摘要:

環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效率等優點, 目前已經成為半導體封裝不可或缺的重要材料。本文簡單介紹了環氧模塑料在半導體封裝中的重要作用和地位; 分析了環氧模塑料性能對半導體封裝的影響, 并對不同半導體封裝對環氧模塑料的不同要求進行了分析; 最后展望半導體封裝和環氧模塑料的未來發展趨勢, 以及漢高華威公司在新產品開發中的方向。

1 前言

環氧模塑料 ( Epoxy Molding Compound , EMC )是一種微電子封裝材料, 它主要應用于半導體芯片的封裝保護。環氧模塑料以其低成本、高生產效率以及合理的可靠性等特點, 已經成為現代半導體封裝最常見最重要的封裝材料之一。它是緊跟半導體技術以及半導體封裝技術的發展而發展, 同時環氧模塑料技術的發展也促進了半導體技術和半導體封裝技術的發展。

當今, 全球正迎來以電子計算機和數字家電為核心的電子信息技術時代, 電子產品也隨之向高性能、多功能、高可靠、薄型化、輕型化、便攜式方向發展, 同時還要求電子產品具備大眾化、普及化、低成本等特點, 這必將要求微電子封裝業把產品向更輕、更薄、密度更高、有更高的可靠性和更好的性能價格比的方向發展。同樣, 對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保封裝的要求是當前微電子封裝材料發展所面臨的首要問題。因此, 環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遇和挑戰。

2 環氧模塑料對半導體封裝的影響

環氧模塑料是一種熱固性材料, 由環氧樹脂、固化劑、固化促進劑、填料以及其他改性成分組成。環氧模塑料發展至今, 已經衍生出很多種不同類型, 以適合不同應用要求。按所用的環氧樹脂的化學結構來分 , 可 以 分 為 EOCN型 、 DCPD 型、 聯苯 基( Bi- phenyl ) 型以及多官能團( Multi- Function ) 型等。按最終材料的性能來分, 環氧模塑料可以分為普通型、快速固化型、高導熱型、低應力型、低放射型、低翹曲型以及無后固化型等。同時為了滿足對環境保護的要求, 無鹵無銻的“綠色”環保型環氧模塑料也成為目前業界研發的重點。圖 1 列出了環氧模塑料使用的主要環氧樹脂的分子結構。不同類型的環氧模塑料分別適用于不同的半導體封裝形式。當然, 不同類型的半導體封裝對環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對環氧模塑料的性能進行表征和衡量, 例如膠化時間、流動長度、粘度、彎曲強度、彎曲模量、玻璃化轉變溫度( Tg ) 、熱膨脹系數、吸水率、成型收縮率、熱導率、體積電阻率、介電常數、離子含量、阻燃性等等。下面主要談一下環氧模塑料的幾個重要性能對半導體封裝的影響。

( 1 ) 環氧模塑料的介電性能對半導體封裝的影響。

介電性能包括材料的介電常數, 介電損耗, 電導率以及體積電阻率等, 是表征材料本身的絕緣性或導電性的重要參數。由于環氧模塑料在制造過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, 從而導致不同的環氧模塑料會因配方不同而導致介電性能有較大的差異。由于在半導體封裝中環氧模塑料主要起到絕緣體的作用,其介電性能的好壞將對封裝好的半導體器件的電性能產生重要影響, 特別是針對高壓器件的封裝,要求環氧模塑料在一定的溫度范圍內具有相對低的介電常數和損耗以及較大的體積電阻率, 通常都需要通過特定的配方調整來實現。一般而言, 可以通過選擇極性較低的原材料以及控制原材料的純度, 來提高環氧模塑料的介電性能。

( 2 ) 環氧模塑料的吸水率對半導體封裝的影響。

環氧模塑料的吸水率是衡量環氧模塑料性能的另一重要指標。由于交聯的環氧樹脂對水分子沒有封閉作用, 在一定的環境濕度以及溫度下, 水分子可以通過擴散的方式從外界通過模塑料進入封裝器件內部, 對封裝器件造成破壞。這種破壞不僅體現在降低界面強度以及在瞬時高溫時形成蒸汽壓造成器件內部分層, 而且水分子可以作為模塑料中雜質離子的載體, 將雜質離子帶到芯片表面以及焊盤表面, 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氧模塑料性能的重要方向。

( 3 ) 環氧模塑料的應力對半導體封裝的影響。

環氧模塑料的應力是衡量環氧模塑料性能的又一個重要因素, 它的大小主要取決于環氧模塑料的熱膨脹系數和模量的大小。如果認為在封裝溫度下的應力為零, 則可以用以下公式來簡單計算模塑料的應力:

其中 SI25 和 SI260 分別對應 25℃ 和 260℃下的應力指數。 E25 和 E260 分別對應 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 時以及對應材料的熱膨脹系數。

由于不同原材料的熱膨脹系數和模量都不一樣, 所以可以通過控制原材料的種類的比例來控制和調整環氧模塑料的熱膨脹系數和模量, 從而達到調整應力的目的。在半導體封裝中, 環氧模塑料的熱膨脹系數遠大于芯片、框架、基島等其他無機封裝材料。隨著溫度的變化, 由于封裝器件中不同材料的熱膨脹系數不匹配而在材料界面產生熱應力。如果這種應力大于相應界面的粘合力時, 就會引起界面的分層, 甚至會導致整個封裝體的開裂。因此, 如何有效地控制環氧模塑料的應力, 使之與其他電子材料的應力相匹配, 一直都是環氧模塑料制造廠商的重要研究課題。

