王天堂
王立刚
沈伟 陆士平
（上海富晨化工有限公司
200233）
摘要：本文阐述了集成电路封装模塑料的研制、应用及发展，着重介绍了上海富晨公司新型封装绝缘树脂的优异性能。
关键词：集成电路 超低收缩
封装
模塑料
1、前言
集成电路的封装就是将封装材料和半导体芯片结合在一起，形成一个以半导体为基础的电子功能块器件。封装材料除了保护芯片不受外界灰尘、潮气、机械冲击外，还起到了机械支撑和散热的功能。当今约有90%的芯片用模塑料进行封装。
随着IC高度集成化、芯片和封装面积的增大、封装层的薄壳化以及要求价格的进一步降低，对于模塑料提出了更高且综合性的要求，具体如下。
（以下均要修改，调整语辞）
（1）成型性
流动性、固化性、脱模性、模具玷污习性、金属磨耗性、材料保存性、封装外观性等。
（2）耐热性
耐热稳定性、玻璃化温度、热变形温度、耐热周期西、耐热冲击性、热膨胀性、热传导性等。
（3）耐湿性
吸湿速度、饱和吸湿量、焊锡处理后耐湿性、吸湿后焊锡处理后耐湿性等。
（4）耐腐蚀性
离子性不纯物及分解气体的种类、含有量、萃取量。
（5）粘接性
和元件、导线构图、安全岛、保护模等的粘接性，高湿、高湿下粘接强度保持率等。
（6）电气特性
各种环境下电绝缘性、高周波特性、带电性等。
（7）机械特性
拉伸及弯曲特性（强度、弹性绿高温下保持率）、冲击强度等。
（8）其他
打印性（油墨、激光）、难燃性、软弹性、无毒及低毒性、低成本、着色性等。
从基材的综合特性来看，目前IC封装用邻甲酚甲醛型环氧树脂体系的较多，但由于环氧树脂的特性，使它在耐温性、工艺性、固化条件、封装流动性、固化物收缩等存在一些应用缺点。针对这些问题上海富晨化工公司开发了新型封装绝缘树脂，这种树脂具有工艺性好、固化方便、流动性好、固化收缩低的特点，目前已广泛替代环氧树脂成为这一行业的新宠。
2、集成电路封装用树脂的要求
2．1高纯度
IC封装用模塑料的主要原料是树脂，由于IC封装时模塑料直接和蚀刻得十分精细的硅芯片及铝引线相接触，因此就对作为原材料的树脂的纯度有一定的要求，IC的集成度越高，对树脂纯度要求越高，因为树脂中残留的Na+、K+、以及HCOO-、CH3COO-对芯片及引线都有腐蚀作用，尤其是树脂中可水解氯离子遇水和湿气会生成盐酸，它的腐蚀作用很大。封装后的IC例行试验中其中有一项就是高压水蒸煮试验（PCT），一旦树脂中可水解氯值超过标准，该项试验就通不过，树脂按可水解氯的含量不同分成4个等级，详见表1
表1
各级封装用树脂含氯水平（×106）
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分级
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标准品
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高纯品
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超高纯品
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最先进品
|
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可水解氯值
[1]
可水解氯值
[2]
总氯值
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50
500
1
000~1 200
|
30
250~350
600~800
|
20
100~200
400~500
|
10
100以下
300~400
|
由于新型封装绝缘树脂独特的结构特点，决定了其水解氯含量一般都在超高纯品（总氯值《400—500》以上，具有更经济，更高纯的特性。
2．2
高功能化
IC封装用的树脂除了要求高纯度化外，随着高集成化封装的大型、薄壳化，目前要求解决的是低收缩性（低应力化）、耐热冲击和低吸水性等技术瓶颈。而新型封装绝缘树脂具有大分子高交联结构，从而使树脂具有收缩性低，耐热冲击性好，吸水率低的特性，可以拥有比同类产品更好的功能性。具体性能如下：
2．2．1低收缩性
近年来，对于IC封装用模塑料最为关心的技术是模塑料固化后的内部应力问题。一旦内部应力的存在会使硅芯片表面的钝化膜产生裂缝、自身龟裂或连接线切断等现象。在目前超大规模集成电路产业化的时代，随着铝配线图的细微化、硅片大型化、封装的薄壳化，对树脂的低收缩特性要求就提出更高的要求。
