塑封材料研究進(jìn)展

陳云飛

摘 要 環(huán)氧塑封料（Epoxy Molding Compound，EMC）是目前應(yīng)用最為廣泛的集成電路塑料封裝材料，作為IC后道封裝三大主材料之一，使用EMC封裝超大規(guī)模集成電路在國內(nèi)外已經(jīng)成為主流，目前95%以上的微電子器件都是塑封器件。由于采用塑料封裝方式成本低，又適用于大規(guī)模自動化生產(chǎn)，近些年來不論器件還是集成電路也已經(jīng)愈來愈多的采納玻璃封裝。文章回顧了常用塑封樹脂和塑料填料的發(fā)展歷程，總結(jié)了常用塑封樹脂和塑料填料的應(yīng)用特點(diǎn)，并討論了塑封材料研究需要注意的主要問題。

關(guān)鍵詞 塑封材料 塑封樹脂 塑料填料

中圖分類號：TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0109-03

1 塑封材料的優(yōu)勢

20世紀(jì)50年代以來，隨著半導(dǎo)體器件、集成電路的迅速發(fā)展，陶瓷、金屬、玻璃等封裝難以適應(yīng)工業(yè)化的要求，而且成本高，使用塑料代替上述封裝材料得到了較為廣泛的應(yīng)用。塑料封裝具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）優(yōu)異的性能。與有色金屬和其他陶瓷封裝產(chǎn)品相比，塑料薄膜封裝產(chǎn)品具有更好的介質(zhì)導(dǎo)電性能，結(jié)構(gòu)成分越小，電路板封裝密度越高，可以降低傳輸延遲。（2）重量輕。塑料外殼的質(zhì)量通常是陶瓷外殼的一半左右。（3）體積小。通過選用玻璃封裝建筑材料展開封裝，可以促成更少的框架結(jié)構(gòu)配置。（4）良好的性能。它們可以提升設(shè)備在沖擊及振動前提之下的使用性能，而是避免內(nèi)部混合物的運(yùn)動。（5）可用性好。塑料封裝裝置比密封裝置更容易獲得。但是，將塑料封裝用于高可靠性應(yīng)用也存在一定的問題，如水蒸氣的密封性和吸附性、溫度特性和耐熱性、熱空氣排放和抗輻射性等極端問題。

隨著半導(dǎo)體器件向小型化、高性能化的方向進(jìn)一步發(fā)展，需要發(fā)展更好的電子封裝材料以適應(yīng)未來發(fā)展的要求。而對于塑料封裝材料的可靠性要求的提升，封裝材料性能及生產(chǎn)工藝是制約其質(zhì)量提升的重要因素。如何在兼顧要求的同時(shí)，通過簡單工藝，實(shí)現(xiàn)輕量化、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)封裝能力，提出了新的問題[1]。

2 環(huán)氧塑封料的概念與組成

環(huán)氧塑封料（Epoxy Molding Compound，EMC）是一種以膠為基體樹脂，以輕量化酚醛樹脂、酸酐及胺類等為固化劑，引入硅微粉等無機(jī)填料，是摻入多種助劑混配而成。其中，環(huán)氧樹脂及固化劑大約占10-20%，當(dāng)作EMC的有機(jī)基體樹脂，其擔(dān)負(fù)著將其余化合物結(jié)合到一起的重要作用，形成交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)平臺，具備優(yōu)異的耐磨性。它們決定了塑封料成形時(shí)的流通性及反應(yīng)性及固化物的性能、電絕緣使用性能、熱使用性能等等。在EMC中加入大量的填料，通常超過70%，以降低熱膨脹系數(shù)（CTE），提供更高的模量和高的耐熱性，并降低化合物的吸濕性。

2.1 環(huán)氧塑封料的環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂的品種很多，然而會用作生產(chǎn)環(huán)氧模玻璃的環(huán)氧樹脂是較為有限的。現(xiàn)階段常用的環(huán)氧樹脂有以下幾種類別：雙酚A型環(huán)氧樹脂、鄰甲酚型環(huán)氧樹脂、聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂、多化合物型環(huán)氧樹脂，荼型及改性環(huán)氧樹脂等等。

