LED封装用环氧树脂的机理与特性介绍

　　本文将对环氧树胶封装塑粉的机理、特性、施用材料加以介绍，但愿对IC封装工程师们在选择材料、阐发封装机理方面有所帮助。

　　半导体(LED)封装业占领了海内集成电路财产的主体职位地方，如何选择电子封装材料的需要解答的题目显患上更加剧要。按照资料显示，90％以上的结晶体管及70％~80％的集成电路已施用份子化合物塑料封装材料，而环氧树胶封装塑粉是最多见的份子化合物塑料封装材料。本文将对环氧树胶封装塑粉的身分、特性、施用材料加以介绍，但愿对IC封装工程师们在选择材料、阐发封装机理方面有所帮助。

　　1.LED封装的目的

　　半导体封装使诸如二极管、结晶体管、IC等为了维护自己的气密性，并掩护不受四周情况中湿度与温度的影响，以及防止电子组件遭到机械振荡、冲击孕育发生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下面所开列几点：

　　(1)、防止湿疹等由外部侵入；

　　(2)、以机械体式格局撑持导线；

　　(3)、有用地将内部孕育发生的热排出；

　　(4)、供给可以容或者手持的形体。

　　以瓷陶、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，合用于可*性要求较高的施用途合。以份子化合物塑料封装的半导体组件的气密性较差，可是成本低，因此成为电视、电话机、计较机、无线电收音机等平易近用品的主流。

　　2.封装所施用的份子化合物塑料材料

　　半导体产物的封装大部门都采用环氧树胶。它具备的一般特性包孕：成形性、耐热性、杰出的机械强度及电器绝缘性。同时为防止对封装产物的特性劣化，树胶的热体胀系数要小，水蒸气的透过性要小，不含对元件有影响的不纯物，引针脚(LEAD)的接着性要杰出。纯真的一种树胶要能纯粹餍足上面所说的特性是很坚苦的，因此大大都树胶中均插手填充剂、巧合剂、硬化剂等而成为复合材料来施用。一般说来环氧树胶比其他树胶更具备优胜的电气性、接着性及杰出的低压成形流动性，而且价格自制，因此成为最常用的半导体塑封材料。

　　3.环氧树胶胶粉的构成

　　一般施用的封装胶粉中除了环氧树胶之外，还含有硬化剂、增进剂、抗燃剂、巧合剂、脱模剂、填充料、颜料、润滑油剂等身分，现别离介绍如下：

　　3．1环氧树胶(EPOXYRESIN)

　　施用在封装塑粉中的环氧树胶品类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLACEPOXY、环状脂肪族环氧树胶(CYCLICALIPHATICEPOXY)、环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树胶必须含有较低的离子含量，以降低对半导体芯片外貌铝条的腐化，同时要具备高的热变型温度，杰出的耐热及耐化学性，以及对硬化剂具备杰出的反映性。可选用纯一树胶，也能够二种以上的树胶混淆施用。

　　本文将对环氧树胶封装塑粉的机理、特性、施用材料加以介绍，但愿对IC封装工程师们在选择材料、阐发封装机理方面有所帮助。

　　半导体(LED)封装业占领了海内集成电路财产的主体职位地方，如何选择电子封装材料的需要解答的题目显患上更加剧要。按照资料显示，90％以上的结晶体管及70％~80％的集成电路已施用份子化合物塑料封装材料，而环氧树胶封装塑粉是最多见的份子化合物塑料封装材料。本文将对环氧树胶封装塑粉的身分、特性、施用材料加以介绍，但愿对IC封装工程师们在选择材料、阐发封装机理方面有所帮助。

　　1.LED封装的目的

　　半导体封装使诸如二极管、结晶体管、IC等为了维护自己的气密性，并掩护不受四周情况中湿度与温度的影响，以及防止电子组件遭到机械振荡、冲击孕育发生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下面所开列几点：

　　(1)、防止湿疹等由外部侵入；

　　(2)、以机械体式格局撑持导线；

　　(3)、有用地将内部孕育发生的热排出；

　　(4)、供给可以容或者手持的形体。

　　以瓷陶、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，合用于可*性要求较高的施用途合。以份子化合物塑料封装的半导体组件的气密性较差，可是成本低，因此成为电视、电话机、计较机、无线电收音机等平易近用品的主流。

