環氧成型模料對構裝後晶片可靠度的影響

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環氧成型模料對構裝後晶片可靠度的影響

林益生1_、許蓁容1_、何宗漢1_、伍玉真2_、鄧希哲2 1_{國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系} 2_{台灣典範半導體股份有公司} E-mail: [email protected]

摘要

本研究主要是選擇適合的環氧成型模料(Epoxy Molding Compound; EMC)，進行搭配並構裝 SOP8(150mil) 半導體元件，以期望提升半導體元件的可靠度。三種不同環氧樹脂的EMC，以 SEM 觀察硬化 EMC 的微觀結構。最後再將三種綠色環保材料之銀膠及三種EMC，用來構裝 SOP8(150mil)晶片，構裝後的半導體元件進行吸濕及去濕能力、迴焊試驗及可靠度測試，藉以找尋最佳的 EMC。實驗結果顯示：MAR 系列之環氧樹脂及 Glue-A 銀膠構裝之 SOP8-A 樣品其抗濕性及去濕性較佳，同時也通過可靠性 Precondition Level III(30℃/60%/192hrs)。在環境測試中，發現 SOP8-A 經環境測試 TCT 1000cycles 無發現任何脫層。SOP8-A 構裝在不同迴焊升温斜率試驗，實驗結果顯示迴焊温度昇温斜率愈高則構裝內所含濕氣因受熱膨脹體積變大而導致脫層數量愈多。

關鍵詞：半導體構裝、環氧成型模料(EMC)、銀膠、可靠度測試

1. 前言

IC 是積體電路（Integrated Circuit）的簡稱，在一片小小的矽晶片上，可能有數百萬個電路元件[1]。IC 構裝是從半導體積體電路製作完成後，到與其它的電子元件共同組裝於一個聯線結構之中，成為一電子產品，以達成一特定設計功能的所有製程[2]。一般而言，IC 構裝主要有四大功能[3]： 1.電源分佈：IC 要動作，需有外來的電源來驅動，外來的電源經過構裝層內的重新分佈，可穩定地驅動 IC，使IC 正常運作。 2.信號分佈：IC 所產生的訊號，或由外界輸入 IC 的訊號，均需透過構裝層線路的傳送以送達正確的位置。 3.散熱功能：藉由構裝的熱傳設計，可將 IC 的發熱排出，使 IC 在可工作溫度下（通常小於 85℃）正常運作。 4.保護功能：構裝可將 IC 密封，隔絕外界汙染及外力破壞。封裝的目的是在提供IC 晶片與電子系統間訊號傳遞的介面及保護 IC，因此封裝之技術的發展除受到 IC 技術發展影響外，還受到電子產品與電子系統本身功能限制之要求，不同產品需要不同之封裝技術規格。IC 封裝主要製程步驟如圖1-1 所示[4-5]，主要製程包含：晶背研磨（Wafer Back Grinding），晶圓切割（Wafer Saw），晶粒黏著（Die Attach），銲線（Wire Bonding），封膠（Molding），去膠、去緯（Dejunk&Trim），電鍍（Solder Plating），腳成形（Forming&Singulation）等。

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圖1-1 封裝製程流程半導體封裝材料的主要功能，在於避免晶片和連接訊號之金線受到物理的、化學的損壞（溫度、濕度、應力等），以達到封裝和保護目的。隨著 IC 高性能化的發展，各種產品結構日益複雜且更精密，半導體封裝技術也朝向高密度化、薄型封裝等多樣性的趨勢發展，因此對於封裝材料的要求不再是保護晶片與金線的要求，提高封裝產品性能與可靠度更是對封裝材料的特性要求[6]。半導體封裝的方法分為陶瓷和樹脂。陶瓷封裝具有防潮性佳、壽命長，但成本費用高；樹脂封裝，它具有成本低、產量大且性能符合市場需求，故目前是以樹脂封裝為主。一般樹脂封裝用之高分子材料有環氧樹脂（Epoxy）、聚醯亞胺（Polyimide，PI）、酚醛樹脂（Phenolics）、矽樹脂（Silicones）等[7]。這四種材料中，除散熱量大的動力元件必須用成本較高的矽樹脂外，大部分都採用環氧樹脂。使用在封裝膠餅中的環氧樹脂有雙酚A 系（Bisphenol-A）、Novolacepoxy、環狀脂肪族環氧樹脂（Cyclicaliphatic）、環氧化丁二烯等。[8]目前使用的半導體封裝材料以磷甲酚醛的多環性環氧樹脂（ο-Creso-Novolac Epoxy Resin；CNE）為主，其主要具有下列特性：優良的電氣性質、形狀安定（固化低收縮率，且無揮發性副產物）、吸水性不大、耐高溫（Tg ＞150℃）及耐溶劑、酸、鹼等化學品，對金屬與矽晶片有極佳的黏著性且價格不高[9-10]。

