電解去溢料工序參數(shù)對IC封裝體第二焊線區(qū)分層的影響

葉德洪，王津生

(飛思卡爾半導(dǎo)體(中國)有限公司，天津 300385)

引 言

塑封集成電路(IC)是通過熱固型環(huán)氧樹脂把銅合金引線框架和芯片組合包封起來的一種封裝形式。銅合金引線框架提供芯片的安裝平臺，通過鍵合金線連接芯片和引線框架。為了使鍵合金線和引線框架能可靠焊接，引線框架通常在引線鍵合指的端部上局部區(qū)域鍍銀，稱為第二焊線區(qū)。對于模塑成型后再進行電沉積錫或錫合金鍍層的生產(chǎn)線，模塑成型完成后，會有少量的樹脂留在封裝體外的引線框架上，稱為溢料，如果不能去除，它所覆蓋的引線框架將不能被金屬鍍覆，影響產(chǎn)品的焊接可靠性，造成產(chǎn)品電性斷路和虛焊等問題。目前封裝行業(yè)中常用的有兩種去溢料方法:堿性電解法和化學(xué)浸泡加高壓水刀沖洗法。堿性電解法具有處理時間短、費用省，適用于高速電鍍線等優(yōu)點，但可能會影響一些小塑封體大載體封裝的分層［1-2］;化學(xué)浸泡法則需要較高的溫度和時間，因而在去除能力及效率上較電解法更具有優(yōu)勢，但卻耗費更多的時間和能源且廢液處理存在許多環(huán)保問題。

文獻［2］和［3］也曾報道過在QFN器件的封裝過程中，第二焊線區(qū)的分層與電鍍工藝中的電解去溢料工序有關(guān)，但只是指出了電解去溢料工序會導(dǎo)致器件的第二焊線區(qū)分層，并沒有進一步探討或研究電解去溢料方法中影響器件分層的因素。本文通過對QFP封裝產(chǎn)品在高速電鍍線上各個工序的分析，確定了電鍍工藝中的電解去溢料工序是影響第二焊線區(qū)分層的原因，并通過超聲波掃描顯微鏡(SAM)對分層進行檢測，探討了該工序中電解去溢料溶液的pH、電極極性等主要參數(shù)對QFP封裝體第二焊線區(qū)在封裝后(T0)時出現(xiàn)分層的影響。

1 IC封裝體電鍍生產(chǎn)線工藝流程

IC封裝體引腳電鍍一般采用高速電鍍線，它滿足了半導(dǎo)體封裝器件對于產(chǎn)量的要求，其線速至少為8m/min，通常以不銹鋼帶為載料工具循環(huán)進行，上料后，進行電鍍，完成后，末端下料，然后褪去鋼帶上的錫層，再恢復(fù)到起始的上料位。圖1為高速電鍍生產(chǎn)線流程示意圖。

圖1 高速電鍍生產(chǎn)線流程示意圖

電鍍工藝是利用電沉積技術(shù)在塑封體外部的引線框架的引腳上沉積上一層可焊性好的金屬或合金，增強IC器件與PCB焊點之間的可靠性連接。通常沉積的金屬或合金為錫或錫合金。電鍍工藝流程為:陰極電解→沖洗→高壓水刀→沖洗→化學(xué)刻蝕→沖洗→預(yù)浸→電鍍→沖洗→熱水沖洗→干燥。

工藝流程中的陰極電解和高壓水刀沖洗兩道工位合起來稱作電解去溢料工序，它屬于電鍍工藝的前處理。電解去溢料是電鍍前去除引線框架的有機污染物、溢料和清潔待鍍金屬表面。工業(yè)上一般使用堿性較強且不易結(jié)晶的氫氧化鉀溶液，在陰極電解的過程中產(chǎn)生大量氫氣，電壓越高反應(yīng)越劇烈，產(chǎn)生的氣泡就越多，隨著氣泡的迅速增大并不斷破裂產(chǎn)生的機械作用力，溢料在引線框架上不斷松動或剝離，然后在高壓水刀作用下將溢料從框架上徹底清理下來。其機理如圖2所示。

