环氧塑封料的性能和应用研究

摘 要：介绍了环氧塑封料的国内外发展概况，着重论述了其物理性能、机械性能、热性能、导热性能、电性能、化学性能、阻燃性能、贮存性能、封装性能，以及应用中封装工艺、缺陷的解决办法，并就发展前景发表了自己的看法。

关键词：环氧塑封料，性能，封装，缺陷

中图分类号：TQ323.1 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)07-0043-04

1 前言

本世纪50年代，随着半导体器件、集成电路的迅速发展，陶瓷、金属、玻璃等封装难以适应工业化的要求，而且成本高。人们就想用塑料来代替上述封装，美国首先开始这方面的研究，然后传到日本，到1962年，塑料封装晶体管在工业上已初具规模。日、美等公司不断精选原材料和生产工艺，最终确定以邻甲酚环氧树脂为主体材料而制成的环氧塑封料。目前环氧塑封料主要生产厂家有日东电工、住友电木(包括新加坡、苏州分厂)、日立化成、松下电工、信越化学、台湾长春（包括常熟分厂）、台湾叶绪亚、台湾长兴大陆昆山工厂、东芝、DEXTER、HYSOL、PLASKON、韩国三星、韩国东进等生产厂家。在我国大陆半导体封装材料的开发经历了酚醛树脂、硅酮树脂，1，2一聚乙丁二烯以及有机硅改性环氧等几个阶段后，最终形成以邻甲酚环氧树脂为主体材料的环氧塑封 料。其成分主要以环氧树脂为主体材料，酚醛树脂为固化剂，外加填料、脱模剂，阻燃剂、偶联剂、着色剂、促进剂等助剂，通过加热挤炼以得到B阶段的环氧塑封料，然后通过高温低压传递来封装分立器件、集成电路。我国大陆主要生产厂家有连云港华威电子、中科院化学所、佛山市亿通电子、浙江黄岩昆山工厂、成都奇创、无锡化工设计院、无锡昌达和宁波等。它作为新一代的非气密性封装材料，与气密性金属、陶瓷封装相比，便于自动化，提高封装效率，降低成本。它具有体积小、重量轻、结构简单、工艺方便、耐化学腐蚀性较好、电绝缘性能好、机械强度高等优点，目前已成为半导体分立器件、集成电路封装的主流材料，得到广泛的应用，现阶段环氧塑封料封装已占整个封装的90%以上，全球年用量8-11万吨，国内2-3万吨。

2 性能

环氧塑封料具有物理性能、机械性能、热性能、导热性能、电性能、化学性能、阻燃性能、贮存性能及封装性能。

2.1 未固化物理性能① 颜色。根据用户需要，环氧塑封料可制成各种不同颜色，一般使用黑、红、绿三种颜色，其中黑色最为常见。

② 流动长度。塑封料在凝胶化时间，规定温度（175±2℃）、压力下物料在流动模内流动的路径，它反映环氧塑封料在成型模具内的充填性能，一般要求在40-110cm范围内。

③ 凝胶时间。环氧塑封料在一定温度（175±2℃）从B阶段转变到C阶段初期，使塑封料从熔融流动状态到不熔不溶非流动状态的时间，它反映环氧塑封料在成型时的充填时间，一般要求在 10-30s范围，少数要求更长的凝胶时间。

④ 熔融粘度。环氧塑封料在一定温度（150±1℃）的熔化粘度。它可以用日本岛津流动仪测定。通常情况，熔融粘度大，流动长度小；熔融粘度小，流动长度大，不同的半导体分立器件、集成电路，应用合适的熔融粘度，否则会引起其它不良情况，如非边、冲断金丝等。

2.2 固化后性能2.2.1 固化物理性能

① 比重：采用玻璃钢比重试验方法。它主要与填充料有关，通常结晶型填料的比重大于熔融型填料的比重。②热硬度：通常在规定温度、规定时间内固化后取出立即测肖氏硬度。它反映了环氧塑封料在成型模具中，在一定温度下由B阶段到C阶段初期即凝胶后的表面性能和强度，它与配方有关，此外与温度和时间也有关系。

2.2.2 机械性能

① 弯曲强度：它取决于环氧树脂、固化剂及填料的配方设计。表面处理过的填料，弯曲强度增大。另外，与生产工艺也有密切关系，它反映环氧塑封料的抗弯曲能力。此外，热弯曲强度反映了环氧塑封料快速成型起模的抗弯曲能力，表现材料的热脱模强度。②冲击强度：它反映材料的韧性。环氧塑封料韧性好能极大提高环氧塑封料的封装工艺性能。③ 弯曲模量：它可以与弯曲强度同时测定，弯曲模量大，材料脆性大，反之，材料脆性小，它与原材料的选取、生产工艺及交联密度有关。

