集成電路的封裝就是將封裝材料和半導(dǎo)體芯片結(jié)合在一起，形成一個以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電子功能塊器件。封裝材料除了保護芯片不受外界灰塵、潮氣、機械沖擊外，還起到了機械支撐和散熱的功能。當(dāng)今約有90%的芯片用模塑料進行封裝。
隨著IC高度集成化、芯片和封裝面積的增大、封裝層的薄殼化以及要求價格的進一步降低，對于模塑料提出了更高且綜合性的要求，具體如下。
(以下均要修改，調(diào)整語辭)
(1)成型性流動性、固化性、脫模性、模具玷污習(xí)性、金屬磨耗性、材料保存性、封裝外觀性等。
(2)耐熱性耐熱穩(wěn)定性、玻璃化溫度、熱變形溫度、耐熱周期西、耐熱沖擊性、熱膨脹性、熱傳導(dǎo)性等。
(3)耐濕性吸濕速度、飽和吸濕量、焊錫處理后耐濕性、吸濕后焊錫處理后耐濕性等。
(4)耐腐蝕性離子性不純物及分解氣體的種類、含有量、萃取量。
(5)粘接性和元件、導(dǎo)線構(gòu)圖、安全島、保護模等的粘接性，高濕、高濕下粘接強度保持率等。
(6)電氣特性各種環(huán)境下電絕緣性、高周波特性、帶電性等。
(7)機械特性拉伸及彎曲特性(強度、彈性綠高溫下保持率)、沖擊強度等。
(8)其他打印性(油墨、激光)、難燃性、軟彈性、無毒及低毒性、低成本、著色性等。
從基材的綜合特性來看，目前IC封裝用鄰甲酚甲醛型環(huán)氧樹脂體系的較多，但由于環(huán)氧樹脂的特性，使它在耐溫性、工藝性、固化條件、封裝流動性、固化物收縮等存在一些應(yīng)用缺點。針對這些問題上海富晨化工公司開發(fā)了新型封裝絕緣樹脂，這種樹脂具有工藝性好、固化方便、流動性好、固化收縮低的特點，目前已廣泛替代環(huán)氧樹脂成為這一行業(yè)的新寵。
2、集成電路封裝用樹脂的要求
2.1高純度
IC封裝用模塑料的主要原料是樹脂，由于IC封裝時模塑料直接和蝕刻得十分精細(xì)的硅芯片及鋁引線相接觸，因此就對作為原材料的樹脂的純度有一定的要求，IC的集成度越高，對樹脂純度要求越高，因為樹脂中殘留的Na+、K+、以及HCOO-、CH3COO-對芯片及引線都有腐蝕作用，尤其是樹脂中可水解氯離子遇水和濕氣會生成鹽酸，它的腐蝕作用很大。封裝后的IC例行試驗中其中有一項就是高壓水蒸煮試驗(PCT)，一旦樹脂中可水解氯值超過標(biāo)準(zhǔn)，該項試驗就通不過，樹脂按可水解氯的含量不同分成4個等級，詳見表1
表1各級封裝用樹脂含氯水平(×106)
分級標(biāo)準(zhǔn)品高純品超高純品最先進品
可水解氯值[1]可水解氯值[2]總氯值505001000~120030250~350600~80020100~200400~50010100以下300~400
由于新型封裝絕緣樹脂獨特的結(jié)構(gòu)特點，決定了其水解氯含量一般都在超高純品(總氯值《400—500》以上，具有更經(jīng)濟，更高純的特性。
2.2高功能化
IC封裝用的樹脂除了要求高純度化外，隨著高集成化封裝的大型、薄殼化，目前要求解決的是低收縮性(低應(yīng)力化)、耐熱沖擊和低吸水性等技術(shù)瓶頸。而新型封裝絕緣樹脂具有大分子高交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而使樹脂具有收縮性低，耐熱沖擊性好，吸水率低的特性，可以擁有比同類產(chǎn)品更好的功能性。具體性能如下：
2.2.1低收縮性
近年來，對于IC封裝用模塑料最為關(guān)心的技術(shù)是模塑料固化后的內(nèi)部應(yīng)力問題。一旦內(nèi)部應(yīng)力的存在會使硅芯片表面的鈍化膜產(chǎn)生裂縫、自身龜裂或連接線切斷等現(xiàn)象。在目前超大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)化的時代，隨著鋁配線圖的細(xì)微化、硅片大型化、封裝的薄殼化，對樹脂的低收縮特性要求就提出更高的要求。