圖2 電解去溢料示意圖

2 實驗

2.1 鍍前處理對第二焊線區(qū)分層的影響

實驗器件為QFP10×10，64管腳的封裝體，框架為A194銅合金，框架設(shè)計類型編號為L100，第二焊線區(qū)為銀鍍層。所使用檢測器件內(nèi)部分層的儀器為SONIX SAT，掃描范圍為第二焊線區(qū)，模式為C掃描。在經(jīng)過貼片、焊線和塑封及塑封固化后(PMC)，經(jīng)超聲波(C-SCAN)正面檢測，如圖3(a)所示，沒有發(fā)現(xiàn)任何分層;經(jīng)過電鍍后，再用超聲波做C-SCAN正面檢測，如圖3(b)所示，在第二焊線區(qū)鍍銀層位置發(fā)現(xiàn)明顯的分層，斷定是電鍍生產(chǎn)中某個因素的影響。

圖3 超聲波C-SCAN檢測圖片

為確定電鍍生產(chǎn)過程中對第二焊線區(qū)分層產(chǎn)生影響的工序，對前處理工序進行排查，每個排查條件先后兩次實驗，如表1所示。

表1 鍍前處理工序排查檢測結(jié)果

從表1結(jié)果來看，對以L001為引線框架的QFP產(chǎn)品來說，凡是經(jīng)過陰極堿性電解后第二焊線區(qū)都有不同程度的分層，而單獨使用高壓水刀或前處理中的化學(xué)刻蝕對第二焊線區(qū)分層都沒有產(chǎn)生作用，因而認(rèn)定去溢料工序中的電解作用對第二焊線區(qū)分層有影響。

2.2 電解作用中的影響因素

影響電解去溢料工序有許多因素，主要包括電解電壓、電解質(zhì)溶液組分、電解質(zhì)的pH和電極極性。以下實驗分別對這些因素進行分析。

2.2.1 電解電壓和電解溶液組分的影響

分別考慮這兩個因素對第二焊線區(qū)分層產(chǎn)生影響，實驗中的因子水平及第二焊線區(qū)分層檢測結(jié)果如表2和表3所示。

由表2可知，隨著電解電壓的減小，第二焊線區(qū)分層的樣品數(shù)量也在減小，當(dāng)U降到2.0V時，沒有發(fā)現(xiàn)第二焊線區(qū)分層，此時，觀察到在陰極上沒有氫氣析出且電解電流為零，陰極電化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)停止。去溢料U為2.0V時，電鍍后的產(chǎn)品如圖4所示，未被清除的殘余溢料會影響到鍍層的外觀質(zhì)量。

表2 陰極電解電壓的影響

圖4 去溢料后的電鍍效果

表3 電解液組分的影響

表3 結(jié)果顯示，當(dāng)ρ(KOH)降到工藝要求下限10g/L時，第二焊線區(qū)分層雖然有所減少但仍然無法完全消除，可見電解液中KOH的組分不是影響分層的主要因素。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陰極電解電壓是影響分層的關(guān)鍵因素。

2.2.2 電解液 pH

雖然電解去溢料溶液使用的是KOH溶液，但在電解過程中，陰陽極上得失電子的是H+和OH－，電極反應(yīng)實際是電解水的反應(yīng)，因此可以使用中性或酸性的電解液去除殘余溢料，并評估其對第二焊線區(qū)分層的影響。

表4 列出了不同pH的電解液，其中NNL10是某公司的電解去溢料產(chǎn)品。

表4 電解液pH對去溢料的影響

超聲掃描的結(jié)果顯示，即使在pH為7.0的中性電解質(zhì)溶液中電解去溢料，仍然會造成第二焊線區(qū)分層，雖然陰極電流較10g/L的KOH溶液高，但其去溢料效果卻比KOH溶液差;當(dāng)pH小于7.0溶液呈酸性時，在NNL10和甲磺酸電解液中分別進行電解去溢料，電鍍后經(jīng)C-SCAN檢驗，沒有發(fā)現(xiàn)第二焊線區(qū)分層，但其去溢料效果遠不如KOH堿性溶液。實驗證明在電解去溢料過程中，溶液的pH對第二焊線區(qū)分層有著明顯的影響，同時也顯著影響去溢料的效果，隨著pH的降低，雖然可以改善器件的分層問題，但去溢料的作用也隨著減弱。

2.2.3 電極極性

電解去溢料采用直流，在堿性溶液中將工件作為陰極，不銹鋼板作為陽極進行電解。為驗證電極的影響，實驗中把電極反接，帶有IC塑封體引線框架作為陽極，不銹鋼板作為陰極，在同樣的KOH溶液中進行電解。選取了LQFP10×10和LQFP7×7兩種封裝體類型進行實驗，結(jié)果列于表5。