環(huán)氧樹脂在熱能及促進(jìn)劑的作用之下，環(huán)氧樹脂與固化劑（胺或有機(jī)酸酐）發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，固化之后成為熱固性塑料。膠廣泛用作電子器件及集成電路的封裝材料，具備以下特征：（1）與各種應(yīng)用固化劑的聚合反應(yīng)主要都是屬于直接加成各種聚合物的化學(xué)反應(yīng)，一般聚合材料的熱收縮率小，無任何化學(xué)副產(chǎn)物。（2）各種應(yīng)用固化物聚合材料主要具有優(yōu)良的耐熱性、電絕緣性、附著力和各種介質(zhì)親電反應(yīng)催化劑的性能。（3）通過在各種產(chǎn)品封裝配方中任意方式選擇各種常用聚合固化劑和各種應(yīng)用固化劑的聚合促進(jìn)劑，制備出能表現(xiàn)顯示出不同常用固化電氣性能的各種電子器件封裝和半導(dǎo)體固化材料，以便于能夠滿足各種相關(guān)電子器件和各種電子封裝集成電路的不同固化性能設(shè)計(jì)要求。

電子封裝相關(guān)材料中所用到的環(huán)保二氧聚酯樹脂材料要求產(chǎn)品固化快、耐熱、低摩擦應(yīng)力、吸濕性低、成本低，主要原因要求環(huán)氧樹脂產(chǎn)品質(zhì)量高，雜質(zhì)離子含量低，特別多的是有機(jī)氯化鈉離子（極低的濃度水解氯，有機(jī)鈉和氯離子端基不純）揮發(fā)性成分和雜質(zhì)。同時(shí)，集成電路器件封裝結(jié)構(gòu)材料性能要求中的環(huán)氧樹脂應(yīng)是具有一定高純度、高官學(xué)功能性強(qiáng)度、高耐熱、耐濕、低化學(xué)吸水率、低化學(xué)應(yīng)力和具有高穩(wěn)定性的化學(xué)固化劑[2]。

2.2 環(huán)氧塑封料固化劑

固化劑的主要作用是與環(huán)氧樹脂反應(yīng)形成一種穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀。固化劑及膠一起影響著環(huán)氧模玻璃的流動特性、熱使用性能及電特性。在膠經(jīng)固化劑作用開環(huán)聚合的過程中，樹脂由液態(tài)變?yōu)檎吵響B(tài)，最終成為具有交聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)物質(zhì)。單獨(dú)的環(huán)氧樹脂不能進(jìn)行反應(yīng)，只有經(jīng)過固化劑引發(fā)后才能反應(yīng)形成固化物，并具有獨(dú)特且優(yōu)異的工業(yè)性能，優(yōu)良的固化劑對固化產(chǎn)物的性能來說至關(guān)重要[3]。固化劑的選取不僅考慮其對固化物物理化學(xué)性能的影響，還要考慮對加工性能的影響。固化劑的種類對復(fù)合材料的加工溫度、加工時(shí)間都有著重要的影響。目前，環(huán)氧樹脂的固化劑大體可以分成兩類，一類是包括活潑氧原子的反應(yīng)性固化劑，比如多元伯胺、多元羧酸、多元醛類及多元酚等等;另一類是包括叔胺、三氟化硼絡(luò)合物等等的催化性固化劑。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂固化劑的品種繁多，各個(gè)有其特性，采納不同的固化劑將促使環(huán)氧樹脂的操作耐用性及固化產(chǎn)物的使用性能產(chǎn)生很大的差別。另外，膠出現(xiàn)固化一般是環(huán)氧化合物的開環(huán)反應(yīng)，能放出比較多的熱，熱能堆積會導(dǎo)致封裝殘余應(yīng)力及封裝開裂，因而，制得高性能封裝建筑材料的關(guān)鍵技術(shù)是抉擇合理的固化指標(biāo)體系。

2.2.1 酚醛樹脂固化劑

酚醛樹脂因其優(yōu)異的耐熱性、防潮性、電性能、固化性和貯存穩(wěn)定性而被廣泛用作電磁絕緣材料的固化劑。酚類（苯酚、甲酚、間苯二酚等）與其他多種醛類（又例如甲基苯甲醛、糠醛等）在多種化學(xué)品和催化劑的聯(lián)合作用下可以進(jìn)行縮合或者共聚而成制得的所形成的水性酚醛樹脂基本集團(tuán)再經(jīng)統(tǒng)稱后即為高純水性涂料酚醛樹脂。該加工技術(shù)由于原料簡單加工易得，價(jià)格低廉，合成材料生產(chǎn)工藝和復(fù)合材料加工生產(chǎn)過程加工工藝設(shè)備簡單，機(jī)械性和力學(xué)性能、耐熱性、耐寒性、電絕緣性、尺寸性和溫度穩(wěn)定性、成型性和材料加工性、阻燃性和隔熱耐水性及防霧性優(yōu)良。因此被廣泛應(yīng)用于制造橡膠塑料粘合劑、復(fù)合材料、涂料、摩擦劑和彈性復(fù)合材料等各種化工產(chǎn)品領(lǐng)域。但是，由于兩個(gè)小的羥基酚之間很有可能分別含有一個(gè)小的亞甲基，酚醛樹脂基團(tuán)結(jié)構(gòu)的柔性和剛性差而基本集團(tuán)（苯環(huán)）的基團(tuán)空間位移密度太大，所以基本集團(tuán)間的空間密度位移小和電阻大，鏈狀環(huán)節(jié)之間可以滑動旋轉(zhuǎn)的角度方向小和自由度小，對于純水性涂料酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)柔韌性也比較差，酚醛樹脂必須增韌耐熱。

