封装材料

前言芯片封装的主要目的是为了保护芯片，使芯片免受苛刻环境和机械的影响，并让芯片电极和外界电路实现连通，如此才能实现其预先设计的功能。常用的一种封装技术是包封或密封，通常采用低温的聚合物来实现。例如，导电环氧银胶用于芯片和基板的粘接，环氧塑封料用于芯片的模塑封，以及底部填充胶用于倒装焊芯片与基板间的填充等。主要的封装材料、工艺方法及特性如图1所示。包封必须满足一定的机械、热以及化学特性要求，不然直接影响封装效果以及整个器件的可靠性。流动和粘附性是任何包封材料都必须优化实现的两个主要物理特性。在特定温度范围内的热膨胀系数（CTE）、超出可靠性测试范围（-65℃至150℃）的玻璃化转变温度（Tg）对封装的牢固性至关重要。对于包封，以下要求都是必须的：包封材料的CTE和焊料的CTE比较接近以确保两者之间的低应力；在可靠性测试中，玻璃转化温度（Tg）能保证尺寸的稳定性；在热循环中，弹性模量不会导致大的应力；断裂伸长率大于1%；封装材料必须有低的吸湿性。但是，这些特性在某种类型的环氧树脂里并不同时具备。因此，包封用的环氧树脂是多种环氧的混合物。表1列出了倒装焊底部填充胶的一些重要的特性。随着对半导体器件的性能要求越来越高，对封装材料的要求同步提高，尤其是在湿气的环境下，性能评估和热失效分析更是至关重要，而这些都可以通过热分析技术给予准确测量，并可进一步用于工艺的CAE模拟仿真，帮助准确评估封装质量的优劣与否。表1 倒装焊中底部填充胶的性能要求[1]图1. 主要封装材料、工艺方法及特性[2]热性能检测梅特勒托利多全套热分析技术为半导体封装材料的性能评估和热失效分析提供全面、创新的解决方案。差示扫描量热仪DSC可以精准评估封装材料的Tg、固化度、熔点和Cp，并且结合行业内具有优势的动力学模块（非模型动力学MFK）可以高精准评估环氧胶的固化反应速率，从而为Moldex 3D模拟环氧塑封料、底部填充胶的流动特性提供可靠的数据。如图2所示，在非模型动力学的应用下，环氧胶在180℃下所预测的固化速率与实际测试曲线所表现出的固化行为具有非常高的一致性。热重TGA或同步热分析仪TGA/DSC可以准确测量封装材料的热分解温度，如失重1%时的温度，以及应用热分解动力学可以评估焊料在一定温度下的焊接时间。热机械分析仪TMA可以精准测量封装材料的热膨胀、固化时的热收缩、以及CTE和Tg，动态机械分析仪DMA提供封装材料准确的弹性模量、剪切模量、泊松比、断裂伸长率等力学数据，进一步可为Moldex 3D模拟芯片封装材料的翘曲和收缩提供可靠数据来源。图2. DSC结合非模型动力学评估环氧胶的固化反应速率检测难点1、 凝胶时间凝胶时间是Moldex 3D模拟环氧塑封料、底部填充胶流动特性的非常重要的数据来源之一。目前，行业内有多种测试凝胶时间的方法和设备。比如利用拉丝原理的凝胶时间测试仪，另有国家标准GB 12007.7-89环氧树脂凝胶时间测定方法[3]，即利用标准柱塞在环氧树脂固化体系中往复运动受阻达到一个值而指示凝胶时间。但是，其对柱塞的形状和浮力要求较高，测试样品量也很大，仅适用于在试验温度下凝胶时间不小于5 min的环氧树脂固化体系，并且不适用于低于室温的树脂、高粘度树脂和有填料的体系。由此可见，现有测试方法都存在测试误差、硬件缺陷和测试范围有限等问题。梅特勒托利多创新性TMA/SDTA2+的DLTMA（动态载荷TMA）模式结合独家的负力技术可以准确测定凝胶时间。在常规TMA测试中，探针上施加的是恒定力，而在DLTMA模式中，探针上施加的是周期性力。如图3右上角插图所示，探针上施加的力随时间的变化关系，力在0.05N与-0.05N之间周期性变化，这里尤为关键的一点是，测试凝胶时间必须要使用负力，即不仅需要探针往下压，还需要探针能够自动向上抬起。图3所示案例为测试导电环氧银胶的凝胶时间，样品置于40μl铝坩埚内并事先固定在TMA石英支架平台上，采用直径为1.1 mm的平探针在恒定160℃条件下施加正负力交替变换测试。在未发生凝胶固化之前，探针不会被样品粘住，负力技术可使探针自由下压和抬起，测试的位移曲线表现出较大的位移变化。当发生交联固化，所施加的负力不足以将探针从样品中抬起，位移振幅突然减小为0，曲线成为一条直线。