塑封TO-220、TO-263產(chǎn)品封裝工藝改進(jìn)

濟(jì)南市半導(dǎo)體元件實(shí)驗(yàn)所 孟 博 蘇云榮 于 洋 崔 同

1 概述

芯片的背面電極與引線框架的物理連接及電連接是通過粘片工藝實(shí)現(xiàn)的。粘片工藝實(shí)現(xiàn)情況的好壞直接影響到器件的參數(shù)與可靠性，特別是對于功率器件的影響更加明顯。對于TO-220、TO-263封裝的功率型器件而言，現(xiàn)在一般采用融點(diǎn)焊錫絲，焊錫拍扁成型，芯片放置，焊錫冷卻成型等幾個步驟來實(shí)現(xiàn)粘片工藝。我們發(fā)現(xiàn)器件生產(chǎn)中或者器件可靠性的多種失效模式都產(chǎn)生于粘片工藝。我們認(rèn)為以下缺陷與粘片工藝有關(guān)：a、焊料縮錫，b、焊料空洞率高，c、焊料熱疲勞能力差，d、芯片背裂。

塑封料與引線框架、芯片分層，以及在各種應(yīng)力條件下分層情況加重是塑封器件的最重要的失效模式之一。塑封分層可引起器件的多種失效，一般有以下幾種：a、塑封料與引線框架分層，形成水汽進(jìn)入通路。此模式短期內(nèi)可使器件的漏電增大，長時間可以引起電極電化學(xué)腐蝕。b、塑封料與碳化硅二芯片表面分層，可以使鍵合點(diǎn)與芯片金屬層分離，或者接觸不良，引起器件失效。c、在塑封料與引線框架分層的條件下，某些外力作用于器件，可以使芯片分層（芯片底部的襯底開裂）或者使焊料分層，使器件的正向電壓異常升高。

器件受到以下幾種應(yīng)力時，分層情況可能加?。篴、器件安裝時受到的機(jī)械或者熱應(yīng)力。b、器件受到一定物理沖擊。例如跌落或者其他對背面散熱片的物理沖擊。在大量的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中遇到過多次此種現(xiàn)象。此種可能容易被忽略。c、溫度沖擊，主要指一些使用環(huán)境溫度的急速變化。芯片、焊料、鍵合絲、塑封料、引線框架等的材質(zhì)不同，其線膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時各部分間都會產(chǎn)生應(yīng)力使分層現(xiàn)象加劇。

2 粘片工藝改進(jìn)

2.1 焊料優(yōu)化

首先，焊料應(yīng)符合以下幾點(diǎn)基本要求，

a、器件應(yīng)承受回流焊的極限260℃/10s以上的沖擊，因此焊料的熔點(diǎn)至少應(yīng)保證高于280℃；

b、熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能接近碳化硅與引線框架使用的KFC銅合金材料的熱膨脹系數(shù)；

c、焊料本身的工藝操作窗口較寬，與碳化硅芯片的背面銀層、引線框架使用的KFC合金材料的浸潤性好；

d、具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率的綜合性能。

綜合以上條件，最初我們在眾多的焊料中選擇了0.76mm直徑的PbSn10的軟焊料。此成分的焊料綜合電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率適中，與芯片背面銀層、KFC材料的浸潤性較好，相對其他成分的焊料其加工的工藝參數(shù)窗口寬，生產(chǎn)控制較為容易。但是經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)（-55℃～＋150℃，1000次）后發(fā)現(xiàn)部分器件的正向壓降升高的的情況，經(jīng)過失效分析發(fā)現(xiàn)焊料出現(xiàn)大量的裂紋，發(fā)生了金屬疲勞現(xiàn)象。

通過對各種成分焊料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn)基本上焊料的耐熱疲勞能力與其與引線框架的浸潤性成反比：

抗熱疲勞能力：PbSn1Ag1.5＞PbSn2Ag2.5＞PbSn5Ag2.5＞PbSn5＞PbSn10；

浸潤性：PbSn10＞PbSn5＞PbSn5Ag2.5＞PbSn2Ag2.5＞Pb-Sn1Ag1.5。

目前我們選用了抗熱疲勞能力較強(qiáng)的PbSn1Ag1.5材料，器件經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后，未發(fā)生正向壓降升高的情況，焊料熱疲勞現(xiàn)象得到明顯的改善。

但是更換焊料初期遇到了縮錫比例大，焊料空洞率高，焊料與框架不浸潤等問題。我們通過調(diào)整引線框架表面粗糙度、優(yōu)化工藝參數(shù)（調(diào)整氮?dú)浔Ｗo(hù)氣流量，優(yōu)化點(diǎn)錫、拍錫工藝參數(shù)）以及拍錫頭優(yōu)化的方法，有效的避免了這些問題的發(fā)生。

2.2 拍錫頭優(yōu)化

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)，最終確定拍錫頭的導(dǎo)氣槽結(jié)構(gòu)特征如下，a、導(dǎo)氣槽深度50μm；

b、最外圍為正方形導(dǎo)氣槽，其對角線也為導(dǎo)氣槽；

c、拍錫頭邊長為芯片邊長的110%。

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的導(dǎo)氣槽可最大限度的保證以下能力，

a、能有效的防止縮錫現(xiàn)象。將縮錫現(xiàn)象的發(fā)生比例提高到0.5‰以下；

b、焊錫厚度由優(yōu)化前的15μm～90μm縮小到20μm～60μm；

c、優(yōu)化的拍錫面積在保證粘片剪切力的同時，減小芯片受到的焊料固化收縮應(yīng)力；

d、合理的拍錫面積保證粘片剪切力的同時，保證留有盡可能多的引線框架與塑封料接觸的面積，來提高塑封料與引線框架的粘結(jié)力，避免分層現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 頂針結(jié)構(gòu)與高度優(yōu)化

