浅谈IC封装材料对产品分层的影响及改善

浅谈IC封装材料对产品分层的影响及改善蔺兴江;张宏杰;张易勒【摘要】IC封装不仅要求封装材料具有优良的导电性能、导热性能以及机械性能,还要求具有高可靠性、低成本和环保性,这也是引线框架、环氧树脂成为现代电子封装主流材料的主要原因,其市场份额约占整个封装材料市场的95％以上.由于环氧树脂封装是非气密性封装,对外界环境的耐受能力较差,尤其是受到湿气侵入时,产品会出现一些可靠性问题,最容易发生的现象是分层.简要分析了框架和环氧树脂对产品可靠性的影响,在此基础上提出一些改善措施.【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2013(042)012【总页数】6页(P1-5,30)【关键词】环氧树脂;封装;分层【作者】蔺兴江;张宏杰;张易勒【作者单位】天水华天科技股份有限公司,甘肃天水741000;天水华天科技股份有限公司,甘肃天水741000;天水华天科技股份有限公司,甘肃天水741000【正文语种】中文【中图分类】TN604微电子器件封装中往往都要使用多种不同热膨胀系数的材料，由于材料间的热失配及制造和使用过程中的温度变化，使得各种材料及界面都将承受不同的热应力。

层间界面热应力和端部处的热应力集中常常造成封装结构的分层破坏，形成界面分层，从而导致封装结构的失效。

对封装件的应力分析是对封装材料、工艺和可靠性评价的重要内容之一，因而分析判断封装材料在封装和使用过程中产生应力的影响具有重要的意义，本文主要就引线框架和环氧树脂等主要封装材料对产品分层的影响进行分析和探讨。

框架是模塑封装的骨架，它主要由两部分组成：芯片焊盘（die paddle）和引脚（lead finger）。

其中芯片焊盘在封装过程中为芯片提供机械支撑，而引脚则是连接芯片到封装外的电学通路，就引脚而言，每一个引脚末端都与芯片上的一个焊盘通过引线相连接，该端称为内引脚（inner finger），引脚的另一端就是所谓管脚，它提供与基板或PC板的机械和电学连接。

框架通常都是由合金材料制成，加工方法为冲压法和蚀刻法。

通常的框架材料是铜合金材料和铁镍合金（也称合金42，一般情况下镍的含量为42%，铁的含量为58%）。

除此之外现今各种各样的复合材料层出不穷，但是应用的范围还比较狭窄，一是由于技术上还不够完善，其次就是价格因素。

框架材料一般是金属合金，在封装中主要是关注它们的粘接性、热膨胀系数（CET）、强度以及电导率。

下面我们将分别讨论框架材料的这些性质特性，同时对不同材料的这些特性进行比较说明，表1为铜材料分类，表2为铜材料特性，表3为铜材料的组成成分。

环氧树脂是一种多组分的高分子复合材料，其中包括多种有机成分和无机成分。

环氧树脂的基本组分以及各组分的主要作用见表4。

在电子封装中，分层是可靠性评价的一个主要方面。

分层是产品塑封体内部各界面之间发生了微小的剥离或裂缝，一般在1～2 μm以上，主要发生的区域包括：环氧树脂与芯片界面、环氧树脂与载片界面、环氧树脂与引线框架界面、芯片与银浆界面、银浆与引线框架界面之间，如图1所示。

导致分层的因素很多，从环氧树脂的角度来说，一般认为主要是由于内部应力变化和内部水分的蒸汽压力造成的[1]。

当封装体在环境温度变化时，内部应力和水分的蒸汽压力之和大于环氧树脂与芯片、载片以及框架表面之间的粘接力，以致于使它们的界面之间出现剥离现象，严重时还会导致环氧树脂或芯片出现裂纹，如图2所示。

在塑封体内部产生分层的原因中，一般认为框架、环氧树脂的特性是导致塑封体内部分层的主要原因。

在封装中，我们主要注意框架的粘接性、热膨胀系数（CET）、强度以及电导率等性能对塑封体内部分层影响，同时环氧树脂的延展率、环氧树脂的吸湿性和环氧树脂的粘接性也是对分层影响较大的因素，当然还有导电胶，芯片等。