通过分析位移突变过程中的外推起始点即可得到凝胶时间。此外，固化后的环氧银胶片，可通过常规的TMA测试获得Tg以及玻璃化转变前后的CTE，如图3下方曲线所示。图3. 上图：TMA/SDTA2+的DLTMA模式结合负力技术准确测定凝胶时间. 下图：固化导电环氧银胶片的CTE和Tg测试.2、 弯曲弹性模量在热循环过程中，弹性模量不会导致过大的应力。封装材料在不同温度下的弹性模量可通过DMA直接测得。日本工业标准JIS C6481 5.17.2里要求使用弯曲模式对厚度小于0.5mm、跨距小于4mm、宽度为10mm的封装基板进行弯曲弹性模量测试。从DMA测试技巧角度来讲，如此小尺寸的样品应首选拉伸模式测试。弯曲模式在DMA中一共有三种，即三点弯曲、单悬臂和双悬臂，从样品的刚度及夹具的刚度和尺寸考虑，三点弯曲和双悬臂并不适合此类样品的测试。因此，单悬臂成为唯一的可能性，但考虑到单悬臂夹具尺寸和跨距小于4mm的要求，市面上大部分DMA难以满足此类测试。梅特勒托利多创新性DMA1另标配了单悬臂扩展夹具，可方便夹持小尺寸样品并能实现最小跨距为1mm的测试。图4为对厚度为40μm的基板分别进行x轴和y轴方向上的单悬臂测试，在跨距3.5mm、20Hz的频率下以10K/min的升温速率从25℃加热至350℃。从tan delta的出峰情况可以判断基板的Tg在241℃左右，以及在室温下的弯曲弹性模量高达12-13GPa。图4. DMA1单悬臂扩展夹具测试封装基板的弯曲弹性模量.3、 湿气对封装材料的影响湿气腐蚀是IC封装失效的主要原因，其降低了器件的性能和可靠性。保存在干燥环境下的封装环氧胶，完全固化后在高温和高湿气环境下也会吸湿发生水解，降低封装体的机械性能，无法有效保护内部的芯片。此外，焊球和底部填充环氧胶之间的粘附强度在湿气环境中放置一段时间后也会遭受破坏。水汽的吸收导致环氧胶的膨胀，并引起湿应力，这是引线连接失效的主要因素。通过湿热试验可以对封装材料的抗湿热老化性能进行系统的评估，进而对其进行改善，提升整体性能。通常是采用湿热老化箱进行处理，然后实施各项性能的评估。因此，亟需提供一种能够提高封装材料湿热老化测试效率的方法。梅特勒托利多TMA/SDTA2+和湿度发生器的联用方案，以及DMA1和湿度发生器的联用方案可以实现双85（85℃、85%RH）和60℃、90%RH的技术参数，这也是行业内此类湿度联用很难达到的技术指标。因此，可以原位在线环测封装材料在湿热条件下的尺寸稳定性和力学性能。图5. TMA/SDTA2+-湿度联用方案测试高填充环氧的尺寸变化.图5显示了TMA-湿度联用方案在不同湿热程序下高填充环氧的尺寸变化。湿热程序分别为20℃、60%RH、约350min，23℃、50%RH、约350min，30℃、30%RH、约350min，40℃、20%RH、约350min，60℃、10%RH、约350min，80℃、5%RH、约350min。可以看出，在60%的高湿环境下高填充环氧在350min内膨胀约0.016%，后续再降低湿度并升高温度，样品主要在温度的作用下发生较大的热膨胀。图6为DMA-湿度联用方案在双85的条件下评估PCB的机械性能的稳定性，测试时间为7天。可以看出，PCB在高湿热的环境下弹性模量有近似6%的变化，这与PCB的树脂材料发生吸湿后膨胀并引起湿应力是密不可分的，并且存在导致器件失效的风险。图6. DMA1-湿度联用方案测试PCB的弹性模量.4、 化学品质量对于封装结果的影响封装过程中会使用到各类的湿电子化学品，尤其是晶圆级封装等先进封装的工艺流程，对于清洗液、蚀刻液等材料的质量管控可以类比晶圆制造过程中的要求，同时针对不同工艺段的化学品浓度等配比都有所不同，因此如何控制使用的电子化学品质量对于封装工艺的效能有着重要的意义。下表展示了部分涉及到的化学品浓度检测的滴定检测方案，常规的酸碱滴定、氧化还原滴定可以基本满足对于单一品类化学品浓度的检测需求。