塑封料发展状况及其工艺选择

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[ip]塑封料发展状况及其工艺选择

上海常祥实业有限公司　　　刘志:13611616628

引言

塑封料，又称环氧塑封料（EMC，Epoxy Molding Compound）以其高可靠性、低成本、生产工艺简单、适合大规模生产等特点，占据了整个微电子封装材料97％以上的市场。现在，它已经广泛地应用于半导体器件、集成电路、消费电子、汽车、军事、航空等各个封装领域。环氧塑封料作为主要的电子封装材料之一，在电子封装中起着非常重要的作用。随着芯片的设计业、制造业和封装业的发展，环氧塑封料也得到了快速的发展。先进封装技术的快速发展为环氧塑封料的发展提供巨大的发展空间的同时也给环氧塑封料的发展提出了很大的挑战。目前，满足超薄、微型化、高性能化、多功能化，低成本化、以及环保封装的要求，是当前环氧塑封料工艺所面临的首要解决问题。

一　塑封料发展状况

1环氧塑封料的发展历程

早在20世纪中期，塑料封装半导体器件生产的初期，人们曾使用环氧、酸酐固化体系塑封料用于塑封晶体管生产。但是由于玻璃化温度（Tg）偏低、氯离子含量偏高等原因，而未被广泛采用。1972年美国Morton化学公司成功研制出邻甲酚醛环氧－酚醛树脂体系塑封料，此后人们一直沿着这个方面不断地研究、改进、提高和创新，也不断出现很多新产品。1975年出现了阻燃型环氧塑封料，1977年出现了低水解氯的环氧塑封料，1982年出现了低应力环氧塑封料，1985年出现了有机硅改性低应力环氧塑封料，1995年前后分别出现了低膨胀、超低膨环氧塑封料，低翘曲环氧塑封料等，随后不断出现绿色环保等新型环氧塑封料。

2 环氧塑封料的市场应用

值得一提的是环保塑封料的市场作用。现在，全球环保意识的提高，更加注重电子零组件的无铅（Lead Free）封装，也称为绿色封装（Green Package）技术研发。欧盟提议至2008年全面禁止使用电子含铅焊料，日本大厂也多在2004年至2005年，以无铅技术生产产品，两者意图通过限制性法令形成非关税障碍（Non－Tariffs Barrier），达到保护市场的目的。信息电子、半导体企业未来只有符合环保标准、法令，才能在全球高单价市场上，抢占头角，突破全球市场非关税障碍，提高国际竞争力。所以，全球的各大塑封料厂家都在开发环保塑封料上投入了大量的精力，如何研究和开发绿色环保塑封料已经成为全球塑封料产业的焦点问题。目前，绿色封装对塑封料的要求主要有两个方面：一是不含有传统溴/锑的卤化物阻燃剂，而且要达到UL94 V－0级标准；二是要满足无铅焊料工艺的260℃高温回流焊考核要求。经过研究人员的探索，寻找不含有传统溴/锑的卤化物阻燃剂的替代品已经不成问题，而且可以满足UL V－0的阻燃标准。但是，按照MSL－JEDEC的可靠性考核标准，必须要通过260℃的高温回流焊，在这种考核中往往会出现高温可靠性问题，所以很难通过MSL1：85℃/85％/168H＋IR REFLOW 260℃ 3Times这种一级考核，甚至MSL2：85℃/60％/168H＋IR REFLOW260℃3Times考核。应该说这是环保塑封料研究的难点问题，也会影响环保塑封料的市场推广和应用。另外，还有成本问题也将会影响和推迟环保塑封料的市场推广和应用，一般来说，环保塑封料的成本是同类普通产品成本的两倍以上，甚至十几倍，一般客户也很难接受这种高成本材料。因此，如何解决高温可靠性技术问题和降低成本是当前发展和推广环保塑封料的主要研究课题。

3 国外国内塑封料厂家情况

目前，国外环氧塑封料生产厂家主要集中在日本、美国、韩国、新加坡等国，主要有住友电木、日东电工、日立化成、松下电工、信越化学、东芝，Hysol、Plaskon、Samsung等，此外中国台湾地区也有一些规模可与国外企业相较的大厂，例如台湾长春等厂家。现在，环氧塑封料的主流产品是适用于0.35μm－0.18μm特征尺寸集成电路的封装材料，研究水平已经达到0.1μm－0.09μm，主要用于SOP、QFP、BGA、CSP、MCM、SIP等

目前，国内环氧塑封料厂家总共有8家，分别是江苏中电华威（现为汉高华威电子有限公司）、北京科化所、成都齐创、浙江新前电子、佛山亿通电子、浙江恒耀电子、住友（苏州）电子、长兴（昆山）电子，台湾长春和日立化成也已经分别在常熟和苏州建厂。现在，国内大规模生产技术能够满足0.35μm－0.25μm技术用，开发水平达到0.13μm－0.10μm，主要应用于SIP、DIP、SOP、PQFP、PBGA等形式的封装。

另外，国内还有部分外资环氧塑封料生产厂家，由于他们依靠国外比较成熟的技术和先进的研发手段，以及强大的实力作为后盾，所以他们的产品主要处在中高档水平，主要应用于QFP、BGA、CSP等比较先进的封装形式以及环保封装领域，基本上占据了国内大部分的中高端市场。
4 对国内塑封料发展的思考

