第三代半导体器件用高可靠性环氧塑封料的制备

失效分析 赵工 半导体工程师 2024年10月20日 09:47 北京

摘要：

第三代半导体器件以其在高温、高压、高频条件下稳定运行的特点深受市场青睐。环氧塑封料 （EMC） 对器件的可靠性起着至关重要的作用。通过多种类型树脂的调配和不同离子捕捉剂的添加，优化制配出了 1 种高性能的环氧塑封料，该环氧塑封料的玻璃化转变温度 （Tg） 高达 190 ℃，对金属银的密着力高达 73.5 N/cm2，其阻燃级别达到了 UL94 V-0 级。通过模拟封装验证了环氧塑封料的可靠性，结果表明，实验室模拟的封装样品能达到吸湿敏感度等级一级 （MSL1）。该样品经过封装厂的多方面验证，在 1700 V 的 SiC 半导体场效应晶体管 （MOSFET） 上表现出良好的可靠性，通过了电性能可靠性、环境可靠性、使用可靠性等一系列可靠性考核。这款高可靠性环氧塑封料有望应用于耐高温、耐高压的第三代半导体器件上。

1 引言

半导体材料的发展依次经历了以硅、锗为主要代表的第一代材料和以砷化镓为主要代表的第二代材料，以及以碳化硅、氮化镓为主要代表的第三代材料。与第一、二代半导体材料不同的是，第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率高等特点，适用于高温、高频、大功率的半导体器件。目前，第三代半导体器件具有巨大的市场潜力，在新能源汽车、手机快充、5G 基站等众多领域发挥着不可替代的作用。

第三代半导体器件通常需要在高温、高压、高频等环境下稳定运行，因此对封装用环氧塑封料（EMC）的要求也较为严格。目前国内中、高端 EMC 市场大部分被外资或中外合资企业占据。20 世纪 60 年代，EMC就开始批量用于晶体管封装[1]，经过数十年的发展，各种高性能产品层出不穷。日本学者 SHIN'ICHIRO 等人[2-3]研究了具有良好耐久性的集成电路（IC）封装用 EMC；国内学者郭利静等人[4]研究的EMC 有望应用于球栅阵列封装、芯片级封装等 IC 封装领域。此外，国内还陆续报道了关于 EMC 的基础研究，石志想等人[5]研究了填料对 EMC 性能的影响；肖潇等人[6]研究了固化促进剂对 EMC 性能的影响。由于行业竞争和知识产权等因素的影响，国内鲜有对第三代半导体器件用环氧塑封料的文献报道。

为满足第三代半导体器件在高温、高压等环境下稳定工作的要求，所用封装材料需同时具备高玻璃化转变温度（Tg）、高金属密着力、低吸湿性、低离子浓度等特点。本文主要通过以下 2 方面满足上述技术要求：一方面，树脂作为 EMC 的基体决定产品的交联密度，直接影响产品的 Tg，因此通过不同树脂的组合试验达到高 Tg、低吸湿的目的；另一方面，通过添加合适的离子捕捉剂与 EMC 中的可移动离子反应达到降低离子浓度的目的。

2 制备试验

2.1 主要原料

试验用 EMC 的主要原料及其类型见表1。

2.2 主要设备及仪器

本试验采用 Aikoh Model-RZ-10 型号的推晶机测试样品的金属密着力，采用 Perkin Elmer TMA 4000 型号的热机械分析仪（TMA）测试样品的 Tg，采用 Varian SpectrAA-220 型号的原子吸收光谱仪测试样品的 Na+浓度，采用 Mettler Toledo T5 型号的自动电位滴定仪测试样品的 Cl-浓度，采用 EHL-321 型号的高压蒸煮仪（PCT）测试样品的吸水率，采用 Sonoscan D9650 型号的超声波扫描显微镜观察分层情况。

2.3 样品制备

2.3.1 EMC 配方

EMC 以环氧树脂和酚醛树脂为基体，添加填料、促进剂和其他添加剂，经过充分混合和预反应制得。为保证环氧树脂与酚醛树脂之间能够充分交联，将环氧树脂与酚醛树脂的当量比保持为 1∶1 来计算质量。

EMC 样品的配方见表 2，按照该配方称取各组分，按一定顺序添加并混合均匀，将所得混合料放置在 105 ℃/25 ℃的双辊开炼机上进行4min 的炼胶，然后经冷却和粉碎，得到粉末状的 EMC（简称“粉料”）。使用打饼机将所得的粉料制成一定规格的饼状 EMC（简称“饼料”），用于制备所需的测试样条。

2.3.2 离子捕捉剂配方

EMC 是由多种原料组成的混合物，产品中不可避免的会存在可移动的离子。企业为追求低成本通常不能兼顾原料的高纯度，使得产品中的离子浓度更大。本试验通过添加离子捕捉剂的方法降低离子浓度。