　　2.封装所施用的份子化合物塑料材料

　　半导体产物的封装大部门都采用环氧树胶。它具备的一般特性包孕：成形性、耐热性、杰出的机械强度及电器绝缘性。同时为防止对封装产物的特性劣化，树胶的热体胀系数要小，水蒸气的透过性要小，不含对元件有影响的不纯物，引针脚(LEAD)的接着性要杰出。纯真的一种树胶要能纯粹餍足上面所说的特性是很坚苦的，因此大大都树胶中均插手填充剂、巧合剂、硬化剂等而成为复合材料来施用。一般说来环氧树胶比其他树胶更具备优胜的电气性、接着性及杰出的低压成形流动性，而且价格自制，因此成为最常用的半导体塑封材料。

　　3.环氧树胶胶粉的构成

　　一般施用的封装胶粉中除了环氧树胶之外，还含有硬化剂、增进剂、抗燃剂、巧合剂、脱模剂、填充料、颜料、润滑油剂等身分，现别离介绍如下：

　　3．1环氧树胶(EPOXYRESIN)

　　施用在封装塑粉中的环氧树胶品类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLACEPOXY、环状脂肪族环氧树胶(CYCLICALIPHATICEPOXY)、环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树胶必须含有较低的离子含量，以降低对半导体芯片外貌铝条的腐化，同时要具备高的热变型温度，杰出的耐热及耐化学性，以及对硬化剂具备杰出的反映性。可选用纯一树胶，也能够二种以上的树胶混淆施用。

　　3．2硬化剂(HARDENER)

　　在封装塑粉顶用来与环氧树胶起交联(CROSSLINKING)效用的硬化剂可大抵分成两类：

　　(1)、碳酸酐类(ANHYDRIDES)；

　　(2)、酚树胶(PHENOLICNOVOLAC)。

　　以酚树胶硬化和碳酸酐硬化的环氧树胶体系就象下的特性比力：●弗以酚树胶硬化的体系的溢胶量少，脱模较易，抗湿性及不改变性别均较碳酸酐硬化者为佳；●以碳酸酐硬化者需要较长的硬化时间及较高温度的后硬化(POSTCURE)；●弗以碳酸酐硬化者对外貌泄电流敏锐的元件具备较佳的相容性；●费以酚树胶硬化者在150-175~C之间有较佳的热不改变性别，但温度高于175~(2则以碳酸酐硬化者为佳。

　　硬化剂的选择除了电气性子之外，尚要思量作业性、耐湿性、生存性、价格、对人的身体安全性等因素。

　　3．3增进剂(ACCELERATOORCATALYST)

　　环氧树胶封装塑粉的硬化周期(CURINGCYCLE)约在90-180秒之间，必须可以容或者在瞬息间内硬化，因此在塑粉中新增增进剂以缩短硬化时间是必要的。

　　此刻大量施用的环氧树胶塑粉，因为内含硬化剂、增进剂，在混淆加工(COMPOUNDING)后已成为部门交联的B-STAGE树胶。在封装施用完结以前塑粉自己会不停的举行交联硬化反映，因此必须将塑粉存贮于5℃以下的冷柜中，以按捺塑粉的硬化速度，而且塑粉也有生存的刻日。要是想制患上不消低温生存，且具备长的生存刻日(LNOGSHELFLIFE)的塑粉，则肯定是要选用潜在性增进剂(LATENTCATALYST)，这类增进剂在室温中不会加速硬化反映，只有在高温时才会产牛增进硬化反映的效验。今朝日本已有出产没必要低温存贮的环氧树胶胶粉，其要害乃在潜在性增进剂的选用。

　　3．4抗燃剂(FLAMERETARDANT)

环氧树胶胶粉中的抗燃剂可分成有机与无机两种。有机系为溴化的环氧树胶或者四溴化双酚A(TETRABROMOBISPHENOLA)。无机系则为三氧化二锑(Sb203)的粉末。二者可分隔单独施用，也可归并施用，而以归并施用的抗燃剂效验为佳。

