本文介绍，先进封装的后端工序：密封。

　　对高性能、高密度半导体装配的需求继续推动材料供应商和封装工程师开发增强的集成电路(IC)封装设计。可是，经济限制与制造可行性进一步挑战封装工程师，要优化工艺，努力改善制造效率，从而减少总的系统成本。

　　在制造工艺的优化中，应该考虑到许多因素，包括其对工艺周期时间的影响、产品性能和制造合格率。对各种工艺参数的改变，经常会影响到封装的许多关键性能特征。例如，对在IC封装中使用的典型树脂密封材料的工艺参数的改变，可能会影响封装的热、机械和电气特性¹。重要的是要理解这些工艺变化对IC封装的整个系统性能的影响。

　　密封材料保护各种封装和应用中的裸芯片，每一种应用都可能对密封的特性提出不同的要求。关键的材料特性，包括玻璃态转化温度(Tg, glass transition temperature)、热膨胀系数(CTE)、抗弯强度、抗弯模数、极限应变和封装翘曲，经常随着工艺条件而变化。重要的工艺变量包括固化温度、固化时间和固化程序的类型(单步、双步或间断的)。试验结果显示，我们经常可以用一些固化程序，来替代在制造商数据表上所说的那些，对一些特殊应用，提供对材料特性的可接受性平衡。

固化方案

　　在液体密封工艺期间，可以用几种固化程序。最简单的是在常温下的一个单一的固化阶段。另一个选择是分段固化，这里在固化阶段之前是一个凝胶阶段²。凝胶阶段持续时间短，发生在催化剂开始温度之上稍高一点的温度。这个阶段是用来在固化完成之前在尺寸上将聚合物“固定”到位³。使用一个凝胶阶段可以减少在工艺期间损伤的可能性，从而提高合格率⁴。第二个阶段就是固化阶段，持续的时间长得多，发生在较高的温度下。物理特性的完全发展就是发生在固化阶段。

　　以前的工作已经证明，如果用于本研究类型的材料暴露在室内条件下长过一个小时而还未固化，则将吸收足够的潮湿，干扰适当的固化。这样将造成以该材料密封的元件性能大大降低⁵。如果固化在滴胶一小时内开始，潮湿污染将达到最小，保护水平足以让元件经受得住广泛的环境试验。

　　在一些制造线上如果使用盒式炉子，那么连续地完成整个固化程序可能是困难的。一些工程师可能想要在密封胶刚滴出后马上将元件排放在一个加热滚筒上，作短暂的凝固。之后，将元件装入一个料盒，在室温下储存直到料盒装满，移到盒式炉子作最后固化。在进行一个不连续的工艺之前，重要的是决定是否材料凝胶充分，以防止潮湿污染的发生。只有通过防止潮湿污染，一个工程师才可以保证密封的最终特性将不打折扣。

　　这里进行了一整套的试验，试验材料是一种液体环氧树脂/酐密封材料，填有73%重量的熔凝硅石填充料。这种材料是那些用来保护裸硅IC的高性能、高密度半导体装配的典型材料。试验为基于产品数据表推荐的材料研究了一系列的处理条件。这些试验是用来评估偏离所推荐的固化程序对关键物理特性的影响，这些物理特性经常用于预测材料的性能。这个信息可以帮助一个封装工程师设计一个制造工艺，来保证材料特性的开发，同时满足生产性的目的。

　　进行了三套试验。第一套探讨固化时间和固化温度对密封材料物理特性开发的影响。第二套决定阶段固化对一个半导体封装翘曲的影响以及对前面研究的物理特性开发的影响。最后一套试验检验如果阶段固化工艺不是连续的，一种密封材料所提供的潮湿保护水平。

时间/温度研究

　　试验设计(DOE, design of experiment)研究是使用一种试验性设计软件建立的。该设计是基于一个二次模型，把固化时间与固化温度作为独立变量。固化时间的极限是15~120分钟，固化温度的限制是130-180°C。试验评估了十一个试样，有四个是复制品。研究中的反映包括Tg、抗弯强度、抗弯模数和最终断裂的弯曲应变。每个样品的Tg是由一个单一样品上的不同扫描热量测定(DSC, different scanning calorimetry)来决定的。弯曲特性按照ASTM D 790在六个样品上在80°C温度时测量的。所有数据使用设计软件来分析，构成在试验中整个值的范围内预测值的等高线图。

　　如图一构成一个Tg作为固化时间与温度函数的等高线图。该图显示，这种密封剂非常依赖材料的固化温度，以及在该温度上暴露的时间。总的来说，Tg实质上在固化时间少于90分钟和温度低于150°C时降低。在这些之上，Tg的变化是逐渐的，最后在大约170°C的最大值时变的平坦。

　　图二显示在80°C时的抗弯强度等高线图。这个特性也是依赖时间和温度的。在165°C固化90分钟产生最高的强度。在甚至更高的温度固化可以稍微提高一点强度。可是，在高于150°C温度下固化超过90分钟时间可能造成材料变得有点脆，降低抗弯强度。