选择不同类型的离子捕捉剂作为添加剂，按照表3 的配方进行配制。准确称取各组分，按一定顺序添加并混合均匀，将所得的混合料在双辊开炼机上进行炼胶、冷却和粉碎，得到粉料，然后使用打饼机将所得的粉料制成饼料，用于制备所需的测试样条。

2.4 EMC 性能表征

2.4.1 吸水率

将 EMC 压制成直径为 50 mm 的圆片，放入 PCT中进行吸水率测试，在 121 ℃饱和蒸汽压力下保持24 h，称量圆片测试前后的质量，计算吸水率。

2.4.2 玻璃化转变温度 Tg

将 EMC 压制成 10 mm×4mm×4mm 的小 立 方体，使用TMA 测试样品的 Tg，将测试温度设置为30~250 ℃，升温速率为 3 ℃/min，同时可计算热膨胀系数 α1、α2。

2.4.3 金属密着力

使用特定的模具将 EMC 附着于金属片 （材质为铜、银）上，使用推晶机施加横向推力，记录 EMC 与金属片脱开时的推力值。

2.4.4 离子浓度

将一定质量的 EMC 置于聚四氟乙烯内衬反应釜中，按照 1∶10 的质量比加入去离子水，在180 ℃烘箱中萃取 2h 得到萃取液。使用原子吸收光谱仪测量Na+浓度，使用自动电位滴定仪测量 Cl-浓度。

2.4.5 阻燃性能

采用 UL94-2008 的测试标准测试样品的阻燃性能。

2.4.6 吸湿敏感性

参考 IPC/JEDEC J-STD-020D.1 标准进行测试，将EMC 以 TO-220 形式封装，在175 ℃下进行 6h 的后固化，使用超声波扫描显微镜观察分层情况。在温度85 ℃、相对湿度 85%的条件下吸湿168 h，经过 3 次回流焊后再次扫描分层情况。

3 结果与讨论

3.1 配方优化分析

第三代半导体器件用 EMC 应同时具备高 Tg、高金属密着力、低吸湿性、低离子浓度等特点，本试验通过调整树脂和添加离子捕捉剂实现上述目标。树脂作为 EMC 配方体系中唯一的连续相，其特性直接影响 EMC 整体的性能。试验主要通过调配环氧树脂和酚醛树脂来影响化学反应的交联密度，以实现产品的高可靠性要求。多官能团型环氧树脂的官能团多，反应活性高，与酚醛树脂的交联密度更大，其产物的 Tg 高，耐热性强[7]，但其分子结构中较多的环氧官能团使其吸水率较高，导致可靠性降低。联苯型树脂的分子结构中含有的联苯结构使其具有一定的疏水性，使用联苯型树脂可降低吸水率，但其反应活性低会导致 Tg 偏低[8]。双环戊二烯型树脂的粘度低，其分子结构中含有的极性官能团较多，浸润性更好，密着力更高[9]。综上，单一类型的树脂在功能上不能同时满足高 Tg、低吸水性、高密着力等要求，本试验采用表 2 给出的多种树脂复配方式，制得了兼具高 Tg、低吸水率、高密着力要求的 EMC。样品的测试结果如表 4 所示，其中样品 9# 为对照组。分别对比样品 1# 与5#、2# 与6#、3# 与 7#、4# 与 8# 的 Tg，可以明显看出样品 1#～4#的 Tg 均高于样品 5#～8#，这是因为样品 1#～4# 使用了多官能团型环氧树脂，而样品 5#～8# 使用了多环芳烃型环氧树脂，说明多官能团型环氧树脂的活性基团更多，与酚醛树脂的交联密度更大，因此 Tg 更高。且样品 1#～4# 的吸水率会高于样品 5#～8#，这是因为较多的环氧基团使整体极性更高，吸水率提高。对比样品 1# 与 2#，可以看出虽然 1# 的 Tg 稍低于 2#，但 1#的吸水率更低，具有更好的耐湿性，因此优选 1# 的树脂组合。

EMC 中的可移动离子浓度对电性能有很大的影响。在普通硅器件中由于工作电压较低，电性能的问题不会显现，但在第三代半导体材料 SiC 器件中，部分MOSFET 工作电压达到了 1200 V 甚至 1700 V，使用传统的 EMC 时器件往往会出现漏电或击穿等电性能问题。离子捕捉剂能够与混合体系中的可移动离子发生化学反应，有效降低可移动离子浓度，其作用机理如下：