　　3．5填充料(LILLER)

　　在封装塑粉中，填充料所占的比例至多，约在70％摆布，因此填充料在封装朔粉中饰演着十分重要的脚色。

　　3．5．1在塑粉中插手数量适宜适质的填充料，具备下面所开列几个目的：

　　(1)削减塑粉硬化后的收缩；

　　(2)降低环氧树胶的热体胀系数；

　　(3)改善热传导；

　　(4)吸收反映热；

　　(5)改善硬化树胶的机械性子与电学性子；

　　(6)降低塑粉成本。

　　3．5．2填充料的品类

　　施用于环氧树胶塑粉中的填充料，除了要能改善电绝缘性、电媒质特性之外，尚须具备化学稳固性及低吸湿性。一般常用的填充料有以下几种：

　　(1)石英；

　　(2)高纯净度二氧化硅(施用最为广泛)；

　　(3)氢氧化铝

　　(4)氧化铝；

　　(5)云母粉末；

　　(6)碳化硅。

　　3．5．3二氧化硅(SiO2,Silica)

　　环氧树胶的热体胀系数均等约为65×10-6m／cm／℃；，比对封装树胶中的金属埋人件的热体胀系数大许多。半导体所用的框架(LEADFRAME)与环氧树胶相差甚远。若以纯树胶来封装半导体元件，因为相互间热体胀系数的差异及元件工作时所孕育发生的热，将会孕育发生内部策应力及热应力而造成封装材料的龟裂。因此插手塑粉中的填充料，除了要能削减树胶与金属埋入件间的热体胀系数外，也要具备杰出的传热功效。

　　二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔化二氧化硅。结晶性二氧化砖具备较佳的传热性但热体胀系数较大，对热冲击的抵当性差。熔化二氧化硅的传热性子较差，但却领有较小的热体胀系数，对热冲击的抵当性较佳。表2是熔化性与结晶性二氧化硅充填的环氧树胶胶粉的性子比力，可看出熔化性二氧化硅除了传热性子较差外，挠曲强度及耐湿性均低于结晶性二氧化硅。

　　此外，填充料用量的几多以及粒子的巨细、外形、粒度分布等对于塑粉在移送成形(Transfermolding)时的流动性，以及封装后制品的电气性子均会造成影响，这些个因素在选用填充料时均要加以思量。

　　3．6巧合剂(COUPLIUNGAGENT)

　　在环氧树胶中新增少数的巧合剂，能孕育发生下面所开列效用：

　　●增加填充料与树胶之间的相容性与亲和力；

　　●增加胶粉与埋人元件间的接出力；

　　●削减吸水性；

　　●提高挠曲强度；

　　●降低成形中塑粉的粘度，改善流动性；

　　●改善胶粉的热消散因数(THERMALDUSSIPATIONFACTOR)、损掉因数(LOSSFAC-TOR)及泄电流(LEAKAGECURRENT)。

　　3．7脱模剂(日ELEASEAGENT)

　　环氧树胶的粘着性杰出，对生产模型也会孕育发生接出力，而影响加工封装完结后的脱模，因此插手脱模剂来改善胶粉与生产模型之间的脱模能力。一般常用的脱模剂有：腊、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。脱模剂的品类与用量要视塑粉方子(树胶、硬化剂、填充料)而定。脱模剂的用量要适当，要是用量太少会使脱模不易；相反，要是用量过多，不单容易污染生产模型，更会降低胶粉与埋入框架、引线间的粘出力，直接影响到元件的耐湿性及可*性。下图为脱模剂新增量与接出力的瓜葛，脱模剂新增愈多，胶粉与埋人件间的接出力降落也愈多。

　　3．8颜料(PIGMENT)

　　凡是视制品的色彩来新增颜料。一般的封装胶粉均以煤黑为颜料，因此制品具备玄色的外不雅。

　　3．9润滑油剂(LUBRICANT)

