引線框氧化與可靠性關系的研究

吳建忠，王倫波，王建新

（無錫華潤安盛科技有限公司，江蘇 無錫 214028）

1 引言

在塑封電路經(jīng)過回流焊后確保產(chǎn)品的可靠性同時防止產(chǎn)品開裂是一個巨大的挑戰(zhàn)。導致開裂的最關鍵因素是各種材料之間結(jié)合面的分層控制。而EMC（環(huán)氧塑封料）與框架之間的結(jié)合力是其中最弱的，幾乎所有的分層都出現(xiàn)在EMC和框架的結(jié)合面上，如圖1所示。

在目前的塑封技術里兩種材料被廣泛用于框架的制造，一種是以銅為基材的各種合金，另外一種是以鐵鎳為基材的合金。相比鐵鎳合金，銅材料的合金具有更好的導電導熱性以及較低的成本。由于這些優(yōu)勢使其廣泛應用于大而薄的封裝體上。然而相對于鐵鎳合金來說，銅合金的封裝更加容易發(fā)生由于分層造成的開裂。而造成EMC與銅框架之間結(jié)合力低的原因是在封裝的過程中銅框架上的氧化膜厚度的增加。因此對氧化層的分析對于改善封裝體的可靠性至關重要。

圖1 開裂說明圖

在整個封裝過程中框架會經(jīng)過一系列的加溫，而裝片后的固化以及鍵合是造成塑封前框架氧化的關鍵工序。目前業(yè)界典型的裝片膠固化在150℃～200℃，固化時間在0.5h～2h。而鍵合的溫度在180℃～220℃之間，時間在20s～200s之間。本文為了試驗氧化膜對于粘結(jié)力以及分層的影響，我們測量了不同溫度和時間下銅框架的氧化層厚度，同時也研究了氧氣濃度對于氧化層厚度增加的關系。

2 銅框架氧化膜的增長

2.1 溫度與時間的影響

為了獲得一個準確的氧化膜厚度增長率，我們測量了經(jīng)過不同溫度時間加熱的框架。在試驗中，框架在烘箱內(nèi)的溫度為120℃、150℃、200℃、270℃，時間范圍為30min～120min。氧化膜的厚度采用陰極還原的方法測量。氧化膜厚度的增加可以表述為如下公式：

x（nm）為氧化層的厚度，Kc（nm3/s）為一個常量，t（s）為時間。

A[nm3/s] 為一個頻率因子，E[J/mol] 為活化能，T[K]為絕對溫度，R [J/K mol] 為氣體常數(shù)。

圖2 說明了在本次試驗中氧化膜增長率的結(jié)果。

圖2 氧化膜增長與時間的關系圖

圖3為從本次試驗獲得的阿雷尼烏斯圖，雖然本次試驗僅測量了三個數(shù)據(jù)，但還是顯示了良好的線性。因此：

圖3 常數(shù)與溫度關系圖

將公式（3）代入公式（1）后得到如下結(jié)果：

使用上述公式，我們估算出大多數(shù)裝片膠固化時氧化膜的增加速度，如圖4。

圖4 氧化膜與溫度關系圖

2.2 氧氣含量的影響

氧氣含量與氧化膜厚度的增長率關系如圖5。

圖5 氧化膜厚度與氧氣含量關系圖

在此次實驗中加熱溫度恒定在250℃。當氧氣濃度低于1%時框架幾乎沒有氧化，當氧氣含量超過5%時，框架氧化的速度與在大氣中氧化的速度接近。根據(jù)這個結(jié)果，當進行裝片膠固化時，為了減少框架的氧化，可以在烘箱內(nèi)填充N2使氧氣含量低于1%。

3 結(jié)合力測試

測試方法如圖6，說明了如何測試EMC與氧化銅板之間的結(jié)合力。該測試使用2mm的EMC立方體作為測試標準塊，使用此標準塊塑封注塑在銅板上。銅板預先在高溫下進行氧化，取得不同的氧化層厚度。在完成注塑后使用推力計進行測試。

圖6 推力測試說明圖

圖7表述了不同氧化膜厚度對應的推力值，當氧化膜厚度低于20nm時推力并沒有隨著氧化膜厚度的增加而顯著降低，當氧化膜厚度超過20nm時我們發(fā)現(xiàn)推力會急劇下降。推力的下降在氧化膜厚度達到70nm時基本停止在1MPa?？傮w來看，推力的大小與氧化膜厚度成反比。因此控制氧化膜的厚度成為保證足夠粘結(jié)力的關鍵因素。

根據(jù)氧化膜厚度的不同，我們發(fā)現(xiàn)兩種不同的斷裂模式。當氧化膜厚度低于20nm時，經(jīng)過推力測試后仍然在銅板上能夠發(fā)現(xiàn)EMC的殘留。當氧化膜厚度大于20nm時，EMC的表面可以看到氧化膜的殘留。

圖7 氧化膜與推力的關系圖

4 封裝體的可靠性

4.1 方法和材料

本次試驗針對LQFP64 1.4mm package評估不同氧化膜厚度產(chǎn)品的可靠性。試驗條件如下：

Package: LQFP64 (1.4mm)；

Die size: 2.65mm×3.25mm；

Leadframe plating type: Double ring；

Epoxy: 8290；

Compound: 8240；

Assembly process flow: DA→Post DA cure→WB→MD→PT→MK→TF。

可靠性試驗流程如圖8。

圖8 可靠性試驗流程圖

4.2 結(jié)果以及討論

表1表述了分層以及塑封體開裂的結(jié)果，在預處理前只有當氧化層大于42.5nm時才出現(xiàn)分層的狀況，所有的樣品均沒有塑封體開裂。而經(jīng)過預處理后當氧化層厚度小于42.5nm時分層狀況沒有變化，而大于42.5nm時分層狀況隨著氧化膜厚度的增加而惡化，同時出現(xiàn)了塑封體開裂的現(xiàn)象。

表1 分層及塑封體開裂情況統(tǒng)計

5 總結(jié)

通過一系列的試驗得出了氧化膜增加與溫度以及時間的關系，同時發(fā)現(xiàn)了氧氣濃度與氧化膜的關系，當氧氣含量低于1%時框架幾乎不會出現(xiàn)氧化，這個發(fā)現(xiàn)有利于更好地控制后固化的氧氣含量，以避免框架在后固化工序中的氧化。針對氧化膜厚度與EMC結(jié)合力的關系也進行了研究，氧化膜厚度越厚則結(jié)合力越低。最后針對LQFP64進行了封裝體層面的可靠性與氧化膜厚度之間關系的研究，當氧化膜厚度低于42.5nm時產(chǎn)品是安全可靠的。

通過上述研究表明，為了達到JEDEC的可靠性標準，需要有效控制框架的氧化。而發(fā)展低溫固化裝片膠水以及采用低溫鍵合技術將是控制氧化膜的關鍵。

[1] Soon-Jin Cho Components,Packaging,and Manufacturing Technology[S].Part B 1997.

[2] 黃福祥.The status and development of oxidation of copper alloy for lead frame[J].JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS，2002,33(1).