1 耐熱性
1．1玻璃轉(zhuǎn)移溫度，Tg
如果以熱劣化性為耐熱性的考慮要點(diǎn)，則可以Tg來(lái)當(dāng)做參考值。塑粉的Tg值主要決定于塑粉的交聯(lián)密度： Tgl=Tg0+k／nc Tgi：交聯(lián)后的Tg Tg0：未交聯(lián)前的Tg K：實(shí)驗(yàn)常數(shù) nc：兩交聯(lián)點(diǎn)前的平均原子數(shù)。 交聯(lián)密度愈高，其Tg值也愈高；耐熱性愈佳，熱變形溫度也愈高。一般封裝塑粉的Tg值約在160℃左右，過(guò)高的Ts會(huì)使成品過(guò)硬呈脆性，降低對(duì)熱沖擊的抵抗性。
1．2 Tg的測(cè)定
測(cè)定Tg的方法很多,目前本所使用熱膨脹計(jì)(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIAL CANNING CALORIMETRY)、流變儀(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONAL BRAID ANALYZER)等儀器來(lái)測(cè)定Tg值。
2 耐腐蝕性
由從事塑膠封裝電路的故障分析者所提出的故障成因中，以鋁條腐蝕(CORROSION OF ALUMINUN METALLIZATION)所占比例最高，因此耐腐蝕性實(shí)為封裝塑粉的首要考慮因素。
2．1腐蝕的成因
就環(huán)氧樹(shù)脂塑粉而言，造成鋁條腐蝕的主因?yàn)樗芊壑兴穆入x子及可水解性氯(HYDROLYZABLE CHLORIDE)。當(dāng)大氣中的濕氣經(jīng)由樹(shù)脂本身及其與引線腳(LEAD)間的界面，擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體的內(nèi)部，這些侵入的水氣會(huì)與樹(shù)脂中的離子性不純物結(jié)合，特別是C1-，而增加不純物的游動(dòng)性(MOBILITY)。當(dāng)這些不純物到達(dá)晶片表面時(shí)，即與鋁條形成腐蝕反應(yīng)，破壞極薄的鋁層，造成半導(dǎo)體的故障。
2．2腐蝕的防止
(1)降低不純物含量
對(duì)半導(dǎo)體封裝業(yè)者而言，選擇低氯離子含量的封裝膠粉是必要的。目前一般塑粉中離子性不純物的含量均在10ppm以下。環(huán)氧脂由于在合成過(guò)程中使用EPICHLOROHYDRIN，因此無(wú)法避免有氯離子的存在，因此樹(shù)脂要經(jīng)純化去除大部分氯離子后，再用來(lái)生產(chǎn)封裝塑粉。表3為日本廠家的環(huán)氧樹(shù)脂封裝膠粉的離子含量及電導(dǎo)度。
(2)添加腐蝕抑制劑(CORROSION INHIBITOR)
在膠粉添加腐蝕抑制劑能減低鋁條的腐蝕速率，干擾陽(yáng)極或陰極的腐蝕反應(yīng)，因而降低腐蝕全反應(yīng)(OVERALL REACTION)的速率。所選用的抑制劑要具有如下的性質(zhì)： ①抑制劑中不能含有對(duì)電路工作有害的離子； ②加入抑制劑后所增加的離子電導(dǎo)度不能產(chǎn)生有害于電路的副反應(yīng)； ③抑制劑需能形成錯(cuò)合物(COMPLEX)； ④對(duì)有機(jī)系抑制劑而言，不能與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)，在移送面形成硬化過(guò)程中具有安定性； ⑤對(duì)無(wú)機(jī)系抑制劑而言，其所產(chǎn)生的離子不可滲入Si或SiO：絕緣層中，以免影響電路的工作。
一般以無(wú)機(jī)系腐蝕抑制劑的效果最佳。其中以鎢酸銨(AMMONIUM TUNGSTATE)、檸檬酸鈣(CALCIUM CITRATE)為常用。
3 低的熱膨脹系數(shù)(CTE，COEFFICTENT OF THERMAL EXPANSION)
在前面我們已經(jīng)提過(guò)由于樹(shù)脂與埋人件CTE的不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成成品破裂的原因。在此我們將詳細(xì)介紹CTE對(duì)膠粉影響。
3．1 GTE與內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系
內(nèi)應(yīng)力可用DANNENBERG’S方程式表示：