内部应力发生的原因如下：模塑料热收缩与硅片热收缩有差异，即二者线膨胀系数不同，一般模塑料比硅片、引线的线膨胀系数要大一个数量级，同时加上模塑料在固化过程中生产的固化收缩，所以在成型加热到冷却至室温过程中会在硅片上残留应力。
热应力可以用下式来表示：
σ＝K·E·α·ΔT
式中
σ—热应力；
K－常数（固定值）；
E－弹性模量；
ΔT－模塑料Tg和室温的差；
α－热膨胀系数。
从该公式中可以看出降低树脂的弹性模量（E）和Tg，以及减少树脂的固化收缩率是减少热应力的有效途径。
新型封装绝缘树脂的最大特点是该树脂具有超低的固化线收缩率，从而使各种制品具有较低的固化后内应力，能够保证制品在冷热冲击环境中保证形状不变。表2是新型封装绝缘树脂与国内一知名品牌封装绝缘树脂的收缩性比较表。另外，美国密歇根州立大学的美国复合材料工程技术中心对该树脂的测试结果（ASTM标准下）也表明，该树脂的固化收缩率极低，该中心是选择了一美国著名的树脂供应商的产品作为对照，具体见表3。
表2
新型封装绝缘树脂与国内一知名品牌封装绝缘树脂的收缩性比较表
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固化条件
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固化线收缩率*
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新型封装绝缘树脂
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对比树脂
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常温固化
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0.015%
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2.8%
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常温固化后，80℃2hr后固化处理
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0.16%
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3.6%
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*根据HG/T2625-94《环氧浇铸树脂线性收缩率测定》进行试验。
表3
新型封装绝缘树脂体收缩率测试结果
（美国密歇根州立大学的美国复合材料工程技术中心对该树脂的测试结果）
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固化条件
|
固化体收缩率
|
|
新型封装绝缘树脂
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美国产对比树脂
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CHP固化体系
|
—
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7.18%
|
|
MEKP固化体系
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1.73%
|
8.10%
|
数据表明，新型封装绝缘树脂具有超低的固化收缩率，能有效的保证制品的尺寸精度，以减小固化过程中的应力变化，以减少封装过程中对元件的电感、电偶等性能的影响，因而更适合于制作各种大面积绝缘封装。
2．2．2耐热冲击性
参照相关标准对新型封装绝缘树脂的耐热冲击性能进行了测试，并结合产品实际应用，作了交变温度试验（-80~80℃，温度变化率4℃/min，循环周期120/min）见图1：
图1
交变温度试验循环示意图
经10个循环周期试验，树脂玻璃钢试板无裂纹、发白、脱胶、鼓泡等老化现象，证明树脂耐高低温交变性良好；同时对玻璃钢层合板在低温下的力学性能进行了测试，并与常温下力学性能进行了比较，具体见如表4。
