結(jié)晶硅微粉對(duì)KBJ元器件封裝用EMC氣孔的影響

張未浩，謝廣超，于 軒，丁全青，陳 波

（衡所華威電子有限公司，江蘇連云港 222006）

1 前言

隨著電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)階段封裝材料主要有金屬、陶瓷和塑料3種，其中塑料封裝由于操作方便、價(jià)格低廉、容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存，越來(lái)越受到市場(chǎng)的親睞，目前塑料封裝已占領(lǐng)市場(chǎng)的95%以上[1～2]。塑料封裝中最常用的是環(huán)氧模塑料（EMC)。EMC由環(huán)氧樹(shù)脂、硅微粉、催化劑、固化劑以及其他添加劑等組成，其中硅微粉是EMC中至關(guān)重要的成分[3]。本文針對(duì)KBJ元器件封裝過(guò)程中的外部氣孔問(wèn)題，探究結(jié)晶硅微粉含量以及比例對(duì)KBJ元器件封裝過(guò)程中氣孔的影響。

2 氣孔成因與堆積理論

2.1 氣孔成因

在封裝成形過(guò)程中，氣孔是常見(jiàn)的一種缺陷。根據(jù)氣孔在塑封元器件中出現(xiàn)的位置，分為外部氣孔和內(nèi)部氣孔。外部氣孔可以直接通過(guò)肉眼看到，通常所說(shuō)的即是外部氣孔；內(nèi)部氣孔無(wú)法直接看到，必須通過(guò)X射線(xiàn)儀才能觀察到。形成氣孔的主要原因有以下3個(gè)方面：（1）封裝工藝，主要與注塑溫度、注塑壓力、注塑時(shí)間等有關(guān)；（2）模具問(wèn)題，主要包括模具型腔的形狀和排列，澆口和排氣孔的形狀以及位置等；（3）封裝材料方面，主要包括EMC的凝膠化時(shí)間、粘度、揮發(fā)性含量、水分含量、餅料密度等[4]。

2.2 硅微粉堆積理論[5～6]

硅微粉的堆積其實(shí)質(zhì)就是使硅微粉顆粒均勻而又盡可能致密地充滿(mǎn)所涉及的空間，其空隙由有機(jī)樹(shù)脂及其他添加劑填充，以便形成一個(gè)均勻致密并且具有一定強(qiáng)度的坯體。多種離散粒徑顆粒堆積時(shí)，大顆粒與小顆粒的粒徑比大于一定條件時(shí)，小顆粒就有可能填充到大顆粒堆積形成的縫隙中去，有利于提高粒群的堆積效率。研究顆粒的堆積特征性常見(jiàn)的粒度分布模型是Dinger-Funk-Alfred分布模型，研究表明服從Dinger-Funk-Alfred方程的粒度分布模型的顆粒體系，當(dāng)模型參數(shù)n=0.5時(shí)有最高堆積效率，所得的堆積密度最大；而當(dāng)n大于或者小于0.5時(shí)，堆積密度降低。

3 試驗(yàn)部分

3.1 主要原料

試驗(yàn)主要原料有：鄰甲酚型環(huán)氧樹(shù)脂，Mn-451/PDI-1.6(化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1)；酚醛樹(shù)脂，ZHF-A2(化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖2)；結(jié)晶硅微粉，Silica DG 200 A；Silica 4-10；Silica 4-1；氣相硅微粉，REOLOSIL QS-102。

圖1 鄰甲酚醛環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖2 酚醛樹(shù)脂化學(xué)結(jié)構(gòu)式

3.2 主要設(shè)備及儀器

試驗(yàn)所需主要設(shè)備及儀器有：萬(wàn)能測(cè)試機(jī)，AGS-X，日本Shimadzu公司；激光粒度分析儀，LS3230，Amercian Beckman Coulter；島津毛細(xì)流變儀，CFT-500D，Japan Shimadzu Corporation。

3.3 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

3種結(jié)晶硅微粉的粒度分布如圖3所示。由圖3可得到表1所示的3種結(jié)晶硅微粉的粒度分布數(shù)據(jù)。

按表2中的配方稱(chēng)量各組分，放入高速攪拌混合機(jī)中高速混合25 min，然后采用雙輥開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行混煉，并經(jīng)過(guò)粗粉碎、細(xì)粉碎、混勻，生產(chǎn)出3種不同的EMC產(chǎn)品，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。