指标电极滴定剂样品量85%H3PO4酸碱玻璃电极1mol/L NaOH0.5~1g96%H2SO4酸碱玻璃电极1mol/L NaOH0.5~1g70%HNO3酸碱玻璃电极1mol/L NaOH0.5~1g36%HCl酸碱玻璃电极1mol/L NaOH0.5~1g49%HF特殊耐HF酸碱电极1mol/L NaOH0.3~0.4gDHF（100：1）特殊耐HF酸碱电极1mol/L NaOH20-30g29%氨水酸碱玻璃电极1mol/L NaOH0.9~1.2gECP（acidity）酸碱玻璃电极1mol/L NaOH≈8g29%NH4OH酸碱玻璃电极1mol/L HCl0.5~1gCTS-100清洗液酸碱玻璃电极1mol/L NaOH≈1g表1. 部分化学品检测方法列表另一方面，对于刻蚀液等品类，常常会用到混酸等多种物质混配而成的化学品，以起到综合的反应效果，如何对于此类复杂的体系浓度进行检测，成为实际生产过程中比较大的挑战。梅特勒托利多自动电位滴定仪，针对不同的混合液制订不同的检测方案，如铝刻蚀液的硝酸/磷酸/醋酸混合液，在乙醇和丙二醇混合溶剂的作用下，采用非水酸碱电极针对不同酸液pKa的不同进行检测，得到以下图谱，一次滴定即可测定三种组分的含量。图7. 一种铝刻蚀液滴定曲线结论梅特勒托利多一直致力于帮助用户提高研发效率和质量控制，我们为半导体封装整个产业链提供完整专业的产品、应用解决方案和可靠服务。梅特勒托利多在半导体封装行业积累了大量经验和数据，希望我们的解决方案给半导体封装材料性能评估的工作者带来帮助。参考文献[1] Rao R. Tummala. 微系统封装基础. 15. 密封与包封基础 page 544-545.[2] Rao R. Tummala. 微系统封装基础. 18. 封装材料与工艺基础 page 641.[3] GB12007.7-89：环氧树脂凝胶时间测定方法.（梅特勒-托利多 供稿）

p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。封装测试是半导体产业的重要环节。在摩尔定律发展脚步迟缓的情况下，对芯片制造商而言，光是靠先进制程所带来的效能增进，已不足以满足未来的应用需求，因此先进封装技术显得尤为重要。然而目前的封装技术在封装材料上存在一些问题亟待解决。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 在微型化的趋势下，封装尺寸越来越小，这对封装材料的散热、可靠性要求越来越高。但在超细间距应用中，焊接材料面临着工序复杂、空焊、冷接和焊接不良等问题。贺利氏为此推出了Welco AP5112焊锡膏，使用一体化印刷方案简化了封装流程，同时去除了空焊、冷接和焊接不良现象，减少了材料管理成本。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 在高功率器件封装中，不同于传统半导体硅功率器件，第三代半导体功率器件工作温度突破了200℃，这对封装材料提出了新的要求。因此，功率器件封装中需要关键焊接材料具有较低的工艺温度、较高的工作温度、很好的导电性和散热能力。针对此，贺利氏推出了通过扩散将芯片背银和框架上的银（铜）连接在一起烧结银材料。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 在存储器件封装应用中，引线键合高度依赖金线。随着国产存储芯片开始量产，急需降低引线键合成本。对此，贺利氏在去年发布了全球首款AgCoat Prime镀金银线，显著降低了净成本。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 随着半导体制造工艺越来越难以继续缩微，先进封装对继续提升芯片性能的重要性日益凸显，对半导体封装材料也将带来更多要求。 /p p 原文： /p p style=" text-align: center " strong 贺利氏：全球化分工不可逆，构建可靠的供应链至关重要 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 集微网消息，过去50年来，随着半导体工艺节点向7nm及以下节点工艺发展的速度减慢，摩尔定律减速，是否已到达效率极限已经引起全球辩论。尽管如此，5G、物联网和人工智能等新的终端市场应用正在彻底改变半导体行业，这些新兴应用对高效节能芯片的要求越来越强烈，小型化变得越来越重要，半导体业界正在积极探索解决方案，推动了对新的先进封装技术的需求。