小節(jié)距高可靠CQFN型陶瓷封裝外殼工藝技術(shù)

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建 南平353001）

1 引言

隨著電子元器件薄型化、小型化的不斷推進(jìn)，陶瓷片式載體封裝外引出端（焊盤）的節(jié)距由1.27 mm向 1.00 mm、0.80 mm、0.65 mm、0.50 mm、0.40 mm甚至更小節(jié)距推進(jìn)，當(dāng)焊盤節(jié)距小于1.00 mm時，陶瓷外殼半圓金屬化通孔難以滿足組裝焊接工藝要求，常出現(xiàn)短路、底部助焊劑及焊料顆粒難以清洗掉，且焊接強度急劇下降等問題。采用1.27 mm和1.0 mm節(jié)距的CLCC（ceramic leadless chip carrier，陶瓷無引線片式載體）封裝形式，由于無法埋入銅塊，不能解決小節(jié)距（節(jié)距≤0.80 mm）的CQFN、CDFN等焊接組裝問題，滿足不了陶瓷封裝組裝焊接的要求。

采用CQFN封裝焊盤釬焊與電鍍加工工藝表面貼裝結(jié)構(gòu)外殼，可以滿足節(jié)距≤0.80 mm焊接組裝要求，且釬焊、電鍍簡便，使陶瓷CQFN封裝與塑料QFN封裝可以完全兼容，實現(xiàn)了無鉛封裝，也適應(yīng)有鉛組裝的高速集成電路封裝。

福建閩航電子有限公司開展了CQFN型陶瓷封裝外殼的研究工作。對0.50 mm小節(jié)距高可靠表面貼裝CQFN型陶瓷外殼工藝技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究，本文將對其工藝技術(shù)進(jìn)行探討。其中關(guān)鍵工藝技術(shù)的解決方法對研究該類型外殼具有一定的裨益。

2 CQFN型陶瓷外殼設(shè)計

2.1 塑封外殼存在的缺陷

由于塑封QFN產(chǎn)品在封裝氣密性、內(nèi)部熱特性、貯存、應(yīng)用等可靠性方面存在較大的缺陷，所以，有的器件需要用陶封產(chǎn)品替代，其缺陷主要表現(xiàn)在：

（1）封裝氣密性缺陷：塑封半導(dǎo)體器件容易吸入潮氣，潮氣侵入芯片與微量雜質(zhì)結(jié)合在一起，使器件受侵蝕而功能退化或損壞。

（2）內(nèi)部熱特性受限：由于塑料、框架和芯片之間的熱膨脹系數(shù)不同，使塑料包封料在芯片上產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致塑料封裝導(dǎo)熱性差，熱阻大。大功率器件充分散熱和貯存溫度范圍受到較大的限制。

（3）貯存受限：塑封半導(dǎo)體器件會吸收潮氣或受到沾污，而需增加額外的保護(hù)措施。

（4）應(yīng)用受限：塑封產(chǎn)品為非氣密性封裝，在高溫潮濕環(huán)境中使用受限；塑封產(chǎn)品導(dǎo)熱性差使得其無法應(yīng)用于大功率器件；由于缺少足夠的長期貯存能力和應(yīng)用數(shù)據(jù)使塑封器件在航空航天、空間應(yīng)用等方面受到極大限制。

2.2 CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

眾所周知，近年迅速發(fā)展起來與CLCC封裝相似的CQFN型封裝，由于其具有更優(yōu)的電性能、更高的功率密度和封裝密度、更高的可靠性，重量更輕，已成為表面貼裝薄型封裝的首選，備受國內(nèi)外高可靠器件應(yīng)用的青睞。

CQFN型陶瓷外殼設(shè)計，為了更好地解決表貼器件散熱、焊料焊接檢查、清洗難等難題，保證整機用戶組裝絕緣性能好，不產(chǎn)生短路失效，提升集成電路組裝密度，產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新是關(guān)鍵。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計包括密封區(qū)、內(nèi)鍵合指區(qū)、芯片安放區(qū)、金屬底板、引出端5部分（金錫熔封蓋板另配）。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 CQFN陶瓷外殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品電設(shè)計

CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品布線密度高，節(jié)距?。?.5 mm），閩航電子有限公司研制的幾款該類型外殼內(nèi)引線寬度最小為0.10 mm、間距寬度最小為0.10 mm，對絕緣電阻、引線電阻、電容等關(guān)鍵電參數(shù)都有嚴(yán)格要求。具體指標(biāo)如下：

