淺談環(huán)氧塑封料對SOD123—SL二極管的影響

胡祺

摘 要：隨著半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的不斷促進，二極管封裝逐漸向小、薄、輕、高密度、綠色化方向發(fā)展。SOD123-SL二極管常用作小信號開關(guān)，因此對其封裝材料也提出了苛刻要求。文章主要針對環(huán)氧塑封料對SOD123-SL的不同影響因素進行了探討，包括熱應(yīng)力、吸潮性和阻燃性。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧塑封料；SOD123-SL二極管；熱應(yīng)力；吸潮性；阻燃性

中圖分類號：TN305.94 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0048-02

1 概 述

隨著高新技術(shù)的日新月異的發(fā)展對半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)不斷促進，半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝向小、薄、輕、高密度、綠色化方向發(fā)展，對封裝材料提出了苛刻的要求[1]。二極管作為半導(dǎo)體器件，廣泛運用在電子消費品、計算、通訊、工業(yè)和汽車制造等行業(yè)，其使用的封裝材料也因使用環(huán)境不同而要求不同。SOD123-SL二極管用作小信號開關(guān)，采用clip結(jié)構(gòu)，使用環(huán)氧塑封料封裝，封裝厚度可低至1 mm。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

環(huán)氧塑封料封裝的熱應(yīng)力和吸潮性都會影響到SOD123-SL二極管的可靠性，阻燃性則影響二極管的使用安全性。本文就環(huán)氧塑封料對SOD123-SL二極管的影響予以敘述。

2 熱應(yīng)力的影響

二極管封裝完成后，其內(nèi)部應(yīng)力主要與組成二極管的材料和二極管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。塑封是大規(guī)模集成電路以及許多半導(dǎo)體器件的一種主要封裝形式。塑封的熱應(yīng)力，一般有塑封料固化收縮產(chǎn)生的應(yīng)力和管芯與塑料熱收縮之差異產(chǎn)生的應(yīng)力兩種，后者占支配地位。塑封料和硅芯片的熱膨脹系數(shù)不一致，這樣導(dǎo)致塑封后芯片上存在附加應(yīng)力。這種附加應(yīng)力會產(chǎn)生壓阻等效應(yīng)，從而影響到集成電路中器件的性能，嚴(yán)重的情況下會引起金屬布線的位移，甚至引起硅片的斷裂，封裝外殼開裂，輕則造成器件耐濕性下降，重則使元器件完全失效。

研究表明，降低熱應(yīng)力的方法有三種：

①降低塑封料的線膨脹系數(shù)（α）；

②降低塑封料的彈性率（E）；

③降低塑封料的玻璃化溫度（Tg）。

降低Tg，會使封裝外殼的熱強度急劇下降，在大于Tg溫度的情況下，物料的強度約為常溫的1/10，而熱膨脹系數(shù)系數(shù)卻是常溫時的三倍左右，因此，利用降低Tg來實現(xiàn)低應(yīng)力這種方法是不可取的。所以低應(yīng)力化研究只能圍繞α和E兩方面展開。

環(huán)氧塑封料主要由環(huán)氧樹脂和填料兩大部分組成。要想降低塑封料的α，環(huán)氧和填料是首要研究對象。

20世紀(jì)90年代以來，液晶聚合物（LCP）增韌環(huán)氧樹脂引起國際上的廣泛關(guān)注。它是一種高度分子有序，深度分子交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，它融合了液晶有序與網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的優(yōu)點，相比于普通環(huán)氧樹脂，其耐熱性、耐水性和耐沖擊性都大為改善，同時在取向方向上線膨脹系數(shù)很小。

成曉情將單環(huán)苯并噁嗪、雙環(huán)苯并噁嗪和含醛基的單環(huán)苯并噁嗪三種樹脂混合，獲得了80 ℃下粘度為171 MPa·s的新型樹脂。該樹脂經(jīng)150 ℃固化后，Tg為146 ℃，線膨脹系數(shù)為4.3×10-5/K[4]。

為了減少熱應(yīng)力的影響，SOD123-SL二極管除了在結(jié)構(gòu)上采用clip設(shè)計外，其所使用環(huán)氧塑封料主要通過降低α來降低熱應(yīng)力。環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)與填料有很大關(guān)系。

環(huán)氧塑封料中主要采用二氧化硅（SiO2）作填料。SiO2粉按結(jié)構(gòu)分為結(jié)晶和熔融形兩類。前者的熱傳導(dǎo)率高，但熱膨脹系數(shù)較大，它的α與金的α相當(dāng)，大致是環(huán)氧樹脂的1/100[2]。顯然要降低塑封料的線膨脹系數(shù)需要增加熔融SiO2的填充料。

為了兼顧物料成型性，使塑封料能保持適當(dāng)?shù)娜廴谛?，填料一般只能增加?5%（V）的含量。SiO2粉顆粒按形狀可分為角形和球形兩種。若把SiO2從角形變換成球形，因其形狀相對規(guī)則，只要選擇適當(dāng)?shù)牧６确植?，填料的含量就可以達到75%～80%（V）[3]，耐熱性得以提高的同時將大幅降低材料線膨脹系數(shù)。

