塑封对叠层固体铝电解电容器性能的影响
半导体封装工程师之家 2022-11-10

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王国平

(福建国光电子科技股份有限公司)

 

摘 要 :

 

塑封工序中塑封材料和注塑压强是影响叠层固体铝电解电容器的两个主要因素。具有柔性好(韧性强度好)的塑封料,流动长度长,与芯片摩擦力小,高温(140-195 度之间)黏度小以及固化收缩率小的高纯度塑封料将对芯子产生更小的冲击力。在一定注塑压强范围内,注塑压强越小,产品漏电流合格率越高, ESR 也越小。

 

电子元件的封装就是把构成电力、电子元件或集成电路的各个部件按规定的要求合理布置、组装、键合、连接、与环境隔离和保护等操作工艺,以防止水分、尘埃及有害气体对元件或集成电路的侵入, 减缓震动, 防止外力损伤和稳定元件参数。按封装材料的不同可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装,现有叠层固态铝电解电容器的封装基本上采用塑料封装。

 

上述所提到的封装作用是封装完成后才具有的保护效果;事实上,在封装的过程中封装条件,封装材料以及封装模式会对芯子造成冲击。以塑封为例,塑封料在填充模具型腔的过程中以及塑封料在固化的过程中会对芯子造成挤压,此外塑封料必须在高温下才能流动并填充模具,因此芯子会受到挤压应力和高温的双重冲击;对于叠层固体铝电解电容器产品,冲击主要表现为经过塑封后大部分产品的漏电流急剧变大。

 

塑封这道工序中会影响叠层固体铝电解电容器性能的主要因素有:(1)塑封模式;(2)塑封材料;(3)注塑压强;(4)模具温度。

 

1 塑封模式对叠层固体铝电解电容器性能的影响:

 

按照塑封材料的状态可以将其分为液体封装和固体封装,液体封装的优缺点非常明显,优点在于其可以通过较低的压强和较低的温度完成对芯子的封装,因此对芯子的冲击较小;缺点在于其塑封料在常温下为液态,玻璃化转变温度较低,塑封料耐热性能较差,塑封料机械强度不高,无法通过表面贴装技术(SMT)。因此,固体铝电解电容器基本采用固体封装。

 

2 塑封材料对叠层固体铝电解电容器性能的影响:

 

电子材料是微电子工业和技术发展的基础,随着IC 封装技术的发展,对材料特性的要求也愈来愈严格,也顺势带动了封装材料的发展。环氧塑封料(EMC)是IC后道封装三大主材料之一,用环氧塑封料封装超大规模集成电路在国内外已成为主流,目前95 %以上的微电子器件都是塑封器件,环氧塑封料越来越显示出其在集成电路封装市场上的重要地位和价值。

 

在塑封的过程中,塑封料先软化流动填充模具并同时进行固化完成对芯子的封装。因此塑封料在流动接触到芯子的过程以及塑封料在固化的时候会对芯子产生挤压;具有柔性好(韧性强度好)的塑封料,流动长度长,与芯片摩擦力小,高温(140-195 度之间)黏度小以及固化收缩率小的高纯度塑封料将对芯子产生更小的冲击力。表现出产品的漏电流合格率较高,产品的 ESR 值较小。表 1 是四种不同塑封料在相同的塑封条件下对固体电解电容器性能的影响。

 

从上表的对比可以看出,不同的塑封料对电容器的影响主要体现在漏电流合格率和 ESR 方面, 而电容器的真实容量与塑封料没有关系。模塑料 A 包封出来的产品其漏电流合格率最高, ESR 最小, 其在塑封时对产品的伤害最小。

 

3 注塑压强对叠层固体铝电解电容器性能的影响:

 

塑封料除了自身有一定的高温流动性之外,还需要借助外力才能充满整个模具并最终完成对芯片的完整封装;注塑压强过大或过小,对于叠层固体铝电解电容器都不大合适。如果注塑压强过小,则会出现注不满,塑封料不够致密,与框架黏结性差,易发生吸湿腐蚀等缺陷,从而影响产品的可靠性,降低产品的使用寿命;如果注塑压强过大,则塑封料与芯片之间的挤压磨擦过大,会对产品造成较大的冲击,内应力过大,塑封料容易开裂,叠层固体铝电解电容器漏电流会急剧变大,损耗和 ESR 也会随之变大,产品的考核性能也会较差。注塑压强主要影响产品的漏电流合格率以及稳定性能。

