浅析环氧塑封料性能与器件封装缺陷

浅析环氧塑封料性能与器件封装缺陷

潘铃林 ，黎棣文

中国振华集团永光电子有限公司

摘要：随着微电子和微电子封装技术的发展，环氧塑封料已迅速成为最重要的电子封装材料。环氧塑封料目前广泛应用于半导体器件、集成电路、汽车、军事设施、航空等领域。微电子材料在电子封装技术的发展中发挥着重要作用，所有材料的生产、封装和生产模式都已经建立。随着半导体封装技术的飞速发展，环氧塑封料技术不断提高。封装设备是产品完成后的一项重要操作，但在封装的不同部位容易产生各种缺陷。本文通过对环氧塑封料性能与器件封装过程中的失效性进行了讨论，从而为成品的质量和可靠性提供保证。

关键词：环氧塑封料；性能；封装缺陷；分析探讨

前言

电子封装具有四大功能：配电、信号分配、散热和环保。其功能是连接集成电路设备系统，包括电气和物理连接。由于各种原因，设备在封装过程中容易出现缺陷。但造成缺陷的原因有很多，封装的不同部分导致许多不必要的结构和机制。当然，有些缺陷是由热机的特性引起的，而另一些缺陷通常与特定的过程有关。

1、环氧塑封料发展历程

20世纪50年代，随着半导体器件和集成电路的快速发展，陶瓷、金属和玻璃化合物已不能满足工业化的要求，而且价格昂贵，人们想用塑料代替封装。美国开始研究这个问题，并将其推广到日本。环氧树脂、硅树脂和聚丁二烯接头最初用作电子接头，但由于强度较低而未使用。但环氧树脂和酚醛树脂制成的塑料密封剂得到了广泛认可。从那时起，人们在这一领域进行了研究并取得了进展。阻燃环氧封装材料于1975年推出。环氧封装材料是1977年和1982年推出的一种低溶解度次氯苯酚。由于大规模生产自动化所需的半导体器件成本较低，塑料密封件的生产变得越来越普遍。然而，我国环氧塑封料的生产起步较晚，在20世纪70年代中期进行了测试。1976年，中国科学院化学研究所率先开发环氧塑封料密封件。直到1984年，才开始大规模开发和生产电子设备。当时的车间是手工制作的，年产量只有10吨。到1992年，我国在江苏引进了国外自动生产线，年产量首次增加到2000多吨。经过近几十年年的研发，国产塑料和密封剂取得了长足的进步。目前，国内环氧塑封料企业年生产能力约10万吨。产品质量有了大幅度的提升。

2、环氧塑封料类型

电子封装直接影响集成电路和器件的电、热、光、机械性能、可靠性和成本。同时，电子封装在系统中起着重要作用。电子封装已经从原来的附属地位发展成为一个快速发展的独立封装行业。尤其是先进封装技术的快速发展，不仅为环氧塑封料封装的发展提供了广阔的空间，也对环氧塑封料封装的发展提出了严峻的挑战。

2.1普通型

环氧塑封料密封剂，是普通环氧塑封料的一部分。特别是在工艺可靠性和塑性方面，使用结晶硅粉和熔融硅粉作为环氧树脂进行密封。主要用于三极管、二极管、中小型集成电路等单个元件的密封。

2.2快速固化型

为了降低成本和提高工作效率，尤其是在生产多缸模具之后，得到了快速应用。近年来，封装周期缩短了30倍。为了满足这一要求，研制了一种快速固化环氧树脂密封材料。固化时间快，凝胶时间仅为13.8s，缩短工作时间，保证产品可靠性。

2.3高热导型

为了满足高温单片机和高温设备，特别是全封闭单片机的要求，研制了一种高温环氧树脂密封材料。生产高强度导热填料，如结晶二氧化硅、氧化铝、碳化硅和氮化硅。

2.4低应力型

半导体集成电路材料由硅片、无源薄膜、引线框架等材料制成。其热膨胀系数自然不同于环氧树脂塑料。在热固化过程中，由于设备的热膨胀系数不同，会产生热应力。钝化膜表面撕裂导致电气性能下降，由于焊缝表面不防潮，封装设备损坏。影响热应力的因素包括转变温度和热膨胀系数。为了防止塑料封装销和金属框架断裂，使用硅球来降低封装末端的应力集中。

