催化剂和偶联剂对芯片框架粘结力的研究

秦苏琼，王 志，吴淑杰，谭 伟

(连云港华海诚科电子材料有限公司，江苏连云港 222047)

催化剂和偶联剂对芯片框架粘结力的研究

秦苏琼，王 志，吴淑杰，谭 伟

(连云港华海诚科电子材料有限公司，江苏连云港 222047)

催化剂和偶联剂是环氧模塑料的主要成分，铜、铜镀银以及铜镀镍钯金三种框架材料则是电子封装中常用的框架材料。通过对环氧模塑料与框架材料的粘结力研究，选出对框架粘结力优秀的催化剂和偶联剂。

环氧模塑料；框架；粘结力

电子封装是指把设计好的电子芯片或电子电路用封装材料包封起来，实现电路保护，方便使用的作用。其中芯片框架在封装体中起到芯片和外面的连接作用，铜基材料具有良好的导电性、导热性以及和模塑料相近的热膨胀系数而成为塑料封装中常见的框架材料。为了保证封装工艺中的装片性能，使芯片和金丝与芯片框架形成良好的扩散焊接，芯片框架的装片区域一般要求压印，然后在上面镀金或镀银。铜基引线框架根据其表面处理情况分为裸铜，镀银和镀镍钯金等。

电子封装用到的塑料封装由于低成本、薄型化、适合自动化生产等优点广泛应用于电子工业，而塑料封装一般都以环氧模塑料为主要原料。塑封料与引线框架之间的粘结力对封装产品的可靠性有着重要的影响。由于SMT回流焊温度在215～260℃之间，靠近界面的水分先骤热膨胀形成气孔或分层，从而使得塑封料在这个温度下粘结力大幅度下降，导致塑封材料与引线框架以及晶片之间开始分离，因此必须具有良好的的粘结性能才能够确保塑封材料密封芯片的效果。

电子封装用环氧模塑料主要是由环氧树脂、填充料、催化剂、偶联剂、改性剂、脱模剂、阻燃剂和着色剂等组分组成的混合物。模塑料的各种成分扮演着不同的作用。催化剂也称固化促进剂，它的作用是加快环氧树脂和酚醛树脂的反应速度。由于它影响模塑料固化速度的快慢，对环氧模塑料的力学性能、热性能、吸湿性能、粘结性、成型工艺性能都有显著影响。偶联剂主要用于增强环氧树脂与硅填料的粘接力,同时有降低材料的吸水，提高阻抗，提高材料的强度，提高对芯片、引线框架的粘接力,降低材料的分层等优点。

本文选用不同种类的催化剂和偶联剂，研究其对铜、铜镀银以及铜镀镍钯金三种框架界面粘结力的影响，并通过粘结力评价寻找对各种框架均有优异表现的催化剂和偶联剂。

1 试验部分

1.1 试验原材料

主要催化剂（见表1）。

表1 主要催化剂原料

主要偶联剂（见表2）。

表2 主要偶联剂原料

框架材料（见表3）。

表3 框架材料

1.2 试验方法及步骤

试验基础配方（见表4）。

表4 基础配方

试验主要设备（见表5）。

表5 所用主要试验设备一览表

试验步骤：将原材料处理为粉状，按配方比例加入高搅机进行高速混合，混合后加入挤出机挤出，粉碎过筛冷藏备用。

1.3 粘结力测试

图1 tab pull样品示意图

将环氧模塑料粉末在40 MPa的压力下压制成饼料，将饼料在高频预热机上预热到约100℃，投入注塑孔内，用tap pull模具传递模塑成型，框架为铜、铜镀银和铜镀镍钯金材质。脱模后在175℃的烘箱内后固化6 h。将tab pull样品放入潮箱内，置于60℃,60RH%下放置40 h后取出。进行3次回流焊，随后进行拉力测试,测定塑封料与框架之间的粘接力，见图1所示。

2 结果与讨论

2.1 铜框架的粘接力

2.1.1 不同催化剂对铜框架的粘结力

试验结果显示所有成分均在铜框架上具有优异的粘结力。这是由于铜表面存在了二价氢氧键，其与模塑料中的羟基、氢键的结合力好。所以说由于裸铜框架表面的化学键决定了模塑料与其具有优异的粘结力。

