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浅说半导体封装材料

(无锡市罗特电子有限公司，江苏 无锡 214002)
摘要：本文阐述了半导体封装材料的进展情况，其中包括半导体封装材料市场在整个电子材料市场中所占的比例，以及半导体封装材料随半导体封装产业的发展所取得的研究成果。
关键词： 半导体封装材料；电子材料供应商；市场

1前言

Managing公司和Prismark公司合伙人Shiuh-kaoChiang博士于2002年在上海《SEMICOM China 2002Technical Symposium》会上发表了题为"半导体封装材料供应链"的论文(英文)。他是一位半导体封装材料的专家，毕业于台湾NationalTsingHua大学材料科学和工程系，曾获NotreDame大学金属工程学硕士、Ohio State大学陶瓷工程学博士和ClevelandState大学MBA。他在电子材料、封装和工艺领域拥有多项专利和多部(篇)学术著作和论文。

半导体封装材料是电子材料的重头戏，所占份额居首位。随着半导体器件封装的小型化、片状化、薄型化和焊球阵列化，对半导体封装材料的要求越来越高，期望半导体封装材料朝多功能化、多品种化和低价格化方向发展。
2电子材料市场

在过去20年电子工业制造业发展很快，年增长率达6％-7％，2002年全球电子工业制造业市场达1万亿美元，包括计算机、蜂窝电话、路由器、DVD、发动机控制器和起搏器等。亚洲(除日本外)是世界电子工业制造业的中心之一，它包括中国、台湾地区和韩国等，其市场约占全球电子工业制造业市场的20％，即200亿美元，其年增长率超过10％，而全球其他地区的年增长率仅为5％-6％。

电子材料市场是随着电子工业制造业市场的发展而增长，电子材料市场约占电子工业制造业市场的7％，2002年电子材料市场将达669亿美元。电子材料市场中有源器件占29％，无源器件占26％，互连衬底占15％，能量转换占14％，数据存储占8％，系统输入／输出占5％，装配、热防护层占3％。有源器件包括半导体分立器件和IC，其中，前道材料占电子材料市场的22％，达149亿美元；后道材料占7％，达45亿美元。有源器件材料中占重头的是晶圆，加工晶圆的相关晶圆的相关材料和半导体封装材料。前道材料包括Si晶圆、玻璃光掩模坯、光致抗蚀剂、湿化学试剂、其他晶圆、抗蚀剂辅助材料、化学机械抛光(CMP)材料、淀积靶、镀覆和电解质等。其中CMP和化合物半导体晶圆发展最快，年增长率超过11．7％。后道材料，即半导体封装材料，包括模塑化合物、芯片粘接、填充料、键合线和灌封料等。上述电子材料中不包括CRT玻璃壳、光学透镜、铜缆、光缆、连接和开关用聚合物、铅酸电池材料、薄板金属和包装箱等。电子材料指主要涉及发展电子工业的工程材料。
3电子材料供应商

电子材料供应商主要由日本和美国公司所霸占。欧洲只有少数的几家公司，成功的只有一家，如DELO公司。亚洲半导体封装材料供应商(除日本外)开始步人封装材料市场的大门，如Chang Chun、Eternal公司等已成为该行业的著名公司，将来有望成为重要的封装材料供应商。表1给出了全球20大电子材料供应商名单，它包括名次、销售额和所提供的电子材料。封装材料供应商常常是电子材料公司业务中的一个产品集团。表1所统计的数据是基于财政年度最终结日的兑换率，日本公司财政年度终结日为2001，3，31，其他大多数公司财政年度终结日为2000，12，31，外汇兑换率为：1美元=126．33日元1．06202欧元。

从表1可知，半导体封装材料供应商也是由少数几家公司处"统治"地位，如Ablestik公司是NationalStarch公司的一部分，它占芯片粘接市场的53％。SumitomoBakelite和NittoDenko两家公司占模塑化合物市场的60％以上。Loctite／Dexter、Sumitomo和Emerson／Cuming(Nationa lstarch公司的一部分)三家公司占灌封材料市场的60％以上。填充料由
Locfite、Shiu-Etsu和Namics公司处领先地位。Cookson／Alpha和SenjuMetals公司在焊料球市场占主导。