　　为了增加胶粉在加工成形中的流动性，有时候可插手部门润滑油剂来降低粘度。可是此举往往会造成胶粉的玻璃转移温度(TgGLASSTRANSISTIONTEMPERATURE)的降低及电气特性的劣化，因此如有需要插手润滑油剂，最佳选用反映性稀释剂(RE-ACTIVEDILUENT)，使稀释剂份子能与树胶孕育发生化*合，以制止T2及电气特性的劣化。

　　4.环氧树胶塑粉的基本特性

　　前边咱们已提到一些塑粉所要具备的特性，下面将进一步切磋这些个特性。

　　4．1耐热性

　　4．1．1玻璃转移温度，Tg

　　要是以热劣化性为耐热性的思量要端，则可以Tg来看做参考值。塑粉的Tg值主要取决塑粉的交联疏密程度：Tgl=Tg0+k／ncTgi：交联后的TgTg0：未交联前的TgK：实验常数nc：两交联点前的均等原子数。交联疏密程度愈高，其Tg值也愈高；耐热性愈佳，热变型温度也愈高。一般封装塑粉的Tg值约在160℃摆布，太高的Ts会使制品过硬呈脆性，降低对热冲击的抵当性。

　　4．1．2Tg的标定

　　标定Tg的方法许多,今朝本所施用热膨胀计(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIALCANNINGCALORIMETRY)、流变仪(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONALBRAIDANALYZER)等摄谱仪来标定Tg值。

　　4．2耐腐化性

　　由从事塑胶封装电路的故障阐发者所提出的故障成因中，以铝条腐化(CORROSIONOFALUMINUNMETALLIZATION)所占比例最高，因此耐腐化性实为封装塑粉的首要思量因素。

　　4．2．1腐化的成因

　　就环氧树胶塑粉而言，造成铝条腐化的主因为塑粉中所含的氯离子及可水分解性氯(HYDROLYZABLECHLORIDE)。当大气中的湿疹经由树胶自己及其与引针脚(LEAD)间的界面，廓张步入半导体的内部，这些个侵入的水气会与树胶中的离子性不纯物联合，出格是C1-，而增加不纯物的游动性(MOBILITY)。当这些个不纯物达到晶片外貌时，即与铝条形成腐化反映，粉碎极薄的铝层，造成半导体的故障。

　　4．2．2腐化的防止

　　(1)、降低不纯物含量

　　对半导体封装业者而言，选择低氯离子含量的封装胶粉是必要的。今朝一般塑粉中离子性不纯物的含量均在10ppm以下。环氧脂因为在合成历程中施用EPICHLOROHYDRIN，因此没有办法制止有氯离子的存在，因此树胶要经醇化去除大部门氯离子后，再用来出产封装塑粉。表3为日本厂家的环氧树胶封装胶粉的离子含量及电导度。

　　(2)、新增腐化按捺剂(CORROSIONINHIBITOR)

　　在胶粉新增腐化按捺剂能减低铝条的腐化速度，滋扰阳极或者阴极的腐化反映，故而降低腐化全反映(OVERALLREACTION)的速度。所选用的按捺剂要具备如下的性子：①按捺剂中不克不及含有对电路工作有害的离子；②插手按捺剂后所增加的离子电导度不克不及孕育发生有害于电路的副反映；③按捺剂需能形成错合物(COMPLEX)；④对有机系按捺剂而言，不克不及与环氧树胶发生反映，在移送面形成硬化历程中具备稳固性；⑤对无机系按捺剂而言，其所孕育发生的离子不成渗入Si或者SiO：绝缘层中，以避免影响电路的工作。

　　一般以无机系腐化按捺剂的效验最佳。其中以钨酸铵(AMMONIUMTUNGSTATE)、宁檬酸钙(CALCIUMCITRATE)为常用。

　　4．3低的热体胀系数(CTE，COEFFICTENTOFTHERMALEXPANSION)