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" http://s.laoyaoba.com/jwImg/news/2020/07/01/15936066458907.png" / /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 贺利氏电子中国区销售总监王建龙对集微网记者表示，先进封装发展趋势走向了模块化。一方面，在微型化趋势下，系统级封装（SiP）中的元件数量不断增加，但同时封装体尺寸越来越小。受此影响，手机等消费电子产品的先进封装对于连接材料的要求越来越苛刻。在窄间距、高密度的封装要求下，呈现出模块化封装的发展趋势。另一方面，在新能源汽车、轨道交通、智能电网等应用中，呈现数十颗功能芯片集成在一个模块里封装的趋势。而无论是传统的硅功率器件，还是以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体器件，大量的大功率器件集成在一个模块中，对散热、可靠性的要求越来越高。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “随着技术不断进步，对于元器件的要求越来越严苛。面对激烈的竞争，制造商们倍感压力，不得不努力缩短产品上市时间。贺利氏电子了解这些挑战，也知道客户需要什么样的产品和服务来满足这些严苛的要求。”王建龙表示。例如在消费电子的超细间距应用中，对焊接材料的要求越来越严苛，贺利氏为此推出了Welco AP5112焊锡膏，可以用一体化印刷方案解决SiP封装的SMD和Flip Chip两次工序需求，减少加工步骤，简化SiP封装流程。同时去除了空焊和冷接、焊接不良现象，也减少了材料管理成本。最小可以支持钢网开孔尺寸70um，线间距50um的印刷。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 在高功率器件封装中，对于传统的硅功率器件，受本身半导体结构的限制工作温度限定在175° C，第三代半导体功率器件则突破了200° C。因此一方面要延长硅基功率器件的使用周期，另一方面要适应碳化硅等第三代半导体小型化高散热的要求，这对作为功率器件封装中关键焊接材料也提出了新的要求，既要有低的工艺温度和高的工作温度，还要有很好的导电性和散热能力。贺利氏的烧结银材料主要用到了熔点961° C的银，保证了焊接材料可以工作在 200° C 以上，具有高导电性、高散热能力和热机械稳定性。从焊接工艺来说，这种烧结材料不同于锡膏，在整个焊接过程中，银始终作为固态形式存在，通过扩散将芯片背银和框架上的银（铜）连接在一起，烧结后具备很好的剪切强度、高的导电性和散热性，提高了功率器件的工作温度和可靠性。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 在半导体市场中，存储器件占据非常大的比例。在许多半导体应用中，封装中使用的金线已被银线、裸铜线和镀钯铜线所取代。然而在存储器件封装应用中，引线键合仍然高度依赖金线。随着中国国产存储芯片开始量产，降低生产成本的需求十分强烈。针对此贺利氏在去年发布了全球首款AgCoat Prime镀金银线，性能和可靠性堪比金线，可显著降低净成本。王建龙表示，AgCoat Prime产品前期在国内一些客户中进行验证，可能个别客户会有一些工艺参数的微调，也可能需要他们跟客户再进行一定的重复验证。“可以肯定的是这款产品可以大幅降低存储器件的成本，也不排除将来成为一种行业标准解决方案。”他指出，“AgCoat Prime起初是针对半导体存储器设计的，但是也可以用到RFID、LED等应用中。” /p h4 疫情、国际局势加速半导体产业升级 /h4 p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 今年爆发的疫情，先后在中国和全球半导体产业中掀起不小的震荡。因为终端需求下滑，许多市场研究机构预测今年半导体的增速也会大幅下滑乃至继续为负，但是中国市场呈现出了不一样的活力。