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  • LED的封装

    转载自:led论坛 作者:led照明网 Tags:LED的封装 led封装是什么意思
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                  LED的封装,我们的理解就是把零件的 整合到一起 然后让他发光

    半导体封装业占据了国内集成电路产业的主体地位,如何选择电子封装材料的问题显得更加重要。根据资料显示,90%以上的晶体管及70%~80%的集成电路已使用塑料封装材料,而环氧树脂封装塑粉是最常见的塑料封装材料。本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍,希望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助。

    1、封装的目的

      半导体封装使诸如二极管、晶体管、IC等为了维护本身的气密性,并保护不受周围环境中湿度与温度的影响,以及防止电子组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此,封装的目的有下列几点:
    (1)防止湿气等由外部侵入;
    (2)以机械方式支持导线;
    (3)有效地将内部产生的热排出;
    (4)提供能够手持的形体。
      以陶瓷、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳,成本较高,适用于可*性要求较高的使用场合。以塑料封装的半导体组件的气密性较差,但是成本低,因此成为电视机、电话机、计算机、收音机等民用品的主流。

    2、封装所使用的塑料材料

      半导体产品的封装大部分都采用环氧树脂。它具有的一般特性包括:成形性、耐热性、良好的机械强度及电器绝缘性。同时为防止对封装产品的特性劣化,树脂的热膨胀系数要小,水蒸气的透过性要小,不含对元件有影响的不纯物,引线脚(LEAD)的接着性要良好。单纯的一种树脂要能完全满足上述特性是很困难的,因此大多数树脂中均加入填充剂、偶合剂、硬化剂等而成为复合材料来使用。一般说来环氧树脂比其它树脂更具有优越的电气性、接着性及良好的低压成形流动性,并且价格便宜,因此成为最常用的半导体塑封材料。

    3、环氧树脂胶粉的组成

      一般使用的封装胶粉中除了环氧树脂之外,还含有硬化剂、促进剂、抗燃剂、偶合剂、脱模剂、填充料、颜料、润滑剂等成分,现分别介绍如下:

    3.1环氧树脂(EPOXY RESIN)

      使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、环状脂肪族环氧树脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树脂必须含有较低的离子含量,以降低对半导体芯片表面铝条的腐蚀,同时要具有高的热变形温度,良好的耐热及耐化学性,以及对硬化剂具有良好的反应性。可选用单一树脂,也可以二种以上的树脂混合使用。

    3.2 硬化剂(HARDENER)

    在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联(CROSSLINKING)作用的硬化剂可大致分成两类:

    (1)酸酐类(ANHYDRIDES);
    (2)酚树脂(PHENOLICNOVOLAC)。

      以酚树脂硬化和酸酐硬化的环氧树脂系统有如下的特性比较:

    ●弗以酚树脂硬化的系统的溢胶量少,脱模较易,抗湿性及稳定性均较酸酐硬化者为佳;
    ●以酸酐硬化者需要较长的硬化时间及较高温度的后硬化(POSTCURE);
    ●弗以酸酐硬化者对表面漏电流敏感的元件具有较佳的相容性;
    ●费以酚树脂硬化者在150-175~C之间有较佳的热稳定性,但温度高于175~(2则以酸酐硬化者为佳。

    硬化剂的选择除了电气性质之外,尚要考虑作业性、耐湿性、保存性、价格、对人体安全性等因素。

    3.3促进剂(ACCELERATO OR CATALYST)

        环氧树脂封装塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)约在90-180秒之间,必须能够在短时间内硬化,因此在塑粉中添加促进剂以缩短硬化时间是必要的。

      现在大量使用的环氧树脂塑粉,由于内含硬化剂、促进剂,在混合加工(COMPOUNDING)后已成为部分交联的B-STAGE树脂。在封装使用完毕之前塑粉本身会不断的进行交联硬化反应,因此必须将塑粉贮存于5℃以下的冰柜中,以抑制塑粉的硬化速率,并且塑粉也有保存的期限。如果想制得不用低温保存,且具有长的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉,则一定要选用潜在性促进剂(LATENT CATALYST),这种促进剂在室温中不会加速硬化反应,只有在高温时才会产牛促进硬化反应的效果。目前日本已有生产不必低温贮存的环氧树脂胶粉,其关键乃在潜在性促进剂的选用。

