环保环氧塑封料的选择对于产品可靠性的影响

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1.环氧塑封料的介绍

　　环氧塑封料，又称环氧模塑料、EMC（Epoxy Molding Compound），是后道封装的主要原材料之一，它的发展是紧跟封装技术的发展而发展。随着封装技术的飞速发展越来越显示出其基础地位、支撑地位的作用。

　　环氧模塑料发展至今，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。本文也以固态环氧塑封料为讲解主题。

　　随着欧盟WEEE和ROHS法案和其他国家相关环保法案法规的实施，封装行业对于塑封料提出了新的要求：传统的含溴/含锑EMC向无溴/无锑EMC转变，也就是环保塑封料。

　　2.传统环氧模塑料与环保环氧模塑料之间的差异

　　传统环氧模塑料由邻甲酚醛环氧树脂、线性酚醛树脂、填充料二氧化硅粉（俗称硅微粉）、促进剂、偶联剂、改性剂、阻燃剂、着色剂等组分组成。邻甲酚醛环氧树脂是作为胶粘剂，它的固化剂是线性酚醛树脂，将它们与其它组分按一定质量比例称量并混合均匀。再经热混合后就制备成了一个单组分组合物。下表为EMC中各成分的作用和大致含量：

　　在热和固化促进剂的作用下，环氧树脂的环氧基具有很高的反应活性，环氧基开环与固化剂酚醛树脂的羟基发生化学反应，产生交联固化作用，使它成为热固性塑料。环氧树脂与酚醛树脂之间反应机理：

　　溴代树脂与锑阻燃剂对环境与人类的健康可能存在潜在的危害。因此提出了环保塑封料。为了满足对于阻燃性的要求，现在主要是依靠以下3种手段实现：

　　1）新的环保的阻燃剂，例如金属碱，硼酸盐等

　　2）自阻燃性的树脂

　　3）提高塑封料本身的填充物含量

　　上述的方法都对于塑封料研发体系提出了新的要求，进而对产品的可靠性造成了一定的影响。例如提高塑封料本身的填充物含量需要采用低粘度的树脂，为了减少低粘度树脂对于模塑的操作性的影响加入了大量的脱模剂，进而导致分层的增加。

　　3.保环氧塑封料的选择中在产品可靠性方面必须考虑的几个重要因素

　　3.1 耐湿性问题

　　对塑封器件而言，湿气渗入是影响其气密性导致失效的重要原因之一。湿气渗入器件主要有两条途径：

　　1）通过塑封料包封层本体；

　　2）通过塑封料包封层与金属框架间的间隙。

　　当湿气通过这两条途径到达芯片表面时，在其表面形成一层导电水膜，并将塑封料中的Na+、CL-离子也随之带入引起腐蚀。

　　在有氯离子的酸性环境中反应：

　　2Al±6HCl→2AlCl3±3H 2

　　Al+3Cl→AlCl3+3e-

　　AlCl3→Al（OH）2 +HCl

　　在有钠离子的碱性环境中反应：

　　2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO 2+3H2

　　Al+3（OH）- →Al（OH）3+3e-

　　2Al（OH）3→Al2 O3+3H2O

　　随着电路集成度的不断提高，铝布线越来越细，因此，铝布线腐蚀对器件寿命的影响就越发严重。 针对上述问题，我们必须要求：

　　1）模塑料要有较高的纯度，Na+、CL离子降至；

　　2）模塑料的主要成分环境标环氧树脂与无机填料的结合力要高，以阻止湿气由本体的渗入。

　　3）模塑料与框架金属要有较好的粘接性；

　　4）芯片表面的钝化层要尽可能地完善，其对湿气也有很好的屏蔽作用。

　　由于环保环氧塑封料中采用了新的阻燃剂或者树脂体系，引入了一些新问题。例如环保塑封料中采用的氢氧化物做新的阻燃剂（常见的是氢氧化镁），导致环保环氧塑封料中OH键的增加，加速了Na+的腐蚀。为了有效减少离子对产品可靠性的影响，对于环保环氧塑封料，我们应进行相关耐湿性的评价，常用PCT试验进行确认。PCT试验条件是121℃，29.7Psi/205KPa,试验时间一般为96小时，客户可以根据产品的可靠性等级加长或者缩短相应的试验时间。

　　3.2 粘结性

　　由于不同的塑封料材料和工艺的不同，对于不同镀层的框架的粘结性也不相同。下图为某国外公司设计的粘结力测试示意图：

　　下面为按照此方法进行同一种环保塑封料在不同镀层框架（Cu和Ag）的粘结力数据：

　　所以要根据框架的不同选择相应的环保塑封料，这样就可以减少塑封料包封层与金属框架间水汽的进入从而提高可靠性。一些环保环氧塑封料为了达到相应的阻燃效果，采用了自阻燃的树脂（常见的是联苯苯酚型自阻燃环氧树脂）。自阻燃的环氧树脂因为具有低粘度的特点，会导致模塑时造成粘模的现象。为了减少粘膜现象的出现，需要加入一定量的脱模剂来提高产品的模塑性，而脱模剂会导致环保塑封料与框架的粘结力降低，粘结力降低后容易导致分层，进而导致水汽进入。

　　3.3 模塑料的内应力

　　由于模塑料、芯片、芯片胶或者焊锡料、金属框架的线膨胀系数不匹配而产生的内应力，对器件密封性有着不可忽视的影响。因为模塑料膨胀系数（20-26E-6/℃左右）比芯片、芯片胶或者焊锡料、框架（-16E-6/℃左右）的较大，在注模成型冷却或在器件使用环境的温差较大时，有可能导致压焊点脱开，焊线断裂甚至包封层与框架粘接处脱离，由此而引起其器件失效。

　　由此可见，环保环氧模塑料的线膨胀系数应尽可能的低，但这个降低是收到限制的，因为在降低应力的同时，环保环氧模塑料的热导率也随之降低，这对于封装大功率的器件十分不利，要使这两个方面得以兼顾，取决于配方中填料的类型和用量。填料一般为熔融型或结晶型硅粉，在某些性能需要方面有时候还需要添加球形或气相硅粉。为了确认内应力的影响程度，我们可以用温度循环试验（TC）对于产品进行评估。TC试验条件是-55~150℃，高温低温各15分钟，试验循环数一般为250,500,1000个，客户可以根据产品的可靠性等级选择不同的试验条件和循环数，确保使用环保环氧模塑料产品的可靠性。

　　4.总结

　　客户在选用环保环氧塑封料时在考虑经济，环境等因素的同时也需要考虑可靠性因素，评估环保环氧塑封料对产品可靠性的影响，进而提高相关效益。

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随着欧盟WEEE和ROHS法案和其他国家相关环保法案法规的实施，封装行业对于塑封料提出了新的要求：传统的含溴/含锑EMC向无溴/无锑EMC转变，也就是环保塑封料。