　　在前边咱们已提过因为树胶与埋人件CTE的差别而孕育发生内部策应力，造成制品*的原因。在此咱们将具体介绍CTE对胶粉影响。

　　4．3．1GTE与内部策应力的瓜葛

　　内部策应力可用DANNENBERG’S方程式表示：

　　σ：内部策应力(internalstress)O：热体胀系数(CTE)E：弹性模数(elasticmodulus)S：剖面积(crosssectionarea)R：树胶(resin)：埋人件，框架，晶片口nsertcomponent，leadframe,c你好p)由方程式⑷中，咱们可清楚的看出树胶与埋人件之间的CTE差愈大，所孕育发生的内部策应力也就愈大。由内部策应力所导致的龟裂(CRACK)将成为外部湿疹及污染侵入的通路，进一步造成元件的故障，因此环氧树胶胶粉必备低的CTE值。今朝也有人从降低弹性模数来使内部策应力变小。4．3．2影响CTE的因素CTE值可由Tg或者交联疏密程度来加以控制。此外，以下各因素也会影响CTE：1)湿疹污染；

　　(2)可塑剂或者润滑油剂的流掉；

　　(3)应力的消掉；

　　(4)未反映的化学品；

　　(5)后硬化的时间与温度。

　　对环氧树胶塑粉而言，要领有低CTE值必须从填充料上边来入手。1个塑粉方子工程师必须将Tg及CTE常记在心，作为参考及寻觅需要解答的题目的工具，因为低的CTE及高的Tg对热冲击抵当性而言是十分重要的。

　　4．4成形性

　　意义广泛的成形性包孕半导体封装后的尺寸稳固性、离型性(脱模)、加工成形时的流动性等等。

　　4．4．1流动性与漩流测试(SPIRALFlOWTEST)

　　因为胶粉自己是部门交联的B-STAGE树胶，若存贮不妥或者存贮太久会增加胶粉交联硬化的水平，而造成流动性的降低，此时即该抛弃此流动性变差的胶粉。一般以漩流实验所患上漩流值的巨细来判断流动性的优劣，今朝封装采用的规格是25-35寸。漩流值太低表示胶粉的流动性差，成形时将没有办法灌满模型；漩流值太高表示胶粉的流动性太大，容易将埋人件的金属细线冲断并会孕育发生溢胶征象。

　　4．4．2DSC与塑粉流动性

　　除了漩流测试之外，咱们也可哄骗微差扫瞄式卡计(DSC)来测知胶粉是不是仍然具备好的流动性。

　　熬头个放热峰为胶粉硬化时所放出的聚合反映热，此放热峰愈高表示胶粉的反映热愈多，也代表胶粉存贮时硬化的水平少，因此具备杰出的流动性。放热峰愈低表示胶粉已大部门硬化，只能放出少数反映热，代表胶粉已掉去流动性。哄骗以上道理，咱们可以找出放热峰高度与漩流值之间的对应瓜葛。

　　要是所存贮的胶粉经DSC阐发后发现放热峰高度削减10％以上，表示胶粉已掉去杰出流动性，宜抛弃再也不施用。

　　4．5电气特性

　　电气性对环氧树胶胶粉而言是一种至关重要的性子，而介电特性(DIELECTRICPROPERTY)为思量重点。对封装材料而言，介电常数(DIELECTRICCONSTANT)愈小其电绝缘性愈佳。介电常数会受频率的转变、温度、湿度的影响。介电常数的变化远比介电常数的肇始值来患上重要。此外，制品的严密封闭封装是很重要的，将直接影响到电学性子。若制品封装不全有空地存在，除了供给湿疹污染的通路外，在接管电压特殊情况发生电晕(CORONA)，使电场集中在空地前端，导致内部放电而造成绝缘粉碎。

　　4．6耐湿性湿疹侵入半导体元件中与离子性不纯物效用，降低绝缘性，使泄电流增加并腐化铝路，此为相信度降低的主因。湿疹侵入封装制品中的路径有两条：●由树胶群体(BULKOFPLASTIC)的外貌廓张步入；●经由树胶与IC脚架间的界面，以毛细征象侵入。取1个14脚的DIP(DUAl+INLINEPACKAGE)，在上方打开1个窟窿，孔底可达晶片外貌，再将1个设有气体收支口的器皿接在DIP的窟窿之上并弥缝之，之后将此装配浸在100％RH的水蒸气或者水中，器皿内通人干燥的氮气(0％RH)，水气即会依上面所说的两种路子侵入而步入器皿中，咱们哄骗侦测器测出流出氮气中所含有的水气，而患上到全部(两种水气渗入速度之和)的水气渗入率Pt。Pt是经由树胶群体侵入的水气渗入速度Pb及经由界面毛细侵入的水气渗入速度P1之和，及Pt=Pb+P1。咱们可取不异材料的树胶封住器皿的底部，以一样方法测出Pb，再将Pt与Pb相减便可求出Pl之值。