（1）絕緣電阻：R≥1×1010Ω（500 VDC）；

（2）引線電阻：Rmax≤0.8 Ω，（可根據(jù)用戶要求確定）；

（3）電容≤5 pF。

設(shè)計時，根據(jù)引線電阻和電容的計算公式進(jìn)行模擬設(shè)計（本文不做詳述），絕緣電阻設(shè)計原則是在保證引線電阻的前提下，盡量加寬兩引線之間的距離。

對其他性能參數(shù)如鍍種及鍍層厚度、漏氣速率、溫度循環(huán)、鹽霧、恒定加速度、共面性等都有相應(yīng)的要求。產(chǎn)品考核依據(jù)是GJB1420B-2011《半導(dǎo)體集成電路外殼通用規(guī)范》。

2.4 CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品熱設(shè)計

在設(shè)計中，還應(yīng)關(guān)注外殼的熱阻設(shè)計。集成電路的散熱方式通常有傳導(dǎo)、對流和輻射三種，CQFN外殼的散熱采用的是傳導(dǎo)方式。根據(jù)熱阻定義，傳導(dǎo)熱阻Rk=L/K·A。式中[1]：Rk為傳導(dǎo)熱阻 /℃ ·W-1；L 為熱流通路的總長度/cm；K為材料導(dǎo)熱系數(shù)/W（cm·℃）-1；A為垂直于傳導(dǎo)方向的載面積/cm2。

從上述公式和CQFN外殼的設(shè)計特點來看[2]，要降低CQFN外殼的熱阻需要從外殼芯片粘結(jié)區(qū)的鎢柱陣列設(shè)計、陶瓷外殼的幾何尺寸設(shè)計、散熱面鎢印制層面積、散熱底板金屬材料的選用等方面來降低外殼的熱阻。

2.5 CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品可靠性設(shè)計

CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品具有體積小、導(dǎo)熱性好、密封性好、機械強度高、封裝可靠性高的特點，但在使用中仍然會出現(xiàn)失效現(xiàn)象。從以下幾個方面優(yōu)化設(shè)計，以確保外殼的可靠性。

2.5.1 瓷體強度的可靠性設(shè)計

（1）Al2O3粉料的選用

Al2O3粉料晶粒的大小、形狀等都影響陶瓷的強度，選擇平均粒度小、分布合理、雜質(zhì)含量較低、顆粒度較為均勻的Al2O3粉料為主原料，保證瓷體的強度。

（2）燒結(jié)過程控制

針對CQFN陶瓷外殼體積小、引線節(jié)距小、壁薄的特點，既要保證外殼的密封性，又不能在層壓中由于壓力過大造成基體變形。為此，嚴(yán)格規(guī)定各工藝過程中的各項參數(shù)，特別是層壓方式、壓力和燒結(jié)工藝曲線參數(shù)。要求各工序在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格遵守工藝紀(jì)律和操作規(guī)程，并對生產(chǎn)出來的在制品和半成品進(jìn)行檢驗和試驗，保證瓷體的強度。

2.5.2 注漿連通孔的可靠性設(shè)計

CQFN陶瓷外殼產(chǎn)品由于引線小節(jié)距、線路多，大多需要通過注漿孔來實現(xiàn)內(nèi)鍵合指與焊盤之間的連通關(guān)系。因此，必須控制注漿膜質(zhì)量。對注漿孔多的小節(jié)距產(chǎn)品，注漿膜采用刻蝕的加工方式，保證注漿膜的位置精度及平整度，避免孔位精度偏差產(chǎn)生注漿后的污染。同時，控制好注漿壓力及注漿漿料粘度，使注漿飽滿，并要保證注漿孔的收縮與氧化鋁陶瓷基片的收縮一致。對注漿后的生片，在透光臺上逐片檢查，剔除不合格品，保證注漿連通孔的可靠性。

2.5.3 密封性、引線強度可靠性設(shè)計

選擇平均粒徑小、粒度分布合理、雜質(zhì)含量低的W粉，使得燒結(jié)后金屬化層致密平整，且與陶瓷結(jié)合牢固。在布線金屬化印刷后，增加一道印刷瓷介質(zhì)漿料，以加強陶瓷層與層之間的結(jié)合強度。

通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝的合理設(shè)計來滿足航空航天器件長期貯存、可靠性高的要求[3]。

3 CQFN型陶瓷外殼工藝

CQFN產(chǎn)品涉及的關(guān)鍵工藝技術(shù)主要有：

（1）0.50 mm小節(jié)距結(jié)構(gòu)沖孔、注漿工藝技術(shù)；

（2）0.10 mm細(xì)線條金屬化印刷工藝技術(shù)；

（3）0.50 mm小節(jié)距焊盤凸臺釬焊工藝技術(shù)；

（4）0.50 mm小節(jié)距產(chǎn)品電鍍工藝技術(shù)。

3.1 小節(jié)距結(jié)構(gòu)沖孔、注漿工藝技術(shù)