虽然铜框架的粘接力均较大，但是4种催化剂对铜框架的粘结力还是有区别的。4种催化剂对铜框架粘结力大小为 C4＞C3＞C2＞C1。C1[TPP，三苯基膦）和 C2（DBU，1，8-二氮杂 -双环（5，4，0）-7-十一碳烯]为最常的环氧催化剂。C3，C4为咪唑类催化剂，与环氧树脂体系固化有优异的耐热性、力学性能以及粘结力。但是咪唑的活性大，不稳定。目前市场上有多种咪唑类的衍生物，C3，C4为其中两种。C3为2P4MZ（2-苯基-4-甲基咪唑），由于2位取代基的结构位阻效应改善了稳定性。C4为2MZ-OK（2-甲基咪唑-三聚异氰酸盐），在低温下稳定不发生反应，到达一定温度后能很快加速环氧树脂和酚醛树脂的反应，同时其三聚异氰酸盐成分参与反应并显著增加粘结力。不同催化剂对铜框架粘结力的影响见图2。2.1.2不同偶联剂对铜框架的粘结力

试验研究不同官能团的硅烷偶联剂对框架表面粘结力的影响。试验共使用了5种硅烷偶联剂。其中固定了G1偶联剂，这是因为G1偶联剂是用来改善树脂和填料分散，增加有机物和无机物相容性的助剂。图3分析结果显示不同偶联剂对粘接力的影响顺序为G2＞G4＞G3=G5。从偶联剂的结构可以看出G2((CH3O)3SiC3H6SH)和G4((C2H5O)3SiC3H6S4C3H6Si(OC2H5)3)的结构中均含有硫（S），可见硫对铜的粘结力有增加。由于G2为含活泼氢的巯基，其产生的氢键对金属表面粘结力更好。另外G3为含氮的偶联剂，G5为脂环族环氧官能团，对铜框架粘接力的作用差不多。

图2 不同催化剂对铜框架粘结力的影响

图3 不同偶联剂对铜框架粘结力的影响

2.2 铜镀银框架的粘结力

2.2.1 不同催化剂对铜镀银框架的粘结力

模塑料对铜镀银框架有较好的粘接力，但是粘接力数据明显小于铜框架，这是由于金属银没有铜活泼。由图4的结果可见4种催化剂对铜镀银框架粘结力大小为C4＞C3＞C2＞C1。催化剂对铜镀银框架的影响和对铜框架的影响是一致的，咪唑类催化剂的粘接力要高于磷氮类的。

2.2.2 不同偶联剂对铜镀银框架的粘结力

图5分析结果显示粘接力的顺序为G2＞G4＞G3＞G5。含活泼氢巯基的G2对金属表面粘结力更好，含氮的偶联剂G3对银表面粘结力有增加但是不明显。含脂环族环氧官能团的G5，对银框架没有显著影响。

图4 不同催化剂对铜镀银框架粘结力的影响

图5 不同偶联剂对铜镀银框架粘结力的影响

2.3 镍钯金框架的粘结力

模塑料对镍钯金框的粘接力很小。这是由于模塑料与框架粘结面的材质为金，金表面没有活泼的化学键，因而与环氧模塑料粘结力较差。通过图6和图7的粘结力数据可以看出催化剂C3和C4，偶联剂G2对铜镀镍钯金粘结力提高最有效。

图6 不同催化剂对铜镀镍钯金框架粘结力的影响

图7 不同偶联剂对对铜镀镍钯金框架粘结力的影响

3 结 论

本文研究了催化剂和偶联剂对三种框架材料铜、铜镀银、铜镀镍钯金粘结力的影响，得出以下结论：

（1）咪唑类的催化剂对框架的粘结力最好，通用的TPP和DBU要次之。

（2）不同硅烷类偶联剂对粘结力的影响也很显著，含S的偶联剂对框架表面粘结力最好，其次为含N的偶联剂，普通环氧类硅烷偶联剂相对较差。

（3）对粘结力有显著提高的各成分均适用于铜、铜镀银以及铜镀镍钯金框架。

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Research of Adhesion Among Catalyst,Coupling Agent and Lead Frame

QIN Suqiong，WANG Zhi，WU Shujie，TAN Wei

(Lianyungang HHCK electronic Materials Co.Ltd,Lianyungang 222047，China)

Catalyst and coupling agent are main components of epoxy molding compound.Cu,Cu/Ag,Cu/NiPdAu(PPF)are common lead frames materials on semiconductor packaging.This paper mainly focuses on the study of the adhesion enhancement between EMC and different lead frames.Catalysts and coupling agents for effective adhesion of lead frames were selected.

Epoxy molding compound；Lead frame；Adhesion

TN405.96

B

1004-4507(2017)06-0045-05

2017-11-04

秦苏琼（1982-），女，江苏连云港人，工程师，南京大学化学工程硕士，现任职于连云港华海诚科电子材料有限公司研发经理，主要从事于半导体封装以及集成电路组装中电子材料的研究和开发工作。