半導體封裝材料的代表性配方：Table 1-1 是環氧樹脂封裝材料的代表性配方組成，其中環氧樹脂約佔 5~12%，硬化劑(Hardener)為酚醛樹脂約佔 1~7%；剩餘 60%~90%幾乎都是無機填充劑的二氧化矽(SiO2)如圖

1-2，由於 RoHS 法規規定不填加含有溴化環氧樹脂和 Sb2O3化學物質；偶合劑(Coupling agent)以矽烷(Silane)

系列為主，其作增加封裝材料和填充劑、導線架、晶片之黏著性以避免脫層(Delamination)；而脫模劑是改善成形時候的作業性。硬化促進劑對環氧樹脂的硬化速率及硬化物的物性有重大影響，一般使用有機磷化合物或咪唑(Imidazole)化合物。碳黑的使用以提高遮光效果及防止電磁波之干擾。 Table 1-1 環氧樹脂封裝材料代表性配方基本材料內容物 Wieght % 環氧樹脂(Epoxy) ο-Creso-Novolac 5~10 硬化劑(Hardener) Phenol 5~10 阻燃劑(Flame Retardant) Br 樹脂，Sb2O3 ＜10 填充物(Filler) 二氧化矽(SiO2) 60~90 觸媒(Catalyst) N 化合物，P 化合物＜1 偶合劑(Coupling Agent) Silane ＜1 離型劑(Releasing) 天然蠟(Wax)，合成蠟＜1 著色劑(Coloring Agent) 碳黑＜1

Wafer Grinding Wafer Saw Die Attach Wire Boding

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圖1-2 封裝材料無機填充劑二氧化矽(SiO2)形狀可靠度測試邏輯最初建立在溫度是影響電子元件失效最主要的環境因素的觀念上，將電子元件置放於高溫環境中即可加速劣化機制的反應速率，縮短平均使用壽命[11]。可靠度意指構裝元件在功能運作一段時間期間內，造成元件功能喪失（Function Fail）的數量[12]。構裝元件是由各種不同材料組成，各種材料熱膨脹係數不同，溫度和濕度對構裝元件是很重要的問題，因濕氣對於電子元件經過紅外線迴焊爐加熱，現今可靠度方面其熔點由原240℃提高至 260℃之工作溫度而急速膨脹，而導致電子零件內濕氣由於瞬間高溫造成其內部應力大於結合力時，因產生爆米花現象。迴焊過程中因如收縮、熱應力和水氣等[13]而造成封裝材料與矽晶片之間產生膨脹脫層[14]、裂痕或爆米花等[15]，進而影響構裝體的的效用及壽命，因此有些研究報導對其構裝元件的溫度及吸濕問題進行模擬與實驗分析。半導體元件之壽命可以傳統之浴缸曲線（Bathtub Curve）代表，如圖 1-2 表示，半導體元件之生命週期可概分為早夭期（Infaut Mortality Region）、正常期（Useful Life Region）及損耗期（或老化期）（Wearout Region）。早夭期，初期產品故障源自生產缺陷，初始故障率開始使用數十小時內急數下降。接著到達正常期（一般48~106

