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正文
封装材料的特性和选择往往决定了封装产品的品质与性能，在设计过程中，需要熟悉封装材料的特性，掌握封装材料的一般选择原则。本文将介绍系统级封装关键材料及其特性，包括装片胶材料、凸点材料、引线键合材料、塑封料、锡焊球材料。
一、装片胶材料（也称为装片胶材料）
在半导体封装过程中，需要使用装片胶将芯片牢固黏接在引线框架或基板等上。装片胶可以是导电的或非导电的。装片胶需要对芯片和基板表面有良好的黏接性。
装片胶材料包括基础树脂、硬化剂、金属导电填料（非导电型装片胶无填料）、催化剂等，可分为固相装片胶材料和液相装片胶材料。固相装片胶为装片胶薄膜，是半固化状态的树脂系统，通常直接贴覆在芯片背面。液相装片胶材料包括膏状装片胶和底部填充材料。不同类型装片胶的主要组成材料如表1所示。
表1 不同类型装片胶的主要组成材料
填充剂和环氧树脂构成了70%以上的装片胶材料。不同装片胶中的组分、含量及其作用如表2所示。
表2 不同装片胶中的组分、含量及其作用
下面通过不同装片胶材料的缺陷来说明选用和使用原则。
1. 环氧树脂装片胶（膏状装片胶）
常见的环氧树脂装片胶典型缺陷如图1所示。
图1 常见的环氧树脂装片胶
典型缺陷环氧树脂装片胶常见的关键影响因素、缺陷类型、改善方向如表3所示。
表3 环氧树脂装片胶常见的关键影响因素、缺陷类型、改善方向
2. 薄膜式装片胶
常见的薄膜式装片胶典型缺陷如图2所示。
图2 常见的薄膜式装片胶典型缺陷
薄膜式装片胶常见的关键影响因素、缺陷类型、改善方向如表4所示。
表4 薄膜式装片胶常见的关键影响因素、缺陷类型、改善方向
3. 底部填充胶
底部填充胶的典型缺陷如图3所示。底部填充胶常见的关键影响因素、缺陷类型、改善方向如表5所示。
图3 底部填充胶的典型缺陷
表5 底部填充胶的常见的关键影响因素、缺陷类型、改善方向
二、凸点材料
凸点材料主要包括金、锡焊料和铜。金凸点的制作方法包括钉头法和电镀法。锡焊料凸点根据合金成分的不同可分为共晶凸点、高铅凸点、无铅焊料凸点。铜凸点根据结合方式的不同主要分为铜柱凸点、铜柱凸点的圆形焊盘。
金凸点、锡焊料凸点和铜凸点的特性与应用比较如表6所示。
表6 金凸点、锡焊料凸点和铜凸点的特性与应用比较
三、引线键合材料
引线键合常用于芯片与芯片、芯片与基板或芯片与引线框架的互连。常用的引线键合材料有金、铝、铜、铝硅（1%）丝、银铜合金丝等。键合模式主要有球焊（以金丝键合为例进行说明）和楔形焊（以铝丝键合为例进行说明）。
1. 金丝键合
金丝键合是消费类电子产品中最常用的键合模式。高纯金太软，为增加其强度，一般掺入5～10×10-6铍或30～100×10-6铜。
（1）金丝与铝焊盘键合：金丝与铝焊盘键合是十分常见的组合，通过形成金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）提高键合强度。
（2）金丝与镀金焊盘键合：金丝与镀金焊盘键合十分稳定，尤其是在高温环境下。
2. 铝丝键合
铝丝中一般掺入1%硅或1%镁，目的是提高强度。
（1）铝-铝键合：铝-铝键合可靠性高，一般键合方式为超声。
（2）铝-铜键合：在进行铝-铜键合时，必须采用无氧高导电铜。
3. 引线键合选材要求
引线键合选材关键要素包括材料种类、引线直径、引线电导率、机械性能（剪切强度、抗拉强度、硬度等）、热膨胀系数等。除此之外，与引线键合相关的焊盘选材关键因素包括电导率、可键合性、柯肯达尔效应（Kirkendall Effect）、硬度、抗腐蚀能力、热膨胀系数等。
除需要考虑以上键合材料属性外，还需要考虑成本。例如，目前工业界采用铜线或银铜合金线代替金线来降低成本。
四、塑封料
塑封过程用转移成型法或压铸成型法包封半导体芯片、引线和凸点等，实现它们之间的互连。塑封使用的塑封料是环氧塑料（Epoxy Molding Compound，EMC）。塑封料的成分和作用如表7。
表7 塑封料的成分和作用
1.环氧树脂
环氧树脂主要成分为酚醛、双酚，一般含有氯离子，易造成半导体线路的腐蚀，选用含氯较低且热变形温度较高，有良好的耐热性和耐化学腐蚀性，以及硬化剂有良好反应的环氧树脂非常重要。
2.硬化剂
用来与环氧树脂进行交联的硬化剂大致分为三类：胺化合物、酸酐、酚醛。硬化剂受热硬化达到某一硬度的时间可决定塑封的时间。硬化剂的选择除需要考虑作业性外，还需要考虑电气性能、耐湿性、保存性、价格及对人体的安全性等因素。
3.催化剂
由于塑封料要求固化时间短，因此需要添加催化剂。催化剂在塑封过程中会吸热，不断地进行交联硬化反应，因此必须将塑封料保存在低温环境下，减缓塑封料的硬化速度，延长保存期限。
4.填充料
填充料的作用如下：