σ：內(nèi)應(yīng)力(internal stress) O：熱膨脹系數(shù)(CTE) E：彈性模數(shù)(elastic modulus) S：截面積(cross section area) R：樹(shù)脂(resin)：埋人件，框架，晶片口nsert component，leadframe,chip) 由方程式(4)中，我們可清楚的看出樹(shù)脂與埋人件之間的CTE差愈大，所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也就愈大。由內(nèi)應(yīng)力所引起的龜裂(CRACK)將成為外部濕氣及污染侵入的通路，進(jìn)一步造成元件的故障，因此環(huán)氧樹(shù)脂膠粉必須具有低的CTE值。目前也有人從降低彈性模數(shù)來(lái)使內(nèi)應(yīng)力變小。 4．3．2影響CTE的因素 CTE值可由Tg或交聯(lián)密度來(lái)加以控制。此外，以下各因素也會(huì)影響CTE： 1)濕氣污染；
2)可塑劑或潤(rùn)滑劑的流失；
3)應(yīng)力的消失；
4)未反應(yīng)的化學(xué)品；
5)后硬化的時(shí)間與溫度。
對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂塑粉而言，要擁有低CTE值必須從填充料上面來(lái)著手。一個(gè)塑粉配方工程師必須將Tg及CTE常記在心，作為參考及尋找問(wèn)題的工具，因?yàn)榈偷腃TE及高的Tg對(duì)熱沖擊抵抗性而言是十分重要的。4 成形性
廣義的成形性包括半導(dǎo)體封裝后的尺寸安定性、離型性(脫模)、加工成形時(shí)的流動(dòng)性等等。 4．4．1流動(dòng)性與漩流試驗(yàn)(SPIRAL FlOW TEST)
由于膠粉本身是部分交聯(lián)的B-STAGE樹(shù)脂，若貯存不當(dāng)或貯存過(guò)久會(huì)增加膠粉交聯(lián)硬化的程度，而造成流動(dòng)性的降低，此時(shí)即該丟棄此流動(dòng)性變差的膠粉。一般以漩流實(shí)驗(yàn)所得漩流值的大小來(lái)判斷流動(dòng)性的好壞，目前封裝采用的規(guī)格是25-35寸。漩流值過(guò)低表示膠粉的流動(dòng)性差，成形時(shí)將無(wú)法灌滿模子；漩流值過(guò)高表示膠粉的流動(dòng)性太大，容易將埋人件的金屬細(xì)線沖斷并會(huì)產(chǎn)生溢膠現(xiàn)象。
4．2 DSC與塑粉流動(dòng)性
除了漩流試驗(yàn)之外，我們也可利用微差掃瞄式卡計(jì)(DSC)來(lái)測(cè)知膠粉是否仍然具有好的流動(dòng)性。
第一個(gè)放熱峰為膠粉硬化時(shí)所放出的聚合反應(yīng)熱，此放熱峰愈高表示膠粉的反應(yīng)熱愈多，也代表膠粉貯存時(shí)硬化的程度少，因此具有良好的流動(dòng)性。放熱峰愈低表示膠粉已大部分硬化，只能放出少量反應(yīng)熱，代表膠粉已失去流動(dòng)性。利用以上原理，我們可以找出放熱峰高度與漩流值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
如果所貯存的膠粉經(jīng)DSC分析后發(fā)現(xiàn)放熱峰高度減少10％以上，表示膠粉已失去良好流動(dòng)性，宜丟棄不再使用。
5 電氣特性
電氣性對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠粉而言是一種相當(dāng)重要的性質(zhì)，而介電特性(DIELECTRIC PROPERTY)為考慮重點(diǎn)。對(duì)封裝材料而言，介電常數(shù)(DIELECTRIC CONSTANT)愈小其電絕緣性愈佳。介電常數(shù)會(huì)受頻率的改變、溫度、濕度的影響。介電常數(shù)的變化遠(yuǎn)比介電常數(shù)的起始值來(lái)得重要。 此外，成品的密閉封裝是很重要的，將直接影響到電學(xué)性質(zhì)。若成品封裝不全有空隙存在，除了提供濕氣污染的通路外，在接受電壓時(shí)會(huì)發(fā)生電暈(CORONA)，使電場(chǎng)集中在空隙前端，引起內(nèi)部放電而造成絕緣破壞。
6 耐濕性
濕氣侵入半導(dǎo)體元件中與離子性不純物作用，降低絕緣性，使漏電流增加并腐蝕鋁路，此為信賴度降低的主因。濕氣侵入封裝成品中的路徑有兩條：
●由樹(shù)脂整體(BULK OF PLASTIC)的表面擴(kuò)散進(jìn)入；
●經(jīng)由樹(shù)脂與IC腳架間的界面，以毛細(xì)現(xiàn)象侵入。
取一個(gè)14腳的DIP(DUAl+IN LINE PACKAGE)，在上方打開(kāi)一個(gè)孔洞，孔底可達(dá)晶片表面，再將一個(gè)設(shè)有氣體出入口的容器接在DIP的孔洞之上并密封之，然后將此裝置浸在100％RH的水蒸氣或水中，容器內(nèi)通人干燥的氮?dú)?0％RH)，水氣即會(huì)依上述兩種途徑侵入而進(jìn)入容器中，我們利用偵測(cè)器測(cè)出流出氮?dú)庵兴械乃畾�，而得到全�?兩種水氣滲透速率之和)的水氣滲透率Pt。Pt是經(jīng)由樹(shù)脂整體侵入的水氣滲透速率Pb及經(jīng)由界面毛細(xì)侵入的水氣滲透速率P1之和，及Pt=Pb+P1。我們可取相同材料的樹(shù)脂封住容器的底部，以同樣方法測(cè) 出Pb，再將Pt與Pb相減即可求出Pl之值。