2.5低膨胀型

随着超大规模集成电路的快速发展，超大规模集成电路的形状和宽度越来越大。对材料性能的要求也因封装类型而异。超大规模集成电路如果采用传统的塑料封装，将会严重影响其可靠性。为了满足超大规模集成电路的要求，必须改变环氧树脂的密封配方，以降低线膨胀系数，降低粘度，提高耐热性和防潮性。目前，新型树脂体系常用于低温塑料密封材料中。环氧树脂的主要成分是聚乙烯树脂和聚氯乙烯。它们的共同点是低粘度，可以填充大量填料，而不会显著增加粘度。随着新型硅界面技术的广泛应用，塑料密封胶的耐水性和耐热性得到了显著提高。

2.6低翘曲型

塑料封闭网络是一种使用寿命短、发展迅速、应用前景广阔的密封材料。新封装对环氧封装材料的使用提出了更高要求。封装不对称，容易变形。因此，密封材料应具有低变形和高附着力。多功能环氧树脂常用作基体树脂，三聚氰胺为催化剂，熔融球形二氧化硅为填料。它的特点是低膨胀率、高附着力和低弯曲变形。

2.7绿色环保型

为了满足无铅组装的要求，欧盟环境法规定塑料封装本身的污染不得超过一定的标准。在化学结构、生产工艺、方法和性能评估方面存在显著差异。为了满足环境要求，锑和溴主要被磷、金属氢氧化物和多环耐火材料取代。

3、环氧塑封料的相关性能分析

3.1对可靠性的分析

环氧塑封料密封件的可靠性主要取决于许多因素：抗离子污染、相容系数和塑料密封件的粘结系数。在原材料的生产和加工过程中会形成相应的离子杂质。在常规测试和集成电路的使用中，固体产品中的水充当腐蚀性电解质，并与离子杂质相互作用。在电化学中，表面电位是不同的。在电场的影响下，正负离子的潜在积累严重影响相关设备的可靠性。为了提高材料封装的可靠性，有必要减少离子杂质，提高相应产品的防潮性。

3.2对内应力的分析

金属框架的线膨胀系数以及环氧塑封料密封材料与晶体之间的不匹配会影响仪器的密封性，从而影响内部张力。设备故障的主要原因是喷嘴冷却、高温高压焊接、机架、机架裂纹、填料焊接等。因此，环氧树脂的线膨胀系数应尽可能低。然而，由于环氧塑封料密封材料的内应力与导热系数一致，导热系数的降低是有限的。为了平衡这两个方面，必须合理分配填料的类型和数量。

3.3对流动性的分析

在密封件和注塑件的制造过程中，模具温度在160~180℃之间变化。注塑成型的成功与环氧塑封料密封件的流动性密切相关。冲击力导致焊丝变形或断裂，导致填充不足，填充表面不均匀。另一方面，如果流量过大，材料严重溢出，排气口堵塞模具，模具中的空气无法排出，导致气泡和空腔。根据环氧塑封料的特点选择其组成。

4、环氧塑封料器件封装应用

4.1封装工艺

机械加工过程通常包括切割、剪切、筛选、测试和封装，其中封装过程尤为重要。为了便于预热和高频注塑，预制件的规格(直径和重量)应与生产要求一致，以避免损失。制造预制结构时，应考虑试验密度和环境温度和湿度。预热是铸件的重要组成部分。如果预热过多，物料将达不到终点，导致密封不良。此外，结构应适合模具。确保进入注塑模的空气及时排出。同时，排气口应适中，以防止塑料密封剂过载和堵塞排气口。总之，无论注塑是否成功，都要符合要求。这一步骤对提高塑料封装的物理和电气性能具有重要意义。

4.2封装性能

在实际应用过程中，为了保证单片机和集成电路的可靠性和适用性，对塑料接头的环氧接头提出了更高的要求。用环氧塑封料密封，整个模具必须填满，否则会产生缺陷。一种是物料不能流到末端，排气管不能缠绕。其次，一些管道没有关闭，环氧树脂的填充与时间设置、粘度和填料处理密切相关。否则，管道的有效性和效率将受到影响。环氧塑封料密封剂引入后，单个半导体器件和集成电路会产生溢出，这是测量环氧塑封料密封剂质量的重要依据。溢出和边缘损失也是不可避免的，小的溢出和边缘损失是正常的。但溢出和塌陷会损坏模具，影响下一步操作。总之，最好将泄漏和边缘损坏造成的损失降至最低。