国内的环氧塑封料企业大部分都存在规模小、技术薄弱、生产线落后、研发手段落后、资金短缺等不足，产品也多半是中低档产品。因此，我们必须做好以下几项工作：（1）加大科技投入，包括人才培养、技术创新、新品开发、工艺设备改进以及市场开拓等逐步建立塑封料研发及其封装，检测中心，以提高和完善自身的研究设施和研发手段。（2）寻求国外合作，拓宽融资渠道，加强技术交流，外聘专家，甚至有职业经理人的加盟。华威电子和汉高的合作就是一个成功的典范。（3）加快配套基础原材料的发展，特别是环氧塑封料用新型高性能环氧树脂和球形硅微粉的发展，替代进口，改善目前基本上全靠进口的局面，关键原材料的国产化可以充分发挥国内的价格优势，以降低成本，提高产品的市场竞争力。（4）需要政府政策的支持和倾斜，因为塑封料属于高新技术产业的范畴，也是一种边缘科学技术，所以它的发展需要国家政策的支持，特别是像我们国家在塑封料的研究和开发上起步较晚，更需要国家这样一个大环境的影响和支持。

二　环氧塑封料的工艺选择

1.1 预成型料块的处理

（1） 预成型模塑料块一般都储存在5℃-10℃的环境中，必会有不同程度的吸潮。因此在使用前应在干燥的地方室温醒料，一般不低于16小时。

（2）料块的密度要高。疏松的料块会含有过多的空气和湿气，经醒料和高频预热也不易挥发干净，会造成器件包封层内水平增多。

（3） 料块大小要适中，料块小，模具填充不良；料块大，启模困难，模具与注塑杆沾污严重并造成材料的浪费。

1.2 模具的温度

生产过程中，模具温度控制在略高于模塑料玻璃化温度Tg时，能获得较理想的流动性，约160℃-180℃。模具温度过高，塑封料固化过快，内应力增大，包封层与框架粘接力下降。同时，固化过快也会使模具冲不满；模具温度过低，模塑料流动性差，同样会出现模具填充不良，包封层机械强度下降。同时，保持模具各区域温度均匀是非常重要的，因为模具温度不均匀，会造成塑封料固化程度不均匀，导致器件机械强度不一致。

1.3 注塑压力

注塑压力的选择，要根据模塑料的流动性和模具温度而定，压力过小，器件包封层密度低，与框架黏结性差，易发生吸湿腐蚀，并出现模具没有注满塑封料提前固化的情况；压力过大，对内引线冲击力增大，造成内引线被冲歪或冲断，并可能出现溢料，堵塞出气孔，产生气泡和填充不良。
1.4 注模速度

注模速度的选择主要根据模塑料的凝胶化时间确定。凝胶化时间短，注模速度要稍快，反之亦然。注模要在凝胶化时间结束前完成，否则由于模塑料的提前固化造成内引线冲断或包封层缺陷。

1.5 塑封工艺调整
对工艺调整的同时，还应注意到预成型料块的保管、模具的清洗、环境的温湿度等原因对塑封工序的影响。

2 塑封料性能对器件可靠性的影响

2.1 模塑料的吸湿性和化学粘接性

对塑封器件而言，湿气渗入是影响其气密性导致失效的重要原因之一。湿气渗入器件主要有两条途径：

① 通过塑封料包封层本体；②通过塑封料包封层与金属框架间的间隙。

当湿气通过这两条途径到达芯片表面时，在其表面形成一层导电水膜，并将塑封料中的Na+、CL-离子也随之带入，在电位差的作为下，加速了对芯片表面铝布线的电化学腐蚀，最终导致电路内引线开路。随着电路集成度的不断提高，铝布线越来越细，因此，铝布线腐蚀对器件寿命的影响就越发严重。

 针对上述问题，我们必须要求：

l          模塑料要有较高的纯度，Na+、CL离子降至最低；

l          模塑料的主要成分环境标环氧树脂与无机填料的结合力要高，以阻止湿气由本体的渗入。

l          模塑料与框架金属要有较好的粘接性；

l          芯片表面的钝化层要尽可能地完善，其对湿气也有很好的屏蔽作用。

2.2 模塑料的内应力

由于模塑料、芯片、金属框架的线膨胀系数不匹配而产生的内应力，对器件密封性有着不可忽视的影响。因为模塑料膨胀系数（20-26E-6/℃）比芯片、框架（-16E-6/℃）的较大，在注模成型冷却或在器件使用环境的温差较大时，有可能导致压焊点脱开，焊线断裂甚至包封层与框架粘接处脱离，由此而引起其器件失效。
由此可见，模塑料的线膨胀系数应尽可能的低，但这个降低是收到限制的，因为在降低应力的同时，模塑料的热导率也随之降低，这对于封装大功率的器件十分不利，要使这两个方面得以兼顾，取决于配方中填料的类型和用量。填料一般为熔融型或结晶型硅粉，在某些性能需要方面有时候还需要添加球形或气相硅粉。

2.3 模塑料的流动性
注塑时模具温度在160℃-180℃，塑料呈熔融状态，其流动性对注模成功与否至关重要，流动性低于焊线冲击增大（金丝抗拉力5g-12g），焊线易被冲歪或冲断，并易造成模具冲不满，包封层表面出现褶皱和坑洼；流动性过高，溢料严重，当溢料过早地将模具出气孔堵塞时，空气排不尽，包封层会出现气孔或气泡。

在模塑料诸成分中，对流动性起主要作用的是主体环氧树脂的熔融黏度和填料二氧化硅的用量和颗粒粗细。结晶型硅粉具有高导热性，但黏度高，比重大，流速下降。熔融型硅粉流动性好，但导热差。因此在世纪生产中应根据封装器件性能不同选择使用，包括两者的混合使用。

总之，我们要不断开发新型的绿色塑封料，不断改进封装工艺，才能满足不断发展的半导体器件的要求．