針對產(chǎn)品可靠性性能應如何選擇環(huán)保環(huán)氧塑封料

1.環(huán)氧塑封料的介紹

環(huán)氧塑封料，又稱環(huán)氧模塑料、EMC（Epoxy Molding Compound），是后道封裝的主要原材料之一，它的發(fā)展是緊跟封裝技術的發(fā)展而發(fā)展。隨著封裝技術的飛速發(fā)展越來越顯示出其基礎地位、支撐地位的作用。

環(huán)氧模塑料發(fā)展至今，目前以樹脂體系分為：ECON型、DCPD型、Bi-Pheny1型及Multi-Function型；按性能分為：普通型、快速固化型、高導熱型、低應力型、低放射性、低翹曲型、無后固型、環(huán)保型等；按用途、外觀之不同，可分為固態(tài)環(huán)氧模塑料或移轉注模成型材料（Transfer Molding Compound）、液態(tài)塑封料（Liquid Molding Compound）、底部充填膠三大類，在規(guī)模上以固態(tài)環(huán)氧模塑料最大。本文也以固態(tài)環(huán)氧塑封料為講解主題。

隨著歐盟WEEE和ROHS法案和其他國家相關環(huán)保法案法規(guī)的實施，封裝行業(yè)對于塑封料提出了新的要求：傳統(tǒng)的含溴/含銻EMC向無溴/無銻EMC轉變，也就是環(huán)保塑封料。

2.傳統(tǒng)環(huán)氧模塑料與環(huán)保環(huán)氧模塑料之間的差異

傳統(tǒng)環(huán)氧模塑料由鄰甲酚醛環(huán)氧樹脂、線性酚醛樹脂、填充料二氧化硅粉（俗稱硅微粉）、促進劑、偶聯(lián)劑、改性劑、阻燃劑、著色劑等組分組成。鄰甲酚醛環(huán)氧樹脂是作為膠粘劑，它的固化劑是線性酚醛樹脂，將它們與其它組分按一定質量比例稱量并混合均勻。再經(jīng)熱混合后就制備成了一個單組分組合物。下表為EMC中各成分的作用和大致含量：

在熱和固化促進劑的作用下，環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基具有很高的反應活性，環(huán)氧基開環(huán)與固化劑酚醛樹脂的羥基發(fā)生化學反應，產(chǎn)生交聯(lián)固化作用，使它成為熱固性塑料。環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂之間反應機理：

溴代樹脂與銻阻燃劑對環(huán)境與人類的健康可能存在潛在的危害。因此提出了環(huán)保塑封料。為了滿足對于阻燃性的要求，現(xiàn)在主要是依靠以下3種手段實現(xiàn)：

1）新的環(huán)保的阻燃劑，例如金屬堿，硼酸鹽等

2）自阻燃性的樹脂

3）提高塑封料本身的填充物含量

上述的方法都對于塑封料研發(fā)體系提出了新的要求，進而對產(chǎn)品的可靠性造成了一定的影響。例如提高塑封料本身的填充物含量需要采用低粘度的樹脂，為了減少低粘度樹脂對于模塑的操作性的影響加入了大量的脫模劑，進而導致分層的增加。

