树脂。其特点为低熔融黏度
砂洗150℃时为0.07Pas，低吸湿性吸湿性较邻甲酚醛环氧树脂和联苯型环氧树脂都好，粘接强度较高，优秀的耐热性能和机电性能。由于具有以上特点，双环戊二烯型环氧树脂特别适用于制备表面安装技术SMT用环氧模塑料。缺点是阻燃性不好。三官能团型环氧树脂由于耐热性好，固化后有较高的玻璃化温度和低翘曲性能，适合制备对玻璃化温度和耐翘曲性能有较高要求的PBGA 用环氧模塑料。2、填料环氧模塑料中采用的填料主要是二氧化硅粉俗称硅微粉。它具有介电性能优异、热膨胀系数低、热导率高及价格低等特点，用它作填充料主要目的是使环氧模塑料热膨胀系数、吸水率、成型收缩率及成本降低；耐热性、机械强度、介电性能及热导率提高。硅微粉在环氧模型料中含量高达60～90，它们性能优劣对环氧模塑料品质有着十分重要的影响。1硅微粉有两类，一类是结晶型硅微粉，它的颗粒外形为角形，因此又称为角形结晶型硅微粉，另一类是熔融型硅微粉，它的颗粒外形有角形的，也有球形的，所以称为角形熔融型硅微粉和球形熔融型硅微粉。含铀量低的石英石可加工成低铀含量的结晶型硅微粉和熔融型硅微粉。采用化学合成方法制备的球形熔融型硅微粉铀含量很低，但价格很高。石英石是结晶型的二氧化硅石经1900～2500℃高温烧制后转化成熔融型或者称无定型二氧化硅石块。2二氧化硅的物理性能见表8-14。结晶型硅微粉特点是热导率高，价格低；熔融型硅微粉特点是热膨胀系数低，价格较高，合成球形硅微粉铀含量低但价格昂贵。根据环氧模塑料性能及用途不同可采用不同类型的硅微粉。采用铀含量低的填充料制备的环氧模塑料可用于塑封超大规模集成电路，目的是避免现所谓“软误差”现象。3硅微粉颗粒形状、大小及其分布。它的颗粒是球状的称为球形硅微粉，颗粒为角状的称为角形硅微粉，用扫描电镜可以
清晰辨认出。硅微粉的颗粒粒径一般在0.1～150um 范围内，中位粒径d505～50，粒度分布可用激光粒度分布仪测定。4硅微粉制备工艺简介。硅微粉是由普通硅石经粉碎、纯化处理，过筛分类等工序获得角形结晶硅微粉，把它高温熔融后喷射成球，过筛分类则得球形硅微粉。普通硅石经熔融、粉碎、纯化处理、过筛分类得到角形熔融硅微粉。低a 一射线硅石经相似工序可获得低a．射线的角形或球形硅微粉。另一个途径是合成法制备低a-射线的硅微粉，方法是通过控制正硅酸乙酯、四氯化硅的水解制得球形硅微粉。我国石英石矿产丰富，生产角形硅微粉已经有二十多年历史。有浙江华能硅级粉有限公司、江苏东海硅微粉厂等单位生产。填料?闹饕 饔檬翘岣呷鹊悸剩 档腿扰蛘拖凳 统尚褪账趼剩 箍善鸬皆銮孔饔茫 岣呖煽啃裕坏 被岬贾履Ｋ芰系酿ざ仍黾樱 档统尚托裕 蕴畛淞恳 ≡袷实薄Ｔ谑褂梦藁 盍系墓 讨校 挂 运 斜砻娓男浴８谋涮盍媳砻娴物理化学性质，提高其在树脂和有机聚合物中的分散性，增进填料与树脂等基体的界面相容性，进而提高材料的力学性能和耐湿性能，是作为填料的矿物粉体表面改性的最主要的目的。粉体的表面改性方法有多种，根据改性性质的不同可分为物理方法，化学方法和包覆方法；根据具体工艺的差别分为涂覆法、偶联剂法、煅烧法和水沥滤法。综合改性作用的性质、手段和目的，分为包覆法、沉淀反应法、表面化学法、接枝法和机械化学法。制备环氧模塑料时通常采用表面化学方法改性，即通过表面改性剂与颗粒表面进行化学反应或化学吸附来完成表面化学改性。一般使用的表面改性剂主要是偶联剂、高级脂肪酸及其盐、不饱和有机酸和有机硅等。环氧模塑料中通常使用的表面改性剂是偶联剂。偶联剂按照化学结构分为硅烷类、钛酸酯类、锆类和有机铬化合物等类型。偶联剂等改性剂对填料表面进行的改性及应用主要有预处理法和整体掺
乙腈合法。预处理法是将填料粉体首先进行表面改性，再加人到基体中形成复合体。预处理法又分为干式处理法和湿式处理法。整体掺合法将塑料等制品的部分加工工艺与填料的改性工艺相结合，具体过程是：填料与高分子聚合物混炼时加入偶联剂原液，然后经成型加工或高剪切混合挤出，直接制成母料。中国环氧树脂行业协会专家称，一般认为，预处理改性的效果优于整体掺合法。因为在有树脂存在时，偶联剂受到稀释，而且还可能因树脂的作用而相互结块。由于填充料是环氧模塑料含量最大的组分，所以填充料对环氧模塑料的力一学性能、密封性能、电学性能都有很大的影响。而填充料的表面改性技术直接影响着环氧模塑料密封性能及粘接性能，是各环氧模塑料生产与研究单位的核心技术。3、固化剂固化剂的主要作用是与环氧树脂反应形成一种稳定的三维网状结构，固化剂和环氧树脂一同影响着模塑料的流动性能、热性能、力学性能和电性能。电子级环氧模塑料的固化剂多采用线性酚醛树脂。它与其他类型固化剂如酸酐、多胺等相比，产物具有优异的耐热性和介电性能，吸水率低及成型收缩率小等特点。中国环氧树脂行业协会专家认为，固化剂在电子级环氧模塑料制备过程中起着至关重要的作用，其实在整个环氧树脂体系中，固化剂都起着这样的作用。4、促进剂环氧塑封料是单组分材料，固化促进剂决定了模塑料的固化行为，影响着模塑料固化速度的快慢，对环氧模塑料的力学性能、热性能、吸湿性能、成型工艺性能等都有显著影响。固化促进剂主要有胺类、咪唑类、膦类。促进剂用量越多固化速度越快，但加入促进剂过多会使塑封料储存期变短。固化促进剂的选择是各环氧模塑料生产研制单位的又一项核心技术。5、阻燃剂阻燃剂的添加是为了赋予模塑料的阻燃性能，使模塑料达到UL-94-VO 级标准，使由模
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