LED(半导体）封装

导体(led)封装业占据了国内集成电路产业的主体地位，如何选择电子封装材料的问题显得更加重要。根据资料显示，90％以上的晶体管及70％~80％的集成电路已使用塑料封装材料，而环氧树脂封装塑粉是最常见的塑料封装材料。本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍，希望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助　　1.LED封装的目的

　　 半导体封装使诸如二极管、晶体管、IC等为了维护本身的气密性，并保护不受周围环境中湿度与温度的影响，以及防止电子组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下列几点：

　　(1)防止湿气等由外部侵入；

　　(2)以机械方式支持导线；

　　(3)有效地将内部产生的热排出；

　　(4)提供能够手持的形体。

　　 以陶瓷、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，适用于可*性要求较高的使用场合。以塑料封装的半导体组件的气密性较差，但是成本低，因此成为电视机、电话机、计算机、收音机等民用品的主流。

　　2.封装所使用的塑料材料

　　半导体产品的封装大部分都采用环氧树脂。它具有的一般特性包括：成形性、耐热性、良好的机械强度及电器绝缘性。同时为防止对封装产品的特性劣化，树脂的热膨胀系数要小，水蒸气的透过性要小，不含对元件有影响的不纯物，引线脚(LEAD)的接着性要良好。单纯的一种树脂要能完全满足上述特性是很困难的，因此大多数树脂中均加入填充剂、偶合剂、硬化剂等而成为复合材料来使用。一般说来环氧树脂比其它树脂更具有优越的电气性、接着性及良好的低压成形流动性，并且价格便宜，因此成为最常用的半导体塑封材料。

　　环氧树脂胶粉的组成

　　一般使用的封装胶粉中除了环氧树脂之外，还含有硬化剂、促进剂、抗燃剂、偶合剂、脱模剂、填充料、颜料、润滑剂等成分，现分别介绍如下：

　　1环氧树脂(EPOXY RESIN)

　　使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、环状脂肪族环氧树脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树脂必须含有较低的离子含量，以降低对半导体芯片表面铝条的腐蚀，同时要具有高的热变形温度，良好的耐热及耐化学性，以及对硬化剂具有良好的反应性。可选用单一树脂，也可以二种以上的树脂混合使用。

　　硬化剂(HARDENER)

　　在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联(CROSSLINKING)作用的硬化剂可大致分成两类:

　　(1)酸酐类(ANHYDRIDES);

　　(2)酚树脂(PHENOLICNOVOLAC)。

　　以酚树脂硬化和酸酐硬化的环氧树脂系统有如下的特性比较： ●弗以酚树脂硬化的系统的溢胶量少，脱模较易，抗湿性及稳定性均较酸酐硬化者为佳； ●以酸酐硬化者需要较长的硬化时间及较高温度的后硬化(POSTCURE)； ●弗以酸酐硬化者对表面漏电流敏感的元件具有较佳的相容性； ●费以酚树脂硬化者在150-175~C之间有较佳的热稳定性，但温度高于175~(2则以酸酐硬化者为佳。

　　硬化剂的选择除了电气性质之外，尚要考虑作业性、耐湿性、保存性、价格、对人体安全性等因素。

　　3促进剂(ACCELERATO OR CATALYST)

　　环氧树脂封装塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)约在90-180秒之间，必须能够在短时间内硬化，因此在塑粉中添加促进剂以缩短硬化时间是必要的。

　　现在大量使用的环氧树脂塑粉，由于内含硬化剂、促进剂，在混合加工(COMPOUNDING)后已成为部分交联的B-STAGE树脂。在封装使用完毕之前塑粉本身会不断的进行交联硬化反应，因此必须将塑粉贮存于5℃以下的冰柜中，以抑制塑粉的硬化速率，并且塑粉也有保存的期限。如果想制得不用低温保存，且具有长的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉，则一定要选用潜在性促进剂(LATENT CATALYST)，这种促进剂在室温中不会加速硬化反应，只有在高温时才会产牛促进硬化反应的效果。目前日本已有生产不必低温贮存的环氧树脂胶粉，其关键乃在潜在性促进剂的选用。

