1.電子封裝的功能及類(lèi)型

    半導(dǎo)體微電子技術(shù)為現(xiàn)代科技、軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們的日常工作與生活開(kāi)創(chuàng)了前所未有的發(fā)展基礎(chǔ)和條件，一直保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭，半導(dǎo)體工業(yè)的年產(chǎn)值一般均以10%以上的速度逐年遞增。電子封裝伴隨著電路、器件和元件的產(chǎn)生而產(chǎn)生，伴隨其發(fā)展而發(fā)展，最終發(fā)展成當(dāng)今的封裝行業(yè)。在電子技術(shù)日新月異的變化潮流下，集成電路正向著超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能的方向迅速發(fā)展，因而，對(duì)集成電路的封裝也提出了愈來(lái)愈高的要求。而集成電路封裝技術(shù)的進(jìn)步又極大地促進(jìn)了集成電路水平的提高，深刻地影響著集成電路前進(jìn)的步伐。

    半導(dǎo)體芯片只是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體，為完成它的電路功能，必須與其他芯片、外引線(xiàn)連接起來(lái)。由于現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，集成度迅猛增加，一個(gè)芯片上引出線(xiàn)高達(dá)千條以上，信號(hào)傳輸時(shí)間、信號(hào)完整性成為十分重要的問(wèn)題。集成度的增加，使芯片上能量急劇增加，每個(gè)芯片上每秒產(chǎn)生的熱量高達(dá)10J以上，因而如何及時(shí)散熱使電路在正常溫度下工作，成為一個(gè)重要問(wèn)題。有些電路在惡劣的環(huán)境（水汽、化學(xué)介質(zhì)、輻射、振動(dòng)）下工作，這就需要對(duì)電路進(jìn)行特殊的保護(hù)。由此可見(jiàn)，要充分發(fā)揮半導(dǎo)體芯片的功能，對(duì)半導(dǎo)體集成電路和器件的封裝是必不可少的。電子封裝的四大功能為：①為半導(dǎo)體芯片提供信號(hào)的輸入和輸出通路；②提供熱通路，散逸半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量；③接通半導(dǎo)體芯片的電流通路；④提供機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)。

    可以說(shuō)，電子封裝直接影響著集成電路和器件的電、熱、光和力學(xué)性能，還影響其可靠性和成本。同時(shí)，電子封裝對(duì)系統(tǒng)的小型化常起到關(guān)鍵作用。因此，集成電路和器件要求電子封裝具有優(yōu)良的電性能、熱性能、力學(xué)性能和光性能，同時(shí)還必須具有高的可靠性和低的成本?？梢哉f(shuō)，無(wú)論在軍用電子元器件中，還是在民用消費(fèi)類(lèi)電路中，電子封裝都有著舉足輕重的地位，概括起來(lái)即基礎(chǔ)地位、先行地位和制約地位。

    集成電路越發(fā)展越顯示出電子封裝的重要作用。一般說(shuō)來(lái)，有一代整機(jī)，便有一代電路和一代電子封裝。要發(fā)展微電子技術(shù)，要發(fā)展大規(guī)模集成電路，必須解決好三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：芯片設(shè)計(jì)、芯片制造加工工藝和封裝，三者缺一不可，必須協(xié)調(diào)發(fā)展。

    根據(jù)封裝材料的不同，電子封裝可分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝三種。其中后兩種為氣密性封裝，主要用于航天、航空及軍事領(lǐng)域，而塑料封裝則廣泛使用于民用領(lǐng)域。由于塑料封裝半導(dǎo)體芯片的材料成本低，又適合于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，近年來(lái)無(wú)論晶體管或集成電路都已越來(lái)越多地采用塑料封裝，陶瓷和金屬封裝正在迅速減少。隨著低應(yīng)力、低雜質(zhì)含量，高粘接強(qiáng)度塑封料的出現(xiàn)，部分塑料封裝的產(chǎn)品已可滿(mǎn)足許多在不太惡劣環(huán)境中工作的軍用系統(tǒng)的要求，這將使過(guò)去完全由陶瓷和金屬封裝一統(tǒng)天下的軍品微電子封裝也開(kāi)始發(fā)生變化?，F(xiàn)在，整個(gè)半導(dǎo)體器件90%以上都采用塑料封裝，而塑料封裝材料中90%以上是環(huán)氧塑封料，這說(shuō)明環(huán)氧塑封料已成為半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的重要支柱之一。

