每周一問 | 電子封裝用硅微粉必須球形化？

   20世紀以來，計算機等通信行業的快速發展，使微電子行業逐漸成為重要的產業，與此同時，微電子產業也是我國的一項重要的支柱產業。現在我們所說的微電子已經逐漸分離成設計、制造以及封裝三個獨立的支柱產業。

　　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。環氧塑封料（EMC）是國內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氧塑封器件。其中，EMC中，硅微粉含量占60％～90％。

　　硅微粉是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料，可以分為晶型和無定型兩大類，經過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，再用環氧塑封料封裝而成。微電子封裝領域通常采用無定型或者融凝態硅微粉，尺寸在微米量級，根據其形狀，融凝態硅微粉又可進一步分為角形硅微粉和球形硅微粉兩種。

　　隨著大規模、超大規模集成電路的發展，集成度越高，要求環氧塑封料中的硅微粉純度越高，顆粒越細，球形化越好，特別對其顆粒形狀提出了球形化要求。大規模集成電路中應部分使用球形硅微粉，超大規模和特大規模集成電路中，集成度達到8M以上時，必須全部使用球形硅微粉。

　　那么為何將硅微粉球形化？

    (1)球的表面流動性好，與樹脂攪拌成膜均勻，樹脂添加量小，粉的填充量可達到最高，質量比可達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，其熱膨脹系數就越小，導熱系數也越低，就越接近單晶硅的熱膨脹系數，由此生產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力集中最小，強度最高，當角形粉的塑封料應力集中為1時，球形粉的應力僅為0.6，因此，球形粉塑封料封裝集成電路芯片時，成品率高，并且運輸、安裝、使用過程中不易產生機械損傷。

   (3)球形粉摩擦系數小,對模具的磨損小，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格很高，有的還需要進口，這一點對封裝廠降低成本，提高經濟效益也很重要。

　　如何制備球形硅微粉？

　　目前世界上對粉體球形化研究最為成功的國家是日本，他們已大批量地投入生產并運用到航天、超大屏幕電子顯像和大規模集成電路中，而我國對此項技術的研究才剛起步。

　　國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，但由于工藝復雜，這些方法國內還只停留在實驗室階段，有較大的技術難度，這是國內至今還不能生產出高質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)化學性的濕法。讓含硅化合物在溶液中反應，通過各種手段控制均勻的生長速率，使反應產物盡量均勻地向各個方向生長，最終獲得球形產物。

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

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等離子體高溫場作熱源熔融法。

　　前二種為化學濕法，用化學法生產的球形硅微粉，其球形度、球化率、無定形率都可達到100%，并且可以達到很低的放射性指標，但因其容積密度較低，當完全用此種球形粉制成環氧樹脂塑封料，其塑封料塊的密實性能、強度和線性膨脹率等受其影響，故實際使用中其最大只能加40%。