内容发布更新时间 : 2024/12/24 0:07:58星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
Fig.4燃烧试验示意图
Fig.5燃烧试验后样品外观
此外，MAR型环氧树脂成型材料还同时具有低吸水率、高温下低弹性、高致密性等特征。笔者等人对MAR型环氧树脂成型材料的抗拉强度指标进行了计算，较大的抗拉强度数值表明材料具有良好的耐焊性。表4所示为各种类型环氧树脂及其所用固化剂组合的性能参数对比，其中二氧化硅填料的使用比例为86%。可以看到，其中（BP-E.R./Aralky-N.R.）组合的抗拉强度特征值为1.0，而MAR型环氧树脂成型材料的抗拉强度达到了传统树脂材料的1.6倍，因此具有优异的耐焊性。同时，MAR型环氧树脂/固化剂组合与其他组合相比，还具有低吸水率、低弹性、高粘度等特点。在MAR型环氧树脂成型材料开发初期，其树脂粘度要高于联苯型环氧树脂，其成型性和流动性不利于使用。然而，经过研究人员的努力，通过优化填料的粒度分布以及高潜伏性固化促进剂的技术改进，已经可以对配方设计进行合理的调整。填料的粒度分布对充填密度、流动性以及材料粘度都有较大影响。一般情况下，填料的粗颗粒和细颗粒会形成双峰分布，通过调整粗颗粒和细颗粒的比例可以最大程度上对双峰分布进行优化，从而提高材料的流动性。高潜伏性固化促进剂可以成为环氧树脂和苯酚树脂的催化剂，由于可以对其活性进行控制从而使其具有潜伏性。可能根据成型时的温度变化来对反应进行催化，因此可以延长树脂的流动时间，实现低粘度化。通过这些技术进步，目前MAR型环氧树脂已经成为无卤半导体封装用成型材料的主流。
表3 MAR型树脂结构
表4 各种类型环氧树脂及其所用固化剂组合的性能参数
4、半导体封装用环氧树脂成型材料的耐高温化
近年来节能减排成为时代潮流，用于电力控制和电力转换的逆变器和变流器的半导体器件引起业界越来越多的关注。对于电力转换的节能化、小型化和轻量化的要求，以前仅仅局限于用电量较低的空调等白色家电以及服务器等。最近这种趋势已经扩展到汽车、铁路等大功率用电领域。用SiC、GaN这些下一代功率器件来取代现有的硅器件可以减少电力损失，提升用电效率，从而达到节能减排的效果。由于这些下一代功率器件可以在200℃以上的高温下工作，因此制冷设备将进一步小型化。同时，为了配合这些下一代功率器件的工作，必须解决芯片封装材料的高耐热化。
笔者等人正在研究一种耐高温半导体封装用环氧树脂成型材料，其目标工作温度可以达到175℃或200℃，为了使SiC或GaN器件的芯片能够在高温环境下正常工作，要求半导体封装用环氧树脂成型材料在高温下保持较小的特性变化。Fig.6所示为这种环氧树脂成型材料在175℃和200℃下高温贮存（HTSL）的试验结果。HTSL是对器件所做的贮存环境可靠性试验，高温环境下，金属合金和树脂的劣化会造成器件可靠性下降，一般是用特定温度下阻抗值的变化来进行评价。对比试验所用成型材料的环氧树脂/固化剂组合包括：（MAR-E.R./MAR-N.R.）、（BP-E.R./PN）和（TPM-E.R./TPM-N.R.），其中二氧化硅填料的比例为86%。MAR型环氧树脂/固化剂组合因其交联点间距较长具有较低交联密度，且Tg较低。而TPM型环氧树脂/固化剂组合因分子中含有的环氧基和羟基较多，会形成具有高交联密度的固化材料，因而Tg较高。HTSL的试验结果表明，具有较高Tg的材料其粘合的可靠性也高。这可能是由于在高温环境下，如果环氧树脂成型材料的Tg较低会使得分子运动更加活跃，从而使得电荷载流子的移动更加容易。
Fig.6 HTSL试验结果
另一方面，热分解性也是高Tg材料的缺点之一。表5所示为是对各种树脂组合固化后进行的空气中200℃、5000小时高温长期贮存的物性劣化评价。所用成型材料的环氧树脂/固化剂组合包括：（MAR-E.R./MAR-N.R.）、（MAR-E.R./PN）（OCN-E.R./PN）、（TPM-E.R./PN）和（TPM-E.R./TPM-N.R.），其中二氧化硅填料的比例为85%。与Fig.6的情况相类似，MAR型环氧树脂/固化剂组合因其交联点间距较长具有较低交联密度，且Tg较低。而TPM型环氧树脂/固化剂组合因其交联点间距短、交联密度高，因而Tg较高。试验结果表明，高Tg材料重量减少幅度较大（如Fig.7）。如表6和表7所示，对成型材料进行225℃、1000
小时热处理后观察其断面，高Tg的TPM型组合可以看到表层约100μm深的劣化层。劣化层所见均为树脂层热分解后向外界挥发所留下的点缺陷。表8所示为通过EDS进行元素分析的结果。在中心区域材料的组分变化并不明显，但是在表面附近可以发现明显的C、O组分变化，这表明表面区域的树脂层已经被严重氧化所劣化。与之相比，低Tg的MAR型组合几乎未见到劣化情况。这可能是由于坚固的亚联苯基骨架难以热分解所致。
表5 各种树脂固化后性能劣化对比
Fig.7 各种树脂失重对比
此外，Fig.8中所示的绝缘强度试验结果也表明，高Tg的TPM组合的绝缘强度初值很高，但是经过长时间高温处理后有明显劣化的倾向。从上述结果可以推测，在200℃高温环境下，高Tg材料具有良好的结合可靠性，但是氧化反应会使交联密度较高的材料容易开裂，生成的自由基会促进材料的热分解。目前，笔者等人正在研究一种新型半导体封装用环氧树脂成型材料，该材料的树脂骨架具有高交联密度，同时对其耐热分解性能进行优化。
表6 成型材料经热处理后断面图
表7 成型材料经热处理后断面图
表8 TPM-E.R./TPM-N.R.树脂的EDS化学分析
5、结束语
本文介绍了半导体封装用环氧树脂成型材料的概要及环境友好型阻燃化技术、耐高温化技术的开发情况。环氧树脂材料具有高耐热性、高粘结性、高流动性以及低应力等诸多优点，今后仍将在半导体封装领域具有广阔的应用前景。作为半导体封装用环氧树脂成型材料，对其耐高温性能的研究已经取得进展，今后将进一步开展关于环境保护对策方面的研究。
Jxf46于2016年2月编译自日本《ネットワークポリマー》Vol.36.No.5（2015）