2022年半导体封装用环氧树导电胶概论 .pdf

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1、半导体封装用环氧树导电胶概论半导体封装用环氧树导电胶概论随着半导体集成电路封装产业的迅速发展，已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。据资料显示， 大部分集成电路都要使用芯片粘接用材料，而环氧树脂导电胶( 简称银胶 )是最常见的粘着剂材料。本文将对环氧树脂导电胶组成成分、特性，使用材料加以介绍，希望对IC 封装工程师们在选择芯片粘接材料，研究封装机理方面有所帮助。+ 8 A( Z1 w( : d2 y# U7 f Y) T1 S L. X 现在，最为广泛使用于芯片粘着剂的高分子材料可分为环氧树脂(EPOXY)，聚亚醯氨(POL-IMIDE) 和硅氧烷聚亚醯氨

2、(SILOX-ANE POLY IMIDE) 。在此仅就目前使用较广泛的环氧树脂做一简要说明。6 y6 u5 f7 h. e1 . U环氧树脂之化学特性： 环氧树脂芯片粘着剂的基材是以表氯烷(EPICHLOROHY-DRIN) 和双对酚甲烷 (BISPHENOLA) 聚合反应而成的树脂为基材。环氧树脂属热固性树脂，可以在低温低压下快速硬化。2 t( C6 B B6 I) u5 _6 k4 ?, q d- f R# X+ B P& 环氧树脂与催化剂作用而成键结，或称熟化。 通常环氧树脂芯片粘着剂是与氨作用氧环打开后再形成一新键结。熟化后的芯片粘着剂分子链上的分枝长度与数目增加，分枝最后扩展至分子

3、链之间与另一段分子链将之连接在一起，此时所有的链以三维空间的交连链键结，整个聚合物变为一个大分子，而呈现高粘着强度。2 银胶的组成要素/ ?- _- J8 |$ M: Z, 熟化后的芯片粘着剂的物理化学特性取决于树脂与催化剂的选择与组合，是最主要的组成要素。但是芯片粘着剂所需的各种特性并非仅由这2 种要素组成； 因此， 需将其它物质加入以达到所需的特性。所以在完整的方程式中，应包含下列要素中的3 种或更多种的组合，使其能达到最佳的性能表现： Y: . ?. / , K N n0 G) X# J9 v: u9 n2 e4 4 p, K R(1) 树脂。树脂的选择通常会影响制程特性、性能特性和化学

4、反应性。# Z. Y: n 2 k5 Z4 L. _! v(2) 催化剂。催化剂与树脂的不同组合会影响化学反应性，称之为触媒，引发聚合反应。i% d f4 c f X0 . l+ u4 V+ e/ J名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - (3) 填充剂。填充剂的选择会影响制程特性，比如黏度和流动性；还会影响热应力特性、热传导、机械强度和电传导性。一般银胶含银量为70 80，大量的银粉填充剂可大大降低树脂的收缩现象。H:

5、 n1 K) r W1 T o(4) 弹性剂。属于性质改质剂。弹性特质可用降低键结密度来达到，通常是使用较高分子量的树脂得以实现。但要使弹性特质有重大改变，则必须在配方上做结构性调整，如使用富弹性的树脂、富弹性的催化剂或弹性调整剂。P. A, n8 H3 : A/ S$ P6 r(5) 稀释剂。在树脂系统中可用来降低黏度的物质称为稀释剂。稀释剂可分为反应型及非反应型。4 y 7 Z* * y) S+ + n0 R j(6) 加速剂。加速剂的添加是为缩短烘烤时间及烘烤温度。常用的加速剂有环烷酸钴、二乙苯铵及二甲苯铵。$ v1 w- J9 m9 i+ y9 3 银胶的熟化条件及特殊应用; g( c

6、: l l3 E 2 e4 j3.1 银胶的熟化条件/ G! R T( s/ _4 % F0 G/ D8 7 N8 q8 n% w+ c4 K5 J(1) 热风循环式烤箱熟化。一般环氧树脂芯片粘着剂均可于l h 在 150180的范围内达到完全熟化。- P t7 u5 t/ p T2 w2 v(2) 快速熟化。快速熟化是被定义为粘着剂可于515 min 在 100200的范围内达到完全熟化。6 x% W4 Y) 8 (3) 瞬间熟化。瞬间熟化是被定义为粘着剂可于30 90 s 在 150225范围内达到完全熟化。. d: Y* T7 M 1 ?2 3.2 银胶的特殊应用(1) 高应力吸收能力。

