半導體封裝行業的熱分析應用

　　半導體業務中的典型供應鏈， 顯示了需要材料表征、材料選擇、質量控制、工藝優化和失效分析的不同工藝步驟
 

　　熱分析在半導體封裝行業中有不同的應用。使用的封裝材料通常是環氧基化合物(環氧樹脂模塑化合物、底部填充環氧樹脂、銀芯片粘接環氧樹脂、圓頂封裝環氧樹脂等)。具有優異的熱穩定性、尺寸穩定性以及良好戶外性能的環氧樹脂非常適合此類應用。固化和流變特性對于確保所生產組件工藝和質量保持一致具有重要意義。
 

　　通常，工程師將面臨以下問題：
 

　　特定化合物的工藝窗口是什么？
 

　　如何控制這個過程？
 

　　優化的固化條件是什么？
 

　　如何縮短循環時間？
 

　　珀金埃爾默熱分析儀的廣泛應用可以提供工程師正在尋找的答案。
 

　　差示掃描量熱法(DSC)
 

　　此項技術適合分析環氧樹脂的熱性能，如圖1所示。測量提供了關于玻璃化轉變溫度(Tg)、固化反應的起始溫度、固化熱量和工藝終溫度的信息。
 

圖 1. DSC曲線顯示環氧化合物的固化特征
 

　　DSC可用于顯示玻璃化轉變溫度，因為它在給定溫度下隨固化時間(圖2)的變化而變化。
 

圖 2. DSC 曲線顯示玻璃化轉變溫度
 

　　隨著固化時間的延長而逐漸增加
 

　　玻璃化轉變溫度(Tg)是衡量環氧化合物交聯密度的良好指標。事實上，過程工程師可以通過繪制玻璃化轉變溫度與不同固化溫度下固化時間的關系圖來確定適合特定環氧化合物的工藝窗口(圖3)。
 

圖 3. 玻璃化轉變溫度與不同固化溫度下的固化時間的關系
 

　　如果工藝工程師沒有測試這些數據，則生產過程通常會導致產品質量低下，如圖4所示。
 

圖 4. 玻璃化轉變溫度與不同固化溫度下的固化時間的關系
 

　　在本例中，制造銀芯片粘接環氧樹脂使用的固化條件處于玻璃化轉變溫度與時間的關系曲線的上升部分(初始固化過程)。在上述條件下，只要固化時間或固化溫度略有改變，就有可能導致結果發生巨大變化。
 

　　結果就是組件在引腳框架和半導體芯片之間容易發生分層故障。通過使用功率補償DSC(例如珀金埃爾默的雙爐DSC)，生成上述玻璃化轉變溫度與溫度 / 時間關系曲線，可確定佳工藝條件。使用此法，即使是高度填充銀芯片粘接環氧樹脂的玻璃化轉變也可以被檢測出。這些數據為優化制造工藝提供了極有幫助的信息。
 

　　使用DSC技術，可以將固化溫度和時間轉換至160° C和2.5小時，以此達到優化該環氧樹脂固化條件的目的。這一變化使過程穩定并獲得一致的玻璃化轉變溫度值。在珀金埃爾默，DSC不僅被用于優化工藝，而且還通過監測固化產物的玻璃化轉變溫度值，發揮質量控制工具的作用。
 

DSC 8000 差示掃描量熱儀
 

　　DSC 還可以用于確定焊料合金的熔點。用DSC分析含有3%(重量比)銅(Cu)、銀(Ag)或鉍(Bi)的錫合金。圖5中顯示的結果表明，不同成分的合金具有非常不同的熔點。含銀合金在相同濃度(3%(重量比))下熔點低。
 

圖 5. DSC：不同焊接合金在不同濕度環境下的熔點分析
 

　　熱重分析(TGA)
 

　　珀金埃爾默熱分析儀有助于設計工程師加深對材料選擇的理解。例如，珀金埃爾默TGA 8000?(圖6)可以檢測出非常小的重量變化，并可用于測量重要的材料參數，如脫氣性能和熱穩定性。這將間接影響組件的可焊性。圖7顯示了在230°C 和260° C下具有不同脫氣性能的兩種環氧樹脂封裝材料。重量損失(脫氣)程度越高，表明與引腳框架接觸的環氧樹脂密封劑的環氧—引腳框架分離概率越高。
 

圖 6. 珀金埃爾默TGA 8000
 

圖 7. TGA結果顯示兩種材料具有不同的脫氣性能
 

　　熱機械分析(TMA)
 

　　當材料經受溫度變化時，TMA可測量材料的尺寸變化。對于固化環氧樹脂體系，TMA可以輸出熱膨脹系數(CTE)和玻璃化轉變溫度。環氧樹脂的熱膨脹系數是非常重要的參數，因為細金線嵌入環氧化合物中，并且當電子元件經受反復的溫度循環時，高熱膨脹系數可能導致電線過早斷裂。不同熱膨脹系數之間的拐點可以定義為玻璃化轉變溫度(圖8)。TMA還可以用于確定塑料部件的軟化點和焊料的熔點。
 

圖 8. 顯 TMA 4000 測試的典型的 TMA 圖
 

　　動態力學分析(DMA)
 

　　選擇材料時，內部封裝應力也是關鍵信息。將DMA與 TMA技術結合，可以獲得關于散裝材料內應力的定量信息。DMA測量材料的粘彈性，并提供不同溫度下材料的模量，具體如圖9所示。當材料經歷熱轉變時，模量發生變化，使分析人員能夠輕松指出熱轉變，如玻璃化轉變溫度、結晶或熔化。
 

圖 9. DMA 8000 測試的典型的 DMA 圖
 

　　熱分析儀用于ASTM? 和IPC材料標準試驗、質量控制和材料開發。圖10顯示了一個涉及熱分析儀的IPC試驗。珀金埃爾默DMA目前已在半導體行業得到廣泛應用。
 

圖 10. DMA：顯示透明模塑化合物的內應力
 

　　熱分析儀是半導體封裝行業的重要工具。它們不僅在設計和開發階段發揮了重要作用，而且還可用于進行故障分析和質量控制。許多標準方法都對熱分析的使用進行了描述(圖11)。使用珀金埃爾默熱分析儀，用戶可以優化加工條件并選擇合適的材料以滿足性能要求，從而確保半導體企業能夠生產出高品質的產品。考慮到此類分析可以節省大量成本，熱分析儀無疑是一項“必備”試驗設備！
 

圖 11. 用于標準方法的熱分析儀