引線框架塑料封裝集成電路分層及改善

周朝峰，周金成，李習(xí)周

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

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引線框架塑料封裝集成電路分層及改善

周朝峰，周金成，李習(xí)周

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

摘 要：分層是塑料集成電路封裝過(guò)程和可靠性試驗(yàn)后常見(jiàn)的問(wèn)題，如何解決分層問(wèn)題是封裝材料供應(yīng)商、封裝工程師、可靠性試驗(yàn)工程師共同研究與改善的課題。通過(guò)對(duì)封裝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝方法等方面進(jìn)行深入的解析，詳細(xì)闡述了引線框架塑料封裝集成電路分層產(chǎn)生機(jī)理，描述了分層對(duì)集成電路的危害以及如何預(yù)防分層的發(fā)生，進(jìn)而提出了有效的改善措施。結(jié)果表明，這些措施的應(yīng)用能夠有效預(yù)防分層問(wèn)題的發(fā)生，提高塑料封裝集成電路的可靠性。

關(guān)鍵詞：塑料封裝；集成電路；分層

1　引言

分層是集成電路內(nèi)部各界面之間發(fā)生了微小的剝離或間隙，主要發(fā)生區(qū)域包括封裝塑封料與芯片之間界面、封裝塑封料與引線框架界面、芯片與裝片膠界面、裝片膠與引線框架界面或以上交叉界面（如圖1所示）等。集成電路產(chǎn)品分層產(chǎn)生的原因很多，涉及到封裝的各個(gè)環(huán)節(jié)，本文對(duì)封裝材料、工藝制程等主要因素進(jìn)行剖析,并對(duì)可能的預(yù)防措施進(jìn)行探討，有效改善分層的發(fā)生。

圖1　分層發(fā)生界面分布圖示

2　分層的類(lèi)型

分層的分類(lèi)，按照不同的情況有不同的分類(lèi)方法。

（1）按照發(fā)生位置進(jìn)行分類(lèi)：芯片表面與塑封料之間的分層，引線框架管腳表面與塑封料之間的分層，引線框架基島與塑封料之間的分層，粘片膠與塑封料之間的分層，粘片膠層與框架之間的分層；

（2）按照發(fā)生時(shí)機(jī)進(jìn)行分類(lèi)：封裝過(guò)程分層，可靠性試驗(yàn)后分層；

（3）按照形成原因進(jìn)行分類(lèi)：熱應(yīng)力造成的分層，機(jī)械應(yīng)力造成的分層，粘污造成的分層，封裝材料互相粘接力不好造成的分層等。

3　分層的危害與機(jī)理

塑料封裝集成電路是非氣密性器件，器件分層發(fā)生后給濕氣的侵入提供了通道或者縮短了保護(hù)的距離。濕氣的入侵造成了芯片的腐蝕，使產(chǎn)品可靠性降低或?qū)е庐a(chǎn)品失效。如濕氣與塑封料中的氯離子結(jié)合生成鹽酸，鹽酸對(duì)芯片的鋁電極以及鋁條進(jìn)行腐蝕，最終導(dǎo)致電極開(kāi)路使產(chǎn)品失效（見(jiàn)圖2）；分層在兩個(gè)界面存在間隙，在焊接或者其他高溫的沖擊下造成間隙擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成拉脫焊線造成產(chǎn)品失效。甚至?xí)?dǎo)致塑封體外部開(kāi)裂，被稱(chēng)為“爆米花”效應(yīng)[1~2]。對(duì)于MOSFET、電源管理等敏感器件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期防范不足的產(chǎn)品，這是必須面對(duì)和解決的一種致命缺陷，嚴(yán)重影響封裝電路的可靠性與老化使用后的功能[3]。

塑料集成電路分層是系統(tǒng)性問(wèn)題，涉及到封裝材料BOM（Bill of materials，封裝材料清單）、設(shè)備、工藝、方法、存儲(chǔ)環(huán)境等。

在集成電路的制造過(guò)程中，分層產(chǎn)生的主要影響因素見(jiàn)圖3。

圖2　濕氣侵入產(chǎn)生分層模型

圖3　分層產(chǎn)生因果分析圖

4　分層的改善措施

針對(duì)封裝各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生分層的機(jī)理制定相對(duì)應(yīng)的改善措施，預(yù)防分層的發(fā)生。

