塑封分立器件的分層問題之我見

楊秀倫，張 鵬

（中國振華集團永光電子有限公司，貴陽 550018）

隨著我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展越來越快，封裝過程中半導(dǎo)體器件的封裝與貼裝技術(shù)的發(fā)現(xiàn)腳步也在不斷加快，對于封裝領(lǐng)域而言，塑料封裝工藝至關(guān)重要。封裝過程中使用塑封器件不僅可以大幅度的降低資金成本，還能減輕整機的體積和重量，但是現(xiàn)在塑封工藝的完善方面仍然會產(chǎn)生各種各樣的問題，如塑封分立器件出現(xiàn)嚴(yán)重的分層現(xiàn)象就會直接影響塑封器件的正常使用，造成內(nèi)部電路運行不正常。所以我們解決了塑封器件的分層問題，就能提高塑封器件的可靠性。

1 分層概述

塑封器件使用的時候會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力問題，指的是不同參數(shù)不同材料的塑封器在使用過程中出現(xiàn)材料間的粘結(jié)界面出現(xiàn)分離或者剝離現(xiàn)象，導(dǎo)致塑封器件不僅不能保證使用壽命，嚴(yán)重時還不能完成其工作職能。由于不同的材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，所以在熱應(yīng)力和濕氣的破壞下會出現(xiàn)分層。

分析框架式塑封器件時，我們可以知道芯片界面和封裝樹脂、引線框架界面和封裝樹脂、引線框架界面、載片界面和封裝樹脂、芯片這些部位都容易出現(xiàn)分層問題。銅基片DAP與封裝樹脂界面是出現(xiàn)分層問題的主要區(qū)域。如圖1所示為塑封期間的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 塑封器件結(jié)構(gòu)圖

2 分層分類分析

2.1 熱應(yīng)力分析

金屬引線框架、焊絲、封裝樹脂、粘接料以及芯片都是作為塑封器件的結(jié)構(gòu)材料，其中封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)比引線框架、芯片大一個數(shù)量級，塑封器件材料的熱膨脹系數(shù)會由于溫度的高低而產(chǎn)生差異，進而不同材料粘接位置產(chǎn)生的常見應(yīng)力不同。如果應(yīng)力大于材料間粘接所能承受的最大應(yīng)力，就會在斷裂強度與屈服強度的基礎(chǔ)下發(fā)生分層。

分析界面應(yīng)力數(shù)值時。我們可以利用區(qū)域能量釋放理論、有限元法、虛擬裂紋閉合技術(shù)以及積分法等多種方法完成，在封裝失效分析過程中適合使用有限元分析法，這種方法除了可以提前知道封裝內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，還會讓載片、芯片、塑封當(dāng)中產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移。近十年，我們都在應(yīng)力失效分析中應(yīng)用有限元分析法，最大程度地保證了分析的準(zhǔn)確度。分析薄型陣列塑封器件的界面的時候，我們重點考慮溫度對塑封器件的形變影響，當(dāng)模型外部不受任何應(yīng)力、溫度下降速度一致時，塑封器件會產(chǎn)生垂直收縮的形變。

在銅基片DAP與封裝樹脂當(dāng)中使用有限元分析法，我們發(fā)現(xiàn)其可以產(chǎn)生較大應(yīng)力，兩種材料的拉伸，應(yīng)力也會統(tǒng)一出現(xiàn)在

