結晶硅微粉對KBJ元器件封裝用EMC氣孔的影響

張未浩，謝廣超，于 軒，丁全青，陳 波

（衡所華威電子有限公司，江蘇連云港 222006）

1 前言

隨著電子封裝技術的快速發展，現階段封裝材料主要有金屬、陶瓷和塑料3種，其中塑料封裝由于操作方便、價格低廉、容易運輸和儲存，越來越受到市場的親睞，目前塑料封裝已占領市場的95%以上[1～2]。塑料封裝中最常用的是環氧模塑料（EMC)。EMC由環氧樹脂、硅微粉、催化劑、固化劑以及其他添加劑等組成，其中硅微粉是EMC中至關重要的成分[3]。本文針對KBJ元器件封裝過程中的外部氣孔問題，探究結晶硅微粉含量以及比例對KBJ元器件封裝過程中氣孔的影響。

2 氣孔成因與堆積理論

2.1 氣孔成因

在封裝成形過程中，氣孔是常見的一種缺陷。根據氣孔在塑封元器件中出現的位置，分為外部氣孔和內部氣孔。外部氣孔可以直接通過肉眼看到，通常所說的即是外部氣孔；內部氣孔無法直接看到，必須通過X射線儀才能觀察到。形成氣孔的主要原因有以下3個方面：（1）封裝工藝，主要與注塑溫度、注塑壓力、注塑時間等有關；（2）模具問題，主要包括模具型腔的形狀和排列，澆口和排氣孔的形狀以及位置等；（3）封裝材料方面，主要包括EMC的凝膠化時間、粘度、揮發性含量、水分含量、餅料密度等[4]。

2.2 硅微粉堆積理論[5～6]

硅微粉的堆積其實質就是使硅微粉顆粒均勻而又盡可能致密地充滿所涉及的空間，其空隙由有機樹脂及其他添加劑填充，以便形成一個均勻致密并且具有一定強度的坯體。多種離散粒徑顆粒堆積時，大顆粒與小顆粒的粒徑比大于一定條件時，小顆粒就有可能填充到大顆粒堆積形成的縫隙中去，有利于提高粒群的堆積效率。研究顆粒的堆積特征性常見的粒度分布模型是Dinger-Funk-Alfred分布模型，研究表明服從Dinger-Funk-Alfred方程的粒度分布模型的顆粒體系，當模型參數n=0.5時有最高堆積效率，所得的堆積密度最大；而當n大于或者小于0.5時，堆積密度降低。

3 試驗部分

3.1 主要原料

試驗主要原料有：鄰甲酚型環氧樹脂，Mn-451/PDI-1.6(化學結構式如圖1)；酚醛樹脂，ZHF-A2(化學結構式如圖2)；結晶硅微粉，Silica DG 200 A；Silica 4-10；Silica 4-1；氣相硅微粉，REOLOSIL QS-102。

圖1 鄰甲酚醛環氧樹脂化學結構式

圖2 酚醛樹脂化學結構式

3.2 主要設備及儀器

試驗所需主要設備及儀器有：萬能測試機，AGS-X，日本Shimadzu公司；激光粒度分析儀，LS3230，Amercian Beckman Coulter；島津毛細流變儀，CFT-500D，Japan Shimadzu Corporation。

3.3 性能測試與結構表征

3種結晶硅微粉的粒度分布如圖3所示。由圖3可得到表1所示的3種結晶硅微粉的粒度分布數據。

按表2中的配方稱量各組分，放入高速攪拌混合機中高速混合25 min，然后采用雙輥開煉機進行混煉，并經過粗粉碎、細粉碎、混勻，生產出3種不同的EMC產品，并對其進行性能測試。

圖3 3種結晶硅微粉的粒徑分布圖

表1 3種型號結晶硅微粉的粒徑分布單位 /μm

備注：D10指小于該粒徑的硅微粉數量占整體的10%；D50又稱中心粒徑，指小于該粒徑的硅微粉數量占整體的50%；D90指小于該粒徑的硅微粉數量占整體的90%；Mean指硅微粉的平均粒徑。

表2 3個EMC試驗配方

4 結果與討論

4.1 流動性能測試

采用CFT-500D毛細流變儀測試材料的粘度。流變儀的毛細管口徑為0.3 mm，行程1 mm。樣品質量3 g，直徑10.5 mm，測試溫度為165℃±0.2℃，測試壓力10 kg。在測試之前，要對儀器進行校準，采用高密度乙烯做校準樣品，操作條件190℃±0.2℃，1 mm的毛細管，20 kg的力，300 s的反應時間。在165℃、10 kg壓力的條件下，3個配方的樣品測試3次取平均值，如表3所示。

表3 3種配方EMC 165℃時的熔融粘度值

粘度是EMC材料一個很重要的指標，EMC在注塑過程中容易產生渦流，產生的渦流包裹著氣體。若EMC粘度太低，氣體不易排出，導致氣體被包裹在封裝的元器件中，引起元器件失效；但如果EMC材料的粘度太大，在注塑的過程中雖然不會產生渦流現象，但容易導致元器件與EMC材料粘結在一起，不利于實際的操作。通過研究發現，隨著填料含量的增加，EMC的粘度有了很大的提高。

