LED封装用环氧树脂的组成

  

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(LEAD)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。一般说来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。
3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:
3.1环氧树脂(EPOXY RESIN)
使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、环状脂肪族环氧树脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、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。
3.2 硬化剂(HARDENER)
在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联(CROSSLINKING)作用的硬化剂可大致分成两类:
(1)酸酐类(ANHYDRIDES);
(2)酚树脂(PHENOLICNOVOLAC)。
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: ●弗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(POSTCURE); ●弗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; ●费以酚树脂硬化者在150-175~C之间有较佳的热稳定性,但温度高于175~(2则以酸酐硬化者为佳。
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。
3.3促进剂(ACCELERATO OR CATALYST)
环氧树脂封装塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)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(COMPOUNDING)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。如果想制得不用低温保存,且具有长的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉,则一定要选用潜在性促进剂(LATENT CATALYST),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牛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。
3.4 抗燃剂(FLAME RETARDANT)
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(TETRABROMOBISPHENOL A)。无机系则为三氧化二锑(Sb203)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。
3.5 填充料(LILLER)
在封装塑粉中,填充料所占的比例最多,约在70%左右,因此填充料在封装朔粉中扮演着十分重要的角色。
3.5.1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。
3.5.2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。
3.5.3 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人件的热膨胀系数大很多。半导体所用的框架(LEAD FRAME)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。
二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化砖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。表2是熔融性与结晶性二氧化硅充填的环氧树脂胶粉的性质比较,可看出熔融性二氧化硅除了导热性质较差外,挠曲强度及耐湿性均低于结晶性二氧化硅。
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(Transfermolding)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。
3.6偶合剂(COUPLIUNG AGENT)
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(THERMALDUSSIPATION FACTOR)、损失因子(LOSS FAC-TOR)及漏电流(LEAKAGE CURRENT)。
3.7脱模剂(日ELEASE AGENT)
环氧树脂的粘着性良好,对模具也会产生接着力,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:腊、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。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。下图为脱模剂添加量与接着力的关系,脱模剂添加愈多,胶粉与埋人件间的接着力下降也愈多。
3.8颜料(PIGMENT)
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。
3.9润滑剂(LUBRICANT) 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(Tg GLASS TRANSISTION TEMPERATURE)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(RE-ACTIVE DILUENT),使稀释剂分子能与树脂产生化学结合,以避免T2及电气特性的劣化。

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