　　为抗弯模数作图要求一个部分立体模型，它比用于其它特性的二次模型更复杂。该图在图三中反映出来，说明模数最初随时间和温度增长很快，然后达到一个平台。在任何温度固化至少60分钟将得到相当持续的模数值。

　　图四显示在80°C时断裂的抗弯应变的等高线图。一个部分立体的模型也用来作该图形。该图形建议，当这种材料在低温下固化短时间时，没有完全固化并且断裂应力高，就象一种“柔性的”材料。随着固化继续，断裂应力达到最低，因为材料从柔性转化到真正的热固。一旦这个发生，进一步的固化造成应力随着材料变得强度高而增加。

　　本研究中的材料如果在低温下固化将永远不会达到完全发达的Tg或抗弯特性，甚至延长时间。这在图一、二和四中很明显，最大的Tg强度和应力值在低温固化时比高温固化时较低。在低温固化形成较低分子重量的聚合物；只有通过高温固化才可能有足够的交叉结合发生以形成一个高分子重量、完全发达的聚合物。交叉结合将在非常高的温度下随着固化时间延长而继续。Tg不会由于交叉结合的增加而降低，但是抗弯强度与应力却会，因为太过固化而变得脆弱。

　　虽然对单个特性的最佳值不会在使用同一个固化程序时发生，但是可以达到特性之间的很好平衡。最佳的固化程序是那种提供好的特性发展而太过固化的危险性最小的程序。在这种情况中，温度160-170°C、时间60-120分钟是最好的目标处理范围。

阶段固化研究

　　正如前面所说，液体密封剂的固化通常以两步来完成，凝胶步骤的温度可以影响元件的翘曲。翘曲通过使用一种BT叠层板(15x40x0.28mm)作为测试载体在测量。一克的密封剂均匀地散布在板的表面。没有芯片或堵塞材料用在试验载体上，以消除芯片附着或堵塞材料作为收缩源。这样，试验载体的翘曲只是由密封材料的收缩所引起。

　　样品在五种不同的温度下凝胶一小时，温度范围：100-165°C，每个凝胶条件三个样品。样品冷却到室温(RT)，测量翘曲。翘曲的测量是这样的，将样品密封面朝上放在一个平面上，将样品短边的一端夹紧在平面上，用一个测隙规测量样品相反的短边底部到平面顶面之间的距离。然后所有样品都在165°C固化另外三小时，再冷却到室温，测量翘曲。一块未密封的控制板暴露到165°C的凝胶与固化条件下。

　　该凝胶温度研究的结果在图五中表示。数据显示，所有的试验样品对宁胶都会翘曲，但是凝胶温度越低，翘曲越少。一旦样品暴露到高温固化阶段，在几乎所有的情况中翘曲都会减少。甚至在165°C凝胶与固化的样品都可以看到随着时间翘曲减少。未密封的板的翘曲可以忽略不计，不包括在数据中。

　　在凝胶步骤之后出现较少翘曲的样品在完成固化程序时的翘曲也趋于最小。这一点例外的是在100°C凝胶的样品。在这个情况中，当固化步骤进行时翘曲增加。这个最好的解释是，在暴露给高温固化时密封胶的凝固不完全。那些没有完全凝固的部分密封胶以一种迅速、不受控的方式反应，通常是一个直线的高温。因此，在一个两阶段的固化程序中，重要的是在进行固化阶段之前完全凝固这种材料。

　　为了补充该数据，低于Tg的热膨胀系数(CTE)通过对密封胶的热力学分析(TMA)来测量，该密封胶是按照低与高翘曲固化条件来固化的。CTE的值分别为21.1和22.8ppm/°C。这证明材料的膨胀特性没有通过固化程序变化很大，翘曲上的任何差别只是由于收缩⁷。这些结果提出了一个问题，是否分阶段固化对其它物理特性的发展有任何影响。

　　为了回答这个问题，Tg值和弯曲特性在三个固化温度下测量，有和没有凝固步骤的情况下。125°C选作凝固温度，因为它远高于系统的开始温度。那些接受直接高温固化的样品分别在150°C、165°C或175°C固化90分钟。那些接受阶段固化的在125°C凝固30分钟，接着在150°C、165°C或175°C固化90分钟。每个条件测试一个样品。Tg值通过TMA来决定，单次扫描。CTE₁值在40-120°C之间测量、CTE₂值在190-220°C之间测量。结果在表一中反映。

　　Tg的所有值都在试验误差范围内，表示阶段固化不影响这个特性的发展。记录了在Tg之上与之下的CTE值，再一次证明该特性与固化程序无关。

　　一个意想不到的现象发生在经历直线高温固化的样品上。这些样品的TMA显示一个高膨胀区域就在Tg之上。图六显示了其中一个例子。如果有这种反常现象的材料通过TMA扫描第二次，这个高膨胀区消失了。这表明该区域代表的是固化期间在聚合物内建立的应力。第一次扫描的高温漂移退化了该应力，因为收缩在翘曲研究中消失了。