5、器件封装缺陷

5.1气孔

随着半导体器件体积的减小，孔隙率已成为影响半导体器件可靠性的主要因素。随着填料粒径的减小，塑料填料粒径与晶体填料粒径的比值减小。因此，孔隙度的存在增加了重要区域的孔隙度，从而增加了失效概率。外孔主要由气孔和空腔组成。气孔的形成与模具、注塑成型、塑料粘接等因素有关。从环氧塑封料的密封性能来看，环氧塑封料的主要性能是挥发性物质、水分、粘度和流动性。

5.2油斑问题和印字不牢问题

在封装过程中，容易出现许多缺陷。某些缺陷的产生将导致产品制造商、设备编号、制造日期等模糊。油脂很容易在光滑的模具表面形成，粗糙形状形成的油斑较少。首先，对环氧封装料性能进行了测试，并进行了大量的组合、对比分析和试验。通过进一步调整比例来评价封装的平滑效果。

5.3热机缺陷

热机缺陷可能导致热量和材料的损失，这与流动性密切相关。主要原因是环氧封装材料的线膨胀系数与各种接触材料不相容。

5.4钝化层缺陷

钝化层的典型缺陷是裂纹、气孔和无附着力。钝化层的衰减会导致钝化层击穿或大电流泄漏。这也是由于焊接缺陷集中在芯片边缘，导致钝化层附近击穿区域的芯片损坏。

6、封装缺陷的解决办法

针对环氧树脂成型材料、封装工艺、冲压件和空腔等造成的封装缺陷，提出了以下改进措施。首先，为了提高环氧塑封料密封胶的使用效率，需要优化脱模剂，提高混合比，提高其溶解性。在封装过程中，应相应提高模具温度，延长固化时间。进一步提高合理性。使用清洁原材料，减少挥发性塑料组件，用环氧树脂密封，降低湿度，避免受潮。在这个过程中，自由注塑成型速度可以相应降低，模具温度可以提高。材料可以缓慢地注塑到管道中，以便所有内部空气可以通过排气孔排出。在模具设计中，可以扩大内部空间，定期清洁排气间隙。对于环氧塑封料，密封剂、环氧树脂、固化剂和填料主要用于改善混合物、提高流动性和降低粘度。在封装技术方面，它可以提高注塑压力，提高注塑速度，降低模具温度。对于环氧塑封料密封胶，可以选择合适的原材料，改变配合比。缩短压制时间，提高固化速度。在封装过程中，可以改变预热时间，降低注塑压力。此外，上下模具的设计应与模具匹配，

以减少断裂。

7、对国内环氧塑封料发展的思考

环氧树脂密封技术起步早，投资大，配套材料多，在国外发展迅速。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。国外环氧塑封料和密封剂制造商主要拥有自己的研发中心、独立的条件和发展机会。虽然近年来发展迅速，但总体而言，国内外差距仍然很大。为了缩小这一差距，笔者认为有必要加大科技投入，包括人才培养、技术创新、产品开发、加工设备和市场开发。特别是新型环氧树脂和高效环氧封装材料的加速开发，改善了进口现状。商品选择可以充分发挥国内的价格优势，降低成本，提高产品的市场竞争力。随着微电子技术和封装技术的飞速发展，对环氧树脂材料的需求量越来越大。未来环氧塑封料的发展方向主要是建设超大、超薄、小型、大功率、低成本的集成电路。应为其他现代封装开发一种新型环氧塑封料密封剂。现在的电子封装业的迅猛发展，如何调整、完善环氧塑封料的各个方面的性能，使之满足器件封装的要求，还有许多工作要做。

8、结束语

本文主要讨论了环氧塑封料的性能与设备封装缺陷的关系，并提出了解决方法。随着轻、薄、短、小电子产品的发展和半导体制造技术的深入，集成电路技术需要进一步发展和完善，但封装缺陷是影响封装设备性能和应用的重要因素。因此，环氧塑封料的可靠性将成为半导体工业发展的重要因素。随着环氧塑封料封装系统在现代电子封装中所占比例的不断增加，其可靠性越来越受到制造商和用户的重视。由于电子工业的快速发展还远未完成。如何配置和提高环氧塑封料封装材料的性能，以满足封装设备的要求。

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