內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生的原因如下：模塑料熱收縮與硅片熱收縮有差異，即二者線膨脹系數(shù)不同，一般模塑料比硅片、引線的線膨脹系數(shù)要大一個數(shù)量級，同時加上模塑料在固化過程中生產(chǎn)的固化收縮，所以在成型加熱到冷卻至室溫過程中會在硅片上殘留應(yīng)力。
熱應(yīng)力可以用下式來表示：
σ=K·E·α·ΔT
式中σ—熱應(yīng)力;
K-常數(shù)(固定值);
E-彈性模量;
ΔT-模塑料Tg和室溫的差;
α-熱膨脹系數(shù)。
從該公式中可以看出降低樹脂的彈性模量(E)和Tg，以及減少樹脂的固化收縮率是減少熱應(yīng)力的有效途徑。
新型封裝絕緣樹脂的最大特點是該樹脂具有超低的固化線收縮率，從而使各種制品具有較低的固化后內(nèi)應(yīng)力，能夠保證制品在冷熱沖擊環(huán)境中保證形狀不變。表2是新型封裝絕緣樹脂與國內(nèi)一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表。另外，美國密歇根州立大學(xué)的美國復(fù)合材料工程技術(shù)中心對該樹脂的測試結(jié)果(ASTM標(biāo)準(zhǔn)下)也表明，該樹脂的固化收縮率極低，該中心是選擇了一美國著名的樹脂供應(yīng)商的產(chǎn)品作為對照，具體見表3。
表2新型封裝絕緣樹脂與國內(nèi)一知名品牌封裝絕緣樹脂的收縮性比較表
固化條件固化線收縮率*
新型封裝絕緣樹脂對比樹脂
常溫固化0.015%2.8%
常溫固化后，80℃2hr后固化處理0.16%3.6%
*根據(jù)HG/T2625-94《環(huán)氧澆鑄樹脂線性收縮率測定》進行試驗。
表3新型封裝絕緣樹脂體收縮率測試結(jié)果
(美國密歇根州立大學(xué)的美國復(fù)合材料工程技術(shù)中心對該樹脂的測試結(jié)果)
固化條件固化體收縮率
新型封裝絕緣樹脂美國產(chǎn)對比樹脂
CHP固化體系—7.18%
MEKP固化體系1.73%8.10%
數(shù)據(jù)表明，新型封裝絕緣樹脂具有超低的固化收縮率，能有效的保證制品的尺寸精度，以減小固化過程中的應(yīng)力變化，以減少封裝過程中對元件的電感、電偶等性能的影響，因而更適合于制作各種大面積絕緣封裝。
2.2.2耐熱沖擊性
參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對新型封裝絕緣樹脂的耐熱沖擊性能進行了測試，并結(jié)合產(chǎn)品實際應(yīng)用，作了交變溫度試驗(-80~80℃，溫度變化率4℃/min，循環(huán)周期120/min)見圖1：
圖1交變溫度試驗循環(huán)示意圖
經(jīng)10個循環(huán)周期試驗，樹脂玻璃鋼試板無裂紋、發(fā)白、脫膠、鼓泡等老化現(xiàn)象，證明樹脂耐高低溫交變性良好;同時對玻璃鋼層合板在低溫下的力學(xué)性能進行了測試，并與常溫下力學(xué)性能進行了比較，具體見如表4。
表4新型封裝絕緣樹脂耐熱沖擊性能表
溫度(℃)80℃-80℃
拉伸強度Mpa215.0220.0
拉伸模量Gpa14.013.9
彎曲強度Mpa291.0281.1
彎曲模量Gpa9.19.0
2.2.3低吸水性
同時新型封裝絕緣樹脂較通用樹脂具有更好耐水性能和力學(xué)強度，可以作為絕緣封裝的上佳的結(jié)構(gòu)材料。我們對新型封裝絕緣樹脂按《玻璃纖維增強塑料耐水性試驗方法》(GB2575-89)進行了耐水性試驗，結(jié)果見表5：
表5新型封裝絕緣樹脂吸水性試驗
試驗條件結(jié)果
24小時25℃增重0.015%
2小時100℃增重0.43%
從以上的數(shù)據(jù)可以看出新型封裝絕緣樹脂具有較低的吸水性能。
2.2.4固化條件及工藝性能