　　抗燃剂(FLAME RETARDANT)

　　环氧树脂胶粉中的抗燃剂可分成有机与无机两种。有机系为溴化的环氧树脂或四溴化双酚A(TETRABROMOBISPHENOL A)。无机系则为三氧化二锑(Sb203)的粉末。二者可分开单独使用，也可合并使用，而以合并使用的抗燃剂效果为佳。

　　填充料(LILLER)

　　在封装塑粉中，填充料所占的比例最多，约在70％左右，因此填充料在封装朔粉中扮演着十分重要的角色。

　　5．1在塑粉中加入适量适质的填充料，具有下列几个目的：

　　减少塑粉硬化后的收缩；

　　降低环氧树脂的热膨胀系数；

　　改善热传导；

　　吸收反应热；

　　改善硬化树脂的机械性质与电学性质；

　　降低塑粉成本。

　　填充料的种类

　　使用于环氧树脂塑粉中的填充料，除了要能改善电绝缘性、电介质特性之外，尚须具有化学安定性及低吸湿性。一般常用的填充料有以下几种： (1)石英；

　　高纯度二氧化硅(使用最为广泛)；

　　氢氧化铝

　　氧化铝；

　　云母粉末；

　　(6)碳化硅。

　　二氧化硅(SiO2,Silica)

　　环氧树脂的热膨胀系数平均约为65×10-6m／cm／℃；，比对封装树脂中的金属埋人件的热膨胀系数大很多。半导体所用的框架(LEAD FRAME)与环氧树脂相差甚远。若以纯树脂来封装半导体元件，由于彼此间热膨胀系数的差异及元件工作时所产生的热，将会产生内应力及热应力而造成封装材料的龟裂。因此加入塑粉中的填充料，除了要能减少树脂与金属埋入件间的热膨胀系数外，也要具有良好的导热功能。

　　二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化砖具有较佳的导热性但热膨胀系数较大，对热冲击的抵抗性差。熔融二氧化硅的导热性质较差，但却拥有较小的热膨胀系数，对热冲击的抵抗性较佳。表2是熔融性与结晶性二氧化硅充填的环氧树脂胶粉的性质比较，可看出熔融性二氧化硅除了导热性质较差外，挠曲强度及耐湿性均低于结晶性二氧化硅。

　　此外，填充料用量的多少以及粒子的大小、形状、粒度分布等对于塑粉在移送成形(Transfermolding)时的流动性，以及封装后成品的电气性质均会造成影响，这些因素在选用填充料时均要加以考虑。

　　偶合剂(COUPLIUNG AGENT)

　　在环氧树脂中添加少量的偶合剂，能产生下列作用：

　　●增加填充料与树脂之间的相容性与亲和力;

　　●增加胶粉与埋人元件间的接着力;

　　●减少吸水性;

　　●提高挠曲强度；

　　●降低成形中塑粉的粘度，改善流动性;

　　●改善胶粉的热消散因子(THERMALDUSSIPATION FACTOR)、损失因子(LOSS FAC-TOR)及漏电流(LEAKAGE CURRENT)。

　　脱模剂(日ELEASE AGENT)

　　环氧树脂的粘着性良好，对模具也会产生接着力，而影响加工封装完毕后的脱模，因此加入脱模剂来改善胶粉与模具之间的脱模能力。一般常用的脱模剂有：腊、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。脱模剂的种类与用量要视塑粉配方(树脂、硬化剂、填充料)而定。脱模剂的用量要适当，如果用量太少会使脱模不易；相反，如果用量过多，不但容易污染模具，更会降低胶粉与埋入框架、引线间的粘着力，直接影响到元件的耐湿性及可*性。下图为脱模剂添加量与接着力的关系，脱模剂添加愈多，胶粉与埋人件间的接着力下降也愈多。

