半导体封装用环氧树脂成型材料研究进展方案.docxVIP

半导体封装用环氧树脂成型材料研究进展概要半导体封装用环氧树脂成型材料是用来保护半导体芯片以避免其受到机械外力、湿度、高温以及紫外线的伤害。随着半导体器件封装向薄型化、小型化和高密度化发展，封装材料的高性能化和高功能化势在必行。最近几年，由于全球范围内环境保护意识不断提高，对封装材料也提出了节能环保的要求。本文介绍了半导体封装用环氧树脂成型材料的概要及其阻燃性能、耐高温性能的研究开发情况。1、前言半导体封装用环氧树脂成型材料可以保护半导体芯片，避免其受到机械外力、湿度、高温以及紫外线的伤害。合适的封装形式，既可以确保半导体器件的电气绝缘性能，同时也使器件与印制电路板的连接更加方便简单。半导体器件的封装形式可大致分为两类，一是适用于通孔插入型安装的器件封装形式，二是适用于表面贴装的器件封装形式。插入型半导体器件封装形式是将外部端子的引线以及器件引脚插入印制线路板的通孔中并加以固定。表面贴装式半导体封装是将半导体器件的外部端子贴在印制电路板的表面并加以固定。具有代表性的表面贴装型半导体封装形式包括TSOP(Thin Small Outline Package)、QFP(Quad Flat Package)、PBGA(Plastic Ball Grid Array)、FC-BGA(Flip Chip-Ball Grid Array)等。如Fig.1所示。Fig.1标准封装结构随着半导体器件封装不断向薄型化、小型化、以及高密度化发展，环氧树脂封装材料也向着高性能化和高功能化方向发展。而且，随着环境保护意识的不断提高，对于可能导致环境破坏的有害物质的使用限制越来越严格。迄今为止，为了提升半导体封装材料的阻燃性能，会在环氧树脂中加入卤素元素溴（Br）以及作为阻燃助剂的锑（Sb）化合物。按照欧洲RoHS规则的规定，PBB(多溴双烯基)、PBDE(多溴二苯醚)等含溴树脂均在受限之列，含有卤素化合物的材料在燃烧的时候会产生有害物质二恶英（Dioxin）。因此，从保护地球的观点出发，必须开发出环境友好型的无卤环氧树脂成型材料。近年来，在汽车、家电、机器人等各种产业领域，以及铁路、社会基础设施等应用范围内，为实现高效节能的目的，开始使用高耐压、大电流碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件。与硅器件相比，SiC和GaN器件可以工作在更高温度下，因此对封装材料也提出了能够工作在高温环境下的要求。本文将对半导体封装用环境友好型环氧树脂成型材料的阻燃性技术及其耐高温性技术分别加以介绍。2、半导体封装用环氧树脂成型材料概要根据所使用封装材料的形态不同，半导体器件的封装方法可以分为液态封装和固态封装，其工艺方法也各不相同。液态封装材料，称为CUF（Capillary Under Fill），利用液体的毛细现象，一般采用注型法、浸渍法或下落法进行封装。固态封装材料，以环氧系热固性树脂和无机填料为主要成份，一般多采用转移注塑成型工艺。通过控制环氧系热固性树脂转移注塑成型时的流动性及其粘度以达到对固化后材料的机械性能、电气性能以及热传导性能进行控制的目的。无机填料的加入可以提高成型后封装材料的机械强度、改善热膨胀系数及其电气绝缘性能。同时还需要配合加入其他多种填加剂，如硬化促进剂、离型剂、着色剂、阻燃剂等。一般情况下，将各种原料混合在一起，以揉合机、压延机进行加热混炼混合均匀并制成片状，然后再冷却、粉碎制成封装用的成型材料。粉末状的成型材料再通过压缩制锭工艺制成片剂状用于转移注塑成型工艺。在转移成型工艺过程中，半导体芯片放置在封装模具的空腔内，片状成型材料放置在模具通道中，设定温度为180℃，成型材料受热熔融流动注入到相应的空腔内，温度保持1分钟完成初期固化后，即可将半导体器件从模具中取出。一般的固态封装材料转移成型工艺如Fig.2所示。为了保证成型后半导体封装的稳定性，通常还要进行后期硬化工序。Fig.2通用转移注塑成型工艺一般而言，环氧树脂具有粘度高、硬化收缩比例小，以及耐腐蚀、耐湿热等优良特性。环氧树脂成型材料不必通过高温处理来改善固化后的电气特性，固化时间短也使得后期处理更加容易。表1总结了各种具有代表性的固态环氧树脂材料的封装结构。用于固态封装的主流环氧树脂材料为交联密度较高的苯酚系环氧树脂和酚醛树脂。表1注塑成型常用环氧树脂结构然而，在半导体器件表面贴装工艺过程中，器件与印制电路板接合的时候，需要在回流焊炉中对焊料进行加热熔融，因此会对半导体器件及其整体封装结构施加一个热应力。在空气中吸收了部分水汽的半导体封装结构，在回流焊炉中受到高温加热，其中的水份发生汽化会产生应力，这种应力会造成半导体芯片与引线框架以及环氧树脂成型材料之间的界面发生剥离，进而在半导体封装结构上形成裂缝，从而形成足以损害到半导体器件可靠性缺陷。能够经受这种由回流焊工序引起的热冲击而