每周一問(wèn) | 電子封裝用硅微粉必須球形化？

   20世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)等通信行業(yè)的快速發(fā)展，使微電子行業(yè)逐漸成為重要的產(chǎn)業(yè)，與此同時(shí)，微電子產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)的一項(xiàng)重要的支柱產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在我們所說(shuō)的微電子已經(jīng)逐漸分離成設(shè)計(jì)、制造以及封裝三個(gè)獨(dú)立的支柱產(chǎn)業(yè)。

　　其中，電子封裝的三大主材料是基板材料、塑封料和引線框架及焊料。環(huán)氧塑封料（EMC）是國(guó)內(nèi)外集成電路封裝料的主流，目前95%以上的微電子器件都是環(huán)氧塑封器件。其中，EMC中，硅微粉含量占60％～90％。

　　硅微粉是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料，可以分為晶型和無(wú)定型兩大類，經(jīng)過(guò)特殊加工工藝后制成符合電子封裝材料要求的球形硅微粉。

　　一般集成電路都采用光刻的方法將電路集中刻制在單晶硅片上，然后接好連接引線和管腳，再用環(huán)氧塑封料封裝而成。微電子封裝領(lǐng)域通常采用無(wú)定型或者融凝態(tài)硅微粉，尺寸在微米量級(jí)，根據(jù)其形狀，融凝態(tài)硅微粉又可進(jìn)一步分為角形硅微粉和球形硅微粉兩種。

　　隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度越高，要求環(huán)氧塑封料中的硅微粉純度越高，顆粒越細(xì)，球形化越好，特別對(duì)其顆粒形狀提出了球形化要求。大規(guī)模集成電路中應(yīng)部分使用球形硅微粉，超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路中，集成度達(dá)到8M以上時(shí)，必須全部使用球形硅微粉。

　　那么為何將硅微粉球形化？

    (1)球的表面流動(dòng)性好，與樹(shù)脂攪拌成膜均勻，樹(shù)脂添加量小，粉的填充量可達(dá)到最高，質(zhì)量比可達(dá)90.5%。因此，球形化意味著硅微粉填充率的增加，硅微粉的填充率越高，其熱膨脹系數(shù)就越小，導(dǎo)熱系數(shù)也越低，就越接近單晶硅的熱膨脹系數(shù)，由此生產(chǎn)的電子元器件的使用性能也越好。

    (2)球形化形成的塑封料應(yīng)力集中最小，強(qiáng)度最高，當(dāng)角形粉的塑封料應(yīng)力集中為1時(shí)，球形粉的應(yīng)力僅為0.6，因此，球形粉塑封料封裝集成電路芯片時(shí)，成品率高，并且運(yùn)輸、安裝、使用過(guò)程中不易產(chǎn)生機(jī)械損傷。

   (3)球形粉摩擦系數(shù)小,對(duì)模具的磨損小，與角形粉相比，模具的使用壽命可提高一倍，塑封料的封裝模具價(jià)格很高，有的還需要進(jìn)口，這一點(diǎn)對(duì)封裝廠降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益也很重要。

　　如何制備球形硅微粉？

　　目前世界上對(duì)粉體球形化研究最為成功的國(guó)家是日本，他們已大批量地投入生產(chǎn)并運(yùn)用到航天、超大屏幕電子顯像和大規(guī)模集成電路中，而我國(guó)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究才剛起步。

　　國(guó)外球形硅微粉的制備通常采用二氧化硅高溫熔融噴射法、在液相中控制正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法等，但由于工藝復(fù)雜，這些方法國(guó)內(nèi)還只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，有較大的技術(shù)難度，這是國(guó)內(nèi)至今還不能生產(chǎn)出高質(zhì)量球形硅微粉的重要原因之一。

　　球形化的原理可分為干法和濕法兩種：

    (1)化學(xué)性的濕法。讓含硅化合物在溶液中反應(yīng)，通過(guò)各種手段控制均勻的生長(zhǎng)速率，使反應(yīng)產(chǎn)物盡量均勻地向各個(gè)方向生長(zhǎng)，最終獲得球形產(chǎn)物。

    (2)物理性的干法。根據(jù)固體熱力學(xué)的原理，高溫顆粒的尖角部位容易最早出現(xiàn)液相以及在氣液固三相界面上液相表面張力較大、自動(dòng)平滑成球體的現(xiàn)象來(lái)完成球化過(guò)程。

具體的工藝方法為以下幾種：

   ①正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法；

   ②有機(jī)硅或硅酸鹽制成二氧化硅溶膠－凝膠后灼燒法；

   ③二氧化硅高溫熔融噴射法；

   ④乙炔、氫氣等氣體燃燒火焰作熱源熔融法；

   ⑤等離子體高溫場(chǎng)作熱源熔融法。

　　前二種為化學(xué)濕法，用化學(xué)法生產(chǎn)的球形硅微粉，其球形度、球化率、無(wú)定形率都可達(dá)到100%，并且可以達(dá)到很低的放射性指標(biāo)，但因其容積密度較低，當(dāng)完全用此種球形粉制成環(huán)氧樹(shù)脂塑封料，其塑封料塊的密實(shí)性能、強(qiáng)度和線性膨脹率等受其影響，故實(shí)際使用中其最大只能加40%。