新型封裝絕緣樹脂的粘度較低(一般0.25~0.65Pa•s)，具有良好的工藝性，適合各種成型工藝(包括模壓、拉擠、灌封等)。另外，新型封裝絕緣樹脂還可以根據(jù)不同的使用要求采用不同的固化體系，在常溫、中溫、高溫條件下均可以良好地固化達到最佳性能。
3、填充料對模塑料性能的影響
基于樹脂與填料或增強材料等均具有良好的相容性和浸潤性，也為了達到綜合性能的要求和降低成本要求，在模塑料中填充料的用量可達到相當(dāng)大的比重，最多可達80%(重量比)，因此填料對成型性固化產(chǎn)物的特性有顯著的影響。填充料除了粒徑分布、形態(tài)、表面處理方面會最終對模塑料性能帶來影響外，各種熱膨脹系統(tǒng)和熱傳導(dǎo)率的填充料對提高模型料的性能有更大的作用。
(1)減少溢料
用最大粒徑74μm以下球形的熔融二氧化硅和最大粒徑40μm以下的熔融二氧化硅的粉碎料，以55%～95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和45%～5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))相混合，成為比表面積為3m2/g以下的混合填料。它的用量占總個封裝模塑料的40%～90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。由此組成模塑料填料體系可以減少模塑料飛邊的產(chǎn)生。
(2)提高耐濕性
(a)最大粒徑149μm的合成低α線球狀二氧化硅;(b)最大粒徑74μm的低線角形二氧化硅。(a)+(b)合計量中含有6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上為粒徑44μm以上的混合填料。用它作為封裝用模塑料的填料，可以減少吸適量3%左右。
(3)低應(yīng)力的填料
用氨基聚醚型有機硅氧烷處理平均粒徑為8μm的棱角狀二氧化硅及平均粒徑為6～8μm的球狀二氧化硅，按以下配方(質(zhì)量份)組成模塑料，再測定其熱應(yīng)力，結(jié)果見圖15-10。
(4)流動性提高
為提高模塑料的流動性，可采用粒徑為亞微米級到10μm的二氧化硅作填料。
(5)改善熱力學(xué)性能的填料
用β-鋰霞石代替不分二氧化硅作為填料，可降低成形料的線膨脹系數(shù)。用球撞礬土粉末量作填料可提高熱傳導(dǎo)率。
(6)減少模具磨損的填料
用部分到一般量的平均粒徑為10μm以下的硫酸鈣代替二氧化硅作填料可減少模具的磨損。
(7)提高機械性能的填料
在40%～60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al2O3和40%～60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SiO2混合填料中添加1%-80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))平均直徑為0.1～0.5μm、平均長度為1～200μm的陶瓷纖維、由此制成的模塑料的沖擊壓縮強度能提高。
4、集成電路封裝用模塑料的發(fā)展動向
4.1自20世紀(jì)70年代中期開始我國研制電子元器件塑封用模塑料，為了滿足軍事工業(yè)的需要研制了聚烷樹脂和聚苯甲基烷氧烷樹脂作為模塑料的基材，雖然它們有很好的耐高、低溫性和耐潮防水性，，但它們的粘接性很差，PCT試驗后泄漏鋁很高。80年代初期收到從美國海索公司、日本日東電工環(huán)航模塑料的啟發(fā)，轉(zhuǎn)向研制環(huán)氧型模塑料。1986年，實現(xiàn)了基礎(chǔ)樹脂鄰甲酚甲醛環(huán)氧樹脂、低氯含量Novolac酚醛樹脂和用于12KIC封裝用環(huán)氧膜塑料的生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年來我國個研究院所、大學(xué)和工廠的共同努力，在高純度鄰甲酚環(huán)氧樹酯、Novolac酚醛樹脂、模塑料配制技術(shù)等方面有了很大的進步。
