环氧模塑料性能及其发展趋势
摘要：简要介绍了EMC配方组成、反应机理、性能之间的关系及封装技术的发展趋势。
关键词：环氧塑封料；封装；发展
1 前言
材料是微电子工业和技术发展的粮食，随着IC 封装技术的发展，对材料特性的要求也愈来愈严格，也顺势带动封装材料发展。环氧塑封料（EMC）是IC后道封装三大主材料之一，用环氧模塑料封装超大规模集成电路在国内外已成为主流，目前95%以上的微电子器件都是塑封器件。
2 EMC基本配方及生产工艺
环氧模塑料是以环氧树脂为基体树脂，以酚醛树脂为固化剂，加上填料、促进剂、阻燃剂、着色剂、偶联剂及其它微量组分，按一定的比例经过前混、挤出、粉碎、磁选、后混合、预成型（打饼）等工艺制成。
3 成份反应机理及性能
3.1 主要成份
● 环氧树脂
环氧树脂是环氧模塑料的重要组成部分之一,环氧树脂的种类和它所占比例的不同,不但直接影响着环氧模塑料的流动特性,还直接影响着环氧模塑料的热性能和电特性。目前常用的环氧树脂有以下几种结构：
不同类型的环氧树脂具有不同的特性，如邻甲酚型环氧树脂具有较高的热稳定性和化学稳定性；双酚A型环氧树脂具有低收缩性和低挥发成份；多官能团型环氧树脂具有优良的热稳定性、快速固化性和高的 Tg等特点；联苯型环氧树脂具有较低的粘度、高填充性等特点；荼型环氧树脂具有高T g、高耐热性能； 改性环氧树脂具有良好柔韧性等。
● 固化剂
固化剂的主要作用是与环氧树脂反应形成一种稳定的三维网状结构。固化剂和环氧树脂一起影响着环氧模塑料的流动特性、热性能和电特性。目前常用的酚醛树脂有以下几种结构：
● 硅微粉填料
环氧模塑料常选用的硅微粉填料一般有结晶型、熔融型和球型三种（图1）。其形状及性能特点如表2。
● 固化促进剂
固化促进剂决定了固化速度的快慢，对环氧模塑料的力学性能、热性能、吸湿性能及成型工艺性能有显著的影响。
● 偶联剂
偶联剂主要作用就是通过化学反应或者化学吸附的办法（如图2）来改变填料表面的物理化学性能，提高其在树脂和有机物中的分散性增进填料与树脂等基体界面的相容性，进而提高材料的力学性能、化学性能以及电性能。
3.2 反应机理
环氧模塑料是由环氧树脂作粘接剂，酚醛树脂作固化剂，与其他组份按照一定的比例称量、混合、再经热混合之后制备的单一组份组合物。在热和固化剂的作用下环氧树脂的环氧基开环与酚醛树脂发生化学反应，产生交联固化作用使之成为热固性塑料。固化后的环氧模塑料具有优良的粘结性，优异的电绝缘性，机械强度高，耐热性和耐化学腐蚀性好，吸水率低，成型收缩小，成型工艺性能好等特点。
环氧树脂与酚醛树脂之间反应式为：
3.3 主要性能之间的关系曲线
4 产品种类及应用
4.1 产品分类
IC模塑料发展至今，目前以树脂体系分为：ECON型、DCPD型、Bi-Pheny1型及Multi-Function型；按性能分为：普通型、快速固化型、高导热型、低应力型、低放射性、低翘曲型、无后固型、环保型等；按用途、外观之不同，可分为固态环氧模塑料或称移转注模成型材料（Transfer Molding Compound）、液态塑封料(Liquid Molding Compound)、底部充填胶三大类，在规模上以固态环氧模塑料最大。
4.2 EMC应用
● 分立器件封装
随着电子设备向小型化、重量轻、高性能方向发展，器件封装形式向小型化封装、高功率器件、SMD封装等方向发展，不同的封装形式对环氧模塑料性能提出了不同的要求（表4）。
● 集成电路封装
目前集成电路正向高集化、布线细微化、芯片大型化及表面安装技术发展，与此相适应的环氧模塑料研究开发是使材料具有高纯度、低应力、低膨胀、高耐热等性能特点，见表5（以华威产品为例）。
