国产环氧塑封料如何打破外资垄断,重塑半导体封装未来?

芯片迷不休息 2024-08-31 08:21:01
失效分析 赵工 半导体工程师 2024年08月30日 08:19 北京半导体产业作为信息技术的基石,在科技高速发展的今天愈发关键。其中,半导体封装作为制造工艺的重要环节,直接关系到芯片功能的实现与器件系统的稳定运行。而环氧塑封料,作为封装产业链的核心上游材料,对于半导体封装过程具有举足轻重的作用,是确保封装质量与技术性能的关键要素。

根据 Gartner 2022年的统计数据,封装环节的价值占整个半导体封测部分的 80% - 85%。90% 以上的集成电路均采用环氧塑封料作为包封材料,其下游终端应用广泛,包括消费电子、光伏、汽车电子、工业应用和物联网等领域。由此可见,环氧塑封料的性能和质量直接影响着半导体封装的效果和可靠性,进而影响整个半导体产业的发展。

环氧塑封料技术门槛高,需要根据封装形式的演进而进行定制化开发,故业界称为 “一代封装、一代材料”。先进封装所呈现出的高集成度、多功能、复杂度高等特点,对环氧塑封料提出了更高的性能要求。因此,研发高性能的环氧塑封料,打破外资垄断,实现国产替代,对于重塑半导体封装未来具有重要的战略意义。

环氧塑封料的市场现状

根据市场研究机构 Mordor Intelligence 的数据,2021 年全球环氧塑封料市场规模约为 74 亿美元,预计到 2027 年有望增长至 99 亿美元,年均复合增长率 5.0%。随着全球半导体产业的持续发展和集成电路封装技术的不断进步,环氧塑封料的市场需求将持续增长。

表:全球环氧塑料封料市场规模(亿美元)来源:海通国际

目前世界上环氧塑封料的供应商主要集中在日本、韩国、中国。高端环氧塑封料的供应商主要是日本和韩国的公司,如日本住友(Sumitomo)和日立化成(Hitachi Chemical)等。国内主要供应商有江苏中鹏新材料股份有限公司、江苏华海诚科新材料股份有限公司、天津凯华绝缘材料有限公司、衡所华威电子有限公司、江苏中科科化新材料股份有限公司、长兴电子材料 (昆山) 有限公司等。

图:日本住友电木环氧塑料业务的战略产品 来源:海通国际

由于国外环氧塑封料起步比较早,技术比较成熟,因此进口的环氧塑封料占据了国内大部分的中高端市场。据未来半导体统计,住友电木占据了环氧塑封料市场 40% 的份额,其次为 Resonac,两者均为日系环氧塑封料厂商,合计产能超过 10 万吨,占据了全球环氧塑封料市场的主要份额。目前国产环氧塑封料(包含台资厂商)市场占比约为 30% 左右,国内环氧塑封料生产企业(包含台资厂商)年产能超过 14 万吨,产能约为全球产能的 35%,现已成为世界上最大的环氧塑封材料以及封装填料生产基地。

环氧塑封料的类别和材料特性

环氧塑封料按照封装形式不同可以划分为两大类:分立器件用环氧塑封料、集成电路用环氧塑封料。部分环氧塑封料既可封装分立器件,也可封装中小规模集成电路,它们之间没有明确的界限。

不同环氧塑封料的制造流程基本相同,只有压塑封装用环氧塑封料不需要预成型打饼,而需要控制粉碎粒径,用户直接使用颗粒料进行封装。制造流程包括原材料预处理、称量、混合、混炼交联反应、压延、冷却、粉碎、预成型(部分产品不需要)等环节。

图:环氧塑封料

环氧塑封料需要满足热膨胀系数低、导热性好、气密性好、化学稳定性好、具有耐酸碱、耐高湿、耐高温的性能、良好的机械强度、良好的加工成型性能等基本要求。此外,圆片级封装对环氧塑封料的关键技术要求主要有填料粒径较小(<75μm)、翘曲小、无空洞、无流痕等。

为了消除封装元器件的缺陷和失效,必须采用相应的方法来降低塑封料的内应力。目前降低塑封料的内应力的方法主要有以下两种:一是在塑封料中添加应力改性剂,所用应力改性剂多为硅橡胶或有机硅,应力改性剂可以与树脂形成海岛结构或直接与树脂反应,形成微细的均匀分散体系,从而吸收塑封料的应力,达到降低应力的目的;二是降低塑封料的热膨胀系数,主要方法有提高填料的含量和使用新型的树脂体系。

介电性能是表征环氧塑封料绝缘性能的重要参数之一,为保证精细线路在尺寸缩小的情况下,仍然具有良好的电学性能,必须采用低介电常数的环氧塑封料。目前低介电常数的环氧塑封料主要是采用低介电常数型基体树脂(如聚双环戊二烯环氧树脂),或低介电常数型填料来制造的,其中控制原材料的纯度至关重要。一般情况下,随着硅微粉的填充,环氧塑封料的介电性能得到改善,细颗粒填充体系要比粗颗粒填充体系的介电常数低。

来源:半导体材料与工艺设备

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