CN114940805A - 半导体封装用低应力、低吸水率环氧塑封料及其制备方法 - Google Patents

半导体封装用低应力、低吸水率环氧塑封料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体封装用低应力、低吸水率环氧塑封料及其制备方法，属于半导体封装材料技术领域，主要包含：70‑90wt％填料、5‑15wt％环氧树脂、3‑10wt％酚醛树脂固化剂、0.2‑0.8wt％催化剂、1‑5wt％应力吸收剂、0.2‑2.0wt％偶联剂、0.1‑1.2wt％脱模剂、0.1‑0.5wt％着色剂和0.1‑1.8wt％离子捕捉剂。通过组分优化/组合、调控环氧基与羟基摩尔比等方法，能显著降低模量和吸水率，通过本发明获得的半导体封装材料兼具低应力和低吸水率特性，且展现出较优异的综合性能，主要应用于在半导体封装领域。

Description

半导体封装用低应力、低吸水率环氧塑封料及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体封装材料技术领域，具体涉及一种半导体封装用低应力、低吸水率环氧塑封料及其制备方法。
背景技术
半导体封装是金属、塑料、玻璃或陶瓷含有一个或多个离散的壳体的半导体器件或集成电路。半导体封装方式一般分为气密性(陶瓷或金属)封装和非气密性(塑料)封装两大类。气密性封装主要用于航空、航天等高性能要求技术领域，整个封装的成本较高；而塑料封装器件在尺寸、重量、性能、成本以及实用性方面均优于气密性封装器件，随着材料成型工艺技术的进步和新材料的不断开发和研究，塑封器件的可靠性也已得到显著地提高，塑料封装因其显著优势已成为当前半导体封装市场采用的主流封装形式。其中塑料封装中的主流材料为环氧塑封料(EMC)，几乎占据塑封材料的97％以上市场份额。
近年来，半导体正朝着高集成化发展，芯片更大，布线更细，器件越来越轻薄化、微型化，对EMC材料的综合性能及可靠性要求也越来越高，其中内应力和吸水率是影响EMC材料封装可靠性的重要因素。一方面，内应力过大易引起焊线断裂、焊线与芯片金属布线之间脱焊；对大规模集成电路来说，内应力过大还可能导致金属布线的错位及硅芯片裂纹；此外，内应力过大还可能引起芯片钝化膜破裂，严重时甚至可使EMC破裂以及其与框架脱层，进一步增加吸湿腐蚀失效的概率。另一方面，EMC吸水率过高易引起封装器件在回流焊后产生分层失效等系列问题。综上，低应力化和低吸水率化是EMC产品是将来的发展趋势，也是必须攻克的技术难关。
发明内容
针对背景技术的不足，申请人经过长期研究，发明出了一种兼具低应力、低吸水率且综合性能优异的半导体封装用EMC材料及其制备方法，所采用的技术方案如下：
一种半导体封装用低应力和低吸水率EMC，其特征在于所述EMC组分及含量如下：
填料70-90wt％；环氧树脂5-15wt％；酚醛树脂3-10wt％；催化剂0.2-0.8wt％；应力吸收剂1-5wt％；偶联剂0.2-2.0wt％；脱模剂0.1-1.2wt％；着色剂0.1-0.5wt％；添加剂0.5-3.8wt％。
进一步地，所述填料独立选自SiO2微粉、Al2O3微粉、AlN微粉、SiC微粉和BN微粉中的任意一种或几种；其中所述SiO2包括结晶型SiO2微粉、熔融型SiO2微粉或表面改性SiO2微粉。
进一步地，所述环氧树脂选自结构式(Ⅰ)中的任意一种或几种：
Figure BDA0003633773280000021
进一步地，所述酚醛树脂选自结构式(Ⅱ)中的任意一种或几种：
Figure BDA0003633773280000022
进一步地，所述催化剂选自咪唑及其衍生物、有机胺类化合物、三苯基磷及其衍生物、磷鎓盐化合物中的任意一种或几种。
进一步地，根据权利要求1所述的EMC，其特征在于所述应力吸收剂选自端羧基液体丁腈橡胶(CTBN)、有机硅改性环氧树脂、核壳结构橡胶(CSR)、有机硅类嵌段共聚物中的任意一种或几种。
进一步地，所述偶联剂选自硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂中的任意一种或两者混合物：
其中，所述硅烷类偶联剂选自3-巯丙基三甲氧基硅烷、N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物中的任意一种或几种；所述钛酸酯类偶联剂选自异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯和异丙基二油酸酯氧基(二辛基磷酸酰氧基钛酸酯)中的任意一种或其混合物。
进一步地，所述脱模剂选自常规的聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、蒙旦E蜡、费托合成蜡、植物蜡、脂肪酸甘油酯蜡、马来酸酐接枝改性蜡中的任意一种或几种。
进一步地，所述着色剂选自铁黄、炭黑、钛白粉、ZnO、锌钡白中的任意一种或几种。
进一步地，所述添加剂包括阻燃剂和离子捕捉剂；其中阻燃剂选自Al(OH)3、硼酸锌、三聚氰胺尿酸盐、氧化三苯基磷中的任意一种或几种；离子捕捉剂选自阴离子捕捉剂、镁铝水滑石、阳离子捕捉剂中的任意一种或几种。
进一步地，所述的环氧基与羟基摩尔比值为1.1-2.0，优选比值为1.3-1.7。
进一步地，本发明中制备的EMC主要包括下述生产步骤：
a)首先将制备EMC所需组分做研磨等预处理，将其通过高搅混合均匀以得到预混合物；
