基于SSIP4L封裝的磁傳感器工藝研究

陳國嵐，牛社強，何文海

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

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基于SSIP4L封裝的磁傳感器工藝研究

陳國嵐，牛社強，何文海

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

摘 要：介紹了集成電路SSIP4L產(chǎn)品（磁傳感器芯片封裝）實現(xiàn)過程中的技術(shù)難點，并一一尋求解決方案，使其能夠順利批量進行生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性得到保證，順應(yīng)了市場的需求。技術(shù)難點包括引線框架材料選擇、上芯粘片膠工藝控制、壓焊工藝、塑封體根部外引腳防溢料、實現(xiàn)條帶自動抓取上料、引線框架與產(chǎn)品的防呆設(shè)計、防止超長引腳產(chǎn)品的變形特殊包裝。

關(guān)鍵詞：封裝工藝；技術(shù)解決方案

1　引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，磁傳感器在信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、交通運輸、電力電子技術(shù)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到了快速應(yīng)用和發(fā)展，市場超過千億規(guī)模，2011、2012年來自汽車、工業(yè)與消費性應(yīng)用領(lǐng)域的強勁需求，市場營業(yè)收入由2009年的8.12億美元上升到2013年14億美元的規(guī)模；以出貨量計算，由2009年的28億顆增加到2013年的50億顆。

磁傳感器的主要應(yīng)用特性有高靈敏度、溫度穩(wěn)定性、抗干擾性、小型化、集成化、智能、高頻特性、低功耗。因此對于磁傳感器芯片封裝過程的工藝條件要求是苛刻的，主要體現(xiàn)在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、封裝工藝、設(shè)備能力、材料選擇、可靠性監(jiān)控。

本文介紹一種全新的磁傳感器芯片封裝——SSIP4L產(chǎn)品，產(chǎn)品外形如圖1所示。

圖1　SSIP4L產(chǎn)品外形

該產(chǎn)品對制程、工藝、環(huán)境等要求較為嚴苛，有很大的工藝實現(xiàn)難度。

2　研究內(nèi)容

2.1封裝材料選擇

集成電路封裝產(chǎn)品使用的引線框架材料一般都是銅合金，主要類型有A194、C7025、A42、KFC，這些材料化學(xué)成分中都含有不同比例的Fe元素，但是SSIP4L封裝的磁傳感器在工作時，周圍存在有較強的磁場，F(xiàn)e元素的存在會對產(chǎn)品正常磁場產(chǎn)生干擾，因此SSIP4L封裝使用的引線框架材料必須選擇不含F(xiàn)e元素的EFTEFC 64T（成分：Cu、Sn、Zn、Cr），以減小外在因素對產(chǎn)品本身功能的影響。

2.2工藝流程選擇

工藝流程選擇如圖2所示。

圖2　SSIP4L產(chǎn)品工藝流程

2.3工藝研究

2.3.1上芯粘片工藝控制

因芯片尺寸、兩芯片間距、芯片到基島邊緣的尺寸都小于0.05 mm，無法按照普通的點膠工藝加工，原因有以下兩點：（1）先上芯第一個芯片后，第二個芯片點膠將造成第一個芯片沾污，即使使用很小的點膠頭設(shè)計也無法解決；（2）膠層擴散無法控制，粘片膠會溢流到芯片上表面或基島背面，沾污芯片影響產(chǎn)品電性能及可靠性；（3）膠層厚度控制不穩(wěn)定，薄厚不一，會產(chǎn)生翹片，影響壓焊工序良率，如圖3所示。

圖3　點膠工藝

為消除上述異常，上芯使用膠膜涂覆工藝，膠層尺寸與芯片尺寸大小相同，沒有擴散，膠層厚度一致性得到有效控制，一般在10 μm～15 μm之間，避免了粘片膠的遺漏、擴散，如圖4所示，提高了產(chǎn)品可靠性。