5 发展趋势
EMC作为IC封装业主要支撑材料，它的发展，是紧跟整机与封装技术的发展而发展。
整机的发展趋势：轻、小（可携带性）；高速化；增加功能；提高可靠性；降低成本；对环境污染少。
封装技术的发展趋势：封装外形上向小、薄、轻、高密度方向发展；规模上由单芯片向多芯片发展；结构上由两维向三维组装发展；封装材料由陶封向塑封发展；价格上成本呈下降趋势。
随着高新技术日新月异不断发展对半导体应用技术不断促进，所以对其环氧封装材料提出了更加苛刻的要求，今后环氧模塑料主要向以下五个方面发展：
（1）向适宜表面封装的高性化和低价格化方向发展。为了满足模塑料高性化和低价格，适宜这种要求的新型环氧树脂不断出现，结晶性树脂，因分子量低，熔融粘度低，但熔点高具有优良的操作性，适用于高流动性的封装材料。目前已经有的结晶性环氧树脂，为了得到适用于封装材料的熔点范围，多数接枝了柔软的分子链段，但是成型性和耐热性难以满足封装材料的要求，所以必须开发新的结晶性的环氧树脂。
（2）向适宜倒装型的封装材料方向发展 。最近随着电子工业的发展，作为提高高密度安装方法，即所谓裸管芯安装引起人们的高度重视。在裸管芯倒装法安装中，为了保护芯片防止外界环境的污染，利用液体封装材料。在液体封装料中，要求对芯片和基板间隙的浸润和充填，因这种浸润和充填最终是通过毛细管原理进行的，因此要求树脂具有非常高的流动性，同时无机填充率要降低。但液体封装料与芯片之间的应力会增大，因此要求塑封料必须具有低的线膨胀系数，现在国外采用具有萘环结构的新型环氧树脂制备塑封料。
（3）BGA、CSP等新型封装方式要求开发新型材料。裸管芯安装方法，虽然是实现高密度化封装的理想方法，但目前仍有一些问题，如安装装置和芯片质量保证等，出现了一种新的封装方式即 BGA或CSP，这是一种格子接头方式的封装，不仅可以实现小型化、轻量化而且可达到高速传递化，目前这种封装形式正处于快速增长期。但这种工艺成型后在冷却工艺出现翘曲现象，这是因为基板与封装材料收缩率不同引起的。克服方法是尽量使封装料与基板线膨胀系数接近，从封装材料和基板粘合剂两方面均需开发新型EMC的同时提高保护膜与材料的密着性。
（4）高散热性的EMC。随着电子仪器的发展，封装材料散热性的课题已提出，因为EMC基体材料—— 环氧树脂属于有机高分子材料，基于分子结构的不同，热传导性的改善受到局限，因此从引线框架的金属材料着手，采用42#铜合金，因为有比较高的热传导率，铜合金引线框架表面有一层氧化膜，因此要求EMC与之有良好的粘接密着性。国外有些厂家正在研究开发，通过引入链段，提高范德瓦尔引力，以提高EMC与铜框架的引力。
（5）绿色环保型EMCT：随着全球环保呼声日益高涨，绿色环保封装是市场发展的要求，目前华威电子采用不含阻燃剂的环氧树脂体系或更高填充量不含阻燃剂的绿色环保EMC正在实施商业化。也有一些国外公司正在试用含磷化合物,包括红磷和瞵。
总之，随着集成电路向高超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速发展及电子封装技术由通孔插装（PHT）向表面贴装技术发展，封装形式由双列直插（DIP）向（薄型）四边引线扁平封装（TQFP/QFP）和球栅阵列塑装（PBGA）以及芯片尺寸封装（CSP）方向发展，环氧模塑料/EMC的发展方向正在朝着高纯度、高可靠性、高导热、高耐焊性、高耐湿性、高粘接强度、低应力、低膨胀、低粘度、易加工、低环境污染等方向发展。
本文摘自《半导体技术