材料的某一部分，一旦拉伸應(yīng)力大于銅基片DAP與封裝樹脂材

料中的任何一項數(shù)值，材料都會發(fā)生開裂現(xiàn)象。

2.2 濕氣的影響

塑封采用的是非氣密性封裝，濕氣可能進入封裝器件當(dāng)中的途徑是封裝樹脂和引線框架之間的界面，也可能會從封裝樹脂直接進到塑封器件當(dāng)中，這兩種方式都會對塑封器件內(nèi)部產(chǎn)生腐蝕。芯片在封裝時，濕氣腐蝕會使金屬表面產(chǎn)生水和氧化物，而氧化物會在封裝樹脂與金屬界面當(dāng)中吸收一部分的水汽，增強其脆弱度并導(dǎo)致粘接失效，進而造成塑封器件產(chǎn)生失效。如果鉀、鈉、氯的離子出現(xiàn)在濕氣中，會造成芯片引線框架以及DAP腐蝕速度的加快，離解樹脂的同時出現(xiàn)分層或者剝離的現(xiàn)象。分層會提高濕氣進入的速度，進而最大程度地縮短器件可靠性。高溫回流的操作中的器件板組裝，不僅會導(dǎo)致濕氣氣化出現(xiàn)過多的蒸汽壓力，也會讓熱應(yīng)力與蒸汽壓力的共同作用下的塑封材料界面產(chǎn)生分層。輕微的分層現(xiàn)象只是讓器件產(chǎn)生裂紋，如果分層現(xiàn)象嚴(yán)重則會導(dǎo)致塑封器件外部出現(xiàn)開裂，進而引發(fā)爆米花效應(yīng)。

3 分層解決方案的制定

制定分層解決方案需要結(jié)合分層產(chǎn)生的原因，由此我們可以從封裝材料的改進、濕氣的預(yù)防方面來設(shè)計方案。

3.1 改進封裝材料

封裝樹脂材料的吸濕性、應(yīng)力以及粘接性等都會讓分層出現(xiàn)變化。在使用塑封料時，會使用到大量的填料，不同的填料會讓封裝材料有不一樣的使用效果。環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)是（50-90）×10-6℃，環(huán)氧樹脂的1%可以表示硅微粉的熱膨，就是0.6×10-6℃，所以，最小的熱膨脹系數(shù)材料是高填料的最佳選用材料，可以減少熱應(yīng)力對封裝材料的影響。硅微粉具備較高的彈性模量，如果用這種材料作為填料，一旦使用的太多的就會讓應(yīng)力變得更大。所以，工作人員要謹(jǐn)慎選用合適的封裝材料。

一旦Cl-、Na+等離子雜質(zhì)出現(xiàn)在塑封材料中，芯片表面會產(chǎn)生帶離子的濕氣，進而在器件表面產(chǎn)生濕氣腐蝕。高純度是塑封料的特性。所以在對塑封進行操作時，要最大程度的降低芯片表面存在的離子濃度。

3.2 做好引線框架

對于塑封產(chǎn)品成型分離加工而言，生產(chǎn)廠家在進行自動沖切成型系統(tǒng)時，會在系統(tǒng)的上料部分添加一個檢測機構(gòu)。這個檢測機構(gòu)能夠識別產(chǎn)品功能，并且可以防止混料情況。如果兩個品種的條帶和塑封體的外部形狀相同，只是在塑封體的厚度上面有一些區(qū)別，但也不能通過畫像處理檢測進行明確的區(qū)分，如果在上述條件下，引線框架太薄的話，也不能通過單單的機械傳感接觸來檢測它們的區(qū)別。

3.3 預(yù)防濕氣

工作人員在操作塑封之前首先要觀察芯片表面，一旦有臟東西或者發(fā)黃的現(xiàn)象出現(xiàn)在芯片表面，就需要先對芯片進行離子清洗操作，再進行塑封，這樣才可以最大程度的降低分層問題出現(xiàn)的概率；塑封操作完成要進行器件測試，如果器件測試之后，性能良好的就能使用真空烘烤。塑封后要定期進行器件濕氣檢查，MSL可靠性或者超聲掃描分層檢查都能完成這項操作。一旦濕氣已經(jīng)侵入到器件中，就需要根據(jù)相關(guān)除潮標(biāo)準(zhǔn)對器件進行去濕操作，其中常用方式為：時間24小時，高溫125℃烘培。使用去濕后的塑封器件可以增加器件的有效使用時間。工作人員在使用防靜電真空包裝時，要在靜電包裝塑料袋當(dāng)中放置干燥劑，以起到預(yù)防濕氣的作用。

4 結(jié)束語

近幾年，對于塑料封裝產(chǎn)業(yè)而言，市場需求和銷售利潤變得越來越大，所以，我們更應(yīng)該解決好分層問題來更好的發(fā)展塑封產(chǎn)業(yè)。所以，對于相關(guān)技術(shù)工作人員，在塑封分立器件的處理銷售，應(yīng)該注重器件的選材和濕氣防止方面的問題，進而提高塑封半導(dǎo)體器件的可靠性，進一步提高塑封技術(shù)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果。

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