一、概述
1.電子封裝的功能及類型
半導(dǎo)體微電子技術(shù)為現(xiàn)代科技、軍事、國民經(jīng)濟和人們的日常工作與生活開創(chuàng)了前所未有的發(fā)展基礎(chǔ)和條件，一直保持著良好的發(fā)展勢頭，半導(dǎo)體工業(yè)的年產(chǎn)值一般均以10%以上的速度逐年遞增。電子封裝伴隨著電路、器件和元件的產(chǎn)生而產(chǎn)生，伴隨其發(fā)展而發(fā)展，最終發(fā)展成當今的封裝行業(yè)。在電子技術(shù)日新月異的變化潮流下，集成電路正向著超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能的方向迅速發(fā)展，因而，對集成電路的封裝也提出了愈來愈高的要求。而集成電路封裝技術(shù)的進步又極大地促進了集成電路水平的提高，深刻地影響著集成電路前進的步伐。
半導(dǎo)體芯片只是一個相對獨立的個體，為完成它的電路功能，必須與其他芯片、外引線連接起來。由于現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，集成度迅猛增加，一個芯片上引出線高達千條以上，信號傳輸時間、信號完整性成為十分重要的問題。集成度的增加，使芯片上能量急劇增加，每個芯片上每秒產(chǎn)生的熱量高達10J以上，因而如何及時散熱使電路在正常溫度下工作，成為一個重要問題。有些電路在惡劣的環(huán)境（水汽、化學(xué)介質(zhì)、輻射、振動）下工作，這就需要對電路進行特殊的保護。由此可見，要充分發(fā)揮半導(dǎo)體芯片的功能，對半導(dǎo)體集成電路和器件的封裝是必不可少的。電子封裝的四大功能為：①為半導(dǎo)體芯片提供信號的輸入和輸出通路；②提供熱通路，散逸半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量；③接通半導(dǎo)體芯片的電流通路；④提供機械支撐和環(huán)境保護。
可以說，電子封裝直接影響著集成電路和器件的電、熱、光和力學(xué)性能，還影響其可靠性和成本。同時，電子封裝對系統(tǒng)的小型化常起到關(guān)鍵作用。因此，集成電路和器件要求電子封裝具有優(yōu)良的電性能、熱性能、力學(xué)性能和光性能，同時還必須具有高的可靠性和低的成本?？梢哉f，無論在軍用電子元器件中，還是在民用消費類電路中，電子封裝都有著舉足輕重的地位，概括起來即基礎(chǔ)地位、先行地位和制約地位。
集成電路越發(fā)展越顯示出電子封裝的重要作用。一般說來，有一代整機，便有一代電路和一代電子封裝。要發(fā)展微電子技術(shù)，要發(fā)展大規(guī)模集成電路，必須解決好三個關(guān)鍵問題：芯片設(shè)計、芯片制造加工工藝和封裝，三者缺一不可，必須協(xié)調(diào)發(fā)展。
根據(jù)封裝材料的不同，電子封裝可分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝三種。其中后兩種為氣密性封裝，主要用于航天、航空及軍事領(lǐng)域，而塑料封裝則廣泛使用于民用領(lǐng)域。由于塑料封裝半導(dǎo)體芯片的材料成本低，又適合于大規(guī)模自動化生產(chǎn)，近年來無論晶體管或集成電路都已越來越多地采用塑料封裝，陶瓷和金屬封裝正在迅速減少。隨著低應(yīng)力、低雜質(zhì)含量，高粘接強度塑封料的出現(xiàn)，部分塑料封裝的產(chǎn)品已可滿足許多在不太惡劣環(huán)境中工作的軍用系統(tǒng)的要求，這將使過去完全由陶瓷和金屬封裝一統(tǒng)天下的軍品微電子封裝也開始發(fā)生變化?，F(xiàn)在，整個半導(dǎo)體器件90%以上都采用塑料封裝，而塑料封裝材料中90%以上是環(huán)氧塑封料，這說明環(huán)氧塑封料已成為半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的重要支柱之一。
電子材料是發(fā)展微電子工業(yè)的基礎(chǔ)，作為生產(chǎn)集成電路的主要結(jié)構(gòu)材料———環(huán)氧塑封料隨著芯片技術(shù)的發(fā)展也正在飛速發(fā)展，并且塑封料技術(shù)的發(fā)展將大大促進微電子工業(yè)的發(fā)展。目前集成電路正向高集成化、布線細微化、芯片大型化及表面安裝技術(shù)發(fā)展，與此相適應(yīng)的塑封料研究開發(fā)趨勢是使材料具有高純度、低應(yīng)力、低膨脹、低!射線、高耐熱等性能特征。
用于塑料封裝的樹脂的選擇原則是：
（1）在寬的溫度、頻率范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的介電性能。