    電子材料是發(fā)展微電子工業(yè)的基礎(chǔ)，作為生產(chǎn)集成電路的主要結(jié)構(gòu)材料———環(huán)氧塑封料隨著芯片技術(shù)的發(fā)展也正在飛速發(fā)展，并且塑封料技術(shù)的發(fā)展將大大促進(jìn)微電子工業(yè)的發(fā)展。目前集成電路正向高集成化、布線(xiàn)細(xì)微化、芯片大型化及表面安裝技術(shù)發(fā)展，與此相適應(yīng)的塑封料研究開(kāi)發(fā)趨勢(shì)是使材料具有高純度、低應(yīng)力、低膨脹、低!射線(xiàn)、高耐熱等性能特征。

用于塑料封裝的樹(shù)脂的選擇原則是：

    （1）在寬的溫度、頻率范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的介電性能。

    （2）具有較好的耐熱性、耐寒性、耐濕性、耐大氣性、耐輻射性以及散熱性。

    （3）具有與金屬、非金屬材料基本相匹配的熱膨脹系數(shù)，粘接性好。

    （4）固化過(guò)程中收縮率要小，尺寸要穩(wěn)定。

    （5）不能污染半導(dǎo)體器件表面及具有較好的加工性能。

    環(huán)氧塑封料是由環(huán)氧樹(shù)脂及其固化劑酚醛樹(shù)脂等組分組成的模塑粉，它在熱的作用下交聯(lián)固化成為熱固性塑料，在注塑成形過(guò)程中將半導(dǎo)體芯片包埋在其中，并賦予它一定結(jié)構(gòu)外形，成為塑料封裝的半導(dǎo)體器件。它是國(guó)外在20世紀(jì)70年代初研究開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。用塑料封裝方法生產(chǎn)晶體管、集成電路（IC）、大規(guī)模集成電路（LIC）、超大規(guī)模集成電路（VLIC）等在國(guó)內(nèi)外已廣泛使用并成為主流。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界每年用于封裝用的環(huán)氧塑封料大約15～17萬(wàn)t，其中日本產(chǎn)量最多，居世界第一。

    2.集成電路的封裝對(duì)環(huán)氧塑封料性能的要求

    半導(dǎo)體工業(yè)從器件的可靠性，成形性出發(fā)，對(duì)環(huán)氧塑封料性能提出越來(lái)越高的要求。主要是高耐潮、低應(yīng)力、低α射線(xiàn)，耐浸焊和回流焊，塑封工藝性能好。

    （1）高耐潮   塑料封裝從本質(zhì)上說(shuō)是一種非氣密性封裝。樹(shù)脂是高分子材料，其分子間距為50～200nm，這種間距大得足以讓水分子滲透過(guò)去。水分進(jìn)人半導(dǎo)體器件的途徑有兩條：①?gòu)臉?shù)脂本身滲透過(guò)去到達(dá)芯片；②從樹(shù)脂和引線(xiàn)框架的界面處浸入而到達(dá)芯片。在水存在的情況下，塑封料中若含有離子性雜質(zhì)如Na⁺、Cl^-等，則會(huì)由于電化學(xué)反應(yīng)而腐蝕芯片上的鋁布線(xiàn)。這些雜質(zhì)主要來(lái)自原材料，生產(chǎn)使用過(guò)程也會(huì)混入。因?yàn)殇X為兩性金屬，酸性和堿性環(huán)境下都可以導(dǎo)致其腐蝕。目前使用較多的環(huán)氧塑封料的pH值多小于7，鋁的腐蝕多為氯離子所致。降低氯離子的方法主要是，從環(huán)氧樹(shù)脂的生產(chǎn)工藝人手控制可水解氯含量，提純?cè)牧喜⒆畲笙薅鹊亟档退芊饬现械乃?。近些年?lái)最新的方法是加入離子捕捉劑和鋁保護(hù)劑等。另外，環(huán)氧塑封料中填充料二氧化硅微粉的含量約占總量的70%～85%，因此硅微粉的純度是影響塑封料純度的重要因素。硅微粉中的Na⁺、Cl^-含量要求小于2×10^-6，F(xiàn)e³⁺含量小于10×10^-6。