3 吸潮性的影響

塑封料通常具有散潮、吸潮、滲潮等缺點，所以在本質(zhì)上是一種非氣密性封裝。水分可以通過塑封料本身滲透到芯片上，因為環(huán)氧樹脂屬于高分子材料，一般高分子材料分子間距離為500～2 000（1=10-10 m），水分子能輕易滲透進去。水分也可以從塑料與引線框架的界面兩條途徑擴散、滲透到芯片上。水分在擴散、吸濕的過程中，使封裝材料中的微量離子性雜質(zhì)離解，結(jié)果造成漏電流增大。

另一方面，在吸濕時產(chǎn)生所謂膨潤現(xiàn)象即體積膨脹，其膨脹量大體上等于吸收水分的量。這時的應(yīng)力將引起粘接處剝離，促進潮氣的侵入，結(jié)果使耐濕性下降。

因此，在二極管貯存時即使只吸收了少量潮氣，也會產(chǎn)生很大問題：在200 ℃以上的高溫下進行焊接時，外殼將產(chǎn)生裂紋。

SOD123-SL二極管使用的環(huán)氧塑封料是由環(huán)氧樹脂作粘接劑，酚醛樹脂作固化劑，與其他組份按照一定的比例稱量、混合、再經(jīng)熱混合之后制備的單一組份組合物。在熱固化劑的作用下環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基開環(huán)與酚醛樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)固化作用使之成為熱固性塑料。

酚醛樹脂具有疏水基，這使得固化后的環(huán)氧塑封料具有良好的疏水性，可以阻擋水分的滲透。填料二氧化硅含量較高，能與環(huán)氧樹脂有效相容，減少其空隙率，延長水分到達芯片的距離。

環(huán)氧塑封料中添加的一些粘結(jié)劑能提高封裝料與引線框架的粘結(jié)力，使水分不易從兩者的界面處滲透進去。 這種環(huán)氧塑封料使得SOD123-SL二極管耐濕氣可靠性相當(dāng)好，高溫蒸煮試驗（PCT）的考核水平可達3 000 h以上。

4 阻燃性的影響

二極管在使用過程中會發(fā)熱，盡管環(huán)氧塑封料是熱的良導(dǎo)體，但是為了考慮到二極管使用的安全性，要求提高二極管環(huán)氧塑封料的阻燃性。傳統(tǒng)的做法就是添加鹵系阻燃劑，在燃燒時會產(chǎn)生對人體和環(huán)境危害的有毒氣體，對人體和環(huán)境均會產(chǎn)生有害的影響。

為了保護生態(tài)環(huán)境，歐盟公布了WWE（關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令）和RoHS（報廢電子電氣設(shè)備指令），指令規(guī)定必須在廢棄的電子或電氣器材等電子產(chǎn)品中，將限期禁止使用Pd，Hg，Cd，Cr6+，PBB（多溴聯(lián)苯）和PBDE（多謝聯(lián)苯醚）6種有害燃料[5]。對微電子封裝的影響主要體現(xiàn)在無鹵阻燃劑和無鉛焊料兩方面。

SOD123-SL二極管環(huán)氧塑封料采用本征型阻燃型環(huán)保型，它不包含鹵素阻燃劑和磷系阻燃劑，采用低粘度的樹脂體系，使填料含量升高到阻燃等級。

另一方面，主鏈結(jié)構(gòu)中含有聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的酚醛型環(huán)氧樹脂和酚醛型環(huán)氧固化劑在經(jīng)過固化反應(yīng)之后形成高度阻燃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。這種結(jié)構(gòu)在高溫下具有低彈性和高抗分解性，燃燒時會產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫層，有效地阻隔了熱傳遞，從而達到V-0級的阻燃效果。

5 結(jié) 語

環(huán)氧塑封料對SOD123-SL的影響主要體現(xiàn)在熱應(yīng)力、吸潮性和阻燃性三個方面。環(huán)氧塑封料與芯片的熱膨脹差異導(dǎo)致熱應(yīng)力，通過在環(huán)氧塑封料填充球形二氧化硅可以降低其線膨脹系數(shù)（α），從而達到減小環(huán)氧塑封料產(chǎn)生的熱應(yīng)力對SOD123-SL的影響。環(huán)氧塑封料里的酚醛樹脂、二氧化硅和粘接劑都能使SOD123-SL二極管的防潮性大幅提升。

SOD123-SL二極管環(huán)氧塑封料為本征阻燃型，達到了V-0級阻燃效果，使得其在使用過程中安全可靠。SOD123-SL二極管采用低應(yīng)力無鹵環(huán)氧塑封料，使其兼具高可靠性和安全性，其應(yīng)用范圍也會越來越廣。

參考文獻：

[1] 誠興明.環(huán)氧模塑料性能及其發(fā)展趨勢[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2004，29（1）： 40-40.

[2] 曹延生，黃文迎.環(huán)氧塑封料中填充劑的作用和發(fā)展[J].電子與封裝， 2009，9（5）：5-10.

[3] 陳昭.環(huán)氧模塑料（EMC）的設(shè)計和性能[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010（2）：43-49.

[4] 周良知.淺談環(huán)氧塑封料的應(yīng)用及其他[J].電子質(zhì)量，1996（9）：27-28.

[5] 陶志強，宋濤，杜迓涓，等.微電子封裝用環(huán)氧材料研究進展[J].Semicond uctor Technology，2010，35：159.

[6] 黃文迎，李剛，王善學(xué)，等.環(huán)氧塑封料綠色環(huán)?；^程中的問題研究[J]. 中國集成電路， 2009， 18（11）： 65-68.