在考虑选择材料时，最重要的是框架与塑封材料的粘合性。

这种粘合性仅靠物理键合是不够的，化学的键合也非常必要。

一般认为，铁镍合金与环氧塑封材料的粘合性比铜合金要好一些，是因为在其表面不易生成起钝化作用的氧化层。

但是事实上，铜合金的微氧化促进了铜与塑封材料的粘接性，氧化铜结构比较疏松，影响了机械强度，导致在铜与氧化铜之间容易产生断裂，而不是铜与环氧树脂之间。

所以在选择材料的时候，要充分对比其优缺点，选择更为合适的材料。

框架与塑料材料的粘接性之所以如此重要，原因在于如果其粘接失效，就会在界面上发生分层现象（delamination），这样，空气中的水分、各种离子以及塑封材料表面的离子杂质就会直接进入封装模块，从而影响到引线键合处，引起引线键合锈蚀失效等问题，所以粘接性是考虑框架材料选择的一个很重要因素。

在上文中我们已经提到，就塑封材料的粘接性而言铜合金要优于铁镍合金。

由于现在铜合金框架材料的应用越来越广泛，所以对铜合金表面的改进也越来越多。

研究表明，在铜框架表面涂一层聚合物，这种聚合物与铜合金和环氧塑封材料都有良好的粘合作用，这样可以大大提高铜框架的粘接性。

不同的材料的热膨胀系数是有一定差别的，硅的热膨胀系数是（2.3～2.6）×10-6，而环氧树脂的热膨胀系数为（16～20）×10-6。

由以上数据可看出，硅的热膨胀系数和环氧塑封料的热膨胀系数相差甚多，CET失配就会引起封装模块开裂、分层等问题,因此，根据器件的性能仔细挑选具有合适热膨胀系数的框架材料是极为重要的。

合金 42（铁镍合金）的 CET 为（4.0～4.7）×10-6，铜合金的CET在（17～18）×10-6。

从上面的数据可看出，合金42的CET与芯片（表面为硅材料）的CET较为匹配，而铜合金的CET与环氧塑封料的CET较为接近。

在解决了框架的粘接性问题之后，为了降低由于热膨胀系数失配所引起的热应力，通常行业内更倾向于选择铜合金作为框架材料。

框架的功能之一就是散热，芯片在工作过程中会产生一定的热量，其中大部分是通过框架散发出去的，这是因为塑封料的导热能力相当差。

在热学性能方面，铜合金的优势显得极为明显，要比铁镍合金的导热能力高10倍以上，这也是现在铜合金框架材料使用的越来越广泛的原因之一。

由于构成集成电路的材料很多，包括芯片、引线框架、金丝、载片、导电胶等，它们与环氧树脂的热膨胀系数相差很大，在环境温度变化时，因它们热膨胀系数的差异而使塑封体内部产生应力，应力的产生会引起界面分层、胶体翘曲、表面钝化膜开裂、铝布线滑动等不良现象。

环氧树脂的应力计算为：式中：K1、K2是常数，a1、a2是环氧树脂的热膨胀系数，E是环氧树脂的弹性模量，dT是温度变化，从公式可以看出，影响环氧树脂的应力因素有：环氧树脂的热膨胀系数、环氧树脂的弹性模量和环氧树脂的玻璃化温度，但是降低环氧树脂的玻璃化温度会降低材料的机械性能，所以降低环氧树脂的热膨胀系数和弹性模量是降低环氧树脂应力的有效方法。

（1）加大环氧树脂填充材料的含量，可以降低热膨胀系数。

填料不仅能够起增加导热、支撑的作用，而且还能降低环氧树脂的热膨胀系数和封装成本。

目前所使用的填充材料主要是二氧化硅，其热膨胀系数为6×10-7℃-1，而环氧树脂的热膨胀系数大约是6×10-5℃-1，两者相差100倍。

所以要降低环氧树脂的热膨胀系数，必须加大填充材料的含量（见表5）。

（2）添加应力吸收剂，可以有效降低环氧树脂的弹性模量。

研究表明使用一种添加剂既可以降低热应力，又可以有效降低环氧树脂的弹性模量，所以也称为应力吸收剂。

目前所使用的应力吸收剂主要是一种硅油或硅橡胶，它可以有效降低这种热应力和环氧树脂的弹性模量，另外，研究发现使用角形填料也会使应力集中，而形成一种角应力，所以球形填料比角形填料有更低的应力表现，使用应力吸收剂也会有效地降低这种角应力。