    目前，除降低雜質(zhì)離子含量外，提高耐濕性主要依靠加入經(jīng)過(guò)表面處理的填料，使水分滲透到芯片的距離盡可能延長(zhǎng)。加人偶聯(lián)劑可提高塑封料與引線(xiàn)框架的粘接力，使水分不易從塑封料與框架的界面處滲透到芯片。

    （2）低應(yīng)力構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路器件的材料很多，如硅芯片、表面鈍化膜、引線(xiàn)框架等，它們與環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)相差很大。加熱固化時(shí)，因熱膨脹系數(shù)的差異而使器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致：①塑封料開(kāi)裂；②表面鈍化膜開(kāi)裂，鋁布線(xiàn)滑動(dòng)，電性能變壞；③界面處形成裂縫，耐濕性變差；④封裝器件翹曲。影響熱應(yīng)力大小的因素和降低應(yīng)力的方法請(qǐng)看8.4.5之5.低應(yīng)力型一節(jié)。

    （3）低α射線(xiàn)1978年Intel公司的T.C.May等人發(fā)現(xiàn)封裝材料中的放射性元素放出的α射線(xiàn)會(huì)使集成電路中存貯的信息破壞，集成電路不能正常工作，產(chǎn)生軟誤差。解決方法見(jiàn)8.4.5節(jié)第6款低α射線(xiàn)型一節(jié)。

    （4）耐浸焊和回流焊性在表面安裝（SMT）過(guò)程中，焊接時(shí)封裝外殼溫度高達(dá)215～260℃，如果封裝產(chǎn)品處于吸濕狀態(tài)，當(dāng)水分氣化產(chǎn)生的蒸汽壓力大于封裝材料的破壞強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致封裝產(chǎn)品內(nèi)部剝離或封裝件開(kāi)裂。由此可見(jiàn)，提高樹(shù)脂的耐濕性；提高封裝材料在200℃以上時(shí)的強(qiáng)度和其與芯片、引線(xiàn)框架的粘附力；降低塑封料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量是提高環(huán)氧塑封料耐浸焊性和回流焊性的關(guān)鍵。主要方法有：

    1）增加填料含量。因?yàn)樘盍喜晃鼭?、透濕，但?huì)出現(xiàn)流動(dòng)性下降的問(wèn)題。

    2）降低樹(shù)脂本身的吸濕、透濕性，如引入烷基、氟基等憎水基。為了解決因官能團(tuán)的距離和立體障礙引起的反應(yīng)性下降問(wèn)題需選擇合適的固化劑和促進(jìn)劑。

    3）正確選擇固化促進(jìn)劑，使基體樹(shù)脂與固化劑反應(yīng)交聯(lián)更緊密。

    4）引入耐熱性?xún)?yōu)異的多官能團(tuán)環(huán)氧樹(shù)脂，從而提高其高溫強(qiáng)度。但要防止耐濕性下降。

    （5）成型性好通過(guò)對(duì)環(huán)氧模塑料成型性能的不斷改進(jìn)，模塑料的脫模性和耐溢料性能得到了很大提高，成型時(shí)間縮短到20～30s，還出現(xiàn)了不需后固化的產(chǎn)品。

    3.電子級(jí)環(huán)氧模塑料發(fā)展歷程電子級(jí)環(huán)氧塑料的開(kāi)發(fā)過(guò)程見(jiàn)表5-5。

 

 

    早期曾用環(huán)氧-酸酐模塑料及硅酮樹(shù)脂模塑料和聚丁二烯樹(shù)脂模塑料，但因Tg較低，腐蝕鋁布線(xiàn)或因收縮率大，粘接性能及耐濕性較差而未得到應(yīng)用。