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 根据近日上海市委常委、副市长吴清公布的数据，在1-5月份各个领域受到挑战的情况下，上海集成电路逆势增长，销售收入实现38.7%的增长。对此王建龙表示，中国半导体市场在未来五年里预计都将处于明显的上升周期中。疫情虽然短时间内对产业造成了一定冲击，但长期来看，疫情催生线上经济、加速“远程办公”，以及生活方式变革，对5G、存储、新能源技术等领域都是很大的推动力，中国半导体产业也在加紧技术研发和产业升级。“在这些因素作用下，贺利氏今年1~5月份市场表现甚至优于去年同期。除了汽车电子业务受市场需求影响略有下滑，在先进封装和功率电子业务上都呈现上升态势。”他补充说，“但是随着汽车互连化以及新能源车的加快推进，以及碳化硅功率器件的普及，贺利氏也将迎来巨大的增长机会。” /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 另一方面，疫情和中美贸易冲突加剧，全球半导体产业链受到不同程度的停工、断供危机。王建龙认为，因为某一个工厂出了问题就断供，这是非常不可靠的公司行为。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “贺利氏2016年建立的‘备份工厂’机制很好的避免了这些问题。我们的每个产品线都有备份工厂，某个工厂出现问题，其他的工厂可以马上替补生产。很多客户的产品都认证过，他们的产品可以在两个工厂之间随时切换。当然正常时期会优先选择供应周期更短、效率更高的工厂。在疫情期间我们的客户已经体会到‘备份工厂’带来的便利。”他表示，“另一方面，美国制裁华为，华为想要在国内建立更多供应链，以及多个国家想要将产业链迁出中国。从这方面看，短期内中国在全球制造业的地位是不会改变的。全球化不会因为政治影响而改变，最终还是需要用户受益，因此产业链也不可能逆市场而行。显然，市场、人才、效率、产业链，都在中国这里。全球分工、全球合作，不是某个人、某个国家可以改变的。” /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" http://s.laoyaoba.com/jwImg/news/2020/07/01/15936066061463.png" / /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 作为贺利氏全球最重要的市场之一，为了贴近客户需求，贺利氏在上海先后成立了上海产品创新中心和技术应用中心，分别从事与客户及合作伙伴共同进行电子材料系统的研发测试和应用认证。王建龙透露，上海创新应用中心成立近两年来，多个重要客户在这里与贺利氏一起完成了他们关键产品的封装挑战。“例如某个新能源车企在这里，通过贺利氏的材料解决方案解决了在新能源车核心的电控部分的技术难题，使电控模块性能得到了显著升级。”他解释，& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “这是一个创新中心与客户共同研发、投入量产，以此推动产业发展的一个成功案例。相信在未来两年，国内主要的新能源车电控部分都会直接或间接与贺利氏合作。贺利氏也将继续以完善的材料产品与服务组合，来满足中国市场对于高性能电力电子产品日益增长的需求。” /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 最后，王建龙强调，半导体制造工艺越来越难以继续缩微，而先进封装对继续提升芯片性能的重要性日益凸显，进而对半导体封装材料带来了更多要求。“芯片的集成度可能会受到摩尔定律逼近极限的影响，但是人们追求先进电子设备的脚步不会因此停下。封装技术无疑是一个重要途径，这也是为什么贺利氏将先进封装业务提升到更高的战略层面的原因。”王建龙强调。 /p