小時），故障率及低且相當穩定，故障發生為隨機性質。最後元件使用進入損耗期（老化期），元件因使用磨耗至接近元件自然壽命程度，故障率開始升高，於此一時期故障發生無法避免[16]。

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2. 實驗部分

2.1 材料

(1)封膠(Epoxy Molding Compound)

EMC-A：封模材料之樹脂為 MAR 及填充劑含量 87% EMC-B：封模材料之樹脂為 Biphenyl 及填充劑含量 89.5% EMC-C：封模材料之樹脂為 OCN 及填充劑含量 88.5%

以上三種封裝樹脂材料性質如Table 2-1 及化學結構如圖 2-1~2-3。

Table 2-1 三種環保膠餅(Green compound)材料性質

封模材料 EMC-A EMC-B EMC-C

樹脂 Multi-Aromatic MAR Biphenyl Cresol Novolac OCN

填充劑(wt%) 87 89.5 88 玻璃轉化温度(℃) 110 115 110 α1 (ppm/℃) 15 7 8 熱膨脹係數 α2(ppm/℃) 55 30 37 R1 O O H C O O R2 _n 圖 2-1 EMC-A(MAR)化學結構 O O H3C H₃C CH3 CH3 O O 圖 2-2EMC-B(Biphenyl)化學結構

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H3C O O H2 C H₃C O O H2 C H3C O

n

O 圖 2-3 EMC-C(OCN)化學結構 (2) 晶片(Chip) (3) 導線架(Lead Frame) 構裝SOP8(150mil)材料如 Table 2-2

Table 2-2 Package SOP8(150mil)構裝材料 Item Package Lead Frame/

die pad(mm) Die size (mm) Glue EMC A Glue-A EMC-A B Glue-B EMC-B C SOP8 (150mil) 2.4mmx3.3mm 1.45x1.67mm Glue-C EMC-B

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2.2 實驗流程 2.2.1 實驗流程(一)： DSC Curing SEM EMC 圖2-4 構裝材料性質鑑定 2.2.2 實驗流程(二)： Absorption

De-sorption Reliability Test

Level I Level II Level III SAT Check SAT Check IR Reflow Package

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IR260℃*3times

SAT Inspection〈II〉 _{Cross-Section}

F/T _SEM TCT -65℃~+150℃ 1000cycle TST -65℃~+150℃ 200cycle PCT 121℃ /100%R.H. HTSL 150℃ 1000hrs HAST 130℃ /85%R.H.

SAT Inspection〈III〉 Reliability Test Visual Check SAT Inspection〈I〉 Level III 30 ℃/60%/192hrs Cross-Section TCT -65℃~+150 ℃/5cycle Baking 125℃/24hrs SEM 圖2-6 可靠度流程

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2.3 實驗步驟

2.3.1 封裝樹脂性質測試

SEM 結構觀察：先將三種封裝樹脂(EMC)在室温回温 24 hours，再將 EMC 放置烤箱由室温升至 175℃烘烤 5 hours、試片灌模封膠後固化，再進行切割、研磨、抛光完成後以掃瞄式電子顯微鏡檢視 EMC 之SiO2結構。

2.3.2 構裝產品可靠性之鑑定

(一)吸濕及去濕之測試

Table2-3 為吸濕之條件，分別為 Level I(85 o_{C/85%)、Level II(85} o_{C/60%)及 Level III(30}o_{C/60%)等級不同溫}

度、濕度及時間500 小時，依照 IPO/JEDEC J-STD-020D 為依據： 1. 吸濕率：將三種封膠後產品SOP8(150mil)各取 10pcs，按照以下步驟： a. 先行做烘烤(125 o_C/24hours) b. 稱重(W0) c. 置入吸濕槽中、依照以下時間 0/2/4/8/16/24/48/72/96/120/144/168/192/300/400/500 小時測其重量(Wt)，再以下公式求得吸濕率：吸濕率=[(Wt)-(W0)／(W0)] x 100 % (2.1) Wt：產品吸濕t 時間的重量 W0：產品烘烤時的重量 Table 2-3 吸濕之條件