关键词：环氧塑封料；封装；发展
1 前言
材料是微电子工业和技术发展的粮食，随着IC 封装技术的发展，对材料特性的要求也愈来愈严格，也顺势带动封装材料发展。环氧塑封料（EMC）是IC后道封装三大主材料之一，用环氧模塑料封装超大规模集成电路在国内外已成为主流，目前95%以上的微电子器件都是塑封器件。
2 EMC基本配方及生产工艺
环氧模塑料是以环氧树脂为基体树脂，以酚醛树脂为固化剂，加上填料、促进剂、阻燃剂、着色剂、偶联剂及其它微量组分，按一定的比例经过前混、挤出、粉碎、磁选、后混合、预成型（打饼）等工艺制成。
3 成份反应机理及性能
3.1 主要成份
● 环氧树脂
环氧树脂是环氧模塑料的重要组成部分之一,环氧树脂的种类和它所占比例的不同,不但直接影响着环氧模塑料的流动特性,还直接影响着环氧模塑料的热性能和电特性。目前常用的环氧树脂有以下几种结构：
不同类型的环氧树脂具有不同的特性，如邻甲酚型环氧树脂具有较高的热稳定性和化学稳定性；双酚A型环氧树脂具有低收缩性和低挥发成份；多官能团型环氧树脂具有优良的热稳定性、快速固化性和高的 Tg等特点；联苯型环氧树脂具有较低的粘度、高填充性等特点；荼型环氧树脂具有高T g、高耐热性能； 改性环氧树脂具有良好柔韧性等。
● 固化剂
固化剂的主要作用是与环氧树脂反应形成一种稳定的三维网状结构。固化剂和环氧树脂一起影响着环氧模塑料的流动特性、热性能和电特性。目前常用的酚醛树脂有以下几种结构：
● 硅微粉填料
环氧模塑料常选用的硅微粉填料一般有结晶型、熔融型和球型三种（图1）。其形状及性能特点如表2。
● 固化促进剂
固化促进剂决定了固化速度的快慢，对环氧模塑料的力学性能、热性能、吸湿性能及成型工艺性能有显著的影响。
● 偶联剂
偶联剂主要作用就是通过化学反应或者化学吸附的办法（如图2）来改变填料表面的物理化学性能，提高其在树脂和有机物中的分散性增进填料与树脂等基体界面的相容性，进而提高材料的力学性能、化学性能以及电性能。
3.2 反应机理
环氧模塑料是由环氧树脂作粘接剂，酚醛树脂作固化剂，与其他组份按照一定的比例称量、混合、再经热混合之后制备的单一组份组合物。在热和固化剂的作用下环氧树脂的环氧基开环与酚醛树脂发生化学反应，产生交联固化作用使之成为热固性塑料。固化后的环氧模塑料具有优良的粘结性，优异的电绝缘性，机械强度高，耐热性和耐化学腐蚀性好，吸水率低，成型收缩小，成型工艺性能好等特点。
环氧树脂与酚醛树脂之间反应式为：
3.3 主要性能之间的关系曲线
4 产品种类及应用
4.1 产品分类
IC模塑料发展至今，目前以树脂体系分为：ECON型、DCPD型、Bi-Pheny1型及Multi-Function型；按性能分为：普通型、快速固化型、高导热型、低应力型、低放射性、低翘曲型、无后固型、环保型等；按用途、外观之不同，可分为固态环氧模塑料或称移转注模成型材料（Transfer Molding Compound）、液态塑封料(Liquid Molding Compound)、底部充填胶三大类，在规模上以固态环氧模塑料最大。
4.2 EMC应用
● 分立器件封装
随着电子设备向小型化、重量轻、高性能方向发展，器件封装形式向小型化封装、高功率器件、SMD封装等方向发展，不同的封装形式对环氧模塑料性能提出了不同的要求（表4）。
● 集成电路封装
目前集成电路正向高集化、布线细微化、芯片大型化及表面安装技术发展，与此相适应的环氧模塑料研究开发是使材料具有高纯度、低应力、低膨胀、高耐热等性能特点，见表5（以华威产品为例）。
5 发展趋势
