-封装材料

12020年4月19日LED封装用材料22020年4月19日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。32020年4月19日LED封装材料主要有环氧树脂，聚碳酸脂，聚甲基丙烯酸甲脂，玻璃，有机硅材料等高透明材料。其中聚碳酸脂，聚甲基丙烯酸甲脂，玻璃等用作外层透镜材料；环氧树脂，改性环氧树脂，有机硅材料等，主要作为封装材料，亦可作为透镜材料。42020年4月19日环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶的具有三向网状结构的高聚物。52020年4月19日化学特性：（1）分子内有两个环氧树脂-C—C-之化合物。（2）340~7,000程度之中分子量物。（3）形状：液体或固体。（4）一般环氧树脂不能单独使用而与硬化剂(架桥剂)一起使用，硬化成三次元分子结构之硬化物。凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。62020年4月19日固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定，因而广泛应用于国防、国民经济各部门，作浇注、浸渍、层压料、粘接剂、涂料等用途。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。72020年4月19日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。82020年4月19日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：92020年4月19日环氧树脂使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系、酚醛环氧树脂、环状脂肪族环氧树脂、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。102020年4月19日硬化剂在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联作用的硬化剂可大致分成两类:(1)酸酐类;(2)酚树脂。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。112020年4月19日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：●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；●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；●以酚树脂硬化者在150-175℃之间有较佳的热稳定性，但温度高于175℃则以酸酐硬化者为佳。122020年4月19日促进剂环氧树脂封装塑粉的硬化周期约在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。132020年4月19日如果想制得不用低温保存，且具有长的保存期限的塑粉，则一定要选用潜在性促进剂，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生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。142020年4月19日抗燃剂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。无机系则为三氧化二锑(Sb2O3)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。152020年4月19日填充料在封装塑粉中，填充料所占的比例最多，约在70％左右，因此填充料在封装塑粉中扮演着十分重要的角色。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。162020年4月19日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。172020年4月19日二氧化硅(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入件的热膨胀系数大很多。半导体所用的框架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。182020年4月19日二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化硅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。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。192020年4月19日偶合剂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、损失因子及漏电流。202020年4月19日脱模剂环氧树脂的粘着性良好，对模具也会产生粘着力，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：蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。212020年4月19日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靠性。222020年4月19日颜料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。润滑剂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，使稀释剂分子能与树脂产生化学结合，以避免Tg及电气特性的劣化。232020年4月19日1、耐热性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。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。环氧树脂塑粉的基本特性242020年4月19日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。（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。当大气中的湿气经由树脂本身及其与引线脚间的界面，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。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。252020年4月19日（2）腐蚀的防止A、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环氧氯丙烷，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。262020年4月19日B、添加腐蚀抑制剂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；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、柠檬酸钙为常用。272020年4月19日电气性对环氧树脂胶粉而言是一种相当重要的性质，而介电特性为考虑重点。对封装材料而言，介电常数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，使电场集中在空隙前端，引起内部放电而造成绝缘破坏。电气特性282020年4月19日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。硬化时的放热292020年4月19日有机硅封装材料主要成分是有机硅化合物。有机硅化合物是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-O-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。有机硅材料302020年4月19日其结构是一类以重复的Si-O键为主链，硅原子上直接连接有机基团的聚合物，其通式为R’---(SiRR’---O)n---R”，其中，R、R’、R”代表基团，如甲基，苯基，羟基，H，乙烯基等；n为重复的Si-O键个数（n不小于2）。有机硅材料结构的独特性：（1）Si原子上充足的基团将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；（2）C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；（3）Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大。（4）Si-O键是具有50％离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子键无方向性）。结构312020年4月19日由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性。性能322020年4月19日耐温特性：有机硅产品是以硅－氧（Si－O）键为主链结构的，C－C键的