　　上面所说的方法对塑粉举行评估。元件若要具备10年的动作生存的年限保证，则Pl值应该在70以下。咱们不妨哄骗此方法来对环氧树胶胶粉举行耐湿性评估。

　　4．7硬化时的放热塑粉在硬化特殊情况放出聚合反映热，要是方子调配不妥发烧量太大特殊情况造成龟裂并赐与元件应力。因此化学工程师在举行塑粉方子研究时应思量硬化放热量不成过大。

　　究竟上塑粉的交联可分成两个阶段。先胶化，再硬化。低份子量的树胶胶化的速度比高份子量者快。增进剂的浓度小，则胶化时间由热或者动力决定；要是增进剂的浓度大，则胶化时间由份子廓张至正确的反映位置决定：

　　●欲快速胶化则增加热量，所患上材料具备低交联疏密程度、高CTE、热收缩性大。●欲慢速胶化，则削减热量，所患上材料具备较高交联疏密程度、低CTE及较小的热收缩。

　　4．8抗燃性

　　在UL规格中是以94V-O为标准的环氧树胶塑粉均能餍足此一规格。

　　4．9接着性与脱模性

　　前边已提过脱模剂的用量增加，树胶的接出力会降低。如果是脱模剂的新增量削减，虽则可以使树胶与脚架引线的接出力提高，可是生产模型和成形品间的接出力也增加，造成脱模的坚苦。因此脱模剂的新增量要选择接着性与脱模性兼顾者为好。

　　4．10低α粒子效应(LOWα-PARTICLEEFFEC)

　　环氧树胶胶粉中采用二氧化硅为填充料，而二氧化硅是天然界的矿物，含有微量的铀、钍等放射性元素。这些个放射性元素在衰变历程中会放出α粒子。DYNAMICRAM’S及CCD’S等牛导体元件会受α粒子的影响而发生软性纰缪(SOFFERROR)。STATICRAM’S、ROM’S、PROM’S及EPROM’S等元件则不受。粒子的影响。

　　当α粒子经过活性元件区域(ACTIVEDEVICEREGIONS)时，会在电子与空穴从头联合之前，使N-区域收集电子P-区域收集空穴。要是在一特别指定的区域收集到足够的电荷，将会侵扰所存贮的资料或者思维规律状况(LOGICSTATES)。要是所收集和孕育发生的电子数跨越临界电荷的话，即造成所谓的软性纰缪。

　　除了填充料之外，基板(SUBSTRATE)、铝条(METALLIZATION)也会放出α粒子，可是以填充料为α。粒子的主要孕育发小时候起历。为了制止α粒子效应除了可用聚亚酸胺(POLYIMIDE)作为掩护涂膜之外，可采用低放射性元素含量的二氧化硅看做填充料。日本已有出产放射性元素含量在1ppb以下的二氧化硅，这些个二氧化硅是经过醇化精辟的，价格也较高。对高可*度牛导体元件而言，必须想法制止α粒子效应。

　　4．11持久生存性

　　目前大多胶粉的胶化时间约在30秒摆布，硬化成形后凡是需要后硬化，而且又需冷藏存贮。若要成长出能快速硬化，又能在室温(MAX40-45℃)生存6个月以上而不掉胶粉的流动性，则肯定是要在潜在性增进剂上加以研究与改良。

　　本文仅对环氧树胶封装胶粉的构成、选用材料及胶粉的基本特性做一简略的介绍，但愿能使半导体业界对塑粉的构成有一归纳综合性的相识，更指望为同业们在选择环氧树胶塑粉、研究封装机理方面有所开导。