封装树脂与PKG分层的关系

PKG 内部分层是电子封装中很普通的一种现象，也是必须要解决的一种主要缺陷，它会严重影响电子封装 的可靠性。造成和影响PKC分层的原因很多，对封装树脂与PKC分层的关系进行了深讨。经研究表明， 降低封装树脂的应力、改善封装树脂的吸湿性和提高封装树脂的粘接力是改善PKG内部分层现象的有效方 法。关键词：封装，可靠性，材料，树脂封装， PKC 分层中图分类号：TN104.2文献标识码：A文章编号：1004-4507 (2005) 08-0022-04电子封装不仅要求封装材料具有优良的电性能、热性能以及机械性能外，还要求具有很高的可靠性和低成 本，这也是封装树脂成为现代电子封装主流材料的主要原因，约占整个封装材料市场的 95%以上。但是由 于树脂封装是非气密性封装，对外界环境的耐受能力不是很强，特别是对湿气的侵入，所以在电子封装中 往往会出现一些可靠性问题，特别是分层现象。下面就封装树脂、PKC分层以及封装树脂与PKC分层的 关系进行分析和探讨。1 封装树脂的组成及其应用封装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多种无机成分。封装树脂的基本组分 以各组分的作用见表1 。震1封装欄脂的基本俎戒&作用塑分化例颅主委作用坏软鞫脂520界体柯酯、聚合*粘搖飙刑3-10倒联剂1尤机物和有机物的桥梁催化剂1加快交联反应速哽填死剂境料70-92提品物理性能S.綃由廊胀系数、吸加紺1威木添加剂1提舟睨模性曉、改雀流功性刑燃刑3提再材樹的阳燃性能ff色剂0.5鯛色1降低浙离的O-零岳境欝虽1號性休BH氐材料的膨SK冏力、fti屉丿粘接剂0,5提岛材料与異他金射左迴的枯接性2 分层的定义和机理2.1 分层的定义 在电子封装中，分层是可靠性评价的一个主要方面。分层是 PKG 内部各界面之间发生了微小的剥离或裂缝， 一般在I2 pm以上。主要发生的区域包括：封装树脂与芯片界面之间、封装树脂与载片界面之间、封装 树脂与引线框架界面之间、芯片与银浆界面之间、银浆与引线框架界面之间。芯丿JfKH 脂圍丨忙脅咼内荷怙枸2.2 分层的机理 导致分层的因素很多，从封装树脂的角度来说，一般认为主要是由于内部应力变化和内部水分造成的。当 封装体在环境温度变化时，内部应力的压力和水分的蒸汽压力大于封装树脂与芯片、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，严重时还会导致封装树脂或芯片出现裂纹，见图2。3 封装树脂与 PKG 分层分析在 PKG 内部分层产生的原因中，一般认为封装树脂的特性是导致 PKG 内部分层的主要原因。研究表明， 封装树脂的应力、吸湿性和粘接性是封装树脂对 PKG 分层影响的三大因素。3.1 降低封装树脂的应力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，它们与封装树脂的热膨胀 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PKG内部产生应力。应力的产生会引起 PKG 分层、 PKG 翘曲、表面钝化膜开裂、铝布线滑动等不良现象。封装树脂的应力计算公式：cr=KlJalEdT+K2j2EdT其中：K1、K2是常数，al、a2是封装树脂的热膨胀系数，E是封装树脂的弹性模量，dT是温度变化。 从公式可以看出，影响封装树脂的应力因素有：热膨胀系数、弹性模量和玻璃化温度。但是降低玻璃化温 度会降低材料的机械性能，所以降低热膨胀系数和弹性模量是降低封装树脂应力的有效方法。(1)加大封装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、支撑和降低成本作用， 而且还能降低封装树脂的热膨胀系数。目前所使用的填充材料主要是二氧化硅，其热膨胀系数为6x10-7 /C,而环氧树脂的热膨胀系数大约是6x10-5/T，两者相差100倍。所以要降低封装树脂的热膨胀系 数，必须加大填充材料的含量(见表 2)。虽然增加填料含量能够降低热膨胀系数和提高强度，但是同时也 会降低封装树脂的流动性和增加封装树脂的模量，所以在加大填充材料含量时要综合考虑。结晶型二氧化 硅具有高导热高膨胀特性，而熔融型/球型二氧化硅具有低导热低膨胀特性，所以使用熔融型/球型二氧 化硅能够得到更低热膨胀系数的封装树脂。同时球形填料比角形填料有更高的填充性，所以使用球形填料 能够得到更高填充含量的封装树脂，并且球形填料因形状比较规则还可以缓和角形填料尖端所造成的应力 集中，减小封装树脂对模具的磨损等。表2填料含对封装树脂热膨胀系數和PKG分层的影响封装树脂頃料7685&8热膨胀系数i221410xlO/T%643221PKG分层较多较少很少(2)添加应力吸收剂，可以有效降低封装树脂的弹性模量。研究表明使用一种添加剂既可以降低热应力，又 可以有效降低封装树脂的弹性模量，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，它可以有效地降低这种热应力和封装树脂的弹性模量。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的降低 这种角应力见表 3。