阳离子捕捉剂：R-OH + M+ R-OM + H+（1）

阴离子捕捉剂：R-OH + A- R-A + OH-（2）

其中，R-OH 为有机物，M+ 为阳离子，A- 为阴离子。在树脂优化后的基础上，采用表 3 的配方添加不同类型的离子捕捉剂，成功制备出了兼具高 Tg、高金属密着力、低吸湿性、低离子浓度等特点的 EMC。从表4 中样品 10#~13# 的测试结果可以看出，未添加离子捕捉剂的样品 13# 的离子浓度明显偏高，而添加了阴离子捕捉剂的样品 11# 的离子浓度较低。

3.2 性能测试结果

根据 3.1 所述配方选择最佳树脂组合和离子捕捉剂制备出 EMC，对样品 11# 进行了测试，所得样品的特性数据如表 5 所示，样品的 Tg 高达 190 ℃，高于相关 文献中 报 道 的 136 ℃ [4]、142 ℃ [10]、139.5 ℃ [6]和180 ℃[11]，高 Tg 可使器件在高温工作时的可靠性更高。样品中的可移动离子主要为 Na+、Cl-，用 2.4.4 节的方法进行测试，得到的 Na+ 浓度为 5×10-6，Cl-浓度为 3×10-6，极低的可移动离子浓度有利于提升材料的耐压能力。样品 对 金 属 银 和 铜 的 粘 结 力 分 别 为 73.5 N/cm2 和82.3 N/cm2，其高密着力可使 EMC 与芯片或基岛牢固地结合在一起，足以抵抗 EMC 与芯片之间的热应力。样品的吸水率为 0.25%，低吸水率对器件的耐压和抗分层能力有重要作用，可保证器件的稳定运行和工作寿命。样品的阻燃性能可达到最高等级 UL94V-0，说明样品具有优异的阻燃性，可确保使用中的安全性。

采用 2.4.6 节的测试方法测试样品的抗分层能力，固化后器件的超声波扫描照片如图 1 所示，固化后器件未分层。经过吸湿和 3 次回流焊后器件的超声波扫描照片如图 2 所示，样品仍未分层，说明本试验制得的高可靠性 EMC 有极好的抗分层能力。

3.3 客户端考核

为进一步验证产品的实用性，将根据试验所得最优配方生产的 EK5600GHV 型 EMC 产品在封装厂进行全面的考核评价。作为电子元器件的生产销售企业，封装厂对生产的电子器件的品质负有直接责任，因此，封装厂考核结果的可信度极高，能直接体现EMC 的实用价值。

3.3.1 生产工艺流程

客户端芯片封装的生产工艺流程如图 3 所示。

将 EMC 应用于封装环节，封装过程的顺利与否直接影响生产效率，同时 EMC 的品质直接影响最终成品率。

3.3.2 主要考核项目与结果

选用 高 电 压 要 求 的 SiC MOSFET，对EK5600GHV EMC 进行多方面的考核评价，MOSFET采用的封装形式是 TO-252，EMC 封装试验项目如表6所示，其可靠性试验项目如表 7 所示。

从客户端的评价结果来看，该 EMC 通过了封装试验和可靠性试验。从表 6 的封装测试结果可以看出，该 EMC 在实际封装过程中，在正常的清模周期内（400 模次）不会出现脏模现象，生产的连续性良好，说明 EMC 的固化性能和脱模性良好。封装后的产品外观未出现缺胶、溢料、断胶和冲丝等异常，说明 EMC的流动性、粘度、强度均在适宜的范围内。超声检测的结果表明，其本体内部未出现分层等异常现象，说明EMC 的密着性较好且注塑时 EMC 的浸润性良好。从表 7 的可靠性试验结果可以看出，EMC 的电性能可靠性、环境可靠性、使用可靠性均能满足客户的使用要求，说明 EMC 适用于高电压要求（1700 V）的 SiCMOSFET，并有望应用于其他 SiC 器件中。

4 结论

本文以第三代半导体器件对 EMC 的使用要求为出发点，通过多官能团型环氧树脂、联苯型环氧树脂、多环芳烃型酚醛树脂组合的方式制备出 EMC，其 Tg高达 190 ℃、对金属银的密着力高达 73.5 N/cm2、阻燃级别达到 UL94 V-0 级。同时添加阴离子捕捉剂吸附配方中的游离 Cl-，进一步降低 EMC 中的可移动离子浓度，有助于提升所封装器件的耐电压性。在封装厂对该产品进行多方面考核，结果表明，该产品应用在1700 V 的 SiC MOSFET 上表现出良好的可靠性，通过了电性能可靠性、环境可靠性、使用可靠性等一系列可靠性试验。该高可靠性 EMC 也有望应用在其他耐高温、耐高压的第三代半导体器件上。

原创 王殿年 李泽亮 等 半导体封装工程师之家

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