　　然后，抗弯特性在室温下测量。每个条件测试八个样品。结果在表二中给出。分阶段固化的样品的试验值，与不分阶段固化的比较，都在试验误差范围内。

不连续的分阶段固化研究

　　在最后的研究中，未固化的材料滴入金属碟内，直径2.5mm，厚度1.0mm，来模拟一个空腔应用。这些碟转移到一个加热板上预热到125°C，将材料凝固5, 10, 15, 20, 25或30分钟，提供一个部分凝固到完全凝固的范围。每个凝固条件准备三个碟。每个条件的一个碟放入30°C/80%相对湿度(RH)的环境箱内，分别一、三或五个小时。选择这些条件是因为它们代表热带环境中制造的最坏情况。

　　在对潮湿暴露之后，所有碟都在125°C固化30分钟，再加上盒式炉中165°C固化90分钟。加入了一个没有经历任何凝固或潮湿暴露的控制样品，在它不经历象其它样品所经历的相同的固化程序。所发生的潮湿污染水平通过TMA，单一扫描来分析。

　　该研究的结果在表三中总结。控制扫描的特点是平滑的Tg和在该Tg前后线性膨胀率(图七)。用象控制样品扫描的TMA扫描的样品得到一个“好的”等级。扫描是好的但在Tg附近有较低膨胀区域的样品得到“有疑问的”或“？”的等级。对扫描不象控制扫描的任何样品得到的是“坏”等级(图八和图九)。

图七、不连续固化的研究 (“好的”TMA扫描)

图八、不连续固化的研究 (“有问题的”TMA扫描)

图九、不连续固化的研究 (“坏的”TMA扫描)

　　正如所预料的，那些在台板上花较长时间和对潮湿暴露较短时间的样品比那些凝固最小和暴露潮湿较长时间的得到较少的潮湿污染。在每一种潮湿条件中，从好到坏的转变是逐渐的，有些样品有问题。

　　这些结果确认，密封胶的凝固越完整，材料抵抗潮湿的能力越好。如果元件要暴露到一个30°C/80%RH的环境，那么它们应该在125°C凝固至少25分钟，如果完全固化不能马上进行。在完全固化之前，元件一定不要暴露在这种环境中超过三小时，不管凝固的条件如何。

结论

　　对一个模型环氧树脂/酐IC密封材料进行了三套试验。这些试验是用来决定封装工程师在设计其制造线时可以工作的工艺窗口。

　　已经证实，Tg和抗弯特性是依赖固化时间和固化温度的。这些特性的发展首先很快发生，但慢慢地最终变平坦。

　　阶段固化通过减少线性收缩大大地减少元件翘曲。在高温下延长时间消除在聚合材料中的建立的应力，允许翘曲进一步减少。阶段固化不影响Tg, CTE或抗弯特性的发展。最后，在滴胶后马上给元件一个完整的凝固，密封材料对潮湿污染的敏感性可以减少。这个只能在加热台板上或在线的炉中进行。

　　正如可以通过数据可以看到的，有许多工艺条件可以为给定的密封胶得到可接受的物理特征。材料供应商经常在数据表上推荐一两种固化程序，这个数据表是基于对大多数应用都可以满足可靠性要求的。封装工程师必须决定是否这些固化程序将满足起可靠性要求和生产性目标。如果需要对推荐的固化程序作变动，最好是作那些完全理解其对材料特性可能影响的改变。

References
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2. Henry Lee adn Kris Neville, Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill, second edition, New York, Chapter 6, pp. 6-9 1982.
3. Wei H. Koh, Beverly H. Tal and Elizbeth A. Kolawa, "Low Stress Encapsulants for Reduced Failures in Plastic Packages," Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exposition, San Francisco, California, November 12-17, 1995.
4. B. Anderson and B. Bacher, "Design and Process Guidelines for Plastic Ball Grid Array Dam and Fill Encapsulation." Dexter Electronic Materials, 1997.
5. Bradley Goodrich and Bruce Toyama, "Liquid Encapsulation Application considerations," Dexter Electronic Materials, December, 1994.
6. Dale L. Robinson, Marc Papageorge and Christine Naito, "A New Epoxy Based Liquid Encapsulant with Performance Comparable to Mold Compounds," International Journal of Microcircuits & Electronic Packaging, Vol. 17, No.2, pp. 176-183, 1994.
7. Jim C.L. Wu, Han-hien Shiue, Sting Wu, Mike Hung and J.J. Lee, "Study of Rapid Cure BGA Mold Compound on Warpage with Shadow Moire," Proceedings of the 49th Electronic Component and Technology Conference, San Diego, California, June 1-4, pp. 708-713, 1999.

　　Christine Naito, is a project leader and Michael Todd is a research associate at Dexter Corporation, Electronic Materials, 15051 East Don Julian Road, Industry, CA 91746; 626-968-6511; Fax: 626-336-0526; E-mail: cnaito@dexelec.com and mtodd@dexelec.com.    

(A 08/01/2001)