針對產(chǎn)品可靠性性能應(yīng)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(shù)的發(fā)展而發(fā)展。隨著封裝技術(shù)的飛速發(fā)展越來越顯示出其基礎(chǔ)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(dǎo)熱型、低應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)環(huán)保法案法規(guī)的實(shí)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(zhuǎn)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(jìn)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(zhì)量比例稱量并混合均勻。再經(jīng)熱混合后就制備成了一個(gè)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(jìn)劑的作用下，環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基具有很高的反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，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(yīng)機(jī)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(shí)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(jìn)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(jìn)而導(dǎo)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(gè)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(dǎo)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(dāng)濕氣通過這兩條途徑到達(dá)芯片表面時(shí)，在其表面形成一層導(dǎo)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(yīng)：

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(yīng)：

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(xì)，因此，鋁布線腐蝕對器件壽命的影響就越發(fā)嚴(yán)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(biāo)環(huán)氧樹脂與無機(jī)填料的結(jié)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(dǎo)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(yīng)進(jìn)行相關(guān)耐濕性的評價(jià)，常用PCT試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。PCT試驗(yàn)條件是121℃，29.7Psi/205KPa,試驗(yàn)時(shí)間一般為96小時(shí)，客戶可以根據(jù)產(chǎn)品的可靠性等級加長或者縮短相應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間。

3.2 粘結(jié)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(jié)性也不相同。下圖為某國外公司設(shè)計(jì)的粘結(jié)力測試示意圖：

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

所以要根據(jù)框架的不同選擇相應(yīng)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(jìn)入從而提高可靠性。一些環(huán)保環(huán)氧塑封料為了達(dá)到相應(yīng)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?yàn)榫哂械驼扯鹊奶攸c(diǎn)，會導(dǎo)致模塑時(shí)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(dǎo)致環(huán)保塑封料與框架的粘結(jié)力降低，粘結(jié)力降低后容易導(dǎo)致分層，進(jìn)而導(dǎo)致水汽進(jìn)入。

3.3 模塑料的內(nèi)應(yīng)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(yīng)力，對器件密封性有著不可忽視的影響。因?yàn)槟Ｋ芰吓蛎浵禂?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(shí)，有可能導(dǎo)致壓焊點(diǎn)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(yīng)盡可能的低，但這個(gè)降低是收到限制的，因?yàn)樵诮档蛻?yīng)力的同時(shí)，環(huán)保環(huán)氧模塑料的熱導(dǎo)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(gè)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(jié)晶型硅粉，在某些性能需要方面有時(shí)候還需要添加球形或氣相硅粉。為了確認(rèn)內(nèi)應(yīng)力的影響程度，我們可以用溫度循環(huán)試驗(yàn)（TC）對于產(chǎn)品進(jìn)行評估。TC試驗(yàn)條件是-55~150℃，高溫低溫各15分鐘，試驗(yàn)循環(huán)數(shù)一般為250,500,1000個(gè)，客戶可以根據(jù)產(chǎn)品的可靠性等級選擇不同的試驗(yàn)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(jié)

客戶在選用環(huán)保環(huán)氧塑封料時(shí)在考慮經(jīng)濟(jì)，環(huán)境等因素的同時(shí)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(jìn)而提高相關(guān)效益。