绿色封装环氧塑封料研究

摘要：为了保护生态环境，2003年2月13日，欧盟公布了两个指令：WEEE（废弃的电气和电子装置）、RoHS（在电气和电子装置中限制使用其废弃物会产生有害物质的某些材料），指令规定必须在废弃的电气或电子器材：大型家用电器、小型家用电器、IT器材、通讯器材、收音机、电视机、电声设备、音乐器具、照明装置、医疗设备系统、监控及控制器械、玩具、电气或电子工具、自动售货机等电子产品中，将限期禁止使用六种有害材料：铅（阴极射线管中的铅除外）、6价铬、镉、多氯联苯、卤化阻燃剂、放射性物质、石棉等物质。2006年7月1日为执行日期。为了遵守欧盟两个指令，必须对IC封装过程及封装材料加以改变或改进。

关键词：绿色封装；环氧塑料；环境保护
1 无铅焊工艺对环氧塑封料性能要求

对于IC封装本身而言，立法对其产生的的影响就是禁止使用铅和卤化型阻燃剂。就封装过程而言，在回流焊过程中要避免使用铅焊接。至于无卤封装材料，必须将溴代环氧和氧化锑阻燃剂清除，原因是溴阻燃剂在燃烧过程中产生：二恶英、溴化二苯并二恶英、多溴二苯并呋喃等有害物质；氧化锑重金属会引起地下水污染等。这对于环氧塑封料而言，作为阻燃剂的溴代环氧和氧化锑必须由其它的新型材料来代替。

为了避免使用含铅焊料，回流焊的温度必须由240℃升高到260℃甚至更高（取决于所使用的焊接材料）。回流焊温度的升高将导致一系列有关可靠性的问题的产生，其中包括环氧塑封料与硅片/框架/基底之间的爆米花现象，由于应力过大而引起的塑封料或硅片的裂缝等问题。对于环氧塑封料材料本身而言，除了不能使用溴代环氧和氧化锑外，还要求能够通过260℃回流焊温度条件下的更为严格的耐湿性、耐焊性考核。

2 开发绿色环氧塑封料的技术路线综述

● 燃烧过程示意图：

①在加热过程中，阻燃剂发生吸热脱水反应，阻止温度的升高，以达到阻燃效果；

②　在熔融热分解过程中，使固体残渣生产物增大，减少可燃性气体生成，以达到阻燃效果；

④在热分解过程中形成不燃烧的薄膜，隔断氧气的进入，以达到阻燃的效果；

⑤在热的的作用下产生能够妨碍与燃烧有关的自由基产生及链增长反应，以达到阻燃的效果；

● 各种阻燃剂及其阻燃机理（表1）

从表2可以看出，阻燃剂中氮、磷类及金属氢氧化物可以作为绿色环氧塑封料阻燃剂，目前用在绿色环氧塑封料主要选择表3中所示阻燃剂类型：

● 磷型阻燃剂

含磷型材料阻燃剂的机理是在塑料的表面形成碳层将氧隔绝。

磷氧基如PO· ，能够以与氢溴的相似的机理清除氢基：

H.+PO.→HPO

HPO+H.→H₂+PO.

磷阻燃剂共有两种类型：有机体系与无机体系。对于无机体系，通常使用红磷。红磷阻燃效果好，使用量较少。当燃烧发生时，塑料表面开始燃烧，红磷生成磷酸，凝结成固体的磷酸将燃烧的塑料表面的氢和氧清除并将塑料转变成碳层。虽然红磷作为阻燃剂很有效，但是由于其纯度很难达到一定的要求，可能会产生负面影响，有可能降低塑料的可靠性、固化性及防潮性能。目前正在研究对红磷颗粒表面进行处理，在其表面形成耐湿保护膜，以提高其耐湿可靠性。

对于有机磷，对塑封料的其它方面性能影响小一些，但是要想达到同等的阻燃效果，需要有机磷的量要比无机磷多。

● 金属氢氧化物型阻燃剂

一般塑料中金属阻燃剂化合物包括氢氧化铝、偏硼酸钡、硼酸钙、碳酸镁、氢氧化铝/镁、硼酸锌。阻燃剂的机理是：（1）释放水；（2）释放不燃烧气体；（3）吸热反应。金属氢氧化物型材料例如氢氧化铝作为阻燃剂的机理是金属氢氧化物的吸热脱水反应能够产生防火效果。反应如下：

2Al(OH)₃→Al₂O₃+3H2O

金属氢氧化物是很好的阻燃剂，但是要求使用量较大，这样就会使塑封料流动性变差、降低固化能力。同时，当温度大约在230℃时出现的脱水可能会对耐湿性能产生影响。

● 多芳烃环氧/固化体系阻燃剂

目前主要使用的多芳烃环氧树脂及固化剂类型：

阻燃性试验数据：
样块尺寸：120×10 ×0.8mm

2.4 绿色环氧塑封料高温耐回流焊性能改进
采用无铅焊工艺将使EMC耐焊温度达到250- 280℃，这对环氧塑封料的可靠性提出更高的要求。回流焊温度的提高引起的气压的升高（在260℃回流焊温度下产生的气压比在240℃条件下所产生的要高出1.4倍），有可能引起的缺陷：环氧塑封料与模具/框架或基底之间的分层；由于压力过高引起的环氧塑封料或硅片的开裂。因此，必须将配方进行调整，以满足半导体封装成型工艺的要求。
3 结论

为满足环保的要求，本文对各种无卤型阻燃剂进行分析研究，认为磷类、金属氢氧化物类、多芳环烃聚合物类阻燃剂是研究生产绿色环氧塑封料主要选择的阴燃剂。同时认为，通过增强环氧塑封料机械强度、降低吸水率、降低应力及模量、增强粘结力等，可以解决在较高焊接温度条件下出现的开裂、分层等问题，满足无铅封装工艺要求。