150mil芯片以下使用單頂針，150mil芯片以上使用4頂針結(jié)構(gòu)。采用4頂針結(jié)構(gòu)可防止大芯片單頂針工藝造成的的芯片背裂。頂針高度在保證可吸起芯片的條件下應(yīng)盡可能小，避免頂針應(yīng)力。根據(jù)藍(lán)膜粘附性狀態(tài)不同，其工藝參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化后芯片背裂的失效率由0.1‰提升到0.01‰以下。

3 塑封分層改進(jìn)

3.1 優(yōu)化塑封料

a、樹脂基材體系：目前塑封材料中的環(huán)氧樹脂基材主要有4類，分別是：鄰甲酚、多官能團(tuán)、雙環(huán)戊二烯、聯(lián)苯。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)四類塑封料對引線框架的粘附性差異巨大[2-3]。針對塑封分層情況，需要增加塑封料與引線框架的粘附力，應(yīng)在可能條件下應(yīng)優(yōu)先選擇粘結(jié)力較大的材料。

b、填充二氧化硅：目前填充的二氧化硅顆粒有三種，分別是結(jié)晶型、熔融型片狀、熔融球形。這三種填充物的特性差異較大，可以較大地影響塑封料整體的熱傳導(dǎo)率、線性膨脹系數(shù)、彎曲強(qiáng)度、吸濕率。

對塑封分層情況，我們目前主要的失效模式為溫度循環(huán)條件下分層?？烧J(rèn)為塑封料與引線框架之間產(chǎn)生了熱失配，銅材的線膨脹系數(shù)約為20*10-6/℃，塑封料與引線框架間的高溫線膨脹系數(shù)差異較大，應(yīng)選取高溫線膨脹系數(shù)a2盡量低的塑封料，因此應(yīng)選擇高填充的熔融的二氧化硅，如果條件允許可以使用高填充的球型二氧化硅。

3.2 優(yōu)化引線框架設(shè)計

a、塑封區(qū)頂部U型槽：當(dāng)外力作用于引線框架使其震動時容易使器件自塑封體頂部分層開裂，在此處增加一個深的U型或者燕尾槽可以使此處耐物理沖擊的性能有很大的提高。

b、塑封區(qū)網(wǎng)格、麻點(diǎn)：通過溫度循環(huán)1000次后，二極管芯片附近的引線框架區(qū)域與塑封料發(fā)生了分層，在二極管芯片區(qū)及附近增加這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以增加引線框架與塑封料的接觸面積，以及改變接觸面的受力方向來提高粘附性。還可以借鑒前面U型槽的設(shè)計，對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，以更加增加兩者的粘附性。

c、鍵合區(qū)鎖膠孔：引線鍵合區(qū)分層是可能會引起器件直接失效的原因，在GJB7400的篩選項(xiàng)目中明確指出任何鍵合區(qū)分層都是不可接受的，此處接近塑封體邊緣，容易發(fā)生分層。此處的鎖膠孔設(shè)計明顯針對此項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計，但是孔徑的面積大小也會影響到引線的電流承載能力以及散熱能力。在此處設(shè)計時應(yīng)根據(jù)引腳電流密度，引腳的散熱能力要求，以及分層應(yīng)力條件綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

3.3 引線框架框架表面態(tài)控制

塑封料與引線框架分層主要有以下三種模式[4-5]：（a）分層處為塑封料與引線框架表面的Cu2O界面。斷裂所需應(yīng)力較低。（b）分層處為引線框架表面的Cu2O與CuO的交界面（此時的氧化銅層薄，晶格缺陷少）。斷裂所需應(yīng)力較高且一致性較好。（c）分層處為塑封料與引線框架表面的CuO界面（此時的氧化銅層厚，晶格缺陷較多）。此處斷裂所需應(yīng)力高低一致性不好。

分層處的狀態(tài)與粘附力狀態(tài)非常相關(guān)，通過對框架的氧化表面態(tài)的控制進(jìn)行分層處位置的控制，使分層發(fā)生在粘附性最好的狀態(tài)。但是實(shí)際生產(chǎn)過程中引線框架需要經(jīng)過高溫（最高溫度360℃）粘片工藝，其引線框架表面已經(jīng)發(fā)生了氧化，而且引線框架廠使用的銅材在微量元素上會有一些差異。這些材料差異可使引線框架表面氧化銅的表面形態(tài)有所不同，需要具體對每種材料進(jìn)行分析?？梢栽诔Ｒ?guī)的引線框架材料中選取最優(yōu)方案,在選取時應(yīng)考慮熱導(dǎo)率，電導(dǎo)率等多個因素。

為了排除前期各種因素，具體的方法可首先通過還原框架表面態(tài)，再進(jìn)行塑封前引線框架預(yù)熱氧化的方法做到框架表面氧化態(tài)一致性的控制。

引線框架表面態(tài)還原目前可以進(jìn)行高溫氮?dú)溥€原或者等離子清洗、UV照射等方法?？梢詫Χ喾N方法，多種處理時間等進(jìn)行多項(xiàng)正交試驗(yàn)，以確定最優(yōu)結(jié)果。

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