表3应力吸收刑对封装树脂的应力和PKG分层的影响封装树脂 含量/強_应力吸收剂乞一1吁3_0应力 髙较低低卩KG分层较多较少少总之，降低封装树脂的热膨胀系数和弹性模量，可以有效降低封装树脂内部应力，以至于改善因应力而产 生的 PKG 分层现象。3.2 改善封装树脂的吸湿性封装树脂是一种多组分的高分子材料，其中的环氧树脂的分子间距为50200 nm,这种间距足够可以让 水分子渗透进去。树脂封装是一种非气密性的封装，水分可以不同程度的进入PKG内部，进入PKG内部 的途径主要是封装树脂本身的渗透和封装树脂与引线框架界面之间的侵入。在PKG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封装树脂、芯片、框架、载片等表面之间的粘接力时，就会 形成PKG分层现象。改善这种封装树脂的吸湿性能，主要有以下几种方法：(1)选择低吸湿的环氧树脂。环氧树脂的种类不同， 它的吸湿率也往往不同，一般来说，玻璃化温度低的环氧树脂具有较低的吸湿率，但是低玻璃化温度又会 带来其他的不良问题。所以选择低吸湿率而玻璃化温度又相对较高的环氧树脂很关键。 (2)加大封装树脂的 填料含量。在封装树脂中，环氧树脂是主要的吸湿物质，而填料二氧化硅的吸湿率很低，一般认为没有吸 湿率为 0。所以适当加大填料含量，不仅可以降低封装树脂的应力，还可以降低封装树脂的吸湿性能。 (3) 提高封装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。还可以选择一些多官能团的环氧树脂和固化 剂体系，来提高交联反应的密度，改善封装树脂的防止水分侵入的能力，以降低封装树脂的吸湿性能。另外，如果有水分的存在，封装树脂里的杂质离子CL-、Na+会发生电化学反应，而腐蚀芯片表面压焊块、Al 线条以及其它电化学腐蚀，见图 3。AI+4CI-A1CI4-+3e2AICI4-+6H20 一 2AI(OH)3+6H +8CI-si用？ 铝腐迪照片在高温的情况下，水分会形成水汽膨胀而导致PKG分层、断线、颈部裂纹，甚至造成PKG或芯片开裂, 以致于集成电路或器件失效，见图 4。IK朮甘侵入图4 水分陽帐导致裂蚁竝程水分膨胀 一3.3 提高封装树脂的粘接性在 PKG 内部，封装树脂与芯片、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PKG分层现象。因此，提高封装树脂的粘接性能对改善PKG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 封装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 面接合，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，提高封装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。在封装树脂中，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。二氧化硅为无机物，与环氧树脂等有机物的 相容性较差，所以在使用二氧化硅时，要对它进行表面改性处理，改变其表面的物理化学性质，提高与环 氧树脂等有机基体的界面相容性。研究表明，加入一种偶联剂后，利用FT-IR法，证明在SiO2/环氧树脂 界面确实发生了偶联反应，并形成了化学键。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，直接影响着封装树脂的密封及粘接性能。 (2)封装树脂与金属、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。由于脱模剂在封 装树脂流动的同时，因其分子量小易流动，比其它树脂移动的快，能很快吸附在芯片及引线框架的表面从 而影响封装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，会严重影响封装树脂与其 它界面之间的粘接性。所以我们一方面要尽可能减少脱模剂的量，另一方面可以通过添加不同种类的偶联剂，如硅烷偶联剂也是 分子量小且移动速度快，可吸附在界面上产生偶联反应，形成相对牢固的结合，从而提高封装树脂与其它 表面的粘接力。总之，使用对芯片、引线框架、载片等金属材料表面具有良好粘接性能的环氧树脂、偶联剂以及粘接剂， 并选择适当的脱模剂种类以及用量，可以大大提高封装树脂的粘接性能，以改善PKG内部分层现象。4 结论通过以上的分析与研究，我们可以得出以下结论：PKG内部分层是树脂封装的一种普遍现象，可以通过加 大填料含量、添加应力吸收剂来降低封装树脂的应力，以达到改善PKG内部分层现象；也可以通过选择低 吸湿性环氧树脂、加大填料含量、提高封装树脂的交联反应密度来降低封装树脂的吸湿性，以达到改善P KG 内部分层现象；还可以通过使用对芯片、引线框架、载片等金属材料表面具有良好粘接性能的环氧树 脂、偶联剂以及粘接剂，选择适当的脱模剂种类，并尽可能减少脱模剂的使用量，来提高封装树脂的粘接 性能，以达到改善PKG内部分层现象。当然，导致PKG内部分层的原因也很复杂，不仅要从封装树脂角 度来研究，还要从优化封装结构的设计、框架的设计、封装工艺的改善等诸多因素，进行综合分析与研究 才能有效的减少或者避免PKG内部分层现象的发生。