0.50 mm小節(jié)距產(chǎn)品沖孔、注漿是一個工藝難題，由于該產(chǎn)品節(jié)距為0.50 mm，各注漿孔之間間距?。ā?.30 mm），沖孔數(shù)多（以CQFN48為例，中、底片注漿孔共118個），生片沖孔時易斷針及產(chǎn)生沖孔偏移，沖注漿銅膜困難更大。通過工藝試驗，采取以下措施解決：

（1）優(yōu)化設(shè)計線路分布，相鄰的注漿孔上下交錯排布，呈“V”形分布；

（2）沖膜片孔時對沖孔機進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，減慢沖孔速度、優(yōu)化沖孔程序；

（3）注漿用銅膜采用腐蝕加工的工藝來改善；

（4）調(diào)整注漿漿料配制工藝，提高注漿漿料的可塑性，優(yōu)化注漿工藝參數(shù)如注漿機壓力與時間，改善注漿質(zhì)量，保證注漿孔的精度，實現(xiàn)密集注漿。

工藝參數(shù)優(yōu)化情況見表1。

3.2 細(xì)線條金屬化印刷工藝技術(shù)

由于產(chǎn)品外形尺寸小，以CQFN32為例：基體外形尺寸長（5.00±0.10）mm×寬（5.00±0.10）mm×厚（1.50±0.15）mm，小節(jié)距（0.50 mm），金屬化線條細(xì)（0.10 mm），間距?。?.10 mm）。采用常規(guī)印刷工藝和漿料，印刷線路邊緣易出現(xiàn)鋸齒、蕩漿和缺漿現(xiàn)象。改善漿料的流動性和網(wǎng)版制備工藝，是提高印刷精度的研究方向。

表1 工藝參數(shù)優(yōu)化情況對照表

3.2.1 漿料的影響

密集線路印刷要求線路具有良好的清晰度，金屬漿料觸變性良好。對漿料粘度的控制非常重要。漿料制備在低轉(zhuǎn)速攪拌情況下，粘度相對較高，當(dāng)漿料受印刷刮刀的剪切力影響，粘度迅速下降，下漿流暢，但要關(guān)注漿料粘度的控制需在一定范圍內(nèi)。

3.2.2 印刷絲網(wǎng)

由于產(chǎn)品線路較細(xì)，引線電阻的設(shè)計余量有限。因此，需要控制印刷線路的平整性。平整的線路表面除了要求漿料具有良好的流平性外，與印刷絲網(wǎng)也有很大的關(guān)系。絲網(wǎng)印刷線路形態(tài)如圖2。

圖2 絲網(wǎng)印刷線路形態(tài)

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，采用細(xì)絲徑、高開口率的絲網(wǎng)，得到的線路開口下漿相對較多，更為飽滿；小的絲徑，當(dāng)印刷刮刀剪切力卸除，絲網(wǎng)脫離瓷片的瞬間，絲網(wǎng)在漿料表面留下的痕跡深度淺。由于剪切力卸除，流平性良好的漿料，開口下漿料通過流平到絲網(wǎng)印痕，得到相對平整的印刷線路表面。

3.2.3 印刷過程工藝

印刷刮刀速度的設(shè)置應(yīng)與漿料性能相匹配，即與漿料的觸變性能相符，使?jié){料受力與剪切力卸除過程、漿料粘度適度的變化，以達(dá)到需要的印刷效果。同時，通過采取以下措施來實現(xiàn)0.10 mm寬印刷線路邊緣平整、均勻。印刷工藝改善措施見表2。

3.3 小節(jié)距焊盤凸臺釬焊工藝技術(shù)

CQFN產(chǎn)品是在產(chǎn)品背面釬焊上小節(jié)距的金屬焊片形成凸臺，凸臺節(jié)距為0.5 mm，寬度細(xì)（0.23 mm），焊接面積?。?.184 mm2），容易出現(xiàn)焊偏及虛焊現(xiàn)象，如圖3所示。釬焊質(zhì)量合格產(chǎn)品照片如圖4。

為了得到良好的焊接效果，通過以下幾個工藝方法來保證。

表2 印刷工藝改善措施情況表

圖3 畫圈處為焊盤凸臺虛焊處

3.3.1 加強金屬化強度控制

調(diào)整金屬化漿料配方，根據(jù)金屬化玻璃滲透理論，燒結(jié)過程鎢、鉬金屬顆粒形成蜂窩狀的骨架結(jié)構(gòu)，陶瓷中的玻璃成分滲透到金屬化層，填充于骨架孔隙。根據(jù)浸潤原理，當(dāng)金屬化中添加少量瓷粉，有利于玻璃潤濕，促進(jìn)玻璃的擴散，增加界面結(jié)合強度。