（2）具有較好的耐熱性、耐寒性、耐濕性、耐大氣性、耐輻射性以及散熱性。
（3）具有與金屬、非金屬材料基本相匹配的熱膨脹系數(shù)，粘接性好。
（4）固化過程中收縮率要小，尺寸要穩(wěn)定。
（5）不能污染半導(dǎo)體器件表面及具有較好的加工性能。
環(huán)氧塑封料是由環(huán)氧樹脂及其固化劑酚醛樹脂等組分組成的模塑粉，它在熱的作用下交聯(lián)固化成為熱固性塑料，在注塑成形過程中將半導(dǎo)體芯片包埋在其中，并賦予它一定結(jié)構(gòu)外形，成為塑料封裝的半導(dǎo)體器件。它是國外在20世紀70年代初研究開發(fā)的新產(chǎn)品。用塑料封裝方法生產(chǎn)晶體管、集成電路（IC）、大規(guī)模集成電路（LIC）、超大規(guī)模集成電路（VLIC）等在國內(nèi)外已廣泛使用并成為主流。據(jù)資料統(tǒng)計，當今世界每年用于封裝用的環(huán)氧塑封料大約15～17萬t，其中日本產(chǎn)量最多，居世界第一。
2.集成電路的封裝對環(huán)氧塑封料性能的要求
半導(dǎo)體工業(yè)從器件的可靠性，成形性出發(fā)，對環(huán)氧塑封料性能提出越來越高的要求。主要是高耐潮、低應(yīng)力、低α射線，耐浸焊和回流焊，塑封工藝性能好。
（1）高耐潮 塑料封裝從本質(zhì)上說是一種非氣密性封裝。樹脂是高分子材料，其分子間距為50～200nm，這種間距大得足以讓水分子滲透過去。水分進人半導(dǎo)體器件的途徑有兩條：①從樹脂本身滲透過去到達芯片；②從樹脂和引線框架的界面處浸入而到達芯片。在水存在的情況下，塑封料中若含有離子性雜質(zhì)如Na+、Cl-等，則會由于電化學(xué)反應(yīng)而腐蝕芯片上的鋁布線。這些雜質(zhì)主要來自原材料，生產(chǎn)使用過程也會混入。因為鋁為兩性金屬，酸性和堿性環(huán)境下都可以導(dǎo)致其腐蝕。目前使用較多的環(huán)氧塑封料的pH值多小于7，鋁的腐蝕多為氯離子所致。降低氯離子的方法主要是，從環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)工藝人手控制可水解氯含量，提純原材料并最大限度地降低塑封料中的水分。近些年來最新的方法是加入離子捕捉劑和鋁保護劑等。另外，環(huán)氧塑封料中填充料二氧化硅微粉的含量約占總量的70%～85%，因此硅微粉的純度是影響塑封料純度的重要因素。硅微粉中的Na+、Cl-含量要求小于2×10-6，F(xiàn)e3+含量小于10×10-6。
目前，除降低雜質(zhì)離子含量外，提高耐濕性主要依靠加入經(jīng)過表面處理的填料，使水分滲透到芯片的距離盡可能延長。加人偶聯(lián)劑可提高塑封料與引線框架的粘接力，使水分不易從塑封料與框架的界面處滲透到芯片。
（2）低應(yīng)力構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路器件的材料很多，如硅芯片、表面鈍化膜、引線框架等，它們與環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)相差很大。加熱固化時，因熱膨脹系數(shù)的差異而使器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)力的存在會導(dǎo)致：①塑封料開裂；②表面鈍化膜開裂，鋁布線滑動，電性能變壞；③界面處形成裂縫，耐濕性變差；④封裝器件翹曲。影響熱應(yīng)力大小的因素和降低應(yīng)力的方法請看8.4.5之5.低應(yīng)力型一節(jié)。
（3）低α射線1978年Intel公司的T.C.May等人發(fā)現(xiàn)封裝材料中的放射性元素放出的α射線會使集成電路中存貯的信息破壞，集成電路不能正常工作，產(chǎn)生軟誤差。解決方法見8.4.5節(jié)第6款低α射線型一節(jié)。
（4）耐浸焊和回流焊性在表面安裝（SMT）過程中，焊接時封裝外殼溫度高達215～260℃，如果封裝產(chǎn)品處于吸濕狀態(tài)，當水分氣化產(chǎn)生的蒸汽壓力大于封裝材料的破壞強度時，會導(dǎo)致封裝產(chǎn)品內(nèi)部剝離或封裝件開裂。由此可見，提高樹脂的耐濕性；提高封裝材料在200℃以上時的強度和其與芯片、引線框架的粘附力；降低塑封料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量是提高環(huán)氧塑封料耐浸焊性和回流焊性的關(guān)鍵。主要方法有：
1）增加填料含量。因為填料不吸濕、透濕，但會出現(xiàn)流動性下降的問題。
2）降低樹脂本身的吸濕、透濕性，如引入烷基、氟基等憎水基。為了解決因官能團的距離和立體障礙引起的反應(yīng)性下降問題需選擇合適的固化劑和促進劑。