    3.4 抗燃剂(FLAME RETARDANT)
      环氧树脂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脂或四溴化双酚A(TETRABROMOBISPHENOL A)。无机系则为三氧化二锑(Sb203)的粉末。二者可分开单独使用,也可合并使用,而以合并使用的抗燃剂效果为佳。

    3.5 填充料(LILLER)

      在封装塑粉中,填充料所占的比例最多,约在70%左右,因此填充料在封装朔粉中扮演着十分重要的角色。

    3.5.1在塑粉中加入适量适质的填充料,具有下列几个目的:

    1)减少塑粉硬化后的收缩;
    2)降低环氧树脂的热膨胀系数;
    3)改善热传导;
    4)吸收反应热;
    5)改善硬化树脂的机械性质与电学性质;
    6)降低塑粉成本。


    3.5.2填充料的种类
      使用于环氧树脂塑粉中的填充料,除了要能改善电绝缘性、电介质特性之外,尚须具有化学安定性及低吸湿性。一般常用的填充料有以下几种: (1)石英;
    (2)高纯度二氧化硅(使用最为广泛);
    (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)

      环氧树脂的热膨胀系数平均约为65×10-6m/cm/℃;,比对封装树脂中的金属埋人件的热膨胀系数大很多。半导体所用的框架(LEAD FRAME)与环氧树脂相差甚远。若以纯树脂来封装半导体元件,由于彼此间热膨胀系数的差异及元件工作时所产生的热,将会产生内应力及热应力而造成封装材料的龟裂。因此加入塑粉中的填充料,除了要能减少树脂与金属埋入件间的热膨胀系数外,也要具有良好的导热功能。

      二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化砖具有较佳的导热性但热膨胀系数较大,对热冲击的抵抗性差。熔融二氧化硅的导热性质较差,但却拥有较小的热膨胀系数,对热冲击的抵抗性较佳。表2是熔融性与结晶性二氧化硅充填的环氧树脂胶粉的性质比较,可看出熔融性二氧化硅除了导热性质较差外,挠曲强度及耐湿性均低于结晶性二氧化硅。

      此外,填充料用量的多少以及粒子的大小、形状、粒度分布等对于塑粉在移送成形(Transfermolding)时的流动性,以及封装后成品的电气性质均会造成影响,这些因素在选用填充料时均要加以考虑。

    3.6偶合剂(COUPLIUNG AGENT)

    在环氧树脂中添加少量的偶合剂,能产生下列作用:
    ●增加填充料与树脂之间的相容性与亲和力;
    ●增加胶粉与埋人元件间的接着力;
    ●减少吸水性;
    ●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子(THERMALDUSSIPATION FACTOR)、损失因子(LOSS FAC-TOR)及漏电流(LEAKAGE CURRENT)。

    3.7脱模剂(日ELEASE AGENT)

      环氧树脂的粘着性良好,对模具也会产生接着力,而影响加工封装完毕后的脱模,因此加入脱模剂来改善胶粉与模具之间的脱模能力。一般常用的脱模剂有:腊、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。脱模剂的种类与用量要视塑粉配方(树脂、硬化剂、填充料)而定。脱模剂的用量要适当,如果用量太少会使脱模不易;相反,如果用量过多,不但容易污染模具,更会降低胶粉与埋入框架、引线间的粘着力,直接影响到元件的耐湿性及可*性。下图为脱模剂添加量与接着力的关系,脱模剂添加愈多,胶粉与埋人件间的接着力下降也愈多。


    3.8颜料(PIGMENT)