7、对大尺寸芯片(1.02 mm 1.02 mm) 与铜引线框架或对应力敏感的芯片进行粘着时， 粘着剂须提供良好的应力吸收能力。如果因芯片与引线框架温度膨胀系数差距过大，过高的热应力会造成芯片剥离或崩裂。% # u# J7 Y4 ( % E1 C7 ; d+ r5 7 s+ (2) 应力来自于芯片与引线框架的温度膨胀系数不同，它包括一般应力(作用在整个芯片截面，由于芯片的疲劳与脆化) 和剪切与剥离应力( 作用在粘着接口， 由粘着剂的凝聚力与粘着强度产生 ) 。一般应力在芯片截面中心达到最大，而在边端趋近于0，而剪切与剥离应力则名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

8、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 是在边端达到最大。, f. g# R) w / c5 E9 J9 4 银胶之特性4.1 银胶之特性一虎克定律 a+ A; I+ w+ 1 n3 U3 b! 应力产生之大小，由虎克定律(HOOKESLAW) 表示： K=/ ，其中： K为系数 ( 杨氏模数 )， 为应力， 为应变。4.2 银胶之特性 - 应力计算1 x O4 7 * # tX3 h% R推导后用于芯片应力计算：* t9 8 C! r3 P4 Y1 O5 k) 2 1 J5 _( g6 i

9、- m% o其中： K为系数， s 为引线框架之温度膨胀系数（1/ ）为芯片的温度膨胀系数（1/ ），Ea为银胶之弹性强度，Es 为引线框架之抗折强度，T 为温度差， Es=3pl/2bd2 （p 为外力，l 为试片间距，d 为试片厚度，b 为试片宽度） L 为芯片长度，X为银胶层厚度。$ t h/ V f# W/ O4.3 银胶之特性 - 减低应力之方向0 f9 Y6 f8 P3 h/ Z! j9 R 3 t n/ d 4 m3 N. w$ N+ y) 6 r要减低应力之产生，可从下列方向着手：（1）降低银胶层之弹率；8 h4 l b2 R ! H g3 W( t; f（2）降低银胶烘烤温度

10、；* J+ A/ ?: C; 4 U; x（3）加大银胶层温度；粘着剂的应力吸收能力可间接由曲率量测技术表示出来。一个高应力吸收能力的粘着剂能呈现较大的曲率值) M! o( V! c1 |. u/ x1 M6 D ! d x3 f a$ 0 U4 4 银胶之特性 - 影响曲率因素- Y6 r) a |) t1 ?5 B* j) i/ j6 N3 L0 2 O 8 K , y2 z9 J$ c. L$ t名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - -

11、 - - - - - 其中： r 为曲率半径，x 为振幅长度，L 为横切长度。5 l o2 o3 I2 ( U8 c影响曲率因素： d h/ C, f 7 E9 ZA温度膨胀系数：芯片与引线框架的温度膨胀系数差距愈人则曲率值愈小。. S0 a0 k. o2 w$ ?B烘烤温度：粘着剂若在室温熟化，则曲率值将呈现无限大。8 Z! y) E. Z% I# P# C% r3 k$ FC芯片尺寸：较大尺寸的芯片其曲率值将会较小。D.粘着层厚度：较厚之粘着层其曲率值将会较大。E.芯片与引线框架的厚度：较厚之蕊粒与引线框架曲率值将会较大。45 银胶之特性 - 高热传导性9 d$ Q p V x) M9 F

12、0 I 以环氧树脂而言，高分子是很差的导体，添加银可提升电传导性，同时也增高热传导性。但相对于共晶和锡铅材料而言，添加银的环氧树脂和聚亚醯氨还是比他们差很多。. U. w/ Z3 C4 J% : b7 s, S U6 $ 8 46 银胶之特性 - 塑封胶体破坏的影响塑封胶体被破坏，可概略为图2 所示类型。A型崩裂：引线框架芯片座背面产生分离现象其产生因素：银胶烘烤后引线框架芯片座产生应力效应；引线框架芯片座背面污染。$ _6 f M5 o( l7 nQ6 A7 g8 v: V+ N# k4 U$ B型崩裂：银胶粘着面结合失败产生分离现象的产生因素：应力无法分散；银胶层之水气膨胀；银胶层之内应力

13、。5 V0 ! Q3 P- B U8 1 8 A( j+ | t. t, F0 DC型崩裂：芯片表面产生分离现象其产生因素：银胶烘烤后芯片产生应力效应；芯片表面污染。# W8 b6 ?, O7 M: j+ o- _+ % Q- G8 a6 D2 x( p6 V 7 h5 制程上考虑的诸因素1 W e E% d2 _: ?7 o6 p; B. a4 L- n0 + U! k( J名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 5