    1972年美國(guó)Morton化學(xué)公司報(bào)導(dǎo)了鄰甲酚醛環(huán)氧一酚醛樹(shù)脂體系模塑料被人們廣泛重視，此后人們一直沿著這個(gè)方向不斷研究改進(jìn)提高。不斷出現(xiàn)新產(chǎn)品。1975年出現(xiàn)了阻燃型環(huán)氧模塑料，1977年出現(xiàn)了低水解氯的環(huán)氧一酚醛模塑料，1982年出現(xiàn)了低應(yīng)力環(huán)氧模塑料，1985年出現(xiàn)了有機(jī)硅改性低應(yīng)力環(huán)氧模塑料，1995年前后出現(xiàn)了低膨脹、超低膨脹環(huán)氧模塑料、低翹曲的環(huán)氧模型料等等。隨著環(huán)氧模塑料性能不斷提高、新品種不斷出現(xiàn)，產(chǎn)量逐年增加，目前全世界年產(chǎn)量在15萬(wàn)t以上，我國(guó)年產(chǎn)量5000t左右。由于塑料封裝半導(dǎo)體器件價(jià)格低，又適合大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，所以越來(lái)越多地采用塑料封裝生產(chǎn)，目前在全世界范圍內(nèi)塑封半導(dǎo)體器件產(chǎn)品占市場(chǎng)總量的93%～95%。而陶瓷和金屬封裝正在迅速減少。由于塑封半導(dǎo)體器件可靠性大幅度提高，在許多不太惡劣環(huán)境下也可以滿(mǎn)足軍用系統(tǒng)的要求。塑料封裝生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管，集成電路（IC）、大規(guī)模集成電路（LSI），超大特大規(guī)模集成電路（VLSI、UL.SI）等。

    1976年中科院化學(xué)所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)拓環(huán)氧塑封料研究領(lǐng)域，于1983年研制成功KH407型鄰甲酚醛環(huán)氧模塑料并通過(guò)部級(jí)技術(shù)鑒定，此后又連續(xù)承擔(dān)了國(guó)家“七五”、“八五“、“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目：5μm技術(shù)用環(huán)氧塑封料的研制與中試；LSI用環(huán)氧塑封料制造技術(shù)研究； 0.5μm技術(shù)用環(huán)氧塑封料的研制與中試；0.35μm技術(shù)用環(huán)氧塑封料的研制，這些研究項(xiàng)目均通過(guò)部級(jí)技術(shù)鑒定與驗(yàn)收。研制成功KH407、KH850、KH950系列產(chǎn)品，有普通型、快速固化型、高熱導(dǎo)型、低應(yīng)力型、低膨脹型、低翹曲型等多種類(lèi)型環(huán)氧模塑料。這些產(chǎn)品廣泛用于塑封半導(dǎo)體分立器件、集成電路，大規(guī)模超大規(guī)模集成電路。不久前首鋼日電電子有限公司給化學(xué)所做了一次塑封超大規(guī)模集成電路的考核試驗(yàn)，用KH950—2、KH950—3在自動(dòng)塑封模上塑封線(xiàn)寬為0.35μM的芯片1200片，生產(chǎn)集成電路1200塊，綜合成品率97.6%。并按NEC考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的可靠性考核，其結(jié)果是所有考核項(xiàng)目全部合格，經(jīng)超聲掃描檢查未發(fā)現(xiàn)有剝離現(xiàn)象?？己私Y(jié)果見(jiàn)表5-6。

    中科院化學(xué)所在研究模塑料的同時(shí)還開(kāi)展了制造工藝技術(shù)研究，掌握該材料的制備技術(shù)工藝條件，并建成了規(guī)模為1500t/a中試生產(chǎn)線(xiàn)。為了推進(jìn)我國(guó)環(huán)氧模塑料工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，1984年化學(xué)所將環(huán)氧模塑料制備技術(shù)轉(zhuǎn)讓給現(xiàn)在的連云港華威電子集團(tuán)公司，1996年轉(zhuǎn)讓給長(zhǎng)興電子材料（昆山）有限公司，如今他們都已建成了生產(chǎn)規(guī)模為千噸級(jí)現(xiàn)代化工廠(chǎng)。

 

 

    4.電子級(jí)環(huán)氧模塑料的分類(lèi)、型號(hào)及用途   電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/P11197—1999規(guī)定見(jiàn)表5-7。