2.2.3 热性能

① 玻璃化温度：它取决环氧树脂及固化剂的配比，另外，生产工艺、促进剂对玻璃化温度影响很大。通常环氧塑封料的成型温度控制在玻璃化温度附近，它反映环氧塑封料的耐热性能。② 线膨胀系数：环氧塑封料主体成分确定后，它取决填料种类、含量及某些改性添加剂。环氧塑封料的线膨胀系数越小越好，这样，线膨胀系数接近芯片等材料的线膨胀系数以降低热应力，减小钝化层开裂，铝布线位移及断裂。

2.2.4 导热性能[1]

导热系数环氧塑封料的导热性能,导热系数越大, 散热越好，它主要取决于树脂基体、填料的种类及含量。随着TO－3P和TO－220全包封封装出现，对环氧塑封料导热性能要求更高。如果环氧塑封料导热性能不好，会引起器件表面开裂，因此，必须提高环氧塑封料的导热性能。

2.2.5 电性能

反映环氧塑封料绝缘性能主要指标有体积电阻率、表面电阻率、介电常数、介电损耗、耐电弧性、击穿强度，它取决于原材料的纯度，此外与生产工艺有关。

2.2.6 化学性能

环氧塑封料通过萃取分离，主要测定PH值、 Cl－、Na+。其中Cl－ 、Na+尤为重要，应尽量减少它们的含量，它们的存在会使分立器件及集成电路在高温潮湿环境中引起芯片上铝布线的电化学腐蚀，最终导致失效。

2.2.7 阻燃性能

环氧塑封料要求UL－94达到FV－O，环氧塑封料必须加阻燃剂，否则阻燃性能达不到FV－O，同时应注意阻燃剂的纯度，否则会有副作用产生。

2.2.8 贮存性能

由于环氧塑封料是单组分体系，高温环境下会加速自身的固化，导致凝胶时间、流动性的降低，影响封装，因此必须低温贮存。

2.2.9 封装性能（在应用部分详述）

3.1 封装工艺器件工艺一般包括划片、装片、键合、封装、切筋、镀锡、器件筛选、测试、打印、包装等工序，其中封装工序尤为重要，它一般分为以下几个步骤。

① 醒料。由于环氧塑封料必须低温贮存，因此它从冷库取出时，为了防止吸潮，使用前必须让环氧塑封料恢复到室温。如果生产厂家提供的是饼料，就可以直接供注塑成型使用。

② 预成型。为了便于高频预热和便于注塑操作，醒料后的粉料必须预成型。根据生产需要确定预成型规格（直径和重量）以免浪费。预成型时必须注意饼料密度及环境温湿度。

③ 高频预热。预热对注塑成型很重要，预热过头，料流不到头，造成封不满，反之会造成溢料、粘模。因此预热要恰当以使预热后的饼料应保证用手轻轻一捏就可变形，但不能因自重而变形。

④ 注塑成型。含有分立器件或集成电路的框架装上模具后合模，接着将预热好的饼料放入料简，加压使物料充满模腔固化，然后起模、清模，通常环氧塑封料的注塑条件为：预热温度85-95℃；预热时间20-35s；模具温度150-220℃；注塑压力25-100kg/cm2；注塑时间10-40s；固化时间15-120s。

此外，模具设计要合理，一定要具备排气孔，以便注塑压力下进入模腔的空气及时逸出，同时排气孔必须很小，以防止塑封料经其溢出，堵塞排气孔。总之，模具达不到要求，工艺再好也难尽人意。

⑤ 后固化。塑封料在注塑成型过程中还没有完全交联固化，因此必须通过后固化，使其固化充分。这一步对提高塑封料的物理性能和电性能极为重要。后固化温度应与塑封料的玻璃化温度相当。后固化时间根据实际情况而定，通常后固化温度为175℃，固化时间为4-8h。

3.2 封装性能环氧塑封料在实际应用过程中，为保证分立器件和集成电路的可靠性和合格率，对环氧塑封料的封装性能提出了更高要求。

② 填充性：环氧塑封料必须充满整个模具，否则会造成封不满，这里有两种情况：一是物料不能流到流道未端，造成未端管子没有被包；二是管子有一部分没被包封。这两种情况都不能出现。环氧塑封料的填充性与流动长度、凝胶化时间、熔融粘度有关，而且与封装工艺也有密切关系，二者相辅相成，否则会影响生产效率，对管子性能有影响。