应力吸收剂对环氧树脂的应力和分层的影响情况列于表6。

总之，降低环氧树脂的热膨胀系数和弹性模量，可以有效降低环氧树脂内部应力，从而改善因应力而产生的分层现象。

环氧树脂是一种多组分的高分子材料，其中环氧树脂的分子间距为50～200 nm，这种间距足可以让水分子渗透进去，树脂封装是一种非气密性的封装，水分可以不同程度地进入塑封体内部，进入塑封体内部的途径主要是环氧树脂本身的渗透和环氧树脂与引线框架界面之间的侵入，在塑封体内部中，水分会因环境温度升高而产生蒸汽压，当这种蒸汽压力大于环氧树脂、芯片、框架、载片等表面之间的粘接力时，就会形成分层现象。

改善这种环氧树脂的吸湿性能的方法主要有：（1）选择低吸湿的环氧树脂；（2）加大环氧树脂的填料含量；（3）提高环氧树脂内部的交联密度。

可以通过对二氧化硅表面进行改性处理，常用偶联剂来改善无机二氧化硅表面与其他有机材料表面的相容性，有利于阻止水分的侵入，还可以选择一些多功能团的环氧树脂和固化剂体系，来提高交联反应的密度，改善环氧树脂防止水分侵入的能力，以降低环氧树脂的吸湿性能。

偶联剂主要作用就是通过化学反应或者化学吸附的办法（如图3）来改变填料表面的物理化学性能，提高其在树脂和有机物中的分散性增进填料与树脂等基体界面的相容性，进而提高材料的力学性能，提高材料之间的结合。

在高温的情况下，水分会形成水汽膨胀而导致分层、断线、颈部裂纹，甚至造成胶体或芯片开裂，以致于集成电路或器件失效，如图4所示。

在塑封体内部，环氧树脂与芯片、引线框架、载片等表面之间都存在界面粘接问题，如果粘接不良就会出现所谓的分层现象。

因此，提高环氧树脂的粘接性能对改善塑封体内部分层现象是非常重要的。

从本质上讲，提高粘接性就是提高界面层反应的牢固程度。

研究表明不同种类的环氧树脂与树脂的含量对环氧树脂的粘接强度有很大的影响，一般来说软质结构的环氧树脂比硬质结构的环氧树脂更容易与固体表面结合，联苯型环氧树脂是一种较好的选择。

联苯型环氧树脂由于处于单分子的结晶态，熔融黏度极低，可以大量填充球形硅微粉填料，可以使环氧树脂的热膨胀系数极大地降低。

联苯型环氧树脂是超低应力、低膨胀型树脂的首选基体树脂，缺点是价格昂贵，储存期较短，容易发生溢料。

另外，提高环氧树脂粘接性很重要的一方面，就是微量成分中偶联剂的使用。

在环氧树脂中，一般使用硅烷类偶联剂，其种类及配比是生产研制单位的一项核心技术，偶联剂的作用，就是改善界面的相容性，主要表现在以下两个方面：（1）二氧化硅与环氧树脂等有机界面。

实验数据也表明，偶联剂的加入与否，所形成的复合材料界面层是截然不同的，直接影响着环氧树脂的密封及粘接性能。

（2）环氧树脂与金属、芯片等界面。

此界面内（包含脱模剂及偶联剂，而脱模剂对环氧树脂与芯片及引线框架的粘接强度有很大的影响。

由于脱模剂在环氧树脂流动的同时，因其分子量小易流动，比其他树脂移动得快，能很快吸附在芯片及引线框架的表面从而影响环氧树脂与其表面的正常粘接，脱模剂量越大，其覆盖界面的面积越大，会严重影响环氧树脂与其他界面之间的粘接性。