    通常视成品的颜色来添加颜料。一般的封装胶粉均以碳黑为颜料,因此成品具有黑色的外观。

    3.9润滑剂(LUBRICANT)
      为了增加胶粉在加工成形中的流动性,有时可加入部分润滑剂来降低粘度。但是此举往往会造成胶粉的玻璃转移温度(Tg GLASS TRANSISTION TEMPERATURE)的降低及电气特性的劣化,因此若有需要加入润滑剂,最好选用反应性稀释剂(RE-ACTIVE DILUENT),使稀释剂分子能与树脂产生化学结合,以避免T2及电气特性的劣化。

    4、环氧树脂塑粉的基本特性

    前面我们已提到一些塑粉所要具备的特性,下面将进一步探讨这些特性。

    4.1耐热性
    4.1.1玻璃转移温度,Tg
    如果以热劣化性为耐热性的考虑要点,则可以Tg来当做参考值。塑粉的Tg值主要决定于塑粉的交联密度: Tgl=Tg0+k/nc Tgi:交联后的Tg Tg0:未交联前的Tg K:实验常数 nc:两交联点前的平均原子数。交联密度愈高,其Tg值也愈高;耐热性愈佳,热变形温度也愈高。一般封装塑粉的Tg值约在160℃左右,过高的Ts会使成品过硬呈脆性,降低对热冲击的抵抗性。

    4.1.2 Tg的测定

    测定Tg的方法很多,目前本所使用热膨胀计(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIAL CANNING CALORIMETRY)、流变仪(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONAL BRAID ANALYZER)等仪器来测定Tg值。

    4.2耐腐蚀性

    由从事塑胶封装电路的故障分析者所提出的故障成因中,以铝条腐蚀(CORROSION OF ALUMINUN METALLIZATION)所占比例最高,因此耐腐蚀性实为封装塑粉的首要考虑因素。

    4.2.1腐蚀的成因

    就环氧树脂塑粉而言,造成铝条腐蚀的主因为塑粉中所含的氯离子及可水解性氯(HYDROLYZABLE CHLORIDE)。当大气中的湿气经由树脂本身及其与引线脚(LEAD)间的界面,扩散进入半导体的内部,这些侵入的水气会与树脂中的离子性不纯物结合,特别是C1-,而增加不纯物的游动性(MOBILITY)。当这些不纯物到达晶片表面时,即与铝条形成腐蚀反应,破坏极薄的铝层,造成半导体的故障。

    4.2.2腐蚀的防止

    (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。目前一般塑粉中离子性不纯物的含量均在10ppm以下。环氧脂由于在合成过程中使用 EPICHLOROHYDRIN,因此无法避免有氯离子的存在,因此树脂要经纯化去除大部分氯离子后,再用来生产封装塑粉。表3为日本厂家的环氧树脂封装胶粉的离子含量及电导度。

    (2)添加腐蚀抑制剂(CORROSION INHIBITOR)

      在胶粉添加腐蚀抑制剂能减低铝条的腐蚀速率,干扰阳极或阴极的腐蚀反应,因而降低腐蚀全反应(OVERALL REACTION)的速率。所选用的抑制剂要具有如下的性质: ①抑制剂中不能含有对电路工作有害的离子; ②加入抑制剂后所增加的离子电导度不能产生有害于电路的副反应; ③抑制剂需能形成错合物(COMPLEX); ④对有机系抑制剂而言,不能与环氧树脂发生反应,在移送面形成硬化过程中具有安定性; ⑤对无机系抑制剂而言,其所产生的离子不可渗入Si或SiO:绝缘层中,以免影响电路的工作。

      一般以无机系腐蚀抑制剂的效果最佳。其中以钨酸铵(AMMONIUM TUNGSTATE)、柠檬酸钙(CALCIUM CITRATE)为常用。



    4.3低的热膨胀系数(CTE,COEFFICTENT OF THERMAL EXPANSION)