4.1產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，對(duì)于封裝產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就要考慮到可靠性的問(wèn)題。對(duì)引線框架增加鎖定裝置、在載體背面壓梅花，管腳增加防潮氣槽、應(yīng)力釋放槽、減少鍍銀面積等方法可有效改善分層和封裝產(chǎn)品的可靠性。封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增加封裝面積，合理分布引線框架的結(jié)構(gòu)布局，增強(qiáng)封裝強(qiáng)度，也能夠有效地改善分層和提高封裝產(chǎn)品的可靠性。

引線框架設(shè)計(jì)了鎖定孔、防潮氣槽、應(yīng)力釋放槽等，并利用塑封料自身強(qiáng)度來(lái)降低應(yīng)力，防止分層的發(fā)生（見(jiàn)圖4）。

圖4　框架不同設(shè)計(jì)防止分層案例

4.2材料BOM組合

通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出與封裝體匹配的最優(yōu)的材料BOM。需要對(duì)各封裝材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行分析，再針對(duì)各封裝形式進(jìn)行搭配實(shí)驗(yàn)，找出最優(yōu)的材料BOM組合，改善分層，增強(qiáng)可靠性。

封裝材料主要有引線框架、粘片膠、塑封料、焊線等。由于各材料的膨脹系數(shù)不同，在封裝過(guò)程、可靠性試驗(yàn)或安裝過(guò)程進(jìn)行高低溫沖擊時(shí)應(yīng)力無(wú)法釋放。由于這些材料的線（熱）膨脹系數(shù)CTE（Cofficient of Thermal Expansion）不匹配，在高低溫沖擊下塑封體的結(jié)構(gòu)發(fā)生反復(fù)的膨脹和收縮。一旦應(yīng)力大小超過(guò)其中任何一種材料的屈服強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度時(shí)，分層就會(huì)產(chǎn)生[4]（見(jiàn)圖5）。

塑封料是塑料封裝集成電路的主要原材料，塑封料粘接力小很容易在熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力的作用下造成分層現(xiàn)象。圖6為兩種塑封料對(duì)銀、銅、氮化硅材質(zhì)表面的粘接力，從圖表可以看出塑封料對(duì)Cu材的粘接最好，Ag材次之，SiN材質(zhì)粘接力最差，選擇粘接力更好的塑封料對(duì)分層有明顯改善并能提高封裝產(chǎn)品的可靠性。但是對(duì)于提高封裝產(chǎn)品的可靠性，也不能無(wú)限制地提高塑封料的粘接力；塑封料粘接力的增加會(huì)導(dǎo)致塑封過(guò)程中的操作性降低，進(jìn)而影響封裝的成模性。研究表明，高填料含量可以有效降低塑封料的熱膨脹系數(shù)，從而降低熱應(yīng)力[5]。

4.3封裝凈化度

塑料集成電路封裝對(duì)凈化度有嚴(yán)格的要求。凈化度包括晶圓制造凈化度，減薄、劃片、裝片、焊線、塑封過(guò)程凈化度。裝片膠固化、裝片過(guò)程使用的材料是粘片膠，其主要成份是環(huán)氧樹(shù)脂，在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的揮發(fā)物，揮發(fā)物會(huì)吸附在芯片、框架的表面，影響了塑封料和框架、芯片表面的粘接力，造成分層現(xiàn)象。為了解決粘污的問(wèn)題，在烘烤過(guò)程中增加排風(fēng)裝置，把揮發(fā)物排出，也可在產(chǎn)品塑封前增加等離子清洗，見(jiàn)圖7。等離子清洗可以有效去除氧化層、活化框架以及去除芯片表面、框架表面的有機(jī)物，增強(qiáng)了框架的浸潤(rùn)性，有效改善分層。等離子清洗效果可以用水滴角進(jìn)行檢測(cè)，水滴角越小，清洗效果越好。

圖5　線膨脹系數(shù)影響造成分層模型案例 （線膨脹系數(shù)單位/ 10-5?℃-1）

圖6　塑封料對(duì)各材質(zhì)粘接力對(duì)比

圖7　等離子清洗防止分層案例

4.4注塑工藝改善

塑封過(guò)程是對(duì)芯片、框架以及焊線包封的過(guò)程，包封的密封程度決定了產(chǎn)品的可靠性，因此塑封材料及工藝對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響尤為重要。塑封材料主要成份為環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂在硬化劑和催化劑的作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)從線型變?yōu)榉€(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。塑封工藝參數(shù)有模具溫度、固化時(shí)間、注塑壓強(qiáng)、注塑時(shí)間、后固化溫度、后固化時(shí)間。交聯(lián)反應(yīng)的程度由模具溫度、固化時(shí)間、后固化溫度以及后固化時(shí)間決定，封裝產(chǎn)品封裝致密強(qiáng)度是由注塑壓強(qiáng)所決定。注塑工藝很關(guān)鍵，不僅決定了封裝產(chǎn)品成形的品質(zhì)，同時(shí)決定了封裝產(chǎn)品的可靠性。

