浅谈环氧塑封料对SOD123—SL二极管的影响

胡祺

摘 要：随着半导体应用技术的不断促进，二极管封装逐渐向小、薄、轻、高密度、绿色化方向发展。SOD123-SL二极管常用作小信号开关，因此对其封装材料也提出了苛刻要求。文章主要针对环氧塑封料对SOD123-SL的不同影响因素进行了探讨，包括热应力、吸潮性和阻燃性。

关键词：环氧塑封料；SOD123-SL二极管；热应力；吸潮性；阻燃性

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0048-02

1 概 述

随着高新技术的日新月异的发展对半导体应用技术不断促进，半导体产品封装向小、薄、轻、高密度、绿色化方向发展，对封装材料提出了苛刻的要求[1]。二极管作为半导体器件，广泛运用在电子消费品、计算、通讯、工业和汽车制造等行业，其使用的封装材料也因使用环境不同而要求不同。SOD123-SL二极管用作小信号开关，采用clip结构，使用环氧塑封料封装，封装厚度可低至1 mm。其内部结构，如图1所示。

环氧塑封料封装的热应力和吸潮性都会影响到SOD123-SL二极管的可靠性，阻燃性则影响二极管的使用安全性。本文就环氧塑封料对SOD123-SL二极管的影响予以叙述。

2 热应力的影响

二极管封装完成后，其内部应力主要与组成二极管的材料和二极管的结构有关。塑封是大规模集成电路以及许多半导体器件的一种主要封装形式。塑封的热应力，一般有塑封料固化收缩产生的应力和管芯与塑料热收缩之差异产生的应力两种，后者占支配地位。塑封料和硅芯片的热膨胀系数不一致，这样导致塑封后芯片上存在附加应力。这种附加应力会产生压阻等效应，从而影响到集成电路中器件的性能，严重的情况下会引起金属布线的位移，甚至引起硅片的断裂，封装外壳开裂，轻则造成器件耐湿性下降，重则使元器件完全失效。

研究表明，降低热应力的方法有三种：

①降低塑封料的线膨胀系数（α）；

②降低塑封料的弹性率（E）；

③降低塑封料的玻璃化温度（Tg）。

降低Tg，会使封装外壳的热强度急剧下降，在大于Tg温度的情况下，物料的强度约为常温的1/10，而热膨胀系数系数却是常温时的三倍左右，因此，利用降低Tg来实现低应力这种方法是不可取的。所以低应力化研究只能围绕α和E两方面展开。

环氧塑封料主要由环氧树脂和填料两大部分组成。要想降低塑封料的α，环氧和填料是首要研究对象。

20世纪90年代以来，液晶聚合物（LCP）增韧环氧树脂引起国际上的广泛关注。它是一种高度分子有序，深度分子交联的聚合物网络，它融合了液晶有序与网络交联的优点，相比于普通环氧树脂，其耐热性、耐水性和耐冲击性都大为改善，同时在取向方向上线膨胀系数很小。

成晓情将单环苯并噁嗪、双环苯并噁嗪和含醛基的单环苯并噁嗪三种树脂混合，获得了80 ℃下粘度为171 MPa·s的新型树脂。该树脂经150 ℃固化后，Tg为146 ℃，线膨胀系数为4.3×10-5/K[4]。

为了减少热应力的影响，SOD123-SL二极管除了在结构上采用clip设计外，其所使用环氧塑封料主要通过降低α来降低热应力。环氧塑封料的热膨胀系数与填料有很大关系。

环氧塑封料中主要采用二氧化硅（SiO2）作填料。SiO2粉按结构分为结晶和熔融形两类。前者的热传导率高，但热膨胀系数较大，它的α与金的α相当，大致是环氧树脂的1/100[2]。显然要降低塑封料的线膨胀系数需要增加熔融SiO2的填充料。

为了兼顾物料成型性，使塑封料能保持适当的熔融性，填料一般只能增加到65%（V）的含量。SiO2粉颗粒按形状可分为角形和球形两种。若把SiO2从角形变换成球形，因其形状相对规则，只要选择适当的粒度分布，填料的含量就可以达到75%～80%（V）[3]，耐热性得以提高的同时将大幅降低材料线膨胀系数。

