框架載片臺(tái)打凹深度對(duì)塑封針孔的影響

石海忠，陳巧鳳，朱錦輝，賈紅梅

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

1 引言

多年來(lái)在產(chǎn)品塑封過(guò)程中時(shí)有發(fā)生塑封體背面針孔的情況，一般通過(guò)調(diào)整塑封工藝參數(shù)等可以較快得到有效解決，但是隨著圓片制造技術(shù)的迅猛發(fā)展以及市場(chǎng)對(duì)低成本化的強(qiáng)烈需求，封裝中所用芯片尺寸越來(lái)越小、小芯片品種越來(lái)越多，在塑封過(guò)程中也容易產(chǎn)生塑封體背面針孔問(wèn)題，使用常規(guī)改善方法效果不明顯，且存在塑封效率下降的情況。本文通過(guò)分析此種情況下針孔發(fā)生的原理，在基本不大調(diào)整塑封工藝參數(shù)的前提下，從引線框架、載片臺(tái)、打凹深度方面進(jìn)行一些調(diào)整和優(yōu)化，通過(guò)一系列試驗(yàn)和驗(yàn)證，有效解決小芯片塑封過(guò)程中容易產(chǎn)生塑封體背面針孔的問(wèn)題。

2 封裝工藝描述

2.1 框架的應(yīng)用

框架類(lèi)集成電路封裝工藝中首先需將單個(gè)或多個(gè)芯片粘結(jié)在框架的載片臺(tái)上，經(jīng)過(guò)高溫或其他類(lèi)似工藝將芯片固定在載片臺(tái)上，然后通過(guò)鍵合焊接工藝將芯片和框架內(nèi)引線通過(guò)金屬導(dǎo)線有效連接以來(lái)，再使用樹(shù)脂在一定的塑封工藝條件下將內(nèi)部引線、導(dǎo)線、芯片完全密封起來(lái)，從而達(dá)到使用的高可靠性；后續(xù)再通過(guò)去飛邊、電鍍、打印、成形等工序?qū)a(chǎn)品從框架上分離成單個(gè)成品。

封裝中使用的金屬框架載片臺(tái)一般均需要打凹成一定的深度，深度值主要考慮塑封后塑封體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡（框架、芯片、塑封料）以及芯片的厚度、鍵合絲的弧高和長(zhǎng)度、樹(shù)脂的流動(dòng)平衡、激光打印的安全深度等。

2.2 塑封工藝

鍵合后產(chǎn)品使用樹(shù)脂經(jīng)過(guò)加熱液化，通過(guò)一定的壓力、速度、時(shí)間等在塑封模具的型腔內(nèi)形成包封、固化過(guò)程，但有時(shí)因各種原因產(chǎn)生塑封體外觀不良，如針孔、填充不足、花斑等。特別在半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展的新形勢(shì)下，尺寸趨小化的芯片極易引起圖1所示塑封體背面針孔的問(wèn)題，且有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。

圖1 塑封體背面針孔

2.3 針孔發(fā)生狀況原理分析

在芯片尺寸小于1.0mm×1.0mm、芯片尺寸和載片臺(tái)尺寸之間懸殊比較大的情況下，不同的塑封料型號(hào)、綠色和普通塑封料之間、產(chǎn)品距離注塑口位置的遠(yuǎn)近等，塑封體背面針孔發(fā)生率比例各不相同，最嚴(yán)重時(shí)發(fā)生比例高達(dá)50%?；沮厔?shì)為芯片越小越嚴(yán)重，載片臺(tái)尺寸越大越嚴(yán)重，綠色樹(shù)脂比普通樹(shù)脂更嚴(yán)重，距離注塑口越遠(yuǎn)發(fā)生的比例越高，而且針孔位置主要集中在塑封體背面。

塑封模具在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了框架打凹深度、芯片尺寸、塑封料流動(dòng)性等對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)性的影響，上模腔樹(shù)脂的流動(dòng)速度與下模腔是基本相同的，但是當(dāng)芯片尺寸急劇減小的情況下，小芯片對(duì)樹(shù)脂的流動(dòng)阻力大大減小，這樣上模腔樹(shù)脂的流動(dòng)速度相對(duì)正常情況下明顯加快，下模腔空間內(nèi)沒(méi)有變化（有的外形可能有頂桿），而樹(shù)脂流動(dòng)速度維持正常速度，導(dǎo)致上模腔內(nèi)樹(shù)脂提前到達(dá)排氣孔位置并堵住排氣孔，將模腔內(nèi)空氣繼續(xù)推進(jìn)到下模腔內(nèi)并跟下模腔內(nèi)樹(shù)脂匯合、擠壓空氣，在塑封體背面形成較多大小不一的針孔，其原理見(jiàn)圖2。

圖2 小芯片塑封時(shí)針孔發(fā)生原理示意圖

為了驗(yàn)證小芯片塑封時(shí)是否存在上下模腔內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)速度的差異，使用半模試驗(yàn)進(jìn)行注塑（使用少于正常用量的樹(shù)脂），明顯發(fā)現(xiàn)塑封體背面有大針孔或填充不足（見(jiàn)圖3），塑封體正面正常，且靠近排氣孔的塑封體背面明顯疏松，表明上模腔內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)速度明顯快于下模腔，但由于樹(shù)脂不足造成大針孔或疏松。

圖3 小芯片引起塑封體背面的大針孔或填充不足

3 改善針孔高發(fā)生率的試驗(yàn)及優(yōu)化

3.1 塑封工藝參數(shù)及材料的調(diào)整

經(jīng)過(guò)以上分析，我們需采取使上下模腔內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)速度達(dá)到平衡并重新匯合到排氣孔位置的解決方案。