 

图 1 是四种不同塑封料塑封的产品漏电流合格率与注塑压强的关系图。从图中可以看出, 对于四种不同的塑封料,其漏电流合格率随注塑压强的变化趋势是一样的;注塑压强变大漏电流合格率呈逐渐变小的趋势, 而当注塑压强变大到一定程度时, 注塑压强的变大将不再影响产品的漏电流合格率。同样,并不是注塑压强越小,其漏电流合格率越高,而只有在一定的注塑压强范围内,该结论才能成立;因为漏电流合格率还与塑封料的固化挤压冲击密切相关,这点从图中也可以明显看出,表现为当注塑压强降低到一定程度时,漏电流合格率不再提高; 此时, 塑封料的固化挤压对电容器的漏电流合格率起主导作用。

 

于注塑压强的大小直接影响到塑封料的致密程度,因此注塑压强会影响产品在稳态湿热考核时的性能,尤其是漏电流合格率。从表 2 可以看出, 不同的塑封料, 注塑压强与稳态湿热考核漏电流合格率的变化规律是一样的。注塑压强越大,塑封料越致密, 产品在稳态湿热考核时水蒸气就越难进入塑封料内部,从而对芯子的腐蚀也越小,产品的漏电流合格率越高。

 

此外, 注塑压强的具体数值与具体塑封料, 模具温度以及塑封的完整性相关。

 

4 模具温度对叠层固体铝电解电容器性能的影响:

 

模具温度控制在略高于塑封料玻璃化温度时,能获得较理想的流动性。由于受塑封料软化温度的限制,模具的温度一般在 140-195 度之间,温度过低,容易产生粘模影响正常生产;温度过高,塑封料固化过快,内应力增大,与引线框架粘接力下降。同时,固化过快也会使模具填充不满,芯子可能会在高温下脱层起翘。由于芯片在模具的时间较短(约2 分钟),140-195 度之间的高温本身对叠层固体铝电解电容器的性能影响几乎可以忽略。但是,模具的温度会影响到塑封料的黏度以及固化速度,从而影响塑封料与芯片的磨擦与挤压;温度越高,塑封料起始黏度越小,但是也越容易固化,导致接触到芯片时黏度有可能更大,两种作用交叠影响,因此模具温度在 140-195 度之间对叠层固体铝电解电容器性能影响很小,模具温度的具体数值与注塑压强, 具体塑封料以及塑封的完整性密切相关。

 

5 结论

 

塑封这道工序中塑封料材料和注塑压强两者是影响叠层固体铝电解电容器性能的最主要因素。具有柔性好(韧性强度好)的塑封料,流动长度长,与芯片摩擦力小,高温(140-195 度之间)黏度小以及固化收缩率小的高纯度塑封料将对芯子产生更小的冲击力。表现出产品的漏电流合格率较高,产品的 ESR 值较小。注塑压强过大或过小,对于叠层固体铝电解电容器都不大合适。如果注塑压强过小,则会出现注不满,塑封料不够致密,与框架黏结性差,易发生吸湿腐蚀等缺陷,从而影响产品的可靠性,降低产品的使用寿命;如果注塑压强过大,则塑封料与芯片之间的挤压磨擦过大,会对产品造成较大的冲击,内应力过大,塑封料容易开裂,叠层固体铝电解电容器漏电流会急剧变大,损耗和 ESR 也会随之变大,产品的考核性能也会较差。通常,为了获得较高的 LC 合格率而采用较低的注塑压强,但是,并不是注塑压强越小,其漏电流合格率越高,而只有在一定的注塑压强范围内,该结论才能成立;对于叠层固体铝电解电容器,注塑压强在 15 kg/cm2 —40 kg/cm 2 比较合适,注塑压强的具体数值与具体塑封料,模具温度以及塑封的完整性相关。


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