③ 溢料、非边：环氧塑封料注塑成型后，半导体分立器件和集成电路的引线管脚上产生溢料和非边，它是衡量环氧塑封料好坏的一个重要依据。溢料和非边也是不可避免的，少量的溢料和非边是正常的。溢料和非边太重，会损伤模具，而且也会影响后道工序。总之，尽量做到溢料、非边越少越好。

④ 气孔：环氧树脂、固化剂和添加剂中含有小分子易挥发物，因此环氧塑封料中必然含有易挥发小分子，它在注塑成型后易使器件和集成电路本体表面产生气孔。而且，预成型时饼料中夹有空气，也能产生气孔。对于环氧塑封料来说，含有少量挥发物一般不会产生气孔，饼料密度适当也能避免气孔。当然模具设计也要合理，排气要通畅，避免堵塞，以杜绝气孔的产生。

3.3 缺陷的解决办法[3]产生封装缺陷的原因很多，主要有环氧塑模料、封装工艺、模具、压机等。本文着重介绍以下几种缺陷及其改进方法，并对器件内部质量提出改进措施。

①脱模性差。首先在环氧塑封料改进方面，必须优选脱模剂，改进配比，提高自身的脱模性；在封装工艺方面适当提高模温，延长固化时间，此外，增加模具型腔工艺斜度的合理性。

② 气孔和砂眼。纯化原材料，降低环氧塑封料中易挥发物的含量，减少水分，同时避免水分的吸入。在工艺方面，可以适当降低注塑慢速，提高模具温度，使物料慢慢流进流道，以使型腔空气全部通过排气槽排出。在模具设计方面，可以增加型腔口，保证料槽终点的排气槽料斗空间应是实际体积的1.2-1.3倍，同时经常清洗排气槽。

③ 填充性差（封不满）。在环氧塑封料方面，主要是精选环氧树脂、固化剂、填料等原材料，改善配比，提高其流动性，降低熔融粘度，在封装工艺方面，可以提高注塑压力，增大注塑慢速，降低模具温度。

④ 溢料和非边。在环氧塑封料方面，可以精选原材料，改变配比，降低凝胶化时间，提高固化速度，在封装工艺方面可以改变预热时间，提高合模压力，减小注塑压力，此外，模具上下模设计要匹配，减小缝隙。

⑤ 塑封件内部质量问题——引线位移或断开。此问题必须避免，首先要改进环氧塑封料，主要是精选原材料，改进环氧塑封料的流动性，降低熔融粘度；在封装工艺，可以增加模温，降低注塑压力，同时降低注塑料慢速。

4 发展前景[2]

近年来，半导体技术进步迅速，通过采用大型化芯片，布线微细化，结构复杂化，同时，为配合高密度封装，出现了SMD工艺，使封装向小型化、薄型化发展，另一方面，还出现了多引线的大型封装，以满足半导体的高功能化和高集成化。以DRAM为例，从1976年的16K到1994年的64M，线宽从3μm缩小到0.4μm。目前256M 线宽0.25μm的DRAM已研制完成并已应用，近来据报道千兆位级线宽0.2μm的DRAM实验已研制成功。为满足半导体工业的发展需要，对环氧塑封料提出了更高的要求，即低应力化、高导热、低α射线、耐湿耐热性、高纯度、耐浸焊性等，为此，除优化环氧塑封料的配方设计外，还应该做到如下几点：① 提纯原材料,尤其是环氧树脂、酚醛树脂，同时减少原材料水分，以降低环氧塑封料的Na+和Cl－，减少对器件的腐蚀。② 环氧塑封料中的铀、钍能释放α射线，使器件产生软误差，它主要来自SiO2,因此，除选用低铀、钍的SiO 2矿石外，还可合成SiO2。此外，通过涂覆聚酰亚胺等表面保护膜也能预防α射线的幅射。③ 精选改性剂，以降低线膨胀系数和模量E，同时提高环氧塑封料与引线框架、芯片的粘附力。④ 加速导热填料的调研试制，提高环氧塑封料的导热性，提高导热性能。⑤ 进一步选用适合激光打印的脱模剂等助剂，改善器件的表面性能，以提高可激光打印性。 ⑥ 积极开发无需后固化的环氧封装材料，以提高器件生产厂家的生产效率。⑦ 积极开发绿色环氧塑封料产品。

总之，我们只有不断开发和改进环氧塑封料，才能满足半导体器件的可靠性。同时，应积极探索新型塑封材料，以适应不断发展的半导体工业的需要。