首先通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化塑封工藝參數(shù)，甚至包括模具的定期清洗、清模方法優(yōu)化等，有一定改善效果并降低了針孔發(fā)生率，但是針孔發(fā)生率仍然比較高且不太穩(wěn)定，達(dá)不到正常合格率控制目標(biāo)要求，而且延長(zhǎng)了塑封時(shí)間，降低了塑封的生產(chǎn)效率，此方法不可取。

其次想到更改塑封料型號(hào)、配方、特性等，事先進(jìn)行的試驗(yàn)表明有明顯的改善效果，但涉及核心封裝材料的變更或調(diào)整，產(chǎn)品需要重新進(jìn)行工藝驗(yàn)證、可靠性考核，甚至需要通知客戶并得到批準(zhǔn)，解決問(wèn)題的周期將非常長(zhǎng)，此方法不能讓各方滿意。

3.2 框架載片臺(tái)縮小

載片臺(tái)縮小對(duì)改善針孔的效果非常明顯，同時(shí)對(duì)鍵合絲縮短、變形、載片臺(tái)分層也有好處，但只能適合沒(méi)有散熱要求的IC產(chǎn)品，同時(shí)要求芯片尺寸相對(duì)固定或變動(dòng)范圍比較小，框架模具及鍵合夾具要重新加工，累計(jì)投入的費(fèi)用比較高；針對(duì)有散熱要求的IC產(chǎn)品或MOSFET等中小功率產(chǎn)品受到一定的限制，即載片臺(tái)尺寸不能減小或不能減小太多，否則影響產(chǎn)品的正常散熱。

3.3 載片臺(tái)打凹深度的調(diào)整和優(yōu)化

最后重新全面分析了針孔發(fā)生原理和影響上下模腔樹(shù)脂流動(dòng)速度的因素，只有框架載片臺(tái)打凹深度的變化是否對(duì)針孔發(fā)生率的影響沒(méi)有試驗(yàn)，從理論上分析減小框架載片臺(tái)打凹深度可以適當(dāng)增加下模空間，從而使下模腔內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)速度適當(dāng)加快從而跟上模腔內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)速度一致（即達(dá)到流動(dòng)平衡），在排氣孔位置匯合而使模腔內(nèi)空氣從排氣孔一側(cè)排出，達(dá)到減少針孔高發(fā)生率的目的。

載片臺(tái)打凹深度減小多少合適，太淺很容易使金絲露出上塑封體，同時(shí)要求提升弧高控制能力，影響塑封體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡；所以必須通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化載片臺(tái)打凹深度值，載片臺(tái)打凹深度最大值就取目前值，載片臺(tái)打凹深度最小值根據(jù)裝片膠厚度最大值、芯片厚度、金絲弧高最大值、激光打印深度安全值確定，然后請(qǐng)框架供應(yīng)商在載片臺(tái)打凹深度最大值和最小值之間分四個(gè)檔次提供不同深度的框架樣品A1、A2、A3、A4，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同樹(shù)脂與不同載片臺(tái)打凹深度值試驗(yàn)的針孔發(fā)生率

從表1結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種類(lèi)型的樹(shù)脂在載片臺(tái)打凹深度值從5.5mil～4.5mil之間的針孔發(fā)生率發(fā)生了質(zhì)的變化，后續(xù)又追加了載片臺(tái)打凹深度值5mil的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同樹(shù)脂與載片臺(tái)打凹深度5mil值時(shí)的針孔發(fā)生率

4 更全面的試驗(yàn)驗(yàn)證

載片臺(tái)打凹深度越小雖然對(duì)改善針孔越有效果，但對(duì)塑封體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響越大，特別是大外形產(chǎn)品，所以在有效改善針孔的前提下，綜合封裝工藝將打凹深度優(yōu)化到合理值，同時(shí)現(xiàn)在芯片厚度減薄能力和裝片能力均有大幅提升，在載片臺(tái)打凹深度減小后可以適當(dāng)降低芯片的厚度，以達(dá)到塑封體內(nèi)部結(jié)構(gòu)各方面最佳組合和應(yīng)力平衡。

小芯片使用載片臺(tái)打凹深度優(yōu)化后的框架解決了針孔高發(fā)生率的問(wèn)題，但是優(yōu)化后的框架用于大芯片是否會(huì)將針孔反包在塑封體正面，后續(xù)的試驗(yàn)和塑封工藝參數(shù)的再次確認(rèn)可以達(dá)到兼容大小芯片和優(yōu)化后框架，避免了大芯片使用載片臺(tái)打凹深度深的框架，小芯片使用載片臺(tái)打凹深度淺的框架，簡(jiǎn)化了框架采購(gòu)和生產(chǎn)管理。后續(xù)的內(nèi)部分層評(píng)估、可靠性評(píng)價(jià)、小批量、批量生產(chǎn)投產(chǎn)等均再次驗(yàn)證了小芯片產(chǎn)品使用優(yōu)化后的框架再也沒(méi)有出現(xiàn)塑封體背面針孔的現(xiàn)象以及其他相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題。

5 結(jié)論

針對(duì)目前一些客戶的小芯片封裝要求居多但又有一定的中大芯片尺寸、且有一定散熱要求的產(chǎn)品（如MOSFET等），調(diào)整和優(yōu)化載片臺(tái)打凹深度是一個(gè)最適合解決塑封體背面針孔的方案，可以采用兼容的塑封工藝，不降低塑封效率，不降低外觀合格率；只需對(duì)框架打凹小模具、鍵合夾具進(jìn)行改造且費(fèi)用比較低，但解決塑封體背面針孔的效果非常明顯，過(guò)程控制簡(jiǎn)單、方便、有效。此封裝工藝的提升有力地支持小芯片封裝需求，以整體降低集成電路的有效成本，增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力。

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