3 吸潮性的影响

塑封料通常具有散潮、吸潮、渗潮等缺点，所以在本质上是一种非气密性封装。水分可以通过塑封料本身渗透到芯片上，因为环氧树脂属于高分子材料，一般高分子材料分子间距离为500～2 000（1=10-10 m），水分子能轻易渗透进去。水分也可以从塑料与引线框架的界面两条途径扩散、渗透到芯片上。水分在扩散、吸湿的过程中，使封装材料中的微量离子性杂质离解，结果造成漏电流增大。

另一方面，在吸湿时产生所谓膨润现象即体积膨胀，其膨胀量大体上等于吸收水分的量。这时的应力将引起粘接处剥离，促进潮气的侵入，结果使耐湿性下降。

因此，在二极管贮存时即使只吸收了少量潮气，也会产生很大问题：在200 ℃以上的高温下进行焊接时，外壳将产生裂纹。

SOD123-SL二极管使用的环氧塑封料是由环氧树脂作粘接剂，酚醛树脂作固化剂，与其他组份按照一定的比例称量、混合、再经热混合之后制备的单一组份组合物。在热固化剂的作用下环氧树脂的环氧基开环与酚醛树脂发生化学反应，产生交联固化作用使之成为热固性塑料。

酚醛树脂具有疏水基，这使得固化后的环氧塑封料具有良好的疏水性，可以阻挡水分的渗透。填料二氧化硅含量较高，能与环氧树脂有效相容，减少其空隙率，延长水分到达芯片的距离。

环氧塑封料中添加的一些粘结剂能提高封装料与引线框架的粘结力，使水分不易从两者的界面处渗透进去。 这种环氧塑封料使得SOD123-SL二极管耐湿气可靠性相当好，高温蒸煮试验（PCT）的考核水平可达3 000 h以上。

4 阻燃性的影响

二极管在使用过程中会发热，尽管环氧塑封料是热的良导体，但是为了考虑到二极管使用的安全性，要求提高二极管环氧塑封料的阻燃性。传统的做法就是添加卤系阻燃剂，在燃烧时会产生对人体和环境危害的有毒气体，对人体和环境均会产生有害的影响。

为了保护生态环境，欧盟公布了WWE（关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令）和RoHS（报废电子电气设备指令），指令规定必须在废弃的电子或电气器材等电子产品中，将限期禁止使用Pd，Hg，Cd，Cr6+，PBB（多溴联苯）和PBDE（多谢联苯醚）6种有害燃料[5]。对微电子封装的影响主要体现在无卤阻燃剂和无铅焊料两方面。

SOD123-SL二极管环氧塑封料采用本征型阻燃型环保型，它不包含卤素阻燃剂和磷系阻燃剂，采用低粘度的树脂体系，使填料含量升高到阻燃等级。

另一方面，主链结构中含有联苯结构的酚醛型环氧树脂和酚醛型环氧固化剂在经过固化反应之后形成高度阻燃的网络结构[6]。这种结构在高温下具有低弹性和高抗分解性，燃烧时会产生稳定的泡沫层，有效地阻隔了热传递，从而达到V-0级的阻燃效果。

5 结 语

环氧塑封料对SOD123-SL的影响主要体现在热应力、吸潮性和阻燃性三个方面。环氧塑封料与芯片的热膨胀差异导致热应力，通过在环氧塑封料填充球形二氧化硅可以降低其线膨胀系数（α），从而达到减小环氧塑封料产生的热应力对SOD123-SL的影响。环氧塑封料里的酚醛树脂、二氧化硅和粘接剂都能使SOD123-SL二极管的防潮性大幅提升。

SOD123-SL二极管环氧塑封料为本征阻燃型，达到了V-0级阻燃效果，使得其在使用过程中安全可靠。SOD123-SL二极管采用低应力无卤环氧塑封料，使其兼具高可靠性和安全性，其应用范围也会越来越广。

参考文献：

[1] 诚兴明.环氧模塑料性能及其发展趋势[J].半导体技术，2004，29（1）： 40-40.

[2] 曹延生，黄文迎.环氧塑封料中填充剂的作用和发展[J].电子与封装， 2009，9（5）：5-10.

[3] 陈昭.环氧模塑料（EMC）的设计和性能[J].电子工业专用设备，2010（2）：43-49.

[4] 周良知.浅谈环氧塑封料的应用及其他[J].电子质量，1996（9）：27-28.

[5] 陶志强，宋涛，杜迓涓，等.微电子封装用环氧材料研究进展[J].Semicond uctor Technology，2010，35：159.

[6] 黄文迎，李刚，王善学，等.环氧塑封料绿色环保化过程中的问题研究[J]. 中国集成电路， 2009， 18（11）： 65-68.