2.2.2 酸酐類固化劑

酸酐類固化劑的特點(diǎn)是：由于該固化劑分子中具有酸酐基團(tuán)，所以具有較小的揮發(fā)性。這種性質(zhì)使得該固化劑和環(huán)氧混合后，混合物體系的黏度也更低，所以使用這種固化劑時(shí)可以加入更多的固體填料（相對于多元胺固化體系），有利于整體穩(wěn)定性、力學(xué)性能的提高。使用酸酐固化時(shí)，固化產(chǎn)物的熱變形溫度較高，耐熱性能優(yōu)良，且成型過程中收縮率小。除了耐熱性能以外，無論是力學(xué)方面（機(jī)械性能好）還是電學(xué)方面（介電性能）都可圈可點(diǎn)。其“招牌”的優(yōu)勢有很多，例如“耐熱”“降低粘度，便于共混改性”“添加納米粒子制備超疏水電絕緣材料”等。但缺點(diǎn)在于，酸酐類固化劑的固化反應(yīng)較慢，周期長;且在貯存時(shí)，酸酐容易吸濕生成游離酸，直接導(dǎo)致固化物性能下降;固化產(chǎn)物的耐堿、耐溶劑性能也相對較差。該類固化劑因其優(yōu)良的電氣性能和高的交聯(lián)度，如在高溫度下的電穩(wěn)定性和高的Tg，而備受關(guān)注。酸酐固化劑的羰基與其它化學(xué)官能團(tuán)反應(yīng)，與酚醛固化劑相比，交聯(lián)度高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高。但其固化物較高的熱膨脹系數(shù)，對應(yīng)會產(chǎn)生較大的貼面表面接觸應(yīng)力，易導(dǎo)致分層，限制了它們在表面貼裝方面的應(yīng)用。然而，與酸酐交聯(lián)的環(huán)氧樹脂由于易于加工和在相對較高的溫度下具有優(yōu)異的介電、電學(xué)和機(jī)械性能而被廣泛使用。

2.2.3 多元胺類固化劑

多元脂肪胺和芳香胺類固化劑是目前使用較為普遍的胺類固化劑。其中蛋白質(zhì)族胺類是極為常用的常壓固化劑，它們的固化速度較快，反應(yīng)時(shí)候放出的熱能也會推動樹脂與固化劑反應(yīng)。但是這類固化劑對人體具有刺激作用，固化產(chǎn)物較脆并且耐熱性差。而芳香族胺類固化劑的分子中含有穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，反應(yīng)活性較差，需要在加熱條件下固化，得到的固化產(chǎn)物的熱變形溫度較高，耐化學(xué)藥品性、電和機(jī)械性能較好。此外，叔胺類化合物極為特殊，除可以做固化劑選用外。叔胺對于固化反應(yīng)的指導(dǎo)作用與其分子結(jié)構(gòu)中的電子云強(qiáng)度及原子長度有關(guān)。單離子上的電子云強(qiáng)度會越大，原子長度越短，其指導(dǎo)作用便會越明顯。胺類固化劑通常為液體，毒性和腐蝕性相對較大。