Level Temperature (o_C) _{Humidity (%)} _{Time (Hour)}

I 85 85 500 II 85 60 500 III 30 60 500 2. 去濕率：將Table 2-3 吸濕三個 Level 之等級不同條件之樣品置入烤箱中進行烘烤 125℃、依照以下時間0 / 2 / 4 / 8 / 16 / 24 小時測其重量。 (二)可靠度試驗

將這三種EMC 之環保材料封裝成 Package SOP8(150mil)進行可靠度試驗(Reliability test)，可靠度試驗先進行環境壽命試驗前處理然後再進行環境壽命試驗。

加速老化試驗(環境壽命試驗前處理)：

1. 將三種封膠 SOP8(150mil)樣品以 40 倍顯微鏡檢查外觀，須無任何損傷。

2. 將三種封膠 SOP8(150mil)樣品使用超音波探傷儀(Scanning Acoustic Tomography，SAT)，依 sample 特性選用75MHz 探頭檢測 Compound 與 chip、inner lead and die pad 各界面間有無脫層現象。

3. 取不鏽鋼鐵盤置具將三種封膠 SOP8(150mil)平均分散擺放其上，將其放入温度循環試驗(TCT)機台中，試驗條件低温 -65 /15min ~℃ 高温+150 /15min℃ ，-65℃停留 10 分鐘在 5 分鐘內升温到 150℃，在 150℃停留 10 分鐘在 5 分鐘內降温到-65℃，每 cycle 需要 30 分鐘，如此這樣循環 5cycles。

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5. 將上一個步驟完成樣品取出放入吸濕槽中，依照國際規範 Level III 測試條件設定溫度 30℃、溼度 60%、 192hrs 進行實驗，時間到取出將其置放在室溫下 15 分鐘後、4 小時內進行下一步驟。

6. 參照國際規範 JESD22-A113-F 設定 IR 條件 for 260 +2/℃ -0℃，將承載樣品不鏽鋼置具放於紅外線迴焊爐機台內，執行IR260℃三次。

7. 將上一個步驟完成，使用超音波探傷儀 SAT 依樣品特性選用 75MHz Transducer 再次檢測 Compound 與 chip、inner lead and die pad 各界面間有無脫層現象，並執行 Cross-section 及 SEM 觀察其變化。將完成加速老化實驗三種封膠 SOP8(150mil)樣品，分組執行環境壽命試驗温度循環試驗(TCT)、冷熱衝擊試驗 (TST)、壓力鍋試驗(PCT)、高温儲存壽命測試(HTSL)、高加速應力試驗(HAST)。

將完成加速老化實驗三種封膠SOP8(150mil)樣品，分組執行環境壽命試驗温度循環試驗(TCT)、冷熱衝擊試驗(TST)、壓力鍋試驗(PCT)、高温儲存壽命測試(HTSL)、高加速應力試驗(HAST)。

(三)環境壽命試驗

1. 溫度循環試驗(Temperature Cycling Tester, TCT)(Air to Air)

將三種封膠SOP8(150mil)樣品置於溫度循環試驗機內，以低溫、高溫空氣對流方式之循環進行試驗。設定條件為低溫-65 /15min ~℃ 高溫+150 /15min℃ 、-65℃停留 10 分鐘在 5 分鐘內升温到 150℃，在 150℃停留10 分鐘在 5 分鐘內降温到-65℃，每 cycle 需要 30 分鐘，完成 1000cycle 用 SAT 檢查。

2. 冷熱衝擊試驗(Thermal Cycling Tester, TST) (Liquid to Liquid)

將三種封膠SOP8(150mil)樣品置於溫度循環試驗機內，以低溫、高溫液體傳導方式之循環進行試驗。設定條件為低溫-65 /5min ~℃ 高溫+150 /5min℃ 、每cycle 需要 10 分鐘，完成 200cycle 用 SAT 檢查。 3. 壓力鍋試驗( Pressure Cook Test, PCT)