利用上述方法對(duì)塑粉進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)HARRISON的說(shuō)法，元件若要具有10年的動(dòng)作壽命保證，則Pl值應(yīng)該在70以下。我們不妨利用此方法來(lái)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠粉進(jìn)行耐濕性評(píng)估。
7 硬化時(shí)的放熱
塑粉在硬化時(shí)會(huì)放出聚合反應(yīng)熱，如果配方調(diào)配不當(dāng)發(fā)熱量太大時(shí)會(huì)造成龜裂并給予元件應(yīng)力。因此化學(xué)工程師在進(jìn)行塑粉配方研究時(shí)應(yīng)考慮硬化放熱量不可過(guò)大。
事實(shí)上塑粉的交聯(lián)可分成兩個(gè)階段。先膠化，再硬化。低分子量的樹(shù)脂膠化的速度比高分子量者快。促進(jìn)劑的濃度小，則膠化時(shí)間由熱或動(dòng)力決定；如果促進(jìn)劑的濃度大，則膠化時(shí)間由分子擴(kuò)散至正確的反應(yīng)位置決定：
●欲快速膠化則增加熱量，所得材料具有低交聯(lián)密度、高CTE、熱收縮性大。
●欲慢速膠化，則減少熱量，所得材料具有較高交聯(lián)密度、低CTE及較小的熱收縮。
8 抗燃性
在UL規(guī)格中是以94 V-O為標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)氧樹(shù)脂塑粉均能滿足此一規(guī)格。
9 接著性與脫模性
前面已經(jīng)提過(guò)脫模劑的用量增加，樹(shù)脂的接著力會(huì)降低。若是脫模劑的添加量減少，雖然可使樹(shù)脂與腳架引線的接著力提高，但是模具和成形品間的接著力也增加，造成脫模的困難。因此脫模劑的添加量要選擇接著性與脫模性兼顧者為宜。
10 低α粒子效應(yīng) (LOWα-PARTICLE EFFEC)
環(huán)氧樹(shù)脂膠粉中采用二氧化硅為填充料，而二氧化硅是自然界的礦物，含有微量的鈾、釷等放射性元素。這些放射性元素在蛻變過(guò)程中會(huì)放出α粒子。DYNAMIC RAM’S及CCD’S等牛導(dǎo)體元件會(huì)受α粒子的影響而發(fā)生軟性錯(cuò)誤(SOFF ERROR)。STATIC RAM’S、ROM’S、PROM’S及EPROM’S等元件則不受。粒子的影響。
當(dāng)α粒子經(jīng)過(guò)活性元件區(qū)域(ACTIVE DEVICE REGIONS)時(shí)，會(huì)在電子與空穴重新結(jié)合之 前，使N-區(qū)域收集電子P-區(qū)域收集空穴。如果在一特定的區(qū)域收集到足夠的電荷，將會(huì)擾亂所貯存的資料或邏輯狀態(tài)(LOGIC STATES)。如果所收集和產(chǎn)生的電子數(shù)超過(guò)臨界電荷的話，即造成所謂的軟性錯(cuò)誤。
除了填充料之外，基板(SUBSTRATE)、鋁條(METALLIZATION)也會(huì)放出α粒子，但是以填充料為α。粒子的主要產(chǎn)生來(lái)源。為了避免α粒子效應(yīng)除了可用聚亞酸胺(POLYIMIDE)作為保護(hù)涂膜之外，可采用低放射性元素含量的二氧化硅當(dāng)做填充料。日本已有生產(chǎn)放射性元素含量在1ppb以下的二氧化硅，這些二氧化硅是經(jīng)過(guò)純化精煉的，價(jià)格也較高。對(duì)高可*度牛導(dǎo)體元件而言，必須設(shè)法避免α粒子效應(yīng)。
11 長(zhǎng)期保存性
目前大多數(shù)膠粉的膠化時(shí)間約在30秒左右，硬化成形后通常需要后硬化，并且又需冷藏貯存。若要發(fā)展出能快速硬化，又能在室溫(MAX40-45℃)保存六個(gè)月以上而不失膠粉的流動(dòng)性，則一定要在潛在性促進(jìn)劑上加以研究與改良。
本文僅對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂封裝膠基本特性做一簡(jiǎn)單的介紹，但愿能使半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)塑粉的組成有一概括性的了解，更期望為同行們?cè)谶x擇環(huán)氧樹(shù)脂、研究封裝機(jī)理方面有所啟發(fā)。 |