14、1 制程上考虑的诸因素一银胶规格- L* D: e, C7 r9 c7 J 3 V/ x/ b F* h4 w- l. t3 n% ?52 制程上考虑的因素一流动性和使用性大部份的芯片粘着封装都要求大量生产，因此高速生产是一重要的考虑因素。* M, j7 # a# m: + Q( j, T+ / Q8 m) E _* T521 流动性0 - x% O7 H8 F7 T 1 M g9 C2 ?* ! G4 p S i0 d 流动性应是影响芯片粘着剂使用性的最重要的变量，直接影响上芯机的速度，除此之外， 也会影响胶的扩散性和点胶时在引线框架上的流动。影响流动性最大之因素为芯片粘着剂的粘度。一般而言

15、， 高分子均呈剪变效应，也就是粘度会随胶的内剪切应力的增加而降低。粘性流动为物料在机械应力的作用下，抵抗流动的程度。(1) 流动性 - 变效应 ( 见图 3) 。2 7 r3 ; e, R m2 k/ Ax 轴为流动方向，y 轴为垂直于固定流动速度之平面。y 轴流体平面之流速：u=dx/dt y=dy流体平面之流速：u+du 位移梯度 =剪切应变 =dx/dy= 而剪切应变随时问之变化率称为剪切速率：剪切速率 =d/dt()=du/dy= 速度梯度剪切应力 = =F(x 方向 )/A( 垂直于 方向 ) : X: % o, : (2) 流动性 - 顿粘度定律, k5 P3 k3 a- pJ(

16、w+ g4 L0 F. s$ d2 G; A黏度与剪切速率的关系可依牛顿粘度2 l. m2 t/ e8 K. b% O F定律表示为：黏度=/ ! a! b+ A5 h# f5 o) 其中： 为剪切应力， 为剪切速率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 环氧树脂之流动性可视为牛顿流体，牛顿流体的粘度不受剪切速率影响。(3) 流动性 - 切变增稠( w r* E 0 q+ k* J3 d. y银胶内含高量的填充银粉，属

17、于聚合物中极为罕见之膨胀性流体，其黏度随剪切速率增加而升高，此现象称之为切变增稠。. L: g K+ x1 s, r0 C3 h7 S J( ! C; w; d# b2 h(4) 使用性 - 黏度对使用性之影响6 7 d) ?) l f! ?! H* m+ 较高之黏度时剪切速率较低，会产生液滴现象( 见图 4)。2 X# t0 l: v* T相对之，较低黏度时剪切速率较高，易发生拖尾现象( 见图 5) 。$ g3 l% H; q2 H* I. W ?1 R! b l, O9 w6 U w* x) r(5) 使用性 - 树脂扩散$ m+ w+ d8 z4 y: B1 A$ b0 j; B0 q1

18、 d% z) a树脂扩散是因低分子量的高分子体在引线框架上游离的现象。当高分子体游离至压焊区时，会造成无法压焊等问题。树脂扩散现象的驱动力应为表面能。其与引线框架的粗糙度有极大关连， 粗糙度大的引线框架，其树脂扩散现象愈大。表面污染会增加表面能，如常添加于引线框架镀银制程中做光亮剂或加速剂的硒(Se) ，将引线框架烘烤于200， 30 min，可消除树脂扩散现象， 其原因即为此热能可将残留的硒与银作用而转化成具有较低表面能的Ag2Se化合物。一般而言，含溶剂的芯片粘着剂较含100固形物的芯片粘着剂较不易产生树脂扩散现象。) d1 X z7 t( S6 g- (6) 使用性 - 使用期限芯片粘着

19、剂会因下列因素影响其使用期限。* N# c/ c( Q! S, k! D3 N$ Z$ A- d$ W$ 1 O黏度增加：芯片粘着剂黏度增加会剧烈地影响其点胶性、拉丝和其它制程特性。在室温下，100固形物的芯片粘着剂会随时间而逐渐硬化，使得黏度增加。含溶剂的芯片粘着剂会因溶剂的挥发使得黏度增加。一般以黏度增加25来定义使用期限。: 6 T; n/ T! 8 B) x阻抗值的增加：导电性芯片粘着剂之阻抗值会随其在室温下储放时间的增加而增加。因此，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

20、- 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 应对每一情况设下可容忍之最大阻抗值，以定义其使用期限。B3 _M7 W0 o6 d- Y! a树脂分离： 所有含银的环氧树脂均易受树脂分离的影响，由于树脂因重力而由结构中分离出来。一般而言，较低黏度的粘着剂较易受树脂分离的影响。这现象对针管包装较麻烦，因为它不易像瓶装的可重新搅拌。某些环氧树脂甚至会在一般储存温度一205产生树脂分离，而 40C储存温度则可防止此现象的发生。% H) z9 l$ _+ c$ T$ p65.3 制程上之考虑因素- 粘着性- J1 a+ B; W; m. 芯片粘着剂必须在压焊制程中提供足够强度，且须依不

