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集成电路电子封装为什么要用球形硅微粉?
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-12-18 09:29:19    浏览次数:
 

大规模集成电路
       球形硅微粉技术是以价格低廉的天然优质粉石英矿物为基本原料,采用溶胶-凝胶技术,在分散剂和球形催化剂存在的条件下,制备出符合电子封装材料要求的高纯球形纳米非晶态硅微粉,制备球形硅微粉的方法还有交流高频等离子体熔融法、气体燃烧火焰法以及高温熔融喷射法。 
 
       球形硅微粉主要用于大规模集成电路封装,在航空、航天、精细化工、可擦写光盘、大面积电子基板、特种陶瓷及日用化妆品等高新技术领域也有应用,市场前景广阔。随着我国微电子工业的迅猛发展,大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求越来越高,不仅要求其超细,而且要求高纯度,特别是对于颗粒形状提出球形化要求。但制备球形硅微粉是一项跨学科高难度工程,目前世界上只有美国、日本、德国、加拿大和俄罗斯等少数国家掌握此技术。众所周知,目前国内采购的球形球形氧化硅主要来自于日本、韩国,进口的球形球形氧化硅价格高,且运输周期长。国内生产的高质量球形球形氧化硅,具有本土化优势,完全可以替代进口。
 
       我国盛产石英,并且矿源分布较广,全国范围内的大小硅微粉厂近百家,基本上都属于乡镇企业。这些生产企业大多规模小、品种单一,采用非矿工业的常规加工设备,在工艺过程中缺乏系统的控制手段,致使硅微粉产品的纯度、粒度以及产品质量稳定性差,无法与进口产品抗衡。这些企业中真正能够生产高纯、超微硅微粉的很少,主要分布于江苏连云港东
海县和徐州、浙江湖州以及河北、青海等地,其主打产品集中在800目以下,使用领域一般为冶金、陶瓷、电工产品填料以及电子分立元件的封装等。为抢占高端市场,近年来国内有眼光的企业纷纷上马建设球形硅微粉项目。
 
电子封装为什么要用球形硅微粉?
 
        首先,球的表面流动性好,与树脂搅拌成膜均匀,树脂添加量小,并且流动性最好,粉的填充量可达到最高,重量比可达90.5%。因此,球形化意味着硅微粉填充率的增加,硅微粉的填充率越高,其热膨胀系数就越小,导热系数也越低,就越接近单晶硅的热膨胀系数,由此生产的电子元器件的使用性能也越好。
       其次,球形化制成的塑封料应力集中最小,强度最高,当角形粉的塑封料应力集中为1时,球形粉 的应力仅为0.6,因此,球形粉塑封料封装集成电路芯片时,成品率高,并且运输、安装、使用过程中不易产生机械损伤。
       其三,球形粉摩擦系数小,对模具的磨损小,使模具的使用寿命长,与角形粉的相比,可以提高模具的使用寿命达一倍,塑封料的封装模具价格很高,有的还需要进口,这一点对封装厂降低成本,提高经济效益也很重要。
       球形硅微粉,主要用于大规模和超大规模集成电路的封装上,根据集程度(每块集成电路标准元件的数量)确定是否球形硅微粉,当集程度为1M到4M时,已经部分使用球形粉,8M到16M集程度时,已经全部使用球形粉。250M集程度时,集成电路的线宽为0.25μm,当1G集程度时,集成电路的线宽已经小到0.18μm,目前计算机处理器的CPU芯片,就达到了这样的水平。这时所用的球形粉为更高档的,主要使用多晶硅的下脚料制成正硅酸乙脂与四氯化硅水解得到SiO2,也制成球形其颗粒度为 10~20μm可调。这种用化学法合成的球形硅微粉比用天然的石英原料制成的球形粉要贵10倍,其原因是这种粉基本没有放射性α射线污染,可做到0.02PPb以下的铀含量。
       当集成程度大时,由于超大规模集成电路间的导线间距非常小,封装料放射性大时集成电路工作时会产生源误差,会使超大规模集成电路工作时可靠性受到影响,因而必须对放射性提出严格要求。而天然石英原料达到(0.2~0.4) PPb就为好的原料。现在国内使用的球形粉主要是天然原料制成的球形粉,并且也是进口粉。
       一般集成电路都是用光刻的方法将电路集中刻制在单晶硅片上,然后接好连接引线和管角,再用环氧塑封料封装而成。塑封料的热膨胀率与单晶硅的越接近,集成电路的工作热稳定性就越好。单晶硅的熔点为1415℃,膨胀系数为3.5PPM,熔融石英粉的为(0.3~0.5)PPM,环氧树脂的为(30~50)PPM,当熔融球形石英粉以高比例加入环氧树脂中制成塑封料时,其热膨胀系数可调到8PPM左右,加得越多就越接近单晶硅片的,也就越好。而结晶粉俗称生粉的热膨胀系数为60PPM,结晶石英的熔点为1996℃,不能取代熔融石英粉(即熔融硅微粉),所以中高档集成电路中不用球形粉时,也要用熔融的角形硅微粉。这也是高档球形粉想用结晶粉整形为近球形不能成功的原因所在。
       80年代日本也走过这条路,效果不行,走不通;10年前,包括现在我国还有人走这条路,从以上理论证明此种方法是不行的。即高档塑封料粉不能用结晶粉取代。是用熔融石英(即高纯石英玻璃),还是用结晶石英,哪一种为原料生产高纯球形石英粉为好?根据试验,专家认为:这个题已经十分清楚,用天然石英SiO2,高温熔融喷射制球,可以制得完全熔融的球形石英粉。用天然结晶石英制成粉,然后分散后用等离子火焰制成的球就是熔融的球,用火焰烧粉制得的球,表面光滑,体积也有收缩,更好用,日本提供的这种粉,用X射线光谱分析谱线完全是平的,也是全熔融球形石英粉,而国内电熔融的石英,如连云港的熔融石英光谱分析不定型含量为95%,谱线仍能看出有尖峰,仍有5%未熔融。由此可见,生产球形石英粉,只要纯度能达到要求,以天然结晶石英为原料最好,其生产成本最低,工艺路线更简捷。
 
国外球形硅微粉生产现状
        目前,可以生产高纯球形硅微粉材料主要国家是日本和美国,日本现在主要有六家公司生产球形硅微粉,是球形硅微粉的主要出口国,Admatechs,Micron,Denka,Tatsumori,Tokai......,美国一家,C-E,韩国一家Kosem。
       日本和韩国是资源贫乏国家,所以他们的原料和能源大多需要进口,石英,天然气等。日本的石英原料主要来源于,印度,中国,斯里兰卡。韩国的石英原料主要来源于,印度,中国。日本的石英原料主要是结晶石英,韩国的石英原料主要是熔融石英。



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