圖4 釬焊合格產(chǎn)品圖片

3.3.2 控制好燒結(jié)氣氛

金屬化過程燒結(jié)條件如氣氛中引入少量H2O，經(jīng)高溫后，氣氛中含有少量活性氧，對金屬預(yù)氧化，玻璃與鎢氧化物的潤濕角相對較小，利于玻璃的浸潤擴散，提高界面強度。

3.3.3 控制適當(dāng)?shù)挠∷⒑穸?/p>

印刷厚度偏薄，容易造成過燒，即玻璃滲透到金屬化層表面。印刷厚度太厚，不利于玻璃滲透，結(jié)合強度低。

3.3.4 鍍鎳層厚度的控制

根據(jù)經(jīng)驗，厚度控制在2～4 μm，銀銅焊料在鎳層可以良好地鋪展，形成Cu-Ni共熔物。

3.3.5 釬焊工藝控制

實驗證明，釬焊最高區(qū)溫度850±5 ℃，3~4 min保溫時間的工藝條件，可以得到優(yōu)良的焊料接縫，保證焊接質(zhì)量良好。焊料接縫如圖5所示。

圖5 焊料接縫示意圖

3.3.6 側(cè)面印刷工藝設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，有的產(chǎn)品可采用側(cè)面印刷來實現(xiàn)電路連通。同時對焊接強度也有好處。焊接后，焊料在焊盤與側(cè)面線路交接處形成連接角可增加焊接強度。

通過上述種種工藝措施的改進(jìn)及設(shè)計專用的裝配釬焊石墨舟對瓷體和金屬底板進(jìn)行精確定位釬焊，并控制好焊料量，調(diào)節(jié)好釬焊爐溫度曲線，能達(dá)到引線共面性≤0.10 mm的要求，并保證釬焊牢固性。

3.4 小節(jié)距產(chǎn)品電鍍工藝技術(shù)

CQFN型陶瓷封裝外殼產(chǎn)品電鍍鎳金工藝流程如下：

前處理→除油→活化→沖擊鎳→正鍍鎳→鍍金

由于產(chǎn)品引線節(jié)距?。?.50 mm），電鍍很容易產(chǎn)生橋連、鍍層厚度不均勻現(xiàn)象，如圖6、圖7所示。

圖6 畫圈處為電鍍橋連實例1

圖7 畫圈處為電鍍橋連實例2

為保證小節(jié)距產(chǎn)品電鍍質(zhì)量，通過采取以下措施解決，見表3。

表3 電鍍改善措施情況表

改善電鍍工藝后，產(chǎn)品質(zhì)量得到提高，電鍍合格產(chǎn)品見圖8。

4 CQFN型陶瓷外殼研制中遇到的問題

在小節(jié)距高可靠CQFN型陶瓷封裝外殼工藝技術(shù)研究過程中遇到了許多技術(shù)問題。如瓷坯一次共燒產(chǎn)生的變形，需通過二次壓燒來提高平整度。瓷體經(jīng)二次壓燒后，易出現(xiàn)晶粒粗大、強度相應(yīng)降低，化學(xué)鍍鎳和清洗過程中出現(xiàn)缺瓷現(xiàn)象，電鍍鎳、金合格率有待提升等問題，是今后需繼續(xù)努力的方向。

圖8 電鍍合格產(chǎn)品圖片

5 結(jié)論

通過小節(jié)距高可靠CQFN型陶瓷封裝外殼工藝技術(shù)研究，已研制出CQFN32、CQFN48、CQFN64等多款CQFN陶瓷外殼，產(chǎn)品經(jīng)軍用電子元器件廣州檢測中心檢測，性能滿足GJB1420B-2011《半導(dǎo)體集成電路外殼通用規(guī)范》和產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范的相關(guān)要求及用戶使用要求。同時，通過CQFN產(chǎn)品的技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了工藝上的重大突破，為高密度、高性能、高可靠CQFN封裝提供了全新的技術(shù)途徑[5]，突顯了陶瓷封裝比塑料封裝在封裝面積、高度、重量、寄生效應(yīng)等方面的優(yōu)異特性，滿足了集成電路封裝的可靠性要求。

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[5] 丁榮崢，馬國榮，宋旭峰，史麗英. 高密度高可靠CQFN封裝設(shè)計[J]. 電子與封裝，2013,13（12）：1-5.