表5 電解極性的影響

從表5中可以看出，LQFP10X10和LQFP7X7封裝體，在30g/L的KOH電解液中，經(jīng)陽極電解去溢料后，第二焊線區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)分層，但陽極電解法去溢料的效果大大低于陰極法。一方面，由于消耗同樣的電量，析出的氧氣只有氫氣體積的一半，氣體數(shù)量少，相同時間內(nèi)陽極去溢料效率不如陰極去溢料效率高;另一方面，氫氣的滲透性比氧氣好，更容易使溢料從金屬表面剝離。

2.3 引線框架內(nèi)管腳長度的影響

在對所有QFP封裝形式進行電解去溢料和電鍍后的超聲波檢查發(fā)現(xiàn)，即使采用相同的陰極電解去溢料參數(shù)，并非所有的QFP產(chǎn)品都會產(chǎn)生第二焊線區(qū)的分層。分層的產(chǎn)品集中在使用引線框架的內(nèi)管腳較短的封裝體上，也就是說集中在芯片尺寸較大的封裝體上。圖6展示了使用三種不同引線框架的QFP7X7封裝體在經(jīng)過相同的電解去溢料后超聲波C掃描的探測結(jié)果。圖6(a)和圖6(b)中的芯片大小相同，引線框架不同，其內(nèi)管腳長度分別為1.3和0.8mm，圖6(c)中的芯片尺寸是此封裝類型中最大的，其引線框架的內(nèi)管腳長度僅為0.7mm。

圖6 電鍍后C-SCAN圖片

經(jīng)過陰極電解后，使用框架L002的封裝體，沒有發(fā)現(xiàn)第二焊線區(qū)的分層，而使用另外兩種框架的封裝體則有不同程度的分層?？梢娫陔娊馊ヒ缌瞎ば蛑?，引線框架內(nèi)管腳的長短對封裝體的第二焊線區(qū)的分層有著顯著的影響。

3 結(jié)論

從以上實驗來看，這種大載荷小封裝的IC封裝體，對電解去溢料法非常敏感，高速電鍍線上的電解去溢料工序雖然只有10s左右的處理時間，但卻會導(dǎo)致這種具有較短內(nèi)管腳的IC封裝體在第二焊線區(qū)出現(xiàn)分層。電壓是電解去溢料工序中影響分層的關(guān)鍵控制參數(shù)，降低陰極電壓，減小了陰極電流，改善了第二焊線區(qū)的分層，而去溢料的功能也隨之變?nèi)?。雖然通過改變其他參數(shù)，如電解電極極性和電解液的pH也可以減小和消除第二焊線區(qū)分層，但同時都減弱了去溢料的功能，影響鍍層質(zhì)量。對于這種IC封裝體，一些半導(dǎo)體封裝生產(chǎn)廠商采用化學(xué)去溢料法去除溢料，取得了滿意的效果［3］。也有使用激光技術(shù)去除封裝體外的殘余溢料［4-5］，此方法使得封裝體不接觸化學(xué)藥劑，因而不會受到化學(xué)品的侵蝕，處理后的產(chǎn)品可靠性可能會更好。

［1］慕蔚，周朝峰，孟紅衛(wèi)，等.集成電路封裝溢料問題探討［J］.電子與封裝，2009，9(7):13-16.

［2］Tong T S，Kumar J，Kanan M D.A Study and Investigation on Processes Inducing Delamination in QFN Package Using Statistical Analysis［C］//Electronics Manufacturing and Technology，31st International Conference on.Petaling Jaya，Malaysia:IEEE，2006:381-389.

［3］Chen-Hung Lee，Lu-Fu Lin，Tsung-Han Ho，et al.Study on paddle delamination for quad flat no leads package［C］//Microsystems Packaging Assembly and Circuits Technology，Conference(IMPACT)，5th International，Taipei:IEEE，2010:1-4.

［4］Deng Bin，Shao Peng，Wang Yue.Breakthrough of Laser Deflash System To Improve Productivity［C］//Electronic Manufacturing Technology Symposium，33rd IEEE/CPMT International，Penang，Malaysia:IEEE，2008:1-5.

［5］Hongyu Zheng，Qiong Chen，Tan J L，et al.Laser Removal of Molded Flashes From a Leadframe Heatsink Surface［J］.Electronics Packaging Manufacturing，2005，28(2):158-162.