半导体封装用低应力环氧树脂硬化物之制备及其物性研究.PDF

工程科技與教育學刊 第五卷 第四期 民國九十七年十二月 第 521～529 頁 半導體封裝用低應力環氧樹脂硬化物之製備及其物性研究 何宗漢 1 、顏福杉1 、鄭錫勳1 、王德修2 1.國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系 2.黎明技術學院化學工程與材料工程系 E-mail: thho@cc.kuas.edu.tw 摘 要 本研究主要是利用低價的石化副產品對二乙烯苯分別和酚或萘醇成功地合成酚系及萘系芳烷基酚醛樹 脂，期望作為半導體封裝用環氧樹脂之硬化劑。合成得到的酚系及萘系芳烷基酚醛樹脂和環氧樹脂配製成熱 可硬化環氧樹脂，經熱硬化後利用動態機械分析（DMA ）、熱態機械分析（TMA ）及熱重分析（TGA ）研究 其熱性質。實驗結果顯示，新合成的芳烷基酚醛樹脂能降低環氧樹脂硬化物之吸濕性及提升熱穩定性，且藉 由降低環氧樹脂硬化物之撓曲模數及熱膨脹係數，進而有效地降低其內應力。 關鍵詞：芳烷基酚醛樹脂，環氧樹脂，硬化劑，內應力 1. 前 言 環氧樹脂成形模料﹙Epoxy Molding Compounds ；EMCs ﹚廣用於半導體元件的封裝材料，而其樹脂以多 環性的鄰甲基酚醛環氧樹脂﹙o-Creso Novolac Epoxy Resin ；CNE ﹚為主，主要基於其具有優良的電氣性質、 形狀安定﹙固化低收縮率，且無揮發性副產物﹚、耐高溫﹙Tg ＞150℃﹚、耐溶劑、酸、鹼等化學品、對金屬與 矽晶片有極佳的黏著性、吸水性不大 ﹙影響電氣性質不大﹚、可靠性大、價格不高﹙尤其具有上述特性﹚[1] 。 經硬化後，此多官能基環氧樹脂形成一密實的交聯保護層，但此結構的特性較脆，常造成電子元件的失敗率 增加。 半導體元件的趨勢在於 IC 的高積體化，所設計的矽晶片面積越大，而線路越細和高接腳數，但此設計易 受內應力的影響而失敗[2-5] 。另對構裝而言，則是為了滿足電子產品外在的體積更小、更薄和重量更輕。甚 且，對於將半導體元件安裝在電路板上之技術而言，已由傳統插入式﹙Pin Through Hole ；PTH ﹚發展為更快 速、有效率、体積小、可靠性大的表面封裝技術﹙Surface Mount Technology ；SMT ﹚，如球腳陣列矩陣(Ball Grid Array ；BGA) 、覆晶技術（Flip-Chip ）及晶片尺寸封裝（Chip Scale Packaging ；CSP ）等封裝方式，未來的發 展方向則是晶圓封裝（Wafer Packaging ）[6] ，其原因在於它可增加電子元件在電路板上的密度和降低構裝的 厚度[7] ，以及人工成本的節省。由於最近半導體封裝法的更新，表面封裝技術漸漸盛行，但也會使半導體元 件產生熱應力。將半導體元件安裝在印刷電路板（PCB ）上的程序是先將半導體元件經過一個加熱區使焊錫 因熱而融化接著。在表面封裝時的焊錫程序中半導體元件及電路板都會暴露在 215~260℃的高溫下，若封裝 材耐熱性不佳，會因高溫而軟化變形，而且因為樹脂和晶片間的熱膨脹係數不同，在加工時會產生內應力， 因而導致封裝層產生裂痕。另外，半導體封裝材料也會因樹脂中所吸收微量之水份遇高溫急速蒸發而產生裂 痕，即所謂的爆米花現象（Popcorn Phenomenon ）[8] ，因此高可信賴度的半導體元件，其樹脂封裝材必須具 備高延展性，高的玻璃轉移溫度﹙Tg ﹚和低的吸濕性。 由其他研究指出[9,10] ，要降低封裝材的內應力應從降低其熱膨脹係數或撓曲模數著手。在封裝材中增加 二氧化矽的量可以有效的降低 CTE 。然而，二氧化矽的增加不但增加了彈性模數，也在熔融時產生高黏度， 使得轉移成形時，流動性降低而造成加工困難。也有研究指出 [11] ，矽粉的形狀、大小和粒徑分佈會影響封裝 ©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851 522 何宗漢、顏福