表4 新型封装绝缘树脂耐热冲击性能表
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温度（℃）
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80℃
|
-80℃
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拉伸强度Mpa
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215.0
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220.0
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拉伸模量Gpa
|
14.0
|
13.9
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弯曲强度Mpa
|
291.0
|
281.1
|
|
弯曲模量Gpa
|
9.1
|
9.0
|
2．2．3低吸水性
同时新型封装绝缘树脂较通用树脂具有更好耐水性能和力学强度，可以作为绝缘封装的上佳的结构材料。我们对新型封装绝缘树脂按《玻璃纤维增强塑料耐水性试验方法》（GB2575-89）进行了耐水性试验，结果见表5：
表5
新型封装绝缘树脂吸水性试验
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试
验 条 件
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结
果
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24小时25℃
|
增重0.015%
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2小时100℃
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增重0.43%
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从以上的数据可以看出新型封装绝缘树脂具有较低的吸水性能。
2．2．4固化条件及工艺性能
新型封装绝缘树脂的粘度较低（一般0.25~0.65Pa•s），具有良好的工艺性，适合各种成型工艺（包括模压、拉挤、灌封等）。另外，新型封装绝缘树脂还可以根据不同的使用要求采用不同的固化体系，在常温、中温、高温条件下均可以良好地固化达到最佳性能。
3、填充料对模塑料性能的影响
基于树脂与填料或增强材料等均具有良好的相容性和浸润性，也为了达到综合性能的要求和降低成本要求，在模塑料中填充料的用量可达到相当大的比重，最多可达80％（重量比），因此填料对成型性固化产物的特性有显著的影响。填充料除了粒径分布、形态、表面处理方面会最终对模塑料性能带来影响外，各种热膨胀系统和热传导率的填充料对提高模型料的性能有更大的作用。
（1）减少溢料
用最大粒径74μm以下球形的熔融二氧化硅和最大粒径40μm以下的熔融二氧化硅的粉碎料，以55％～95％（质量分数）和45％～5％（质量分数）相混合，成为比表面积为3m2/g以下的混合填料。它的用量占总个封装模塑料的40％～90％（质量分数）。由此组成模塑料填料体系可以减少模塑料飞边的产生。
（2）提高耐湿性
（a）最大粒径149μm的合成低α线球状二氧化硅；(b)最大粒径74μm的低线角形二氧化硅。（a）+(b)合计量中含有6％（质量分数）以上为粒径44μm以上的混合填料。用它作为封装用模塑料的填料，可以减少吸适量3％左右。
（3）低应力的填料
用氨基聚醚型有机硅氧烷处理平均粒径为8μm的棱角状二氧化硅及平均粒径为6～8μm的球状二氧化硅，按以下配方（质量份）组成模塑料，再测定其热应力，结果见图15-10。
（4）流动性提高
为提高模塑料的流动性，可采用粒径为亚微米级到10μm的二氧化硅作填料。
（5）改善热力学性能的填料
用β－锂霞石代替不分二氧化硅作为填料，可降低成形料的线膨胀系数。用球撞矾土粉末量作填料可提高热传导率。
（6）减少模具磨损的填料
用部分到一般量的平均粒径为10μm以下的硫酸钙代替二氧化硅作填料可减少模具的磨损。
（7）提高机械性能的填料
