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微电子封装用球形硅微粉


球形硅微粉的应用领域非常广,用作电子封装材料是其应用领域的第一大市场。

电子封装是集成电路的支撑业,随着大规模及超大规模集成电路的发展,集成电路越来越精细,对封装材料的要求越来越高,封装形式不断优化与更新。

电子封装的3大主材料是基板材料、塑封材料和引线框架及焊料。塑料封装由于其成本低廉、工艺简单,并适于大批量生产,自诞生起便得到了快速发展,在封装中所占份额越来越大,当前塑料封装在世界范围内占集成电路市场的95%以上。在塑封料中,环氧塑封料(EMC)是国内外集成电路封装的主流,95%以上的微电子元件采用环氧塑封。

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在微电子封装中,主要要求集成电路封装后高耐潮、低应力、低α射线,耐浸焊和回流焊,塑封性能工艺好。针对此,环氧塑封料必须在树脂基体里掺杂无机填料,当前使用的无机填料几乎都是石英微粉(二氧化硅微粉)。随着微电子工业的迅速发展,大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求越来越高,石英粉作为EMC的重要支撑材料,不仅要求其粒度符合封装的特定范围,而且还要求其纯度高、放射性元素含量低,特别是对于颗粒形状提出了球形化要求。


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球形硅微粉不但形状好,而且化学纯度高、放射性元素含量低,能满足高端集成电路的各项技术要求,其应用能极大地降低塑封料的热膨胀系数、降低其介电常数、减少应力,极大地增强制品的刚性、耐磨性、耐候性、抗冲击性、抗压性、抗拉性、耐潮性、耐燃性,使制品具有良好的耐电弧绝缘特性和抗紫外线辐射等,已成为电子封装不可或缺的关键材料。球形石英粉除主要用于电子封装领域外,还可广泛用于电子油墨、光导纤维、高档化妆品、高级精密陶瓷的制造,光学器件及电子元件的精密研磨,以及用作特种油漆涂料的填料等。


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硅微粉可分为结晶型和无定型两大类。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脚,再用环氧塑封料封装而成。微电子封装领域主要用无定型或者说是融凝态硅微粉,尺寸在微米量级,根据其形状,融凝态硅微粉又可进一步分为角形硅微粉和球形硅微粉两种。


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随着大规模、超大规模集成电路的发展,集成度越高,要求环氧塑封料中的硅微粉纯度越高,颗粒越细,球形化越好,特别对其颗粒形状提出了球形化要求。大规模集成电路中应部分使用球形硅微粉,超大规模和特大规模集成电路中,集成度达到8M以上时,必须全部使用球形硅微粉。这是因为:
(1)球的表面流动性好,与树脂搅拌成膜均匀,树脂添加量小,粉的填充量可达到很高,质量比可达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。
(2)球形化形成的塑封料应力集中最小,强度很高,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。
(3)球形粉摩擦系数小,对模具的磨损小,与角形粉相比,模具的使用寿命可提高一倍,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。


硅微粉球形化的制备
目前世界上对粉体球形化研究成功的国家是日本,他们已大批量地投入生产并运用到航天、超大屏幕电子显像和大规模集成电路中,而我国对此项技术的研究才刚起步。
国外球形硅微粉的制备通常采用二氧化硅高温熔融喷射法、在液相中控制正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法等,但由于工艺复杂,这些方法国内还只停留在实验室阶段,有较大的技术难度,这是国内至今还不能生产出高质量球形硅微粉的重要原因之一。


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球形化的原理可分为干法和湿法两种:
(1)化学性的湿法。让含硅化合物在溶液中反应,通过各种手段控制均匀的生长速率,使反应产物尽量均匀地向各个方向生长,终获得球形产物。
(2)物理性的干法。根据固体热力学的原理,高温颗粒的尖角部位容易最早出现液相以及在气液固三相界面上液相表面张力较大、自动平滑成球体的现象来完成球化过程。
具体的工艺方法为以下几种:
①正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法;
①正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法;
②有机硅或硅酸盐制成二氧化硅溶胶-凝胶后灼烧法;
③二氧化硅高温熔融喷射法;
④乙炔、氢气等气体燃烧火焰作热源熔融法;
⑤等离子体高温场作热源熔融法。
前二种为化学湿法,用化学法生产的球形硅微粉,其球形度、球化率、无定形率都可达到100%,并且可以达到很低的放射性指标,但因其容积密度较低,当完全用此种球形粉制成环氧树脂塑封料,其塑封料块的密实性能、强度和线性膨胀率等受其影响,故实际使用中其最多只能加40%。


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