b)然后将上述预混合物进料至挤出机中进一步混炼，对混炼后的挤出物进行冷却、粉碎，获得EMC粉料；
c)最后将制备的EMC粉料保存在低温环境，优选0-5℃；
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)制备的EMC具有非常低的内应力，兼具低储能模量、低弯曲模量和低吸水率特性；此外还具备热膨胀系数低、粘接性强等良好的综合性能。
(2)通过组分筛选/组合，调控环氧基与羟基摩尔比等方法相结合，克服了模量和吸水率之间的矛盾；提供了一种有效提高半导体封装器件可靠性的方法。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施案例来作进一步阐明，有必要在此指出：以下实施案例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明内容或方法对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
本发明中制备EMC的所用原材料均为商购的工业化产品。
相关测试方法说明：
螺旋流动长度(Spiral Flow：SF)：在SF测试中，通过测量EMC沿螺旋腔路径流动的长度与重量，来表征EMC的流动特性。SF测试样品为粉末状，无需打饼。SF测试方法参照EMI-1-66进行，测试条件设定：温度175℃、压力70km/cm2和固化时间90s。
胶化时间(Gel Time：GT)：通过GT测试表征EMC的凝胶点。测试中，将加热板加热至175℃，EMC粉末样品置于加热板上直至样品凝胶化，用计时器测量GT(从样品置于加热板上开始计时，直至凝胶化完成时停止计时)。
热硬度(HH)：HH测试参照ASTM D2240硬度计测试方法，邵氏D硬度计表盘上的指针通过标准弹簧与一个规定形状的压针相连，把压针压入试样的深度转换为硬度值。
玻璃化转变温度(Tg)、储能模量(Storage Modulus)：本发明中EMC的Tg可通过动态机械分析(DMA)或热机械分析(TMA)来测定，储能模量通过DMA测定。先在制模机180℃模温下固化150s使EMC粉料制成样条/片，然后置于180℃的烘箱中后固化6h。TMA测试用样块尺寸为5mm*5mm(直径*厚度)；DMA测试用样条尺寸为60mm*13mm*3.2mm(长度*宽度*厚度)。
吸水率：吸水率测试根据“PCT24”方法进行，其中样片尺寸为50mm*3mm(直径*厚度)，测试条件为121℃、100RH％、2atm、24h；吸水率计算方法如下：PCT24后样片的重量增加量/样片初始重量*100％。
弯曲强度(FS)和模量(FM)：采用三点加载法进行弯曲强度测试。将后固化的长方形样条放置在万能试验机的两支座上，然后在两支座的中点施加一集中载荷,使样条产生弯曲应力和变形。样条尺寸：120mm*15mm*10mm(长度*宽度*厚度)，载荷速度：5mm/min，测试温度为室温。
热膨胀系数(CTE1/CTE2)：采用上述TMA进行测定。
粘接强度：粘合强度根据SEMI测试标准SEMI G69-0996进行。测试在拉力测试仪中进行，框架一端为与EMC固定的无法拉动端，一端为梯形的可拉动端，采用拉伸法测试，计算使框架松动的最大拉力。框架为裸铜，载荷速度：3mm/min。
下述实施例1-6和比较例中的EMC详细制备过程包括：将原料通过粉碎机、球磨以及做成中间体等方式进行预处理，以确保后续分散效果；然后将填料、环氧树脂、酚醛树脂固化剂、催化剂、应力吸收剂、偶联剂、脱模剂、着色剂和离子捕捉剂按特定次序投入至高速搅拌机中获得预混粉料(搅速设为300rpm；温度为室温；搅拌时间为15min)；将预混粉料通过矢量加料漏斗进料至双螺杆挤出机中充分混炼(螺杆转速约120rpm；各温区温度在70-110℃)；挤出料经冷却带冷却、粉碎后获得EMC粉料，测试前储存在5℃环境下。
实施例1-6的组成情况分别见表一至表六，比较例组成情况见表七；根据以上所述的详细生产过程来生产实施例和比较例对应的半导体封装材料。
表一(实施例1)
Figure BDA0003633773280000051
表二(实施例2)
Figure BDA0003633773280000052
Figure BDA0003633773280000061
表三(实施例3)
Figure BDA0003633773280000062
表四(实施例4)
Figure BDA0003633773280000063
Figure BDA0003633773280000071
表五(实施例5)
Figure BDA0003633773280000072
表六(实施例6)
Figure BDA0003633773280000073
Figure BDA0003633773280000081
表七(比较例)
Figure BDA0003633773280000082
接下来对实施例1-6和比较例所制备的EMC进行测试评估，对应的测试结果如下表八所示：
表八
Figure BDA0003633773280000083
Figure BDA0003633773280000091
从上述表中实施例和比较例数据对比可以发现，本发明所采用的技术方案不仅能显著降低EMC模量和吸水率，显示出低应力和低吸水率特性，且还具备热膨胀系数低、粘接性强等良好的综合性能；进一步表明本发明所制备的EMC在降半导体器件应力方面有效，适于全面推广和应用。