普通工藝是將晶圓在減薄后其背面貼劃片膜，進行劃片切割后使用上芯機在引線框架載體上點膠后粘片，工藝流程如圖5。

圖5　普通工藝流程

圖6　膠膜涂覆工藝流程

膠膜涂覆工藝是晶圓在減薄后使用WBC涂膠設(shè)備，在晶圓背面涂布一層15 μm～20 μm厚的膠層，將涂膠后的晶圓放入烘箱對膠層進行預(yù)固化，再貼劃片膜進行劃片切割，上芯時將背面帶有膠層的芯片在軌道可加熱的上芯設(shè)備上直接粘接到引線框架載體上，工藝流程如圖6。

適用于WBC 的膠在固化性上有特殊要求：涂膠過程需要很低的粘度，預(yù)固化后的硬度必須滿足Wafer Saw；DIE bond過程需要有很好的粘度，粘度特性如圖7。

圖7　粘度特性

2.3.2保證壓焊工藝穩(wěn)定性

上芯保證了芯片在基島上的相對位置與高度尺寸一致性，但同時芯片表面會有輕微的沾污，影響壓焊良率。提高壓焊工藝穩(wěn)定性的一個重要方法是使用等離子清洗，在進行清洗去污的同時，還能改變材料本身的表面性能，如提高表面的潤濕性能，改善不同材料間的附著力等，使結(jié)合面更加牢固。等離子清洗需要保證氣體在產(chǎn)品各個表面均勻地流動，因此需要使用有孔料盒，如圖8所示（普通料盒如圖9所示）。

圖8　等離子清洗使用的料盒

等離子清洗的幾個關(guān)鍵影響因素如下[1]：

（1）氣體成分。等離子清洗使用的氣體一般為氬氣、氧氣和氫氣，也可以使用混合氣體。氬氣和氧氣用來清洗有機殘留，氫氣用來清洗氧化物。

圖9　普通料盒

（2）料盒和產(chǎn)品排布。清洗效果的一致性是很重要的，有利于獲得封裝組裝工藝的高質(zhì)量控制。對于射頻型等離子清洗機而言，應(yīng)該讓料盒的排布順應(yīng)氣體的流向，讓氣體均勻流通在料盒的各個位置。

（3）功率和時間。對不同廠家制造的等離子清洗機以及不同類型的產(chǎn)品，都要通過DOE實驗方法，找出最合適的設(shè)定范圍。

（4）評定方法。評估等離子清洗效果的方法PpK，為了獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量控制，我們做了PpK的比較試驗，結(jié)果證明，等離子清洗能夠在一定程度上提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。試驗內(nèi)容如下：

試驗設(shè)備：EUROPLASMA；氣體：Ar+H2（氬氣+氫氣）；線徑：30 μm金線；焊球直徑：82.5 μm；等離子清洗機RF功率：300 W；清洗時間：180 s。

表1　等離子清洗前后焊球推力測試比較

由此可見，等離子清洗對金線的結(jié)合力有一定程度的提高，同時也提高了品質(zhì)穩(wěn)定性。

2.3.3塑封模具設(shè)計

SSIP4L封裝后的產(chǎn)品外觀，外引腳根部不允許有大面積黑色殘留塑料出現(xiàn)，SSIP4L包封模具在設(shè)計時，若引腳根部1.20 mm內(nèi)不加齒窗，封裝后會有黑色溢膠殘留在引腳根部，如圖10所示。一般的解決方案為在切筋工序增加機械沖廢工位設(shè)計以清除黑色溢膠。但機械沖切力會損傷塑封體內(nèi)部的磁敏傳感器，造成磁敏感度的漂移，所以封裝中應(yīng)盡量減少施加到磁敏傳感器外殼和引線上的機械力，特別是磁敏器件引腳上根部1 mm內(nèi)是不可以施加任何機械力的。

基于以上原因，包封模具必須在引腳根部設(shè)計全齒窗，如圖11所示，阻止溢料的產(chǎn)生，從而滿足客戶對產(chǎn)品外觀的要求，避免機械沖切力對塑封體內(nèi)磁敏傳感器的損傷。