將三種封膠 SOP8(150mil)樣品置於壓力鍋試驗機內，以高溫、定壓方式進行試驗。設定條件為溫度 121+/-1℃、溼度 100%、2atm、168 小時，完成 PCT 168 小時用 SAT 檢查並執行 Cross-section 及 SEM 觀察其變化。

4. 高温儲存壽命測試(High Temperature Storage Life, HTSL)

將三種封膠SOP8(150mil)樣品置於高溫儲存試驗機內進行高溫儲存試驗。設定條件為溫度 150℃、1000 小時，完成1000 小時用 SAT 檢查。

5. 高加速應力試驗(High Accelerated Stress Tester, HAST)

將三種封膠 SOP8(150mil)樣品置於高温高濕試驗機內進行吸濕試驗。設定條件為溫度 130℃、溼度 85%、96 小時，完成 96 小時用 SAT 檢查。

(四)構裝產品迴焊升温斜率試驗之 SAT 檢測

由可靠度試驗之 SAT 結果脫層最輕微樣品，將樣品依 JEDEC J-STD 020D 規範進行 precondition Level III(30 /60%/192℃ 小時)後，再依如 Table 2-4 迴焊升温斜率 0.5~1.0 /sec℃ 、1.0~1.5 /sec℃ 、1.5~2.0 /sec℃ 及 2.0~2.5 /sec℃ 四種不同迴焊升温斜率作實驗，將這四種不同迴焊升温斜率實驗樣品再進行SAT 檢測。

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Table 2-4 迴焊升温斜率 Type 升溫斜率( /Sec)℃ 0.5~1.0 1.0~1.5 1.5~2.0 SOP8-A 2.0~2.5

3. 結果與討論

3.1 環保材料性質鑑定 封裝樹脂SEM 結構觀察將三種EMC 先烘烤再進行切片、研磨及拋光，然後使用掃瞄式電子顯微鏡觀察，如圖 3-1~3-3，三種 EMC 之 SiO2主要形狀為圓球形(Spherical)，形狀為圓球形流動性佳但強度較弱，且大小粒徑不均一能使充填密度增大進而降低CTE，但不規則形狀則強度高但流動性差。

圖3-1 SEM photo of EMC-A SiO2形狀為圓球形

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3.2.1 吸濕性試驗

IC 元件失效之原因與內部濕氣有極大關係，所以將這些 SOP8 樣品放置在這三種吸濕槽吸濕，條件分別為85 o_{C/85%/500 小時、85} o_{C/60%/500 小時及 30}o_{C/60%/500 小時，圖 3-4~3-6 之吸濕結果以 MAR 系列之環氧}

樹脂SOP8-A 具有較低吸濕性，OCN 系列之環氧樹脂 SOP8-C 具有較高吸濕性。

圖3-4 85 o_{C/85%吸濕曲線}

圖3-5 85 o_{C/60%吸濕曲線}

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3.2.2 去濕試驗 IC 元件吸濕後容易發生失效，為了防治元件壽命的減少將這些吸濕三種條件 SOP8 樣品進行烘烤，去濕條件125 /24hrs℃ ，由圖3-7~3-9 去濕結果所示前 4hrs 水氣去濕效果最佳，烘烤 24hrs 可以將大部份水除去除，以MAR 系列之環氧樹脂 SOP8-A 具有較佳去濕性。圖3-7 85 o_{C/85%去濕曲線} 圖3-8 85 o_{C/60%去濕曲線} 圖3-9 30 o_{C/60%去濕曲線}