Claims (12)

1.半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的组分及含量如下：
Figure FDA0003633773270000011
2.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述填料为：SiO2微粉、Al2O3微粉、AlN微粉、SiC微粉和BN微粉中的任意一种或几种；其中所述SiO2包括结晶型SiO2微粉、熔融型SiO2微粉或表面改性SiO2微粉。
3.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的环氧树脂选自结构式(Ⅰ)中的任意一种或几种：
Figure FDA0003633773270000012
4.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述酚醛树脂选自结构式(Ⅱ)中的任意一种或几种：
Figure FDA0003633773270000021
5.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的催化剂为：咪唑及其衍生物、有机胺类化合物、三苯基磷及其衍生物、磷鎓盐化合物中的任意一种或几种。
6.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的应力吸收剂为：端羧基液体丁腈橡胶(CTBN)、有机硅改性环氧树脂、核壳结构橡胶(CSR)、有机硅类嵌段共聚物中的任意一种或几种。
7.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的偶联剂为：硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂中的任意一种或两者混合物；
其中，所述的硅烷类偶联剂选自3-巯丙基三甲氧基硅烷、N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物中的任意一种或几种；所述的钛酸酯类偶联剂选自异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯和异丙基二油酸酯氧基(二辛基磷酸酰氧基钛酸酯)中的任意一种或其混合物。
8.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的脱模剂选自常规的聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、蒙旦E蜡、费托合成蜡、植物蜡、脂肪酸甘油酯蜡、马来酸酐接枝改性蜡中的任意一种或几种。
9.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的着色剂选自铁黄、炭黑、钛白粉、ZnO、锌钡白中的任意一种或几种。
10.根据权利要求1所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的添加剂包括阻燃剂和离子捕捉剂；其中阻燃剂选自Al(OH)3、硼酸锌、三聚氰胺尿酸盐、氧化三苯基磷中的任意一种或几种；离子捕捉剂选自阴离子捕捉剂、镁铝水滑石、阳离子捕捉剂中的任意一种或几种。
11.根据权利要求3或4所述的半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料，其特征在于，所述的环氧树脂的环氧基与羟基摩尔比值为1.1-2.0，优选比值为1.3-1.7。
12.半导体封装用低应力和低吸水率环氧塑封料的生产方法，其特征在于，主要生产步骤如下：
a)首先将制备环氧塑封料所需组分做研磨等预处理，将其通过高搅混合均匀以得到预混合物；
b)然后将上述预混合物进料至挤出机中进一步混炼，对混炼后的挤出物进行冷却、粉碎，获得环氧塑封料粉料；
c)最后将制备的环氧塑封料粉料保存在低温环境，低温环境的温度控制在0-5℃。
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