（1）降低塑封料固化后的收缩率、热膨胀系数，提高塑封料的导热系数。
（2）吸收反应中产生的热。
（3）对硬化树脂进行改性，包括机械和电学方面的特性。
填充料用量及环氧树脂的黏度对流动长度有影响。一般而言，塑封料黏度越高，流动长度越短，高的黏度会造成线弧（Wire Sweep）不良，低的黏度会造成溢胶，流动长度会随着填充料含量的增加而缩短，固化后的收缩程度也会随着填充料的增加而减小。填充料的多少、形状、颗粒分布都会影响塑封料成型时的流动性及封装后成品的电气特性，在选用填充料时都需要考虑。
环氧树脂的热膨胀系数为50～60×10-6/℃，硅片的热膨胀系数为2～4×10-6/℃，铜框架的热膨胀系数约为17×10-6/℃，与环氧树脂相差很大，导致塑封过程中内应力不匹配，加入填充料可以减小热膨胀系数。此外，环氧树脂的导热系数很低，元器件工作时热量不易散出。
5.塑封料常规技术规格
（1）螺旋流动长度：在6895KPa和175℃的条件下塑封料所能流动的最长距离，单位是cm或in。该测试指标可以反映一定温度和压力条件下的黏度效应、受压后熔融和固化速度，即反映塑封料的流动性。
（2）凝胶时间（Gel Time）：在螺旋流动长度测试中，从冲杆接触到塑封料固化，冲杆停止移动时所经历的时间，即反映塑封料的可流动时间，单位是s。
（3）玻璃转换温度：塑封后塑封料在受热时从玻璃般坚硬的状态转换为凝胶状态的温度。在状态转换过程中，物理特性和电气特性会产生可逆的转变。
（4）热膨胀系数：塑封料会随着温度增加而膨胀，随着温度减小而收缩。
（5）弯曲模量（Flexural Modulus）：塑封料的弯曲模量会随着温度的升高而减小。
（6）导热系数（Thermal Conductivity Rate）：塑封料每单位面积可散发的热量。由于塑封料内的芯片和导线在工作时会产生热量，过高的温度会影响产品性能和可靠性，所以塑封料有散热的作用。导热系数也可以反映塑封料的散热能力。
（7）体积阻抗（Volume Resistance）：塑封料单位体积的阻抗值。体积阻抗对产品电性能有影响。
（8）塑封收缩率（Mold Shrinkage）：塑封料在固化反应后体积的收缩程度。
6.塑封料的失效模式及应对措施
塑封料的选择非常关键，选择不当就会产生可靠性问题，甚至导致产品失效。下面对主要失效模式及应对措施进行说明。
（1）铜线封装中的塑封料问题及应对措施如表8所示。
表8 铜线封装中的塑封料问题及应对措施
（2）FC产品中的塑封料问题及应对措施如表9所示。
表9 FC产品中的塑封料问题及应对措施
（3）产品翘曲问题及应对措施。
封装体是多种材料的混合体，为减少翘曲与应力风险，通常需要特别关注芯材、基板材料、封装体材料三大主材之间的平衡。封装体的热膨胀系数、玻璃转换温度、弯曲模量尤其重要。一般的选材原则是，尽可能使材料的热膨胀系数相近。
五、锡焊球材料
锡焊球通常用于倒装芯片与基板、封装体与PCB、封装体与封装体之间的焊接互连。锡焊球起到将电信号和热能从芯片通过封装基板传导到PCB的作用。锡焊球材料根据材料成分可分为含铅焊料和无铅焊料。
含铅焊料也称为软焊料，锡的质量比例为5%～70%。锡的浓度越高，含铅焊料的拉伸强度和剪切强度越大。电子焊接常用的共晶合金是Sn63/Pb37，其共晶熔点是183℃。含铅焊料具有导电性强、抗氧化、抗腐蚀性强、抗疲劳特性好、浸润性好、熔点较低等优点。但由于铅元素有毒，国际上对铅的使用进行了严格限制，因此含铅焊料正逐渐被无铅焊料取代。
目前使用较多的无铅焊料包括锡银铜合金、锡银合金及锡铜合金。其中，广泛使用是锡银铝合金，其熔点较低（217℃），低于Sn-3.5Ag的共晶点221℃和Sn-0.7Cu的共晶点227℃。
无铅焊料具有比含铅焊料高的杨氏模量，更易受到外加形变影响。当贴有电子元器件的PCB受到挠应力时，可能出现焊接缝劣化，从而出现裂纹，这种现象称为焊料开裂。无铅焊料会降低产品使用寿命。
1.锡焊球
（1）锡焊球尺寸。
常见锡焊球尺寸如表10所示。
表10 常见锡焊球尺寸
（2）锡焊球类型。
常见的锡焊球类型及其熔点如表11所示。
表11 常见的锡焊球类型及其熔点
2.金属间化合物
金属间化合物具有明显的晶相特征，通常在高延展性固溶物基体中以包容物形式存在。金属间化合物通常较硬且脆，在延展性基体中精细分布的金属间化合物可形成较硬的合金，而非均匀分布可形成较软的合金。随着金属成分发生变化，金属和焊料之间通常会形成一系列不同化学成分的金属间化合物，如铜和锡可形成Cu3Sn、Cu6Sn5等，如图4所示。
图4 金属间化合物生长的微观图像与机理示意图
来源：节选《集成电路系统级封装》，作者：梁新夫，版权归原作者所有
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