總之, 在半導體封裝中, 環氧模塑料是半導體微電子封裝的主要材料之一, 所以環氧模塑料的性能對半導體封裝產品的性能有非常重要的影響。

3 環氧模塑料在半導體封裝中的應用

不同的封裝形式以及可靠性要求對環氧模塑料也有不同的要求。對半導體封裝來講, 按照封裝外形以及具體的應用, 可以將半導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。其對環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; 還有部分簡單的集成電路如 DIP 和 SIL 。其主要的共性就是不需要經過 Jedec 的級別考核, 從而對模塑料的性能要求不高。但是不同的封裝形式和應用背景還是對環氧模塑料的性能提出了不同要求, 如高壓器件需要環氧模塑料具有良好的介電性能, 全包封器件要求環氧模塑料具有很高的導熱性能等。針對這種通孔式半導體封裝市場的不同要求, 漢高華威公司研發出一系列能夠滿足這些不同封裝要求的環氧模塑料產品( 圖 4 ) 。目前, 漢高華威公司正著力于研究開發適合于通孔式半導體封裝的綠色環保環氧模塑料, 并已經成功開發出一系列綠色環保產品。 Hysol! Huawei TM KL- G100 、KL- G200 已經成功應用于二極管、三極管和功率晶體管的封裝并通過客戶考核, Hysol! GR750 作為高導熱材料, 也已通過客戶在模塊( module ) 封裝上的考核并小批量生產。 Hysol! GR15F- 1 、GR15F- A 作為綠色酸酐基的環氧模塑料, 在超高電壓器件的應用上處于世界領先的水平。 GR15F- A 還在內部測試中通過 Jedec 二級水平的考核, 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, 向輕、薄、短、小方向發展。那些通孔插裝式安裝器件已無法滿足這種需要。代之而起的就是有引腳的表面貼裝技術( 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程中經過多次回流, 因此要求表面貼裝的器件必須能通過一定溫濕度條件下吸濕并回流的考核而沒有明顯的分層或其他問題, 也就是所謂的 Jedec級別考核。對環氧模塑料而言, 要求材料具有低吸濕性、低應力、高耐熱以及低成本等特性, 才能在通過高溫時不產生內部分層或開裂等失效問題。圖 5列出了漢高華威公司產品線中應用于這一封裝類型的推薦產品。

目前, 漢高華威公司以及漢高電子美國研發中心都大力著眼于開發適合 SMT 半導體封裝的綠色環氧模塑料, 并已經成功開發出一系列綠色環氧模塑料, 其中 Hysol! HuaweiTMKL- G730用于封裝SOIC 、 QFP 、 TSSOP 、 T/LQFP 等, 對銀鍍層具有良好的粘結力并同時具有低應力, 低吸水率等特點, 已在多個 客 戶 通 過 可 靠 性 考 核 并 開 始 批 量 使 用 。KL- G900H 作為應用于 QFN 封裝的模塑料, 可以在大尺寸 QFN 上穩定地通過二級水平考核, 并具有良好的翹曲控制能力; GR828FC 已成功通過柵漏泄( Gate Leakage ) 以及其他客戶測試并開始批量生產。

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

由于引線框架生產工藝的局限性, 其能實現的輸入輸出以及封裝密度和線距等都不可能滿足日益發展的半導體工業的要求。利用基板材料( sub-strate ) 將連接電路預設于基板中的封裝形式已成為先進封裝的主要發展方向。目前發展出來的主要的封裝形式有 BGA 、 CSP 、 MCP 、 SIP 等。這種封裝對環氧模塑料的耐熱性、吸濕性、應力、翹曲控制以及粘度等都有很高的要求。近年來, 漢高華威公司已經開始著手開發適合于這種高端半導體封裝的綠色環保環氧模塑料, 并有部分新產品已經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、低成本等優點, 在存儲卡( MMC card ) 封 裝 上 得 到 了 廣 泛 的 應 用 ; Hysol !GR9810- 1P 是漢高電子最新研發的具有高耐熱性、低沖絲、低翹曲等特點的綠色環氧模塑料, 在 POP 、SCSP 等應用場合可以通過 Jedec 二級水平的考核,并能滿足 POP 等對高溫翹曲的特殊要求, 已在世界范圍內廣泛應用。

4 展望

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

伴隨著半導體封裝技術的快速發展, 環氧模塑料作為重要的半導體封裝材料也在飛速發展。未來不斷涌現出來的先進封裝技術, 將對環氧模塑料的性能提出越來越高的要求。同時傳統封裝形式還將長期存在, 但是對器件的價格、生產效率以及功能等將提出全新的要求。因而, 對環氧模塑料的儲存穩定性能、固化性能、粘結性能、吸濕性、應力、成本以及介電性能等都不斷有更高的要求。作為全球主要的環氧模塑料供應商, 漢高華威公司目前致力于以下幾個方面的工作:

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

( 2 ) 翹曲度的控制。翹曲是困擾 BGA 和 QFN類型封裝的主要問題。目前漢高華威已經掌握了通過調整模塑料性能達到控制翹曲的技術。可以根據具體的封裝設計來調整模塑料參數, 從而達到控制翹曲度的目的。目前這一技術已應用于漢高華威的新產品開發中。

( 3 ) 一次成型倒裝芯片用模塑料的開發( molded un-derfill ) 。絕大多數倒裝芯片都是使用液體下填充料( liquid underfill ) 進行保護。但是這一方式具有高成本低效率的缺點。同時由于液體下填充料的熱膨脹系數不能減低很多, 導致最終產品的應力水平較高, 從而影響可靠性的進一步提高。通過改變模塑料的性能, 可以使模塑料在模壓過程中填充到芯片下面, 起到下填充料的作用, 又同時可以完成灌封( encapsulation ) 保護,提高生產效率。漢高華威已經初步開發出適合這一應用的產品, 在模壓過程中沒有任何模塑問題產生。目前已經提供客戶進行進一步考核。

審核編輯：湯梓紅