随着半导体产品越来越多地被要求以更高的速度运行，封装材料需要具有增强的电气性能，例如低介电常数和衬底的低介电损耗。用于半导体存储器和cpu、gpu等逻辑芯片的材料也需要具有良好的导热性，以保证高质量的散热。

可靠性和稳定性是保证半导体产品顺利运行的关键要求。因此，半导体器件必须通过其封装来保护其免受物理、化学和热损伤，并且用于制造这些封装的材料必须具有一定的质量。这突出了确保封装材料的进步以跟上行业需求的重要性。接下来的我们讨论两种主要封装类型中使用的材料的特征。

封装材料的分类

装材料大致可分为主要材料和辅助材料。原材料构成封装本身，直接影响产品的质量和可靠性。辅助材料不是产品结构的一部分，因为它们仅在包装过程中使用，然后被移除。

在传统封装中，有六种有机复合材料作为主要材料:粘合剂、基材、环氧成型化合物(EMC)、引线框架、电线和焊球，后三种是金属。至于辅助材料，一些例子包括胶带和助焊剂。这些小而基本的材料将在考虑到它们的关键作用时加以解释。

引线架: 内部电气连接用金属合金

引线框架将封装内的芯片与封装外的印刷电路板(PCB)电连接起来。用于形成引线框架的金属板通常由镍基合金或铜合金制成。

蚀刻和冲压是生产引线框的两种方法。在蚀刻过程中，引线框架是通过沿着引线框架的图案将光刻胶涂在金属板上并将其暴露于蚀刻机来创建的，这样就可以去除未被光刻胶覆盖的区域。这种方法通常用于需要精细引线框架图案的情况。冲压时，将一个级进模具安装在高速压力机上以形成引线框架。

基板:  铜、玻璃织物及用于设备基础的多种材料

就像引线框架一样，基板也在将封装内的芯片与封装外的PCB电连接方面发挥作用。因此，衬底是球栅阵列(BGA)封装中半导体芯片的关键组件，该封装使用焊料球而不是引线框架。焊接球连接在底部，电线连接在顶部。衬底的中心由一种叫做“核心”的材料构成，这种材料由铜箔粘合在玻璃织物的两侧，玻璃织物浸渍了具有热稳定性的双马来酰亚胺三嗪(BT)树脂。金属导线在铜箔上形成，同时在铜箔上涂上阻焊剂，以暴露作为保护层的金属垫。

粘合剂:用于粘合关键部件的环氧基聚合物

粘合剂可以是液体形式，或膏状，也可以是固体形式，如薄膜。它们主要由热固性环氧基聚合物组成，用于将芯片粘合到引线框架或基板上。它们还可以用于在芯片堆叠中将芯片粘合在一起。

粘合剂要达到高可靠性，必须具有高附着力、低吸湿性、适当的机械性能和低离子杂质。此外，为了保证工艺质量，粘合剂在高温高压粘接过程中必须具有优异的材料流动性和粘接界面的浸润性。为了获得高的界面附着力，还必须抑制空隙。这需要优化流变特性，如粘度、触变性和硬化特性，以及芯片与引线框架或衬底表面之间的强附着力。

液体粘合剂包括环氧树脂和硅基树脂。

固体粘合剂包括用于引线框架的片上铅(LOC)胶带，用于在堆叠相同尺寸的芯片时将芯片分开的间隔胶带，以及用于芯片堆叠或将芯片连接到基板的模贴膜(DAF)。DAF也被称为晶圆背面层压(WBL)薄膜。

环氧成型化合物(EMC):用于保护和散热的热固性聚合物

EMCs是半导体封装过程中使用的封装剂，是无机二氧化硅和热固性环氧聚合物的复合材料，在加热时形成三维键合结构。由于emc封装了芯片，它们必须保护芯片免受外部物理和化学损伤，并有效地散发芯片运行时产生的热量。此外，emc应易于成型，以实现所需的封装形状。

片式EMCs主要用于转移成型，而粉状EMCs通常用于压缩成型或大型晶圆的成型。另一方面，液态EMCs用于成型难以成型的晶圆。最近，使用薄膜型EMCs的真空层压也用于扇出晶圆级芯片级封装(WLCSP)和大尺寸面板级封装(plp)。