4半导体封装材料市场

半导体封装材料市场约占电子材料市场的6．7％，或约占有原器件材料市场的23％，即45亿美元。半导体封装材料比前道材料复杂，其多种多样性正在增加。若以每种模塑化合物的重量来考虑，2002年半导体封装材料市场分配如下：模塑化合物32．8％，引线框架27．6％，键合线15．6％，壳体或盒5．1％，芯片粘接4．1％，薄膜和带3．1％，焊料2．0％，内涂层1．9％，液灌封1．5％，LOC带1．3％，清洗焊剂1．2％，散热器1．0％，其他材料2．8％。封装中使用的衬底如模块衬底、CSP、BGA衬底均包含在电子材料市场中的互连衬底之中，从技术上讲，它们应属于半导体封装材料中，2001年全球半导体应用所消耗的衬底材料约为24亿美元，实际上薄板材料和辅助材料每年只消耗2亿美元。
5半导体封装业市场
半导体封装材料取决于半导体封装产业的发展。虽然半导体封装材料供应商由日本和美国公司霸占，但半导体封装产业都在亚洲(除日本外)，这是因为美国、日本和欧洲半导体器件制造商将半导体封装转移到发展中的国家，如亚洲各国。表2给出全球半导体封装产业市场，2001年为218亿美元，2006年将为480亿美元，几乎翻了一番多。亚洲各国占半导体封装产业市场的70％左右，目前主要是马来西亚、台湾、菲律宾、韩国和新加坡，2006年将增加中国。半导体封装产业的发展动向是：增长率12％~13％，每个封装有更多引出脚，每个引出脚需更少的材料，封装材料更复杂、更多样性。

6半导体封装材料的进展

半导体封装材料的进展之一是封装材料功能的多种多样，并正在增加，这可从一个简单的引线框架封装与倒装芯片球陈列封装比较中看出。前者除si以外由如下4种材料组成：引线框架、芯片粘接、键合线和模塑化合物。相反，后者要求有两倍以上的封装材料品种，如衬底、焊接掩模、焊球、填充料、再分布介质、高引出突起、热分流器和热界面材料等。这样一来就使半导体封装材料供应链变得复杂化。2002年，陈列封装只占所有材料的6．2％，2006年将上升至15．9％。目前有两大因素对半导体封装材料供应链有冲击，一是封装体积的不断缩小，二是封装材料复杂性的不断增加。28引出脚器件采用通用的28个引出脚，目前，全部IC封装的23％处于17-28引出脚。但是，28引出脚封装的体积与外形也在变化，表3给出28引出脚器件，28引出脚器件正在从DIP向PLCC、SO和TSSOP过渡，如TSSOP使用的模塑化合物降低至DIP所需重量的2％，也就是说，每个封装器件所需要的模塑化合物将越来越少，这无疑对封装材料供应商是一个致命的打击。但是，有三个因素支撑着封装材料的发展，一是封装材料的附加复杂性，在某个时期内可提高销售价格，二是封装产业每年有12％的基本增长，三是每种封装的引出脚不断增长。20年前，28引出脚是半导体器件的前沿主流，今日它将被256引出脚器件所替代。目前，256引出脚器件只占全部IC的4％。在最密集结构中，256引出脚封装所消耗的封装材料要比较小的28引出脚TSSOP还要多。表4给出256引出脚器件。引出脚边缘低的器件(28引出脚TSSOP)和引出脚边缘高的器件(256引出脚0．8mmBGA)的每个引出脚都使用同样材料的总量，恰好是小于2毫克的模塑化合物。

DIP和通过空穴封装是IC产业最老的封装工艺，它采用较低性能的模塑化合物，目前DIP仅限于低端应用之中。环氧树脂、甲氧甲酚、线性酚醛清漆(ECN)是最基本、最基础的树脂。ECN是价格最低的树脂，每公斤平均价格为4~5美元。石英玻璃(含一种非晶结构的角粒子)是最基本的填充料，每公斤平均价格为2美元。所以，DIP模塑化合物每公斤最终销售价为7~9美元。

PLCC、QFP等表面安装IC封装采用EMC树脂，EMC树脂采用先进的ECN／OCN树脂或双环戊二烯树脂(DCPD)，它与ECN树脂相比具有较好的湿电阻和较低的应力。EMC树脂每公斤价格接近6-8美元，比DCPD价格略高些。球状硅石也是一种填充料，它是可熔化的，它与石英玻璃相反，是含球粒子，所以它可与石英玻璃混合作为填充料使用。球状硅石在基本树脂中允许紧密封装，所以每单位体积能添加更多的填充料，并具有较好的湿电阻。球状硅石的价格随所采用的比例和等级而变化。其每公斤典型价格为2~3美元。所以表面安装封装的模塑化合物最终销售价每公斤为8~12美元。

薄型表面安装封装和陈列封装采用的模塑化合物是最先进的树脂，它是基于联苯和多功能环氧树脂，每公斤价格为12~14美元。混合的球状硅石填充料每公斤平均价格为3-4美元。所以BGA封装所用的模塑化合物每公斤平均价格为18~20美元，它是最贵的一种模塑化合物。

由于半导体器件封装的小型化、片状化、薄型化和球陈列化，每个器件所用的封装材料越来越少，使封装材料供应商陷入困境，迫使封装材料供应商采用更先进的技术生产先进的封装材料，期望这种先进的封装材料价格比低技术的封装材料有一个好的价格，领导封装材料的许多大公司已经开始这样做了，或许明天会给他们带来赢利