EMC作为IC封装业主要支撑材料，它的发展，是紧跟整机与封装技术的发展而发展。
整机的发展趋势：轻、小（可携带性）；高速化；增加功能；提高可靠性；降低成本；对环境污染少。
封装技术的发展趋势：封装外形上向小、薄、轻、高密度方向发展；规模上由单芯片向多芯片发展；结构上由两维向三维组装发展；封装材料由陶封向塑封发展；价格上成本呈下降趋势。
随着高新技术日新月异不断发展对半导体应用技术不断促进，所以对其环氧封装材料提出了更加苛刻的要求，今后环氧模塑料主要向以下五个方面发展：
（1）向适宜表面封装的高性化和低价格化方向发展。为了满足模塑料高性化和低价格，适宜这种要求的新型环氧树脂不断出现，结晶性树脂，因分子量低，熔融粘度低，但熔点高具有优良的操作性，适用于高流动性的封装材料。目前已经有的结晶性环氧树脂，为了得到适用于封装材料的熔点范围，多数接枝了柔软的分子链段，但是成型性和耐热性难以满足封装材料的要求，所以必须开发新的结晶性的环氧树脂。
（2）向适宜倒装型的封装材料方向发展 。最近随着电子工业的发展，作为提高高密度安装方法，即所谓裸管芯安装引起人们的高度重视。在裸管芯倒装法安装中，为了保护芯片防止外界环境的污染，利用液体封装材料。在液体封装料中，要求对芯片和基板间隙的浸润和充填，因这种浸润和充填最终是通过毛细管原理进行的，因此要求树脂具有非常高的流动性，同时无机填充率要降低。但液体封装料与芯片之间的应力会增大，因此要求塑封料必须具有低的线膨胀系数，现在国外采用具有萘环结构的新型环氧树脂制备塑封料。
（3）BGA、CSP等新型封装方式要求开发新型材料。裸管芯安装方法，虽然是实现高密度化封装的理想方法，但目前仍有一些问题，如安装装置和芯片质量保证等，出现了一种新的封装方式即 BGA或CSP，这是一种格子接头方式的封装，不仅可以实现小型化、轻量化而且可达到高速传递化，目前这种封装形式正处于快速增长期。但这种工艺成型后在冷却工艺出现翘曲现象，这是因为基板与封装材料收缩率不同引起的。克服方法是尽量使封装料与基板线膨胀系数接近，从封装材料和基板粘合剂两方面均需开发新型EMC的同时提高保护膜与材料的密着性。
（4）高散热性的EMC。随着电子仪器的发展，封装材料散热性的课题已提出，因为EMC基体材料—— 环氧树脂属于有机高分子材料，基于分子结构的不同，热传导性的改善受到局限，因此从引线框架的金属材料着手，采用42#铜合金，因为有比较高的热传导率，铜合金引线框架表面有一层氧化膜，因此要求EMC与之有良好的粘接密着性。国外有些厂家正在研究开发，通过引入链段，提高范德瓦尔引力，以提高EMC与铜框架的引力。
（5）绿色环保型EMCT：随着全球环保呼声日益高涨，绿色环保封装是市场发展的要求，目前华威电子采用不含阻燃剂的环氧树脂体系或更高填充量不含阻燃剂的绿色环保EMC正在实施商业化。也有一些国外公司正在试用含磷化合物,包括红磷和瞵。
总之，随着集成电路向高超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速发展及电子封装技术由通孔插装（PHT）向表面贴装技术发展，封装形式由双列直插（DIP）向（薄型）四边引线扁平封装（TQFP/QFP）和球栅阵列塑装（PBGA）以及芯片尺寸封装（CSP）方向发展，环氧模塑料/EMC的发展方向正在朝着高纯度、高可靠性、高导热、高耐焊性、高耐湿性、高粘接强度、低应力、低膨胀、低粘度、易加工、低环境污染等方向发展。
本文摘自《半导体技术
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