4.5去濕

塑料封裝是非氣密性器件，在封裝和儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)吸濕，在后續(xù)使用過(guò)程中會(huì)有高溫，在高溫沖擊下產(chǎn)品內(nèi)的濕氣迅速膨脹，導(dǎo)致分層產(chǎn)生。為了改善該問(wèn)題，在封裝后增加烘烤工藝進(jìn)行去濕，去濕工藝條件一般為125℃/12 h。對(duì)去濕后的產(chǎn)品做真空干燥包裝，防潮包裝打開(kāi)后需要控制使用時(shí)間，防止產(chǎn)品再次吸濕。表1為干燥包裝元件的分類(lèi)及最低壽命。

表1　干燥包裝IC的分類(lèi)及最低壽命[6]

4.6新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用

新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用對(duì)塑料封裝集成電路提高可靠性、解決分層問(wèn)題有重要的意義，如為了增加引線框架和塑封料的接觸面積，在引線框架表面粗化處理、銀層表面生成保護(hù)膜等方法可以改善分層及提高可靠性；粘片膠用膠膜替代，縮短封裝工藝流程，降低污染的幾率；引線框架從單排、兩排向多排、矩陣式發(fā)展，縮短封裝工藝流程、提高自動(dòng)化程度等方法，都可以改善分層。

5　總結(jié)

分層是塑料封裝集成電路封裝過(guò)程中常發(fā)生的缺陷，影響產(chǎn)品的可靠性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成產(chǎn)品失效。分層是系統(tǒng)性的可靠性問(wèn)題，只有對(duì)設(shè)計(jì)、封裝、包裝、貯存、安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制才能有效地預(yù)防分層問(wèn)題，針對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)制定系統(tǒng)的改善措施才能夠?qū)崿F(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] CHEN Y，LI P. The “popcom effect”of plastic encapsulated microelectronic devices and the Typical cases study[C]. 2011 International Conference on Quality,Reliability，Risk，Maintenance，and Safety Engineering. Xi’an，china:IEEE，2011.

[2] LIN X L, YAO R H, KONG X D, et al. Failure analysis and precaution of plastic encapsulated Microcircuits[C]. 2009 8thInternational Conference on Reliability, Maintainability and Safety. Chengdu, china:IEEE,2011.

[3] 許海漸，陳洪芳，朱錦輝，王毅. 塑料封裝集成電路分層淺析及改善研究[J].電子與封裝，2012，12（10）：3-6.

[4] VAN DRIEL W D, V AN GILS M A J, VAN SILFHOUT R B R, et al.Prediction of delamination related IC＆packaging reliability problems[J]. Microelectron Reliab, 2005, 45(9/10/11): 1633-1638.

[5] 劉培生，盧穎，王金蘭，陶玉娟. 塑料集成電路分層的研究[J]. 電子元件與材料，2013，32（11）：1-5.

[6] Rao R Tummala, Eugene J Rymaszewski, Alan G Klopfenstein. 微電子封裝手冊(cè)（第二版）[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001.

周朝峰（1975—），男，工程師,陜西乾縣人，現(xiàn)就職于天水華天科技股份有限公司，主要從事塑料封裝工藝研究、工藝技術(shù)方面的工作。

Delamination and Its Countermeasures in IC Plastic Package

ZHOU Chaofeng, ZHOU Jincheng, LI Xizhou
（Huatian Technology Co., Ltd, Tianshui 741000, China）

Abstract:Delamination is one of the common quality and reliability issues during the assembly processes and/or after reliability test in the field of IC plastic packages. How to resolve it is one of the popular researches by material suppliers, assembly process engineers and reliability engineers. The root causes of delamination and its impacts to IC plastic package are elaborated in this paper. A series of effective countermeasures against delamination are raised in this paper also, through deeply analyzing the product structure, materials and processes, which are using in IC plastic packages. One of the research results is to provide theoretical support to improve the reliability of IC plastic packages.

Keywords:plastic package; IC; delamination

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-8-20

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）01-0005-04