在40％～60％（质量分数）的Al2O3和40％～60％（质量分数）的SiO2混合填料中添加1％－80％（质量分数）平均直径为0.1～0.5μm、平均长度为1～200μm的陶瓷纤维、由此制成的模塑料的冲击压缩强度能提高。
4、集成电路封装用模塑料的发展动向
4．1自20世纪70年代中期开始我国研制电子元器件塑封用模塑料，为了满足军事工业的需要研制了聚烷树脂和聚苯甲基烷氧烷树脂作为模塑料的基材，虽然它们有很好的耐高、低温性和耐潮防水性，，但它们的粘接性很差，PCT试验后泄漏铝很高。80年代初期收到从美国海索公司、日本日东电工环航模塑料的启发，转向研制环氧型模塑料。1986年，实现了基础树脂邻甲酚甲醛环氧树脂、低氯含量Novolac酚醛树脂和用于12KIC封装用环氧膜塑料的生产。经过十几年来我国个研究院所、大学和工厂的共同努力，在高纯度邻甲酚环氧树酯、Novolac酚醛树脂、模塑料配制技术等方面有了很大的进步。
李善君等指出天然石英粉往往含有放射性杂质，它在衰老时放出α粒子会引起存芯片工作的“软误差”，而由气体硅烷制造的高纯度石英粉可以大幅度降低因放射性产生的软误差。
张知方等人报道研制成功，高纯度的邻甲酚甲醛环氧树脂，其质量已接近日本住友ESCN同类产品。
俞亚君报道了萘环类多功能环氧树脂作为乃热低吸水性模塑料基材，可解决超大规模集成电路在安装时的软焊开列问题。
上海富晨化工有限公司根据封装用模塑料市场情况，开发出新一代高性能快固化封装绝缘树脂，具有低收缩、低吸水率、耐热冲击性好、绝缘耐热温度高（F、H、C、N级均有）、固化物导热好、固化后热应力低等特点，而且可以以任意温度固化，固化方便，工艺性能优异。
上述的研究成果都处于实验室阶段，总体上来说我国的电子封装用模塑料技术水平、产品质量、可靠性等和国际先进水平还有很大的差距，还不能满足大规模集合成电路封装的要求。
随着电子工业的飞速发展，集成度迅速从16K比特发展到64K比特，又飞跃到256K比特，目前发达国家已实现了1024比特超大规模集成电路（VLSL）的工业化生产，线径0.03μm.，集成度的提高、元件的小型、扁平化均对EMC提出了更高的要求。
（1）树脂纯度的提高
IC中的铝电极极易受到树脂中的N
a+、CL-的腐蚀，因此必须严加控制，要求进一步提高环氧树脂净化技术，目前已使高纯度的邻甲酚甲醛树脂实现了工业化生产（N
a+含量<1×106，CL-<1×106，，可水解释氯<350×106）；超高纯度的树脂正在创造条件进入工业化生产阶段（N
a+、CL-含量同前，可水解氯量进一步下降N
a+含量<150*106）。
（2）提高封装料可靠性的关键技术是实现低应力化。封装后的IC在经受严格的冷、热冲击，高压水蒸者的试验时，致使封装失败的原因是内应力引起的封装料和元件界面发生开裂。所以在实现封装料的低应力化时，只有采取降低线膨胀系数和降低弹性率。降低线膨胀系数的最好方法是在封装料中使用高填充量的二氧化硅。据研究，当填料量应达到60％～70％（体积分数），甚至更高，线膨胀系数可抵达1.0×10-5／℃
，固化收缩几乎是零。高填充量会是模塑料的熔融流动性变差，对测试使用平均粒度为6～8μm球型熔融二氧化硅。
4．2通用级模塑料
通用级模塑料主要作为电器绝缘和结构件的制造，虽然树脂的纯度要求没有电子级那么高，但对力学性能要求却横傲。为了提高材料扥爱热性、层间剪切强度，对树脂体系和纤维增强方法进行了深入的研究。例如美国3M公司最近推出名为Scotchply
PR-500的产品，制造过程中采用真空混炼，模塑时无需排泡，制品有很高的耐冲击强度，短梁剪切强度达到83～90Mpa,弯曲模量为3 500Mpa。
该公司另一个新产品SP381S－2是特种玻璃纤维增强的环氧树脂预浸料，它具有很好的耐低温、防湿热型，能在－54～104℃范围内使用，使热压缩强度为531Mpa,室温下短梁剪切强度为93.2Mpa,分别是E玻璃纤维增强预浸料的1.36倍和1.21倍。
参考文献：
1. （日）特许公报。昭62-223246
2. （日）特许公报。昭62-240313
3. （日）特许公报。昭62-153336
4. 江原俊治。电子材料。1986，86（12）；75~79
5. 王立刚，沈伟，王天堂，陆士平．新型绝缘树脂性能及应用［Ｊ］．热固性树脂，２００３，（４）：３３－３６．
6. 唐传林，季承钧，单书发．绝缘材料工艺原理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９３．