圖3 3種結(jié)晶硅微粉的粒徑分布圖

表1 3種型號(hào)結(jié)晶硅微粉的粒徑分布單位 /μm

備注：D10指小于該粒徑的硅微粉數(shù)量占整體的10%；D50又稱(chēng)中心粒徑，指小于該粒徑的硅微粉數(shù)量占整體的50%；D90指小于該粒徑的硅微粉數(shù)量占整體的90%；Mean指硅微粉的平均粒徑。

表2 3個(gè)EMC試驗(yàn)配方

4 結(jié)果與討論

4.1 流動(dòng)性能測(cè)試

采用CFT-500D毛細(xì)流變儀測(cè)試材料的粘度。流變儀的毛細(xì)管口徑為0.3 mm，行程1 mm。樣品質(zhì)量3 g，直徑10.5 mm，測(cè)試溫度為165℃±0.2℃，測(cè)試壓力10 kg。在測(cè)試之前，要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，采用高密度乙烯做校準(zhǔn)樣品，操作條件190℃±0.2℃，1 mm的毛細(xì)管，20 kg的力，300 s的反應(yīng)時(shí)間。在165℃、10 kg壓力的條件下，3個(gè)配方的樣品測(cè)試3次取平均值，如表3所示。

表3 3種配方EMC 165℃時(shí)的熔融粘度值

粘度是EMC材料一個(gè)很重要的指標(biāo)，EMC在注塑過(guò)程中容易產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生的渦流包裹著氣體。若EMC粘度太低，氣體不易排出，導(dǎo)致氣體被包裹在封裝的元器件中，引起元器件失效；但如果EMC材料的粘度太大，在注塑的過(guò)程中雖然不會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，但容易導(dǎo)致元器件與EMC材料粘結(jié)在一起，不利于實(shí)際的操作。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，隨著填料含量的增加，EMC的粘度有了很大的提高。

4.2 凝膠化時(shí)間、螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度性能測(cè)試

本研究采用測(cè)量材料的凝膠化時(shí)間（GT，Gel Time）和螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度（SF，Spiral Flow）。凝膠化時(shí)間測(cè)量175℃±2℃的條件下0.5～1 g的樣品，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度測(cè)量在175℃±2℃的條件下，18 g±1 g的樣品，測(cè)試3次取平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 3種配方EMC的凝膠化時(shí)間和螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度

從表4中可以看出，隨著結(jié)晶硅微粉含量的增加，凝膠化時(shí)間由34 s減少到27 s，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度由86 cm減少到53 cm。根據(jù)Flory的凝膠化理論[7～8]，在凝膠點(diǎn)之前，凝膠化時(shí)間可表征熱固性樹(shù)脂在一定溫度下由線(xiàn)型結(jié)構(gòu)向體型結(jié)構(gòu)大分子轉(zhuǎn)化的時(shí)間。因此，根據(jù)某一溫度下化學(xué)反應(yīng)速率方程和Arrhenius公式，可推導(dǎo)出凝膠化時(shí)間與固化反應(yīng)活化能的關(guān)系，如式（1）所示：

式（1）中：t為凝膠化時(shí)間，Ea為固化反應(yīng)活化能，T為絕對(duì)溫度(K)，R為氣體常數(shù)，A為常數(shù)。從公式中可以看出，Ea與凝膠化時(shí)間成正比例關(guān)系，t越大，Ea越大，體系的活化能越高，則材料的儲(chǔ)存性能越好，此外，較高的活化能便于EMC材料在固化過(guò)程中有足夠的時(shí)間排除氣泡，增加材料的可靠性。但在實(shí)際的EMC注塑過(guò)程中，若凝膠化時(shí)間太短，注塑速率會(huì)加快，導(dǎo)致注塑過(guò)程中模具型腔內(nèi)的氣體不能及時(shí)排出，最后殘留的氣體在注塑壓力下會(huì)在注塑口的位置形成氣孔；凝膠化時(shí)間太長(zhǎng)，注塑時(shí)間加長(zhǎng)，則會(huì)降低工作效率，影響公司的效益。因此，合適的凝膠化時(shí)間對(duì)EMC很關(guān)鍵。