3 塑封用填充料最新研究進(jìn)展

填料在封裝中發(fā)揮著更大的作用。添加其他填料可以改善封裝材料的某些性能。SizN：硅酰胺不僅是環(huán)氧模塑料的理想填充材料，也是電子封裝的理想基板材料。這是因?yàn)榧{米氮化硅（SizN）具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高耐熱性。其優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的介電性能在微電子、光電子和光學(xué)器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?？山档头庋b樹脂的線膨脹系數(shù)、熱應(yīng)力、吸收和成型收縮率，提高機(jī)械性能、導(dǎo)熱性、阻燃性和熱變形溫度，提高耐磨性。AlO3：AlO是一種具有高硬度和耐化學(xué)性的優(yōu)質(zhì)無機(jī)材料，降低了導(dǎo)熱值和塑料固化物的收縮系數(shù)，降低塑料固化物的軸向線性和膨脹收縮系數(shù)，提高其他環(huán)氧樹脂材料固化物的整體導(dǎo)熱性、硬度和固化強(qiáng)度。Al-O有多種晶型，分析比較一般的α、b、y晶型，發(fā)現(xiàn)a-Al和O是最穩(wěn)定的晶型。填料中的添加劑含量在一定濃度范圍內(nèi)，可有效率地提高改性環(huán)狀過氧乙烯固化填料試樣的彎曲效應(yīng)強(qiáng)度、拉伸效應(yīng)強(qiáng)度和其抗沖擊效應(yīng)強(qiáng)度。AlN：在實(shí)際應(yīng)用中，電子設(shè)備必須在非常厚的環(huán)境溫度范圍內(nèi)靠譜運(yùn)行，那將有利于封裝材料應(yīng)該良好的耐腐蝕性，與此同時(shí)封裝材料必須具備良好的耐腐蝕性。提高電器元件的散熱性和壽命，提高工作穩(wěn)定性。目前，新方法是使用AlN作為填料。AlN材料：（1）趨近BeO及SiC，具備比AlO低5倍以上的高熱導(dǎo)率（大約270w/（mK））。（2）各種熱流體薄膜極的使用性能（介電常數(shù)、介電損耗、表面積及介導(dǎo)總電流及熱導(dǎo)輸出功率、介電強(qiáng)度）都優(yōu)異。（3）機(jī)器人使用性能難，可在室溫之下燒結(jié)。（4）純度低。（5）無毒。（6）可采納鑄造生產(chǎn)工藝做成。因而，AlN可以當(dāng)作一種良好的填料來提升EP封裝的熱使用性能。隨著填料品質(zhì)平均分的增多，熱膨脹系數(shù)增大，當(dāng)填料品質(zhì)平均分高達(dá)20%時(shí)候，增大率增大。

4 塑封材料工業(yè)產(chǎn)量低、技術(shù)水平低的原因

（1）我國數(shù)字化產(chǎn)業(yè)起步較晚，尤其是以集成電路為代表的微電子封測產(chǎn)業(yè)起步較晚。嚴(yán)格說來，我國的玻璃封裝文化產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)90年代，在微電子封測方面的投入不足，認(rèn)識也不足，拉大了與國外先進(jìn)水平的距離。（2）行業(yè)內(nèi)惡性競爭頻發(fā)，導(dǎo)致市場競爭無序。很多企業(yè)不是憑著內(nèi)功尋求合適的市場定位，而是散布有限的資金和人力，引發(fā)低端競爭。（3）塑料封裝行業(yè)科研薄弱，人力資源嚴(yán)重不足。人才仍然是我們面臨的主要問題，事實(shí)證明，如果公司沒有一流的人才，特別是沒有一流的管理人才，公司成功的機(jī)會幾乎可以忽略不計(jì)。（4）缺少塑料封裝行業(yè)科研機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)階段我國還沒有權(quán)威的塑料封裝材料品質(zhì)認(rèn)證專門機(jī)構(gòu)及先進(jìn)的科研部門。（5）重生產(chǎn)而輕發(fā)展是我國塑料封裝生產(chǎn)商普遍存在的難題，這種現(xiàn)象的存在也是造成財(cái)務(wù)困難的重要原因。

5 針對塑封材料存在問題的改進(jìn)對策

為了迅速扭轉(zhuǎn)塑料封裝材料的落后發(fā)展趨勢，必須在較短的時(shí)間內(nèi)采用強(qiáng)有力保護(hù)措施，保障玻璃封裝建筑材料行業(yè)的健康發(fā)展。（1）加快塑料封裝行業(yè)資產(chǎn)重組步伐，形成規(guī)?；髽I(yè)集團(tuán)，積極參與在市場競爭中，提高企業(yè)的競爭力。（2）構(gòu)建高水平、權(quán)威的科研院所，為提升企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)提供技術(shù)設(shè)備保證及技術(shù)支持。（3）培養(yǎng)一批科技人才，確保塑料封裝行業(yè)的實(shí)力，提高公司的產(chǎn)品質(zhì)量。為商品邁向國際打下了根底。（4）加強(qiáng)對于玻璃封裝行業(yè)的支持工作力度，支持玻璃封裝行業(yè)的發(fā)展，在財(cái)政資金及政策措施上給予大力支持。（5）支持批量原輔材料企業(yè)、支持玻璃封裝建筑材料生產(chǎn)企業(yè)，降低生產(chǎn)成本，提升玻璃封裝建筑材料企業(yè)的消費(fèi)市場競爭能力。

6 結(jié)語

電子封裝技術(shù)設(shè)備正處于快速發(fā)展階段，聚合物封裝材科具有廣闊的應(yīng)用前景，開發(fā)研討使用性能更優(yōu)異、應(yīng)用更廣泛的電子封裝建筑材料現(xiàn)實(shí)意義重大。以后，數(shù)字化塑封建筑材料將向高硬度、低傳熱性、低絕緣性、低碳化、低成本化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 同[2].