p 美国加州时间2020年7月28日，SEMI和TechSearch发布的《全球半导体封装材料市场展望》预测报告（Global Semiconductor Packaging Materials Outlook）称：全球半导体封装材料市场将从2019年的176亿美元增长至2024年的208亿美元，复合年增长率（CAGR）为3.4％。半导体产业的增长将推动这一增长，包括大数据、高性能计算（HPC）、人工智能（AI）、边缘计算、先进内存、5G基础设施扩建、5G智能手机、电动汽车以及汽车安全功能的采用和增强。 /p p img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://www.semi.org.cn/img/news/QQ%E6%88%AA%E5%9B%BE20200729150559.png" / /p p 封装材料是这些应用增长的关键，它使这些能够支持下一代芯片更高性能、可靠性和集成度的先进封装技术成为可能。 /p p 在对系统级封装（SIP）和高性能器件的需求推动下，作为最大材料领域的层压基板的复合年增长率将超过5％。在预测期内，晶圆级封装（WLP）电介质将以9％的复合年增长率增长最快。尽管正在开发提高性能的新技术，但朝着更小、更薄的封装发展的趋势将抑制引线框架，管芯连接和密封材料的增长。 /p p 随着半导体封装技术创新的稳步推进，预计未来几年将在材料市场中呈现几个机会领域，包括： /p p br/ /p ul class=" list-paddingleft-2" li p 新的基板设计可支持更高密度的窄凸点间距 /p /li li p 适用于5G mmWave应用的低Dk和Df层压材料 /p /li li p 基于改进的引线框架技术【称为模制互连解决方案/系统（MIS）】的无芯结构 /p /li li p 模压化合物可为铜柱凸点倒装芯片提供底部填充 /p /li li p 树脂材料需要较小的填料和较窄的粒度分布，以满足狭窄的间隙和细间距倒装芯片 /p /li li p 粘晶材料，在& lt 5 µ m的位置内进行处理 /p /li li p 更高频率的应用（例如5G）所需的介电损耗（Df）较低的电介质 /p /li li p TSV电镀所需的无空隙沉积和低覆盖层沉积 /p /li /ul p br/ /p p 报告预测的2019年至2024年的其他增长领域包括： /p ul class=" list-paddingleft-2" style=" list-style-type: disc " li p 基于加工材料的平方米，全球IC封装的层压基板市场预计将以5％的复合年增长率增长。 /p /li li p 预计总体引线框架出货量的复合年增长率将略高于3％，其中LFCSP（QFN型）的单位增长率最高，复合年增长率将近7％。 /p /li li p 在对更小，更薄的封装形式的求不断增长的推动下，封装材料的收入将以不到3％的复合年增长率增长。 /p /li li p 芯片连接材料收入将以近4％的复合年增长率增长。 /p /li li p 焊球收入将以3％的复合年增长率增长。 /p /li li p WLP电介质市场预计将以9％的复合年增长率增长。 /p /li li p 晶圆级电镀化学品市场的复合年增长率预计将超过7％。 /p /li /ul p 《全球半导体封装材料市场展望》（Global Semiconductor Packaging Materials Outlook）是由TechSearch International和SEMI或其合作伙伴TECHCET LLC对半导体封装材料市场进行的全面市场研究。是该报告系列的第九版。 报告基于对100多家半导体制造商、封装分包商、无晶圆厂半导体公司和封装材料供应商进行了访谈。 该报告涵盖以下半导体封装材料领域： /p ul class=" list-paddingleft-2" style=" list-style-type: disc " li p 基材 /p /li li p 引线框 /p /li li p 焊线 /p /li li p 密封胶 /p /li li p 底部填充材料 /p /li li p 芯片贴装 /p /li li p 锡球 /p /li li p 晶圆级封装电介质 /p /li li p 晶圆级电镀化学品 /p /li /ul