      在前面我们已经提过由于树脂与埋人件CTE的不同而产生内应力,造成成品破裂的原因。在此我们将详细介绍CTE对胶粉影响。

    4.3.1 GTE与内应力的关系

    内应力可用DANNENBERG’S方程式表示:

    σ:内应力(internal stress) O:热膨胀系数(CTE) E:弹性模数(elastic modulus) S:截面积(cross section area) R:树脂(resin):埋人件,框架,晶片口nsert component,leadframe,chip) 由方程式(4)中,我们可清楚的看出树脂与埋人件之间的CTE差愈大,所产生的内应力也就愈大。由内应力所引起的龟裂(CRACK)将成为外部湿气及污染侵入的通路,进一步造成元件的故障,因此环氧树脂胶粉必须具有低的CTE值。目前也有人从降低弹性模数来使内应力变小。 4.3.2影响CTE的因素 CTE值可由Tg或交联密度来加以控制。此外,以下各因素也会影响CTE: 1)湿气污染;

    2)可塑剂或润滑剂的流失;
    3)应力的消失;
    4)未反应的化学品;
    5)后硬化的时间与温度。

    对环氧树脂塑粉而言,要拥有低CTE值必须从填充料上面来着手。一个塑粉配方工程师必须将Tg及CTE常记在心,作为参考及寻找问题的工具,因为低的CTE及高的Tg对热冲击抵抗性而言是十分重要的。

    4.4成形性

    广义的成形性包括半导体封装后的尺寸安定性、离型性(脱模)、加工成形时的流动性等等。 4.4.1流动性与漩流试验(SPIRAL FlOW TEST)

    由于胶粉本身是部分交联的B-STAGE树脂,若贮存不当或贮存过久会增加胶粉交联硬化的程度,而造成流动性的降低,此时即该丢弃此流动性变差的胶粉。一般以漩流实验所得漩流值的大小来判断流动性的好坏,目前封装采用的规格是25-35寸。漩流值过低表示胶粉的流动性差,成形时将无法灌满模子;漩流值过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产生溢胶现象。

    4.4.2 DSC与塑粉流动性

    除了漩流试验之外,我们也可利用微差扫瞄式卡计(DSC)来测知胶粉是否仍然具有好的流动性。

    第一个放热峰为胶粉硬化时所放出的聚合反应热,此放热峰愈高表示胶粉的反应热愈多,也代表胶粉贮存时硬化的程度少,因此具有良好的流动性。放热峰愈低表示胶粉已大部分硬化,只能放出少量反应热,代表胶粉已失去流动性。利用以上原理,我们可以找出放热峰高度与漩流值之间的对应关系。

    如果所贮存的胶粉经DSC分析后发现放热峰高度减少10%以上,表示胶粉已失去良好流动性,宜丢弃不再使用。



    4.5电气特性

    电气性对环氧树脂胶粉而言是一种相当重要的性质,而介电特性(DIELECTRIC PROPERTY)为考虑重点。对封装材料而言,介电常数(DIELECTRIC CONSTANT)愈小其电绝缘性愈佳。介电常数会受频率的改变、温度、湿度的影响。介电常数的变化远比介电常数的起始值来得重要。此外,成品的密闭封装是很重要的,将直接影响到电学性质。若成品封装不全有空隙存在,除了提供湿气污染的通路外,在接受电压时会发生电晕 (CORONA),使电场集中在空隙前端,引起内部放电而造成绝缘破坏。


    4.6耐湿性

    湿气侵入半导体元件中与离子性不纯物作用,降低绝缘性,使漏电流增加并腐蚀铝路,此为信赖度降低的主因。湿气侵入封装成品中的路径有两条: ●由树脂整体(BULK OF PLASTIC)的表面扩散进入; ●经由树脂与IC脚架间的界面,以毛细现象侵入。取一个14脚的DIP(DUAl+IN LINE PACKAGE),在上方打开一个孔洞,孔底可达晶片表面,再将一个设有气体出入口的容器接在DIP的孔洞之上并密封之,然后将此装置浸在100%RH的水蒸气或水中,容器内通人干燥的氮气(0%RH),水气即会依上述两种途径侵入而进入容器中,我们利用侦测器测出流出氮气中所含有的水气,而得到全部(两种水气渗透速率之和)的水气渗透率Pt。Pt是经由树脂整体侵入的水气渗透速率Pb及经由界面毛细侵入的水气渗透速率P1之和,及Pt=Pb+P1。我们可取相同材料的树脂封住容器的底部,以同样方法测 出Pb,再将Pt与Pb相减即可求出Pl之值。