4.3 3種配方EMC扁橋KBJ封裝的氣孔分析對(duì)比

在完成3種配方EMC的生產(chǎn)以后，根據(jù)扁橋KBJ封裝模具規(guī)格，制備了規(guī)格為直徑Φ58 mm、重量106 g的圓柱形餅塊，進(jìn)行封裝KBJ元器件試驗(yàn)驗(yàn)證。模具的參數(shù)為：模溫170℃±5℃，轉(zhuǎn)進(jìn)壓力60 kg/cm2，轉(zhuǎn)進(jìn)時(shí)間12 s，固化時(shí)間110 s。在實(shí)際應(yīng)用EMC材料時(shí)，封裝后KBJ元器件表面氣孔孔徑大于0.5 mm表示材料不合格，若封裝后的氣孔孔徑小于0.5 mm且每一次封裝完后不超過(guò)3個(gè)，表示材料合格，3種配方EMC的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 3種配方EMC的試驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以看出：配方一的EMC材料在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中6次有3次檢測(cè)到很大的氣孔缺陷（見(jiàn)圖4），這種氣孔會(huì)導(dǎo)致元器件失效，判定材料不合格。配方二在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中6次檢測(cè)到1次小氣孔（氣孔小于0.5 mm，見(jiàn)圖5），在檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)，判定材料合格。配方三在試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)法注滿(mǎn)元器件，試驗(yàn)2次皆失敗，判定材料不合格。試驗(yàn)結(jié)果表明：從配方三中可以看出，當(dāng)3種結(jié)晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=0:5:2比例且在EMC中含量在79%時(shí)，制備出的EMC粘度為82.9 Pa·s，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度為53 cm，凝膠化時(shí)間為27 s時(shí)，用EMC封裝KBJ元器件會(huì)出現(xiàn)注塑不滿(mǎn)的現(xiàn)象，主要是因?yàn)槁菪鲃?dòng)長(zhǎng)度太短所致。從配方二可以看出，當(dāng)3種結(jié)晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=1:1:1比例且在EMC中含量在77%時(shí)，制備出的EMC粘度值為60.2 Pa·s，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度為69 cm，凝膠化時(shí)間為33 s，封裝的KBJ元器件沒(méi)有氣孔問(wèn)題。從配方一可以看出，當(dāng)3種結(jié)晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=1:1:1比例且在EMC中含量在75%時(shí)，制備出的EMC粘度值為41 Pa·s，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度為86 cm，凝膠化時(shí)間為34 s，封裝的KBJ元器件有大氣孔問(wèn)題，主要是因?yàn)镋MC在受到高溫和擠壓時(shí)，材料的粘度低，流動(dòng)速度快，材料在注塑過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生渦流并包裹著氣體，氣體無(wú)法排出，所以會(huì)在元器件表面出現(xiàn)大氣孔。

圖4 配方一KBJ注塑外表面典型大氣孔缺陷圖

圖5 配方二KBJ注塑外表面典型小氣孔圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)KBJ元器件在封裝過(guò)程中的氣孔問(wèn)題，通過(guò)改變配方中硅微粉的粒徑比例以及含量制備出3種不同的EMC。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)晶硅微粉含量的提高，EMC的螺旋流動(dòng)時(shí)間和粘度逐漸增加，而凝膠化時(shí)間逐漸減少，而且當(dāng)3種結(jié)晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=1:1:1比例且在EMC中含量在77%時(shí)，制備出的EMC封裝KBJ元器件沒(méi)有氣孔，解決了KBJ元器件封裝用EMC的氣孔問(wèn)題。

[1]謝廣超.EMC封裝形成的常見(jiàn)缺陷及其對(duì)策 [J].電子與封裝，2005，5(6)：19-22.

[2]Zaifu Cui,Miao Cai,Ruifeng Li,et al.A numerical procedure for simulating thermal oxidation diffusion of epoxy molding compounds[J].Microelectronics Reliability,2015,55:1877-1881.

[3]黃道生，吳娟.脫模劑對(duì)環(huán)氧模塑料性能影響的研究[J].電子與封裝，2009，9(10)：4-9.

[4]楊明山，劉陽(yáng)，李林楷，等.硅微粉粒徑及其匹配對(duì)IC封裝用環(huán)氧模塑料流動(dòng)性的影響 [J].中國(guó)塑料，2010,3：93-95.

[5]謝廣超.環(huán)氧模塑料的應(yīng)力及其對(duì)半導(dǎo)體封裝的影響性能[D].南京：南京大學(xué)，2008:11.

[6]劉晏榮，曹夢(mèng)醒，廖陳林.級(jí)配理論的應(yīng)用研究[J].山西建筑，2007，33（12）：165-166.

[7]Udom Peanpunga,Kessararat Ugsornrat,Panakamol Thorlor,et al.Effect of Epoxy Molding Compound Floor Life to Reliability Performance for Integrated Circuit(IC)Package[J].Siam Physics Congress,2016:1-5.

[8]趙煒，謝美麗，何毅，等.高填充酸酐固化環(huán)氧/二氧化硅復(fù)合材料的研究[J].熱固性樹(shù)脂，2004，19（5）：11-13.