　　颜料(PIGMENT)

　　通常视成品的颜色来添加颜料。一般的封装胶粉均以碳黑为颜料，因此成品具有黑色的外观。

　　润滑剂(LUBRICANT) 为了增加胶粉在加工成形中的流动性，有时可加入部分润滑剂来降低粘度。但是此举往往会造成胶粉的玻璃转移温度(Tg GLASS TRANSISTION TEMPERATURE)的降低及电气特性的劣化，因此若有需要加入润滑剂，最好选用反应性稀释剂(RE-ACTIVE DILUENT)，使稀释剂分子能与树脂产生化学结合，以避免T2及电气特性的劣化。

　　4.环氧树脂塑粉的基本特性

　　前面我们已提到一些塑粉所要具备的特性，下面将进一步探讨这些特性。

　　耐热性

　　玻璃转移温度，Tg

　　如果以热劣化性为耐热性的考虑要点，则可以Tg来当做参考值。塑粉的Tg值主要决定于塑粉的交联密度： Tgl=Tg0+k／nc Tgi：交联后的Tg Tg0：未交联前的Tg K：实验常数 nc：两交联点前的平均原子数。 交联密度愈高，其Tg值也愈高；耐热性愈佳，热变形温度也愈高。一般封装塑粉的Tg值约在160℃左右，过高的Ts会使成品过硬呈脆性，降低对热冲击的抵抗性。

　　Tg的测定

　　测定Tg的方法很多,目前本所使用热膨胀计(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIAL CANNING CALORIMETRY)、流变仪(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONAL BRAID ANALYZER)等仪器来测定Tg值。

　　耐腐蚀性

　　由从事塑胶封装电路的故障分析者所提出的故障成因中，以铝条腐蚀(CORROSION OF ALUMINUN METALLIZATION)所占比例最高，因此耐腐蚀性实为封装塑粉的首要考虑因素。

　　腐蚀的成因

　　就环氧树脂塑粉而言，造成铝条腐蚀的主因为塑粉中所含的氯离子及可水解性氯(HYDROLYZABLE CHLORIDE)。当大气中的湿气经由树脂本身及其与引线脚(LEAD)间的界面，扩散进入半导体的内部，这些侵入的水气会与树脂中的离子性不纯物结合，特别是C1-，而增加不纯物的游动性(MOBILITY)。当这些不纯物到达晶片表面时，即与铝条形成腐蚀反应，破坏极薄的铝层，造成半导体的故障。

　　腐蚀的防止

　　降低不纯物含量

　　对半导体封装业者而言，选择低氯离子含量的封装胶粉是必要的。目前一般塑粉中离子性不纯物的含量均在10ppm以下。环氧脂由于在合成过程中使用EPICHLOROHYDRIN，因此无法避免有氯离子的存在，因此树脂要经纯化去除大部分氯离子后，再用来生产封装塑粉。表3为日本厂家的环氧树脂封装胶粉的离子含量及电导度。

　　添加腐蚀抑制剂(CORROSION INHIBITOR)

　　在胶粉添加腐蚀抑制剂能减低铝条的腐蚀速率，干扰阳极或阴极的腐蚀反应，因而降低腐蚀全反应(OVERALL REACTION)的速率。所选用的抑制剂要具有如下的性质： ①抑制剂中不能含有对电路工作有害的离子； ②加入抑制剂后所增加的离子电导度不能产生有害于电路的副反应； ③抑制剂需能形成错合物(COMPLEX)； ④对有机系抑制剂而言，不能与环氧树脂发生反应，在移送面形成硬化过程中具有安定性； ⑤对无机系抑制剂而言，其所产生的离子不可渗入Si或SiO：绝缘层中，以免影响电路的工作。

　　一般以无机系腐蚀抑制剂的效果最佳。其中以钨酸铵(AMMONIUM TUNGSTATE)、柠檬酸钙(CALCIUM CITRATE)为常用。

　　低的热膨胀系数(CTE，COEFFICTENT OF THERMAL EXPANSION)