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由可靠度SOP8 SAT result，MAR 系列之環氧樹脂 SOP8-A 可靠度佳它是 pass precondition level III，如 Table 3-1 因具有較佳黏著性，從吸濕實驗數據得知 MAR 系列之環氧樹脂 SOP8-A 具有較低吸濕量是來自於有較低的填充劑含量而產生較高CTE 產品有較柔曲彈性的性質，使 Reliability test 中以不致與晶舟(die pad)的 CTE 差異太大；主要是高結合力、低內應力及耐高温特性。但發現在耐沖擊實驗有些樣品有晶舟脫層(die pad delamination)，將這些晶舟脫層樣品 cross-section 發現銀膠厚度約 4.5μm 左右，低於廠內設定之規格 15~50μm 而導致此die pad delamination 之主因。其它 Biphenyl 系列之環氧樹脂 SOP8-B 和 OCN 系列之環氧樹脂 SOP8-C 它們是沒有通precondition level III，主要發現鍍銀腳(inner lead)而導致 second bond crack，及 glue layer、 compound 和 lead frame 之間有 gap；在 JEDEC-020D 規定在打線區是不能有任何脫層；主要是這兩種 EMC 結合較差而導致無法通過耐溼、耐沖擊及耐熱性等實驗。

Table 3-1 三種 SOP8 可靠度 SAT result Unit:(pc)

Before After TCT TST PCT HTSL HAST Type MSL3 MSL3 1000cycle 200cycle 168hrs 1000hrs 96hrs Chip 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 Lead 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 SOP8-A Die Pad 0/20 0/20 10/20 7/20 6/20 0/20 0/20 Chip 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 Lead 0/20 6/20 13/20 16/20 14/20 7/20 12/20 SOP8-B Die Pad 0/20 0/20 16/20 14/20 16/20 8/20 11/20 Chip 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 Lead 0/20 18/20 11/20 15/20 12/20 14/20 17/20 SOP8-C Die Pad 0/20 18/20 20/20 20/20 19/20 20/20 20/20 3.3 構裝產品之迴焊斜率試驗

在JEDEC-020D 規範中，迴焊升温僅定義最高温〈Peak Temp.〉、停留時間及室温升温到最高温時間，並未規定升温斜率，本實驗由不同的升温斜率對封裝結構之影響，由實驗結果可得知迴焊温度曲線斜率愈高則構裝內所含濕氣因受熱急速膨脹而導致構裝脫層愈多，如Table 3-2。

Table 3-2 SOP8-A 不同迴焊升温斜率 SAT 結果 Unit：(pc) 升溫斜率

( /Sec.)℃

SAT Results ( Reject Sizes / Sample Sizes) 0.5~1.0 0 / 20 1.0~1.5 4 / 20 1.5~2.0 9 / 20 2.0~2.5 17 / 20

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4. 結論

本研究選擇三種綠色環保材料之封裝樹脂(EMC)用來構裝 SOP8(150mil)產品，構裝後的半導體元件進行吸濕及去濕能力、環境壽命可靠度及迴焊等試驗，藉以找尋最佳的封裝樹脂及銀膠，並符合綠色環保的要求。

MAR 系列之環氧樹脂及 Glue-A 銀膠構裝 SOP8-A 抗濕性及去濕性較佳，水份亦使封裝材料中的微量離子性雜質解離，導致線路腐蝕，故吸濕率愈低愈好。所以IC 元件必須在 168 小時內完成 SMT 焊接程序如未在168 小時內使用完時，IC 元件須重新烘烤，以防治元件壽命的減少。同時也通過可靠性 Precondition Level III(30 /60%/192hrs)℃ ，因具有較好黏著性是來自有較低的填充劑含量而產生較高CTE，使產品有較柔曲彈性。在環境測試中，發現 SOP8-A 晶舟脫層主要是銀膠厚度不足造成，經重新驗證銀膠厚度控制在 15~50μm，經環境測試TCT 1000cycle 無發現任何脫層。也針對 SOP8-A 構裝在不同迴焊升温斜率試驗，實驗結果顯示迴焊温度昇温斜率愈高則構裝內所含濕氣因受熱膨脹體積變大而導致脫層數量愈多，主要是經過IR260 ℃材料變軟，銀膠、封裝樹脂及導線架之間介面結合力變弱且吸濕水氣會變成水蒸氣而導致脫層，如半導體封裝材料常因吸收空氣中些微的水份，在高温迴焊下迅速汽化而使元件脫層、及水份蒸發產生壓力使封裝材變形而後裂開及爆米花等現象。

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