3.保環(huán)氧塑封料的選擇中在產(chǎn)品可靠性方面必須考慮的幾個重要因素

3.1 耐濕性問題

對塑封器件而言，濕氣滲入是影響其氣密性導致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑：

1）通過塑封料包封層本體；

2）通過塑封料包封層與金屬框架間的間隙。

當濕氣通過這兩條途徑到達芯片表面時，在其表面形成一層導電水膜，并將塑封料中的Na+、CL-離子也隨之帶入引起腐蝕。

在有氯離子的酸性環(huán)境中反應：

2Al±6HCl→2AlCl3±3H 2

Al+3Cl→AlCl3+3e-

AlCl3→Al（OH）2 +HCl

在有鈉離子的堿性環(huán)境中反應：

2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO 2+3H2

Al+3（OH）- →Al（OH）3+3e-

2Al（OH）3→Al2 O3+3H2O

隨著電路集成度的不斷提高，鋁布線越來越細，因此，鋁布線腐蝕對器件壽命的影響就越發(fā)嚴重。 針對上述問題，我們必須要求：

1）模塑料要有較高的純度，Na+、CL離子降至最低；

2）模塑料的主要成分環(huán)境標環(huán)氧樹脂與無機填料的結合力要高，以阻止?jié)駳庥杀倔w的滲入。

3）模塑料與框架金屬要有較好的粘接性；

4）芯片表面的鈍化層要盡可能地完善，其對濕氣也有很好的屏蔽作用。

由于環(huán)保環(huán)氧塑封料中采用了新的阻燃劑或者樹脂體系，引入了一些新問題。例如環(huán)保塑封料中采用的氫氧化物做新的阻燃劑（常見的是氫氧化鎂），導致環(huán)保環(huán)氧塑封料中OH鍵的增加，加速了Na+的腐蝕。為了有效減少離子對產(chǎn)品可靠性的影響，對于環(huán)保環(huán)氧塑封料，我們應進行相關耐濕性的評價，常用PCT試驗進行確認。PCT試驗條件是121℃，29.7Psi/205KPa,試驗時間一般為96小時，客戶可以根據(jù)產(chǎn)品的可靠性等級加長或者縮短相應的試驗時間。

3.2 粘結性

由于不同的塑封料材料和工藝的不同，對于不同鍍層的框架的粘結性也不相同。下圖為某國外公司設計的粘結力測試示意圖：

下面為按照此方法進行同一種環(huán)保塑封料在不同鍍層框架（Cu和Ag）的粘結力數(shù)據(jù)：

所以要根據(jù)框架的不同選擇相應的環(huán)保塑封料，這樣就可以減少塑封料包封層與金屬框架間水汽的進入從而提高可靠性。一些環(huán)保環(huán)氧塑封料為了達到相應的阻燃效果，采用了自阻燃的樹脂（常見的是聯(lián)苯苯酚型自阻燃環(huán)氧樹脂）。自阻燃的環(huán)氧樹脂因為具有低粘度的特點，會導致模塑時造成粘模的現(xiàn)象。為了減少粘膜現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要加入一定量的脫模劑來提高產(chǎn)品的模塑性，而脫模劑會導致環(huán)保塑封料與框架的粘結力降低，粘結力降低后容易導致分層，進而導致水汽進入。

3.3 模塑料的內(nèi)應力

由于模塑料、芯片、芯片膠或者焊錫料、金屬框架的線膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的內(nèi)應力，對器件密封性有著不可忽視的影響。因為模塑料膨脹系數(shù)（20-26E-6/℃左右）比芯片、芯片膠或者焊錫料、框架（-16E-6/℃左右）的較大，在注模成型冷卻或在器件使用環(huán)境的溫差較大時，有可能導致壓焊點脫開，焊線斷裂甚至包封層與框架粘接處脫離，由此而引起其器件失效。

由此可見，環(huán)保環(huán)氧模塑料的線膨脹系數(shù)應盡可能的低，但這個降低是收到限制的，因為在降低應力的同時，環(huán)保環(huán)氧模塑料的熱導率也隨之降低，這對于封裝大功率的器件十分不利，要使這兩個方面得以兼顧，取決于配方中填料的類型和用量。填料一般為熔融型或結晶型硅粉，在某些性能需要方面有時候還需要添加球形或氣相硅粉。為了確認內(nèi)應力的影響程度，我們可以用溫度循環(huán)試驗（TC）對于產(chǎn)品進行評估。TC試驗條件是-55~150℃，高溫低溫各15分鐘，試驗循環(huán)數(shù)一般為250,500,1000個，客戶可以根據(jù)產(chǎn)品的可靠性等級選擇不同的試驗條件和循環(huán)數(shù)，確保使用環(huán)保環(huán)氧模塑料產(chǎn)品的可靠性。

4.總結

客戶在選用環(huán)保環(huán)氧塑封料時在考慮經(jīng)濟，環(huán)境等因素的同時也需要考慮可靠性因素，評估環(huán)保環(huán)氧塑封料對產(chǎn)品可靠性的影響，進而提高相關效益。