　　在前面我们已经提过由于树脂与埋人件CTE的不同而产生内应力，造成成品破裂的原因。在此我们将详细介绍CTE对胶粉影响。

　　GTE与内应力的关系

　　内应力可用DANNENBERG’S方程式表示：

　　内应力(internal stress) O：热膨胀系数(CTE) E：弹性模数(elastic modulus) S：截面积(cross section area) R：树脂(resin)：埋人件，框架，晶片口nsert component，leadframe,chip) 由方程式(4)中，我们可清楚的看出树脂与埋人件之间的CTE差愈大，所产生的内应力也就愈大。由内应力所引起的龟裂(CRACK)将成为外部湿气及污染侵入的通路，进一步造成元件的故障，因此环氧树脂胶粉必须具有低的CTE值。目前也有人从降低弹性模数来使内应力变小。 4．3．2影响CTE的因素 CTE值可由Tg或交联密度来加以控制。此外，以下各因素也会影响CTE： 1)湿气污染；

　　可塑剂或润滑剂的流失；

　　应力的消失；

　　未反应的化学品；

　　后硬化的时间与温度。

　　对环氧树脂塑粉而言，要拥有低CTE值必须从填充料上面来着手。一个塑粉配方工程师必须将Tg及CTE常记在心，作为参考及寻找问题的工具，因为低的CTE及高的Tg对热冲击抵抗性而言是十分重要的。

　　成形性

　　广义的成形性包括半导体封装后的尺寸安定性、离型性(脱模)、加工成形时的流动性等等。 4．4．1流动性与漩流试验(SPIRAL FlOW TEST)

　　由于胶粉本身是部分交联的B-STAGE树脂，若贮存不当或贮存过久会增加胶粉交联硬化的程度，而造成流动性的降低，此时即该丢弃此流动性变差的胶粉。一般以漩流实验所得漩流值的大小来判断流动性的好坏，目前封装采用的规格是25-35寸。漩流值过低表示胶粉的流动性差，成形时将无法灌满模子；漩流值过高表示胶粉的流动性太大，容易将埋人件的金属细线冲断并会产生溢胶现象。

　　DSC与塑粉流动性

　　除了漩流试验之外，我们也可利用微差扫瞄式卡计(DSC)来测知胶粉是否仍然具有好的流动性。

　　第一个放热峰为胶粉硬化时所放出的聚合反应热，此放热峰愈高表示胶粉的反应热愈多，也代表胶粉贮存时硬化的程度少，因此具有良好的流动性。放热峰愈低表示胶粉已大部分硬化，只能放出少量反应热，代表胶粉已失去流动性。利用以上原理，我们可以找出放热峰高度与漩流值之间的对应关系。

　　如果所贮存的胶粉经DSC分析后发现放热峰高度减少10％以上，表示胶粉已失去良好流动性，宜丢弃不再使用。

　　电气特性

　　电气性对环氧树脂胶粉而言是一种相当重要的性质，而介电特性(DIELECTRIC PROPERTY)为考虑重点。对封装材料而言，介电常数(DIELECTRIC CONSTANT)愈小其电绝缘性愈佳。介电常数会受频率的改变、温度、湿度的影响。介电常数的变化远比介电常数的起始值来得重要。 此外，成品的密闭封装是很重要的，将直接影响到电学性质。若成品封装不全有空隙存在，除了提供湿气污染的通路外，在接受电压时会发生电晕(CORONA)，使电场集中在空隙前端，引起内部放电而造成绝缘破坏。

