塑封分立器件的分層問題探討

吳艷

摘要：隨著塑封分立器件在電子產(chǎn)品生產(chǎn)流程中的普遍使用，如何妥善解決其分層現(xiàn)象對電路造成的不良影響無疑成為保持該器件良好使用度的技術(shù)要領(lǐng)。在本文中，作者首先對塑封中發(fā)生頻率最高的幾種分層現(xiàn)象及其成因做出了歸納，繼而總結(jié)了有效規(guī)避分層現(xiàn)象的方法和具體操作注意事項。

關(guān)鍵詞：集成電路；塑封分層；環(huán)氧樹脂

中圖分類號TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0028-02

近年來，隨著國內(nèi)制造業(yè)，輕工業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國的電子產(chǎn)品無論從品種還是技術(shù)上均在國際范圍內(nèi)得到了空前廣泛的認(rèn)可。集成電路的發(fā)展使電子產(chǎn)品具備了輕便易攜帶的特性，因而對該技術(shù)的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新是保持電子產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的核心戰(zhàn)略目標(biāo)。其中，封裝與貼裝技術(shù)對于保護(hù)電路的獨立性與密封性起著至關(guān)重要的作用，而塑封則是集成電路封裝工藝的技術(shù)核心。塑封技術(shù)的成熟與否，直接影響到集成電路塊的使用壽命。在本文中，作者將致力于對把握好塑封技術(shù)的難點和要點展開詳細(xì)探討，針對其容易發(fā)生分層這一技術(shù)難關(guān)特別做出了相關(guān)經(jīng)驗總結(jié)，并提出了若干解決方法，以便致力于塑封技術(shù)的改進(jìn)。

1.常見的幾種分層現(xiàn)象歸納及其成因分析

1.1材料內(nèi)應(yīng)力引起的邊界剝離

在操作塑封器的過程中，由于金屬材料內(nèi)應(yīng)力的問題，容易造成不同材料的粘結(jié)面產(chǎn)生剝離，長此以往會縮短塑封器的使用壽命。不僅如此，參數(shù)設(shè)置不同，也會導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)難以兼顧，總有材料會因濕氣影響程度過大而受到損毀。

1.2金屬基片粘合度低導(dǎo)致分層

在框架式塑封器件中，在芯片截面和封裝樹脂、引線框架界面最易發(fā)生分層剝離現(xiàn)象，其次就是封裝使用的樹脂、引線框架界面和導(dǎo)電膠、載片界面和封裝樹脂、導(dǎo)電膠界面和芯片等區(qū)域。而在QFP樹脂材料的封裝流程中，分層現(xiàn)象多因金屬基片粘合度低導(dǎo)致銅基片與樹脂封裝交界處分層。

1.3金屬氧化物濕度增大引發(fā)分層

塑封屬于一種非氣密性封裝，濕氣可以經(jīng)過封裝樹脂和引線框架之間的界面或者是封裝樹脂進(jìn)入塑封器件內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕。在芯片封裝的過程中，濕氣腐蝕是導(dǎo)致器件出現(xiàn)失效的最大原因，會造成金屬表面出現(xiàn)水合氧化物，而氧化物后續(xù)又會吸收一部分的水汽，在封裝樹脂與金屬界面中出現(xiàn)了較為脆弱的部分，導(dǎo)致粘接失效。如果濕氣的蒸騰作用使大量鉀鈉以離子的形式游離于空氣中，對芯片和引線框架進(jìn)行腐蝕，繼而導(dǎo)致樹脂離解剝離。

2.規(guī)避分層現(xiàn)象的基本方法

2.1謹(jǐn)慎選擇封裝材料

目前，高聚環(huán)氧樹脂乃是廣泛應(yīng)用于分立器件塑封的材料。環(huán)氧塑封材料（EMC），又稱環(huán)氧樹脂，是以高聚酚醛樹脂作為固化劑，以環(huán)氧高密聚樹脂作為基材，然后輔以少量硅微粉作為助劑在實驗室高溫高壓條件下混合制成的粉狀模型塑料。

2.2做好引線框架

在塑封產(chǎn)品成型分離加工領(lǐng)域，廠家通常會利用自動沖切成型系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，為了防止混料情況的發(fā)生，一般在自動沖切成型系統(tǒng)地上料部分有一個能識別產(chǎn)品功能的檢測機(jī)構(gòu)。但當(dāng)兩個品種的條帶和塑封體在外形上完成一致，而只有塑封體厚度有微小差別時，畫像處理檢測就不能將二者區(qū)分開來。而且，因為上述兩種條帶和塑體的厚度幾乎相同，且引線框架太薄，純機(jī)械的傳感接觸難于檢測到二者的差別。