    利用上述方法对塑粉进行评估。根据HARRISON的说法,元件若要具有10年的动作寿命保证,则Pl值应该在70以下。我们不妨利用此方法来对环氧树脂胶粉进行耐湿性评估。



    4.7硬化时的放热

    塑粉在硬化时会放出聚合反应热,如果配方调配不当发热量太大时会造成龟裂并给予元件应力。因此化学工程师在进行塑粉配方研究时应考虑硬化放热量不可过大。

    事实上塑粉的交联可分成两个阶段。先胶化,再硬化。低分子量的树脂胶化的速度比高分子量者快。促进剂的浓度小,则胶化时间由热或动力决定;如果促进剂的浓度大,则胶化时间由分子扩散至正确的反应位置决定:

    ●欲快速胶化则增加热量,所得材料具有低交联密度、高CTE、热收缩性大。 ●欲慢速胶化,则减少热量,所得材料具有较高交联密度、低CTE及较小的热收缩。


    4.8抗燃性

    在UL规格中是以94 V-O为标准的环氧树脂塑粉均能满足此一规格。

    4.9接着性与脱模性

    前面已经提过脱模剂的用量增加,树脂的接着力会降低。若是脱模剂的添加量减少,虽然可使树脂与脚架引线的接着力提高,但是模具和成形品间的接着力也增加,造成脱模的困难。因此脱模剂的添加量要选择接着性与脱模性兼顾者为宜。

    4.10低α粒子效应 (LOWα-PARTICLE EFFEC)


    环氧树脂胶粉中采用二氧化硅为填充料,而二氧化硅是自然界的矿物,含有微量的铀、钍等放射性元素。这些放射性元素在蜕变过程中会放出α粒子。 DYNAMIC RAM’S及CCD’S等牛导体元件会受α粒子的影响而发生软性错误(SOFF ERROR)。STATIC RAM’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(ACTIVE DEVICE REGIONS)时,会在电子与空穴重新结合之前,使N-区域收集电子P-区域收集空穴。如果在一特定的区域收集到足够的电荷,将会扰乱所贮存的资料或逻辑状态(LOGIC STATES)。如果所收集和产生的电子数超过临界电荷的话,即造成所谓的软性错误。

    除了填充料之外,基板(SUBSTRATE)、铝条(METALLIZATION)也会放出α粒子,但是以填充料为α。粒子的主要产生来源。为了避免α粒子效应除了可用聚亚酸胺(POLYIMIDE)作为保护涂膜之外,可采用低放射性元素含量的二氧化硅当做填充料。日本已有生产放射性元素含量在1ppb以下的二氧化硅,这些二氧化硅是经过纯化精炼的,价格也较高。对高可*度牛导体元件而言,必须设法避免α粒子效应。

    4.11长期保存性

    目前大多数胶粉的胶化时间约在30秒左右,硬化成形后通常需要后硬化,并且又需冷藏贮存。若要发展出能快速硬化,又能在室温(MAX40-45℃)保存六个月以上而不失胶粉的流动性,则一定要在潜在性促进剂上加以研究与改良。

    本文仅LED照明网对LED的封装材料环氧树脂封装胶粉的组成、选用材料及胶粉的基本特性做一简单的介绍,但愿能使半导体业界对塑粉的组成有一概括性的了解,更期望为同行们在选择环氧树脂塑粉、研究封装机理方面有所启发
                  

                  
    作者:LED小知识
    原载: LED照明网
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