李善君等指出天然石英粉往往含有放射性雜質(zhì)，它在衰老時放出α粒子會引起存芯片工作的“軟誤差”，而由氣體硅烷制造的高純度石英粉可以大幅度降低因放射性產(chǎn)生的軟誤差。
張知方等人報道研制成功，高純度的鄰甲酚甲醛環(huán)氧樹脂，其質(zhì)量已接近日本住友ESCN同類產(chǎn)品。
俞亞君報道了萘環(huán)類多功能環(huán)氧樹脂作為乃熱低吸水性模塑料基材，可解決超大規(guī)模集成電路在安裝時的軟焊開列問題。
上海富晨化工有限公司根據(jù)封裝用模塑料市場情況，開發(fā)出新一代高性能快固化封裝絕緣樹脂，具有低收縮、低吸水率、耐熱沖擊性好、絕緣耐熱溫度高(F、H、C、N級均有)、固化物導(dǎo)熱好、固化后熱應(yīng)力低等特點，而且可以以任意溫度固化，固化方便，工藝性能優(yōu)異。
上述的研究成果都處于實驗室階段，總體上來說我國的電子封裝用模塑料技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性等和國際先進水平還有很大的差距，還不能滿足大規(guī)模集合成電路封裝的要求。
隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，集成度迅速從16K比特發(fā)展到64K比特，又飛躍到256K比特，目前發(fā)達國家已實現(xiàn)了1024比特超大規(guī)模集成電路(VLSL)的工業(yè)化生產(chǎn)，線徑0.03μm.，集成度的提高、元件的小型、扁平化均對EMC提出了更高的要求。
(1)樹脂純度的提高IC中的鋁電極極易受到樹脂中的Na+、CL-的腐蝕，因此必須嚴(yán)加控制，要求進一步提高環(huán)氧樹脂凈化技術(shù)，目前已使高純度的鄰甲酚甲醛樹脂實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)(Na+含量<1×106，CL-<1×106，，可水解釋氯<350×106);超高純度的樹脂正在創(chuàng)造條件進入工業(yè)化生產(chǎn)階段(Na+、CL-含量同前，可水解氯量進一步下降Na+含量<150*106)。
(2)提高封裝料可靠性的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)低應(yīng)力化。封裝后的IC在經(jīng)受嚴(yán)格的冷、熱沖擊，高壓水蒸者的試驗時，致使封裝失敗的原因是內(nèi)應(yīng)力引起的封裝料和元件界面發(fā)生開裂。所以在實現(xiàn)封裝料的低應(yīng)力化時，只有采取降低線膨脹系數(shù)和降低彈性率。降低線膨脹系數(shù)的最好方法是在封裝料中使用高填充量的二氧化硅。據(jù)研究，當(dāng)填料量應(yīng)達到60%～70%(體積分?jǐn)?shù))，甚至更高，線膨脹系數(shù)可抵達1.0×10-5/℃，固化收縮幾乎是零。高填充量會是模塑料的熔融流動性變差，對測試使用平均粒度為6～8μm球型熔融二氧化硅。
4.2通用級模塑料
通用級模塑料主要作為電器絕緣和結(jié)構(gòu)件的制造，雖然樹脂的純度要求沒有電子級那么高，但對力學(xué)性能要求卻橫傲。為了提高材料扥愛熱性、層間剪切強度，對樹脂體系和纖維增強方法進行了深入的研究。例如美國3M公司最近推出名為ScotchplyPR-500的產(chǎn)品，制造過程中采用真空混煉，模塑時無需排泡，制品有很高的耐沖擊強度，短梁剪切強度達到83～90Mpa,彎曲模量為3500Mpa。
該公司另一個新產(chǎn)品SP381S-2是特種玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，它具有很好的耐低溫、防濕熱型，能在-54～104℃范圍內(nèi)使用，使熱壓縮強度為531Mpa,室溫下短梁剪切強度為93.2Mpa,分別是E玻璃纖維增強預(yù)浸料的1.36倍和1.21倍。