还有模压下填充(MUF)的EMCs，在倒装过程中同时进行下填充和成型。

焊料:  用锡或一些无铅合金的机械和电气连接

焊料是一种在低温下熔化的金属，这种特性使其广泛用于各种结构中的电气和机械连接。在半导体封装中用于连接封装与PCB，在倒装封装中用于连接芯片与基板。封装与PCB之间的焊料主要为球形，尺寸从30 μm到760 μm不等。连接封装到PCB的引脚数量在不断增加，以改善电气性能，这也要求有更小的焊接球。

当由焊料合金制成时，焊料球的成分必须均匀，因为不均匀性会影响其跌落冲击或温度循环测试的可靠性。同样重要的是，它们具有良好的抗氧化性，因为在材料上或在回流过程中过量的氧化物积聚会导致缺陷，包括焊料球不会粘附和脱落。出于这个原因，助焊剂用来去除焊接过程中氧化膜的积聚，并且在回流过程中需要用氮气创造惰性气氛。此外，焊点不应有空洞，因为空洞会导致焊料体积不足，并可能导致焊点可靠性降低。焊锡球的尺寸也至关重要，因为均匀尺寸的焊锡球可以提高工艺效率。最后，焊料球的表面也必须没有污染和枝晶生长。这些会增加焊点的故障率，降低焊点的可靠性。

过去，焊锡球通常由锡合金(Pb-Sn)制成，锡合金具有良好的机械性能和导电性。然而，在发现铅对人体健康有害后，铅受到了诸如欧盟RoHS指令等环境法规的约束，现在主要使用铅含量为百万分之700 (ppm)或更低的无铅焊料。

胶带: 用于永久和临时粘合的PSA

在此介绍两种类型的磁带。第一种是用于将固体表面永久粘接到均质或异质表面的胶带。另一种类型是临时胶带，如切丁带和磨背带。这些胶带中使用的材料称为压敏胶(PSA)。

背磨带应用于晶圆片的正面，在背磨过程中保护晶圆片上的器件。背磨过程完成后，胶带必须去除，以免在晶圆片上留下粘合剂残留物。

切片胶带，又称安装胶带，用于将晶圆片固定在环形框架中，保证晶圆片在切片过程中，晶圆片上的芯片不会脱落。因此，切片胶带在切片过程中必须具有良好的附着力，但也必须易于去除。因此，在剥离芯片之前，要用紫外线照射胶带，因为切丁胶带中含有对紫外线起反应的PSA。这削弱了附着力，使它更容易去除碎片。过去，晶圆片是背磨后贴在切丁胶带上的，但随着WBL作为芯片粘合剂的广泛使用，完成背磨的晶圆片被贴在WBL和切丁胶带结合的胶带上。

键合线: 用金线或铜线进行电子芯片的连接

连接芯片与基板或引线框架，或芯片与芯片之间的电线通常由高纯度黄金制成。黄金有很好的延展性，所以它可以铺得很薄，也有延展性，可以拉伸成一条线。这些属性在布线过程中非常有用。此外，黄金的抗氧化性使其具有很高的可靠性，而其优异的导电性使其具有良好的电性能。然而，由于黄金的高价格，增加了制造成本。这限制了其使用。因此，加入银等其他金属与金制成合金，同时也使用镀金银、铜、镀钯铜和镀金钯铜。

由于铜线具有价格竞争力，并且铜线具有良好的导电性，但延展性略低于金线，因此越来越多地使用铜线代替金线。然而，由于铜易氧化，铜线在布线过程中和布线后都会被氧化。因此，与金线不同，铜线的布线设备是密封的，设备内部充满氮气，防止铜线暴露在空气中被氧化。

包装材料: 用于装运的胶带、卷、盘

经过封装和封装测试后，半导体产品被运送到客户手中。胶带和卷盘(T&R)，或托盘包装，都会被用来包装产品。在T&R包装中，包装被放在与封装大小相同的带状胶带上。然后把胶带卷到卷盘上，包装好，准备发货给客户。在托盘包装中，包裹被放置在托盘中，然后堆叠并包装装运。

来源：《中国科学院半导体研究所》

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