　　耐湿性 湿气侵入半导体元件中与离子性不纯物作用，降低绝缘性，使漏电流增加并腐蚀铝路，此为信赖度降低的主因。湿气侵入封装成品中的路径有两条： ●由树脂整体(BULK OF PLASTIC)的表面扩散进入； ●经由树脂与IC脚架间的界面，以毛细现象侵入。 取一个14脚的DIP(DUAl+IN LINE PACKAGE)，在上方打开一个孔洞，孔底可达晶片表面，再将一个设有气体出入口的容器接在DIP的孔洞之上并密封之，然后将此装置浸在100％RH的水蒸气或水中，容器内通人干燥的氮气(0％RH)，水气即会依上述两种途径侵入而进入容器中，我们利用侦测器测出流出氮气中所含有的水气，而得到全部(两种水气渗透速率之和)的水气渗透率Pt。Pt是经由树脂整体侵入的水气渗透速率Pb及经由界面毛细侵入的水气渗透速率P1之和，及Pt=Pb+P1。我们可取相同材料的树脂封住容器的底部，以同样方法测 出Pb，再将Pt与Pb相减即可求出Pl之值。

　　利用上述方法对塑粉进行评估。根据HARRISON的说法，元件若要具有10年的动作寿命保证，则Pl值应该在70以下。我们不妨利用此方法来对环氧树脂胶粉进行耐湿性评估。

　　硬化时的放热 塑粉在硬化时会放出聚合反应热，如果配方调配不当发热量太大时会造成龟裂并给予元件应力。因此化学工程师在进行塑粉配方研究时应考虑硬化放热量不可过大。

　　事实上塑粉的交联可分成两个阶段。先胶化，再硬化。低分子量的树脂胶化的速度比高分子量者快。促进剂的浓度小，则胶化时间由热或动力决定；如果促进剂的浓度大，则胶化时间由分子扩散至正确的反应位置决定：

　　●欲快速胶化则增加热量，所得材料具有低交联密度、高CTE、热收缩性大。 ●欲慢速胶化，则减少热量，所得材料具有较高交联密度、低CTE及较小的热收缩。

　　抗燃性

　　在UL规格中是以94 V-O为标准的环氧树脂塑粉均能满足此一规格。

　　接着性与脱模性

　　前面已经提过脱模剂的用量增加，树脂的接着力会降低。若是脱模剂的添加量减少，虽然可使树脂与脚架引线的接着力提高，但是模具和成形品间的接着力也增加，造成脱模的困难。因此脱模剂的添加量要选择接着性与脱模性兼顾者为宜。

　　低α粒子效应 (LOWα-PARTICLE EFFEC)

　　环氧树脂胶粉中采用二氧化硅为填充料，而二氧化硅是自然界的矿物，含有微量的铀、钍等放射性元素。这些放射性元素在蜕变过程中会放出α粒子。DYNAMIC RAM’S及CCD’S等牛导体元件会受α粒子的影响而发生软性错误(SOFF ERROR)。STATIC RAM’S、ROM’S、PROM’S及EPROM’S等元件则不受。粒子的影响。

　　当α粒子经过活性元件区域(ACTIVE DEVICE REGIONS)时，会在电子与空穴重新结合之 前，使N-区域收集电子P-区域收集空穴。如果在一特定的区域收集到足够的电荷，将会扰乱所贮存的资料或逻辑状态(LOGIC STATES)。如果所收集和产生的电子数超过临界电荷的话，即造成所谓的软性错误。

　　除了填充料之外，基板(SUBSTRATE)、铝条(METALLIZATION)也会放出α粒子，但是以填充料为α。粒子的主要产生来源。为了避免α粒子效应除了可用聚亚酸胺(POLYIMIDE)作为保护涂膜之外，可采用低放射性元素含量的二氧化硅当做填充料。日本已有生产放射性元素含量在1ppb以下的二氧化硅，这些二氧化硅是经过纯化精炼的，价格也较高。对高可*度牛导体元件而言，必须设法避免α粒子效应。

　　长期保存性 目前大多数胶粉的胶化时间约在30秒左右，硬化成形后通常需要后硬化，并且又需冷藏贮存。若要发展出能快速硬化，又能在室温(MAX40-45℃)保存六个月以上而不失胶粉的流动性，则一定要在潜在性促进剂上加以研究与改良。



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