3）正確選擇固化促進劑，使基體樹脂與固化劑反應(yīng)交聯(lián)更緊密。
4）引入耐熱性優(yōu)異的多官能團環(huán)氧樹脂，從而提高其高溫強度。但要防止耐濕性下降。
（5）成型性好通過對環(huán)氧模塑料成型性能的不斷改進，模塑料的脫模性和耐溢料性能得到了很大提高，成型時間縮短到20～30s，還出現(xiàn)了不需后固化的產(chǎn)品。
3.電子級環(huán)氧模塑料發(fā)展歷程電子級環(huán)氧塑料的開發(fā)過程見表5-5。
 早期曾用環(huán)氧-酸酐模塑料及硅酮樹脂模塑料和聚丁二烯樹脂模塑料，但因Tg較低，腐蝕鋁布線或因收縮率大，粘接性能及耐濕性較差而未得到應(yīng)用。
1972年美國Morton化學(xué)公司報導(dǎo)了鄰甲酚醛環(huán)氧一酚醛樹脂體系模塑料被人們廣泛重視，此后人們一直沿著這個方向不斷研究改進提高。不斷出現(xiàn)新產(chǎn)品。1975年出現(xiàn)了阻燃型環(huán)氧模塑料，1977年出現(xiàn)了低水解氯的環(huán)氧一酚醛模塑料，1982年出現(xiàn)了低應(yīng)力環(huán)氧模塑料，1985年出現(xiàn)了有機硅改性低應(yīng)力環(huán)氧模塑料，1995年前后出現(xiàn)了低膨脹、超低膨脹環(huán)氧模塑料、低翹曲的環(huán)氧模型料等等。隨著環(huán)氧模塑料性能不斷提高、新品種不斷出現(xiàn)，產(chǎn)量逐年增加，目前全世界年產(chǎn)量在15萬t以上，我國年產(chǎn)量5000t左右。由于塑料封裝半導(dǎo)體器件價格低，又適合大規(guī)模自動化生產(chǎn)，所以越來越多地采用塑料封裝生產(chǎn)，目前在全世界范圍內(nèi)塑封半導(dǎo)體器件產(chǎn)品占市場總量的93%～95%。而陶瓷和金屬封裝正在迅速減少。由于塑封半導(dǎo)體器件可靠性大幅度提高，在許多不太惡劣環(huán)境下也可以滿足軍用系統(tǒng)的要求。塑料封裝生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管，集成電路（IC）、大規(guī)模集成電路（LSI），超大特大規(guī)模集成電路（VLSI、UL.SI）等。
1976年中科院化學(xué)所在國內(nèi)率先開拓環(huán)氧塑封料研究領(lǐng)域，于1983年研制成功KH407型鄰甲酚醛環(huán)氧模塑料并通過部級技術(shù)鑒定，此后又連續(xù)承擔了國家“七五”、“八五“、“九五”重點科技攻關(guān)項目：5μm技術(shù)用環(huán)氧塑封料的研制與中試；LSI用環(huán)氧塑封料制造技術(shù)研究； 0.5μm技術(shù)用環(huán)氧塑封料的研制與中試；0.35μm技術(shù)用環(huán)氧塑封料的研制，這些研究項目均通過部級技術(shù)鑒定與驗收。研制成功KH407、KH850、KH950系列產(chǎn)品，有普通型、快速固化型、高熱導(dǎo)型、低應(yīng)力型、低膨脹型、低翹曲型等多種類型環(huán)氧模塑料。這些產(chǎn)品廣泛用于塑封半導(dǎo)體分立器件、集成電路，大規(guī)模超大規(guī)模集成電路。不久前首鋼日電電子有限公司給化學(xué)所做了一次塑封超大規(guī)模集成電路的考核試驗，用KH950—2、KH950—3在自動塑封模上塑封線寬為0.35μM的芯片1200片，生產(chǎn)集成電路1200塊，綜合成品率97.6%。并按NEC考核標準進行全面的可靠性考核，其結(jié)果是所有考核項目全部合格，經(jīng)超聲掃描檢查未發(fā)現(xiàn)有剝離現(xiàn)象。考核結(jié)果見表5-6。
中科院化學(xué)所在研究模塑料的同時還開展了制造工藝技術(shù)研究，掌握該材料的制備技術(shù)工藝條件，并建成了規(guī)模為1500t/a中試生產(chǎn)線。為了推進我國環(huán)氧模塑料工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，1984年化學(xué)所將環(huán)氧模塑料制備技術(shù)轉(zhuǎn)讓給現(xiàn)在的連云港華威電子集團公司，1996年轉(zhuǎn)讓給長興電子材料（昆山）有限公司，如今他們都已建成了生產(chǎn)規(guī)模為千噸級現(xiàn)代化工廠。
 4.電子級環(huán)氧模塑料的分類、型號及用途 電子行業(yè)標準SJ/P11197—1999規(guī)定見表5-7。
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