4.2 凝膠化時間、螺旋流動長度性能測試

本研究采用測量材料的凝膠化時間（GT，Gel Time）和螺旋流動長度（SF，Spiral Flow）。凝膠化時間測量175℃±2℃的條件下0.5～1 g的樣品，螺旋流動長度測量在175℃±2℃的條件下，18 g±1 g的樣品，測試3次取平均值，結果如表4所示。

表4 3種配方EMC的凝膠化時間和螺旋流動長度

從表4中可以看出，隨著結晶硅微粉含量的增加，凝膠化時間由34 s減少到27 s，螺旋流動長度由86 cm減少到53 cm。根據Flory的凝膠化理論[7～8]，在凝膠點之前，凝膠化時間可表征熱固性樹脂在一定溫度下由線型結構向體型結構大分子轉化的時間。因此，根據某一溫度下化學反應速率方程和Arrhenius公式，可推導出凝膠化時間與固化反應活化能的關系，如式（1）所示：

式（1）中：t為凝膠化時間，Ea為固化反應活化能，T為絕對溫度(K)，R為氣體常數，A為常數。從公式中可以看出，Ea與凝膠化時間成正比例關系，t越大，Ea越大，體系的活化能越高，則材料的儲存性能越好，此外，較高的活化能便于EMC材料在固化過程中有足夠的時間排除氣泡，增加材料的可靠性。但在實際的EMC注塑過程中，若凝膠化時間太短，注塑速率會加快，導致注塑過程中模具型腔內的氣體不能及時排出，最后殘留的氣體在注塑壓力下會在注塑口的位置形成氣孔；凝膠化時間太長，注塑時間加長，則會降低工作效率，影響公司的效益。因此，合適的凝膠化時間對EMC很關鍵。

4.3 3種配方EMC扁橋KBJ封裝的氣孔分析對比

在完成3種配方EMC的生產以后，根據扁橋KBJ封裝模具規格，制備了規格為直徑Φ58 mm、重量106 g的圓柱形餅塊，進行封裝KBJ元器件試驗驗證。模具的參數為：模溫170℃±5℃，轉進壓力60 kg/cm2，轉進時間12 s，固化時間110 s。在實際應用EMC材料時，封裝后KBJ元器件表面氣孔孔徑大于0.5 mm表示材料不合格，若封裝后的氣孔孔徑小于0.5 mm且每一次封裝完后不超過3個，表示材料合格，3種配方EMC的試驗結果如表5所示。

表5 3種配方EMC的試驗結果

從表5中可以看出：配方一的EMC材料在實驗過程中6次有3次檢測到很大的氣孔缺陷（見圖4），這種氣孔會導致元器件失效，判定材料不合格。配方二在實驗的過程中6次檢測到1次小氣孔（氣孔小于0.5 mm，見圖5），在檢測的標準以內，判定材料合格。配方三在試驗的過程中發現無法注滿元器件，試驗2次皆失敗，判定材料不合格。試驗結果表明：從配方三中可以看出，當3種結晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=0:5:2比例且在EMC中含量在79%時，制備出的EMC粘度為82.9 Pa·s，螺旋流動長度為53 cm，凝膠化時間為27 s時，用EMC封裝KBJ元器件會出現注塑不滿的現象，主要是因為螺旋流動長度太短所致。從配方二可以看出，當3種結晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=1:1:1比例且在EMC中含量在77%時，制備出的EMC粘度值為60.2 Pa·s，螺旋流動長度為69 cm，凝膠化時間為33 s，封裝的KBJ元器件沒有氣孔問題。從配方一可以看出，當3種結晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=1:1:1比例且在EMC中含量在75%時，制備出的EMC粘度值為41 Pa·s，螺旋流動長度為86 cm，凝膠化時間為34 s，封裝的KBJ元器件有大氣孔問題，主要是因為EMC在受到高溫和擠壓時，材料的粘度低，流動速度快，材料在注塑過程中會產生渦流并包裹著氣體，氣體無法排出，所以會在元器件表面出現大氣孔。

圖4 配方一KBJ注塑外表面典型大氣孔缺陷圖

圖5 配方二KBJ注塑外表面典型小氣孔圖

5 結束語

本文針對KBJ元器件在封裝過程中的氣孔問題，通過改變配方中硅微粉的粒徑比例以及含量制備出3種不同的EMC。結果發現，隨著結晶硅微粉含量的提高，EMC的螺旋流動時間和粘度逐漸增加，而凝膠化時間逐漸減少，而且當3種結晶硅微粉Silica DG 200 A:Silica 4-10:Silica 4-1=1:1:1比例且在EMC中含量在77%時，制備出的EMC封裝KBJ元器件沒有氣孔，解決了KBJ元器件封裝用EMC的氣孔問題。

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