電子封裝用硅微粉必須球形化？

文章來源：http://www.dyqzzz.cn 發(fā)布時間：2020-03-31 瀏覽次數(shù)：147

20世紀(jì)以來,計算機等通信行業(yè)的快速發(fā)展,使微電子行業(yè)逐漸成為重要的產(chǎn)業(yè),與此同時,微電子產(chǎn)業(yè)也是我國的一項重要的支柱產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)在我們所說的微電子已經(jīng)逐漸分離成設(shè)計、制造以及封裝三個獨立的支柱產(chǎn)業(yè)。

其中,電子封裝的三大主材料是基板材料、塑封料和引線框架及焊料。環(huán)氧塑封料(EMC)是國內(nèi)外集成電路封裝料的主流,目前95%以上的微電子器件都是環(huán)氧塑封器件。其中,EMC中,硅微粉含量占60%～90%。

硅微粉是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料,可以分為晶型和無定型兩大類,經(jīng)過特殊加工工藝后制成符合電子封裝材料要求的球形硅微粉。

一般集成電路都采用光刻的方法將電路集中刻制在單晶硅片上,然后接好連接引線和管腳,再用環(huán)氧塑封料封裝而成。微電子封裝領(lǐng)域通常采用無定型或者融凝態(tài)硅微粉,尺寸在微米量級,根據(jù)其形狀,融凝態(tài)硅微粉又可進一步分為角形硅微粉和球形硅微粉兩種。

隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,集成度越高,要求環(huán)氧塑封料中的硅微粉純度越高,顆粒越細,球形化越好,特別對其顆粒形狀提出了球形化要求。大規(guī)模集成電路中應(yīng)部分使用球形硅微粉,超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路中,集成度達到8M以上時,必須全部使用球形硅微粉。

那么為何將硅微粉球形化?

(1)球的表面流動性好,與樹脂攪拌成膜均勻,樹脂添加量小,粉的填充量可達到最高,質(zhì)量比可達90.5%。因此,球形化意味著硅微粉填充率的增加,硅微粉的填充率越高,其熱膨脹系數(shù)就越小,導(dǎo)熱系數(shù)也越低,就越接近單晶硅的熱膨脹系數(shù),由此生產(chǎn)的電子元器件的使用性能也越好。

(2)球形化形成的塑封料應(yīng)力集中最小,強度最高,當(dāng)角形粉的塑封料應(yīng)力集中為1時,球形粉的應(yīng)力僅為0.6,因此,球形粉塑封料封裝集成電路芯片時,成品率高,并且運輸、安裝、使用過程中不易產(chǎn)生機械損傷。

(3)球形粉摩擦系數(shù)小,對模具的磨損小,與角形粉相比,模具的使用壽命可提高一倍,塑封料的封裝模具價格很高,有的還需要進口,這一點對封裝廠降低成本,提高經(jīng)濟效益也很重要。

如何制備球形硅微粉?

目前世界上對粉體球形化研究最為成功的國家是日本,他們已大批量地投入生產(chǎn)并運用到航天、超大屏幕電子顯像和大規(guī)模集成電路中,而我國對此項技術(shù)的研究才剛起步。

國外球形硅微粉的制備通常采用二氧化硅高溫熔融噴射法、在液相中控制正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法等,但由于工藝復(fù)雜,這些方法國內(nèi)還只停留在實驗室階段,有較大的技術(shù)難度,這是國內(nèi)至今還不能生產(chǎn)出高質(zhì)量球形硅微粉的重要原因之一。

球形化的原理可分為干法和濕法兩種:

(1)化學(xué)性的濕法。讓含硅化合物在溶液中反應(yīng),通過各種手段控制均勻的生長速率,使反應(yīng)產(chǎn)物盡量均勻地向各個方向生長,最終獲得球形產(chǎn)物。

(2)物理性的干法。根據(jù)固體熱力學(xué)的原理,高溫顆粒的尖角部位容易最早出現(xiàn)液相以及在氣液固三相界面上液相表面張力較大、自動平滑成球體的現(xiàn)象來完成球化過程。

具體的工藝方法為以下幾種:

①正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法;

②有機硅或硅酸鹽制成二氧化硅溶膠-凝膠后灼燒法;

③二氧化硅高溫熔融噴射法;

④乙炔、氫氣等氣體燃燒火焰作熱源熔融法;

⑤等離子體高溫場作熱源熔融法。

前二種為化學(xué)濕法,用化學(xué)法生產(chǎn)的球形硅微粉,其球形度、球化率、無定形率都可達到100%,并且可以達到很低的放射性指標(biāo),但因其容積密度較低,當(dāng)完全用此種球形粉制成環(huán)氧樹脂塑封料,其塑封料塊的密實性能、強度和線性膨脹率等受其影響,故實際使用中其最大只能加40%。