2.3通過離子清洗為芯片除污

在進(jìn)行塑封操作前，相關(guān)技術(shù)人員需對監(jiān)察芯片表面，成熟的塑封技術(shù)離不開與芯片封裝的緊密配合。一旦發(fā)現(xiàn)芯片表面出現(xiàn)砧污或者氧化現(xiàn)象，需及時清洗除垢，然后在進(jìn)行塑封。事實表明對污損芯片預(yù)先進(jìn)行離子清洗能夠有效地預(yù)防甚至消除分層現(xiàn)象。在塑封完成之前，需要再補(bǔ)充一道真空烘烤程序，進(jìn)一步確認(rèn)質(zhì)量是否合格。在塑封完成之后，也可針對材料表層受濕氣影響程度進(jìn)行隨機(jī)抽取化驗來抽查質(zhì)量是否過關(guān)。如果有受到濕氣影響的試樣，應(yīng)先統(tǒng)計比例，然后靜置于烘箱中24h以上徹底去除濕氣后方可進(jìn)行下一步操作。為了鞏固驗收效果，塑封分立器件的包裝應(yīng)遵循真空、干燥、除塵、除靜電的原則進(jìn)行最后驗收。

3.實際操作中的技術(shù)要領(lǐng)

3.1處理好熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是指塑封過程中，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束力隨溫度變化而變化的熱學(xué)效應(yīng)。任何一種封裝材料的屈服強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度都需高于材料的熱應(yīng)力水平，從而防止熱應(yīng)力張力引起的分層。

通常情況下，EMC的玻璃化臨界值較低，環(huán)氧塑封材料的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量在玻璃化溫度臨界值，即溫度驟然發(fā)生變化時，環(huán)氧塑封材料的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量也會一并發(fā)生驟變，這樣的工作環(huán)境往往更容易使器件的可靠性得不到保障。在這種情況下，封裝分層多發(fā)生于失效現(xiàn)象，即封裝體與芯片、引線框架與封裝體的粘接面由于受熱應(yīng)力影響而崩裂，再加之部分芯片材料散熱效果不理想，都會導(dǎo)致芯片表層金屬鈍化或被腐蝕。

3.2定量優(yōu)化分析數(shù)據(jù)標(biāo)樣

使用能譜儀能夠有效地優(yōu)化調(diào)節(jié)表揚(yáng)，并隨時測試峰值水平。儀器不同（檢出角、探測效率等不同），會造成測試條件（電壓、電流、工作距離等）和環(huán)境溫度也不同，使數(shù)據(jù)標(biāo)樣發(fā)生變化。在標(biāo)樣上使用計數(shù)率測定電流變化，用合適的高質(zhì)量標(biāo)樣波峰對電流變化、增益值、探測器峰值進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和修正，即對數(shù)據(jù)庫中標(biāo)樣數(shù)據(jù)定時定量地修正優(yōu)化。定量優(yōu)化每天在開機(jī)半小時后儀器完全穩(wěn)定了才能啟動，分為活時間和死時間兩個步驟，前者持續(xù)時間約為100s以上，死時間比例約占40%。

3.3降低塑封材料的應(yīng)力效應(yīng)

塑封體的界面應(yīng)力指數(shù)越高，表示塑封體界面的應(yīng)力越大。經(jīng)過實驗室測試，結(jié)果表明材料應(yīng)力與產(chǎn)生分層現(xiàn)象的概率成正比。另外，通過測試結(jié)果的對照不難看出，影響塑封材料熱應(yīng)力的因素有：材料的熱膨脹系數(shù)、塑封料的楊氏彈性模量和塑封料的玻璃化臨界溫度。要平衡好上述系數(shù)對實驗結(jié)果的影響，是處理好應(yīng)力問題的關(guān)鍵，在降低塑封料的玻璃化溫度時，還要保證材料的機(jī)械性能不隨之降低。塑封料的熱膨脹系數(shù)和楊氏彈性模量對封裝體內(nèi)的應(yīng)力也會產(chǎn)生明顯影響，楊氏彈性模量并減小熱膨脹系數(shù)，也是抵制塑封材料內(nèi)應(yīng)力的有效途徑之一。當(dāng)然，為了保險起見，仍應(yīng)選擇熱應(yīng)力盡可能小的材料。

3.4注意塑封體與氧化體之間的結(jié)合強(qiáng)度

當(dāng)金屬表面發(fā)生氧化反應(yīng)后，不僅化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)變化，原先的物理特性也會大不相同。比如很多金屬氧化物表明會變得濕潤，表層張力和粘合度也會改變，如表面潤濕、表面張力以及結(jié)合力的改變。電解液中游離的大量氧離子會與低價銅離子結(jié)合生成氧化亞銅，并沉淀為固態(tài)，吸附在銅板表層。氧化亞銅（Cu2O）在空氣中久置容易變質(zhì)，容易被氧化為氧化銅（CuO），這一氧化反應(yīng)會釋放熱能，其熱效應(yīng)會進(jìn)一步對塑封體造成二次腐蝕。另一方面，氧化銅（CuO）與膠餅間的膠合力要弱于氧化亞銅（Cu2O）與之結(jié)合的力度，導(dǎo)致脫層現(xiàn)象更容易發(fā)生。

4.結(jié)論

塑料封裝產(chǎn)業(yè)的市場需求和銷售利潤近年來仍呈穩(wěn)步上升的勢頭，為了維持這一有利局面，解決好分層問題仍然是發(fā)展塑封的頭等要務(wù)。因此，身為處理塑封分立器件的技術(shù)工作人員，應(yīng)在選材和防止?jié)駳夥矫娑噙M(jìn)行深入探索，進(jìn)一步加強(qiáng)塑封的可靠性，保持塑封技術(shù)的應(yīng)用效果和應(yīng)用范圍。