21、同的应用提供足够的热传导性和电传导性。芯片粘着强度：粘着层一般而言，25 m是最佳厚度。边缘高度对小尺寸芯片而言，边缘高度提供大部份的粘着强度。但太高的边缘高度可能会形成离子攀爬，造成周围的树脂扩散现象，而污染铝垫。空孔如前所述， 含溶剂的芯片粘着剂容易在粘着层产生空孔。对小尺寸芯片而言，空孔会造成粘着强度不足。因此须对空孔程度订定规范，以提供压焊所须的粘着强度。I7 o/ L4 % y9 y2 W( s2 G3 V5.4 制程上之考虑因素- 热传导性 q# j4 K9 x8 C r7 w空孔明显地会影响粘着层的热传导性，但是空孔程度高至50% ，对 P-DIP，PLCC,SOIC或 QFP塑

22、封并不会有太大影响。热传导阻抗值可由下式定义：5 S8 e; F+ z4 Y0 6 * Y( k5 P式中： RA为热传导阻抗值，TJ 为芯片接着处温度，TA为室温， P为功率。若以 P-DIP 接着于 PC板上， 室温是 30，热传导阻抗值一般约为30/W，假设芯片接着处温度为 150，依上式可得30=(150 301/P ，P=4w 。s) K! 9 S6 g5 v! X/ O) Z( i4 F) U$ Y若以空孔率50而造成热传导阻抗值降低2/W，则 28=(150 30)/p ，P=3.75 W。功率损失由 4 W降为 3.75w，以 50的空孔程度造成热传导性功率损失约6。; Z.

23、T3 6 W5 c, k5 5.5 制程上之考虑因素- 电传导性1 u2 4 W/ L7 g* a! P; a5 L名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 含银的环氧树脂之电传导阻抗性取决丁熟化条件。导电率 (体电阻 ) 指电流在银胶中流通的难易程度。式中：尺为体电阻，V为电压， IV 为只通过银胶内部之电流) 。( d# t0 g. H9 1 Z4 O/ b. l% M v l 5 5.6 制程上之考虑因素玻璃转移温度

24、(Tg) 聚合物材料在某一温度下，表现出类似玻璃既硬又易碎的特性，便称此材料处于玻璃状态，而该临界温度 ( 范围 ) 则是此一材料的玻璃转移点或玻璃转移温度，符号 Tg。T1与 T2 的范围称之为转移区， 一般以玻璃区之斜照与液态区之斜率在此转移区之交差点当作玻璃转移温度Tg 之值。温度在Tg 以下，聚合物之行为类似玻璃，超过Tg 其行为开始转为软而有弹性的橡胶态， 温度再高则进入粘性液态。玻璃转移现象是无定形材料所特有，又因没有完全结晶之聚合物材料存在。使用温度需远低于Tg 为其考虑因素。0 V% G2 w4 : G( r8 D9 P2 O! m) 5.7 制程上之考虑因素- 吸水性与热传导

25、性7 T5 R, H2 e$ h. % c, t1 v5.7.1 吸水性) y B7 银胶吸水的主要因素为分子中所含的OH亲水基团，吸水后会对电气性质或机械性质造成严重的损害。6 E# ?$ n( m3 Z: T X3 D5.7.2 热传导性式中： K为热传导度 ( 系数 ) ，Q为热流， x 为材料厚度， 4 为传导热量的面积，T 为温度差。) I7 T- c8 l7 B# o. x! W6 可靠度上的考虑因素6.1 可靠度上的考虑因素- 残留离子铝金属腐蚀机构是因水气所带出的离子杂质形成的。铝金属与其表层上一层自然产生的多孔性氧化物很容易受到氯或溴化物的侵蚀，其反应程序如下：名师资料总结

26、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - * V- i/ 7 n m9 因此，塑封用胶及银胶均是氯离子的来源。62 可靠度上的考虑因素- 应力吸收能力温度高低来回作用使得IC 塑封中的内应力增加，而此热应力就是使IC 破坏的原因。 对于大尺寸芯片与铜引线框架或对应力敏感的芯片进行粘着时，粘着剂须提供良好的应力吸收能力。过高的热应力会造成芯片剥离或碎裂。0 N* N3 q2 D( / A% n. O: G0 N% _7 F: M/ c,

27、6.3 可靠度上的考虑因素- 电传导性的变化! |7 z0 E# y% j7 E8 e$ P有些含银粘着剂的电传导性会随时间而改变，但对大多数IC 而言，这种改变不会有影响。# . T+ q. L# e$ g! 7 结束语# H. S$ z% S. T4 X/ k 本文仅对环氧树脂导电胶的组成、选用材料， 基本特性， 使用中考虑的因素等做一简单的介绍，但愿能使业界同仁对银胶的组成有一概括性的了解，更期望为同行们在选择环氧树脂导电胶和研究集成电路封装机理方面有所启发。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -