半導(dǎo)體業(yè)務(wù)中的典型供應(yīng)鏈， 顯示了需要材料表征、材料選擇、質(zhì)量控制、工藝優(yōu)化和失效分析的不同工藝步驟
熱分析在半導(dǎo)體封裝行業(yè)中有不同的應(yīng)用。使用的封裝材料通常是環(huán)氧基化合物(環(huán)氧樹(shù)脂模塑化合物、底部填充環(huán)氧樹(shù)脂、銀芯片粘接環(huán)氧樹(shù)脂、圓頂封裝環(huán)氧樹(shù)脂等)。具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性以及良好戶外性能的環(huán)氧樹(shù)脂非常適合此類應(yīng)用。固化和流變特性對(duì)于確保所生產(chǎn)組件工藝和質(zhì)量保持一致具有重要意義。
通常，工程師將面臨以下問(wèn)題：
特定化合物的工藝窗口是什么？
如何控制這個(gè)過(guò)程？
優(yōu)化的固化條件是什么？
如何縮短循環(huán)時(shí)間？
珀金埃爾默熱分析儀的廣泛應(yīng)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(xiàng)技術(shù)適合分析環(huán)氧樹(shù)脂的熱性能，如圖1所示。測(cè)量提供了關(guān)于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、固化反應(yīng)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(huán)氧化合物的固化特征
DSC可用于顯示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因?yàn)樗诮o定溫度下隨固化時(shí)間(圖2)的變化而變化。
圖 2. DSC 曲線顯示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是衡量環(huán)氧化合物交聯(lián)密度的良好指標(biāo)。事實(shí)上，過(guò)程工程師可以通過(guò)繪制玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與不同固化溫度下固化時(shí)間的關(guān)系圖來(lái)確定適合特定環(huán)氧化合物的工藝窗口(圖3)。
圖 3. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與不同固化溫度下的固化時(shí)間的關(guān)系
如果工藝工程師沒(méi)有測(cè)試這些數(shù)據(jù)，則生產(chǎn)過(guò)程通常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低下，如圖4所示。
圖 4. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與不同固化溫度下的固化時(shí)間的關(guān)系
在本例中，制造銀芯片粘接環(huán)氧樹(shù)脂使用的固化條件處于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線的上升部分(初始固化過(guò)程)。在上述條件下，只要固化時(shí)間或固化溫度略有改變，就有可能導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生巨大變化。
結(jié)果就是組件在引腳框架和半導(dǎo)體芯片之間容易發(fā)生分層故障。通過(guò)使用功率補(bǔ)償DSC(例如珀金埃爾默的雙爐DSC)，生成上述玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與溫度 / 時(shí)間關(guān)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(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變也可以被檢測(cè)出。這些數(shù)據(jù)為優(yōu)化制造工藝提供了極有幫助的信息。
使用DSC技術(shù)，可以將固化溫度和時(shí)間轉(zhuǎn)換至160° C和2.5小時(shí)，以此達(dá)到優(yōu)化該環(huán)氧樹(shù)脂固化條件的目的。這一變化使過(guò)程穩(wěn)定并獲得一致的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值。在珀金埃爾默，DSC不僅被用于優(yōu)化工藝，而且還通過(guò)監(jiān)測(cè)固化產(chǎn)物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值，發(fā)揮質(zhì)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(diǎn)。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(jié)果表明，不同成分的合金具有非常不同的熔點(diǎn)。含銀合金在相同濃度(3%(重量比))下熔點(diǎn)低。
圖 5. DSC：不同焊接合金在不同濕度環(huán)境下的熔點(diǎn)分析
熱重分析(TGA)
珀金埃爾默熱分析儀有助于設(shè)計(jì)工程師加深對(duì)材料選擇的理解。例如，珀金埃爾默TGA 8000®(圖6)可以檢測(cè)出非常小的重量變化，并可用于測(cè)量重要的材料參數(shù)，如脫氣性能和熱穩(wěn)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(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂密封劑的環(huán)氧—引腳框架分離概率越高。
圖 6. 珀金埃爾默TGA 8000
圖 7. TGA結(jié)果顯示兩種材料具有不同的脫氣性能
熱機(jī)械分析(TMA)
當(dāng)材料經(jīng)受溫度變化時(shí)，TMA可測(cè)量材料的尺寸變化。對(duì)于固化環(huán)氧樹(shù)脂體系，TMA可以輸出熱膨脹系數(shù)(CTE)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)是非常重要的參數(shù)，因?yàn)榧?xì)金線嵌入環(huán)氧化合物中，并且當(dāng)電子元件經(jīng)受反復(fù)的溫度循環(huán)時(shí)，高熱膨脹系數(shù)可能導(dǎo)致電線過(guò)早斷裂。不同熱膨脹系數(shù)之間的拐點(diǎn)可以定義為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(圖8)。TMA還可以用于確定塑料部件的軟化點(diǎn)和焊料的熔點(diǎn)。
圖 8. 顯 TMA 4000 測(cè)試的典型的 TMA 圖
動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)
選擇材料時(shí)，內(nèi)部封裝應(yīng)力也是關(guān)鍵信息。將DMA與 TMA技術(shù)結(jié)合，可以獲得關(guān)于散裝材料內(nèi)應(yīng)力的定量信息。DMA測(cè)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(dāng)材料經(jīng)歷熱轉(zhuǎn)變時(shí)，模量發(fā)生變化，使分析人員能夠輕松指出熱轉(zhuǎn)變，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶或熔化。
圖 9. DMA 8000 測(cè)試的典型的 DMA 圖
熱分析儀用于ASTM® 和IPC材料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)、質(zhì)量控制和材料開(kāi)發(fā)。圖10顯示了一個(gè)涉及熱分析儀的IPC試驗(yàn)。珀金埃爾默DMA目前已在半導(dǎo)體行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
圖 10. DMA：顯示透明模塑化合物的內(nèi)應(yīng)力
熱分析儀是半導(dǎo)體封裝行業(yè)的重要工具。它們不僅在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段發(fā)揮了重要作用，而且還可用于進(jìn)行故障分析和質(zhì)量控制。許多標(biāo)準(zhǔn)方法都對(duì)熱分析的使用進(jìn)行了描述(圖11)。使用珀金埃爾默熱分析儀，用戶可以優(yōu)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(dǎo)體企業(yè)能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品?？紤]到此類分析可以節(jié)省大量成本，熱分析儀無(wú)疑是一項(xiàng)“*”試驗(yàn)設(shè)備！
圖 11. 用于標(biāo)準(zhǔn)方法的熱分析儀
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