电子封装用硅微粉必须球形化？

文章来源：https://www.hayond.cn 发布时间：2020-03-31 浏览次数：63

20世纪以来,计算机等通信行业的快速发展,使微电子行业逐渐成为重要的产业,与此同时,微电子产业也是我国的一项重要的支柱产业。现在我们所说的微电子已经逐渐分离成设计、制造以及封装三个独立的支柱产业。

其中,电子封装的三大主材料是基板材料、塑封料和引线框架及焊料。环氧塑封料(EMC)是国内外集成电路封装料的主流,目前95%以上的微电子器件都是环氧塑封器件。其中,EMC中,硅微粉含量占60%～90%。

硅微粉是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料,可以分为晶型和无定型两大类,经过特殊加工工艺后制成符合电子封装材料要求的球形硅微粉。

一般集成电路都采用光刻的方法将电路集中刻制在单晶硅片上,然后接好连接引线和管脚,再用环氧塑封料封装而成。微电子封装领域通常采用无定型或者融凝态硅微粉,尺寸在微米量级,根据其形状,融凝态硅微粉又可进一步分为角形硅微粉和球形硅微粉两种。

随着大规模、超大规模集成电路的发展,集成度越高,要求环氧塑封料中的硅微粉纯度越高,颗粒越细,球形化越好,特别对其颗粒形状提出了球形化要求。大规模集成电路中应部分使用球形硅微粉,超大规模和特大规模集成电路中,集成度达到8M以上时,必须全部使用球形硅微粉。

那么为何将硅微粉球形化?

(1)球的表面流动性好,与树脂搅拌成膜均匀,树脂添加量小,粉的填充量可达到最高,质量比可达90.5%。因此,球形化意味着硅微粉填充率的增加,硅微粉的填充率越高,其热膨胀系数就越小,导热系数也越低,就越接近单晶硅的热膨胀系数,由此生产的电子元器件的使用性能也越好。

(2)球形化形成的塑封料应力集中最小,强度最高,当角形粉的塑封料应力集中为1时,球形粉的应力仅为0.6,因此,球形粉塑封料封装集成电路芯片时,成品率高,并且运输、安装、使用过程中不易产生机械损伤。

(3)球形粉摩擦系数小,对模具的磨损小,与角形粉相比,模具的使用寿命可提高一倍,塑封料的封装模具价格很高,有的还需要进口,这一点对封装厂降低成本,提高经济效益也很重要。

如何制备球形硅微粉?

目前世界上对粉体球形化研究最为成功的国家是日本,他们已大批量地投入生产并运用到航天、超大屏幕电子显像和大规模集成电路中,而我国对此项技术的研究才刚起步。

国外球形硅微粉的制备通常采用二氧化硅高温熔融喷射法、在液相中控制正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法等,但由于工艺复杂,这些方法国内还只停留在实验室阶段,有较大的技术难度,这是国内至今还不能生产出高质量球形硅微粉的重要原因之一。

球形化的原理可分为干法和湿法两种:

(1)化学性的湿法。让含硅化合物在溶液中反应,通过各种手段控制均匀的生长速率,使反应产物尽量均匀地向各个方向生长,最终获得球形产物。

(2)物理性的干法。根据固体热力学的原理,高温颗粒的尖角部位容易最早出现液相以及在气液固三相界面上液相表面张力较大、自动平滑成球体的现象来完成球化过程。

具体的工艺方法为以下几种:

①正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法;

②有机硅或硅酸盐制成二氧化硅溶胶-凝胶后灼烧法;

③二氧化硅高温熔融喷射法;

④乙炔、氢气等气体燃烧火焰作热源熔融法;

⑤等离子体高温场作热源熔融法。

前二种为化学湿法,用化学法生产的球形硅微粉,其球形度、球化率、无定形率都可达到100%,并且可以达到很低的放射性指标,但因其容积密度较低,当完全用此种球形粉制成环氧树脂塑封料,其塑封料块的密实性能、强度和线性膨胀率等受其影响,故实际使用中其最大只能加40%。