圖10　外引腳根部黑色溢料

圖11　包封模具加齒窗

2.3.4引線框架防呆設(shè)計研究

SSIP4L引線框架單排設(shè)計，在框架沖切過程中每兩個單元作為一個步距，因此整條框架導(dǎo)軌中心的左右兩邊定位孔對稱，如圖12所示，整條框架翻轉(zhuǎn)180°，在塑封、打印、切筋工序不防呆，導(dǎo)致產(chǎn)品加工出現(xiàn)異常。

由于上述異常，框架在設(shè)計中添加防呆孔設(shè)計，避免整條框架翻轉(zhuǎn)180°左右兩邊不防呆的隱患，如圖13所示。

圖12　不防呆框架

圖13　防呆框架設(shè)計

2.3.5切筋工序，產(chǎn)品自動上料

打印后整條產(chǎn)品在傳遞彈夾中放置，因膠體在框架一邊，放置3條以上產(chǎn)品時，整條產(chǎn)品在彈夾中就會傾斜，如圖14所示，在切筋工序，整條產(chǎn)品由于傾斜無法實現(xiàn)自動上料；因此打印后，整條產(chǎn)品在傳遞彈夾中有膠體一邊需正反擺放后才能在彈夾中保持放置的平穩(wěn)性，如圖15所示。同時切筋上料機構(gòu)需具備旋轉(zhuǎn)的功能，按同一方向?qū)⒄麠l產(chǎn)品擺放于切筋設(shè)備的軌道中。

圖14　整條產(chǎn)品在彈夾中傾斜

圖15　整條產(chǎn)品在彈夾中平穩(wěn)放置

2.3.6包裝

SSIP4L產(chǎn)品目前包裝方式有以下2類：

（1）晶圓盒包裝，如圖16所示。

將產(chǎn)品裝入鋁箔袋中后再裝入圓形塑料盒中，再用防震海綿墊滿，最后封盒、包裝。缺點：運輸過程中容易造成產(chǎn)品引腳變形。

圖16　晶圓盒包裝

（2）舟盒包裝。

產(chǎn)品在防靜電小袋中盛放，整體放入舟盒中（如圖17所示），小袋上下均用防震材料墊實，舟盒放入包裝外盒中（如圖18所示）。優(yōu)點：每盒承載產(chǎn)品數(shù)量較多；缺點：產(chǎn)品引腳容易變形。

圖17　舟盒

圖18　外包裝盒

當(dāng)然，最優(yōu)方式是編帶包裝，如圖19所示，此方式需要封裝測試整體進行。

3　結(jié)束語

對于磁、熱敏器件芯片的封裝，產(chǎn)品設(shè)計必須考慮封裝結(jié)構(gòu)、工藝實現(xiàn)性、設(shè)備能力、材料選擇、可靠性控制等；并且，實現(xiàn)過程除工藝參數(shù)控制外，環(huán)境控制也極為關(guān)鍵，產(chǎn)品的順利實現(xiàn)，設(shè)計、制程、環(huán)境等因素必須逐項嚴格謹慎評估。

圖19　編帶包裝

參考文獻：

[1] 胡建忠，金玲. 集成電路封裝設(shè)計可靠性提高方法研究[J]. 電子與封裝，2011，11(8): 37-39.

陳國嵐（1984—），女，助理工程師，現(xiàn)就職于天水華天科技股份有限公司，主要從事IC產(chǎn)品的封裝設(shè)計及引線框架設(shè)計研究。

Assembly Technology Research of Magnetic Sensor in SSIP4L Package

CHEN Guolan, NIU Sheqiang, HE Wenhai
（Tianshui Huatian Technology Co., LTD, Tianshui 741000, China）

Abstract:To meet the growing demand in the market of magnetic sensor, the assembly technology research for SSDIP package is elaborated in this paper, focusing on assembly processes and solutions against the special application requirements of magnetic sensor. The smooth mass production and robust quality is demonstrated in this paper, by selecting correct raw material of lead frame and its mistake proof design, controlling D.A.M, proper wire bonding processes, anti-flash processes after molding, automatic on-load method and special packing method to prevent bent lead for this very long lead package.

Keywords:assembly processes; technical solutions

作者簡介：

收稿日期：2015-9-8

中圖分類號：TN305.94

文獻標識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）02-0014-05