硅基板芯片的電子封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

摘? 要：隨著電子產(chǎn)品微型化的快速發(fā)展，電子封裝技術(shù)成為電子工業(yè)中的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。本文闡述了現(xiàn)有封裝技術(shù)，從引線框架制作、載芯板制作、塑封料選擇等方面提出了改進(jìn)措施，并從結(jié)構(gòu)的角度提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，可以有效地解決半導(dǎo)體器件分層問題，提高現(xiàn)有產(chǎn)品的良品率。

關(guān)鍵詞：引線框架;封裝;分層;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TN405? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）24-0028-03

Abstract：With the rapid development of miniaturization of electronic products，electronic packaging technology has become one of the key manufacturing technologies in the electronics industry. This article describes the existing packaging technology，proposes improvement measures from the aspects of lead frame fabrication，core carrier fabrication，and plastic packaging material selection，and proposes corresponding optimization measures from a structural perspective，which can effectively solve the delamination problem of semiconductor device and improve the yield of existing products.

Keywords：lead frame;packaging;layering;structural optimization

0? 引? 言

芯片是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、電子產(chǎn)品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)的核心部件之一，而封裝技術(shù)就是將內(nèi)部芯片包裹起來，以避免芯片與外界接觸，防止外界對(duì)芯片的損害的一種工藝技術(shù)。空氣中的雜質(zhì)和不良?xì)怏w，乃至水蒸氣都會(huì)腐蝕芯片上的精密電路，進(jìn)而造成電學(xué)性能下降。不同的封裝技術(shù)在制造工序和工藝方面差異很大，封裝后對(duì)內(nèi)部芯片自身性能的發(fā)揮也起到至關(guān)重要的作用。

1? 現(xiàn)有封裝技術(shù)分析

目前電子產(chǎn)品越來越小型化，封裝越來越片式化，TO-252封裝以其外形尺寸小、功率大而得到越來越廣泛的應(yīng)用，然而其封裝中容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在不同的介質(zhì)之間存在間隙和水汽，當(dāng)產(chǎn)品工作發(fā)熱時(shí)，水汽膨脹，使得產(chǎn)品失效，甚至爆炸。

本文針對(duì)這些問題研究了一種新型的封裝硅芯片的方法，通過優(yōu)化引線框架結(jié)構(gòu)，在載芯板上增加楔形盲孔，提高引線框架和塑封料之間的結(jié)合性能，有效地解決了分層問題。

2? 新型封裝技術(shù)改進(jìn)

2.1? 引線框架的制作

引線框架的作用在于實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出段與外部電路的電氣連接，形成歐姆通路，其材質(zhì)為銅、銅合金或者鐵、鐵基鎳合金等金屬材料。

圖1為新的引線框架，它包含承載待封裝芯片的載芯板、引腳和多個(gè)載芯板之間的連接筋，其中a引腳連接著載芯板，通過連接筋，在引線框架上可以連接多個(gè)載芯板。在載芯板的板面上有若干個(gè)凹坑，凹坑在橫向與縱向上均呈均勻式分布，凹坑的形狀為楔形盲孔，其坑口面積大于坑底面積，且坑口和坑底的形狀都為矩形，坑口邊長(zhǎng)為0.08mm～0.12mm，坑底邊長(zhǎng)為0.04mm～0.07mm，深度為0.03mm～0.1mm。

2.2? 塑封料的選擇

選用環(huán)氧樹脂作為塑封料，它是一種熱固性化學(xué)材料，主要由環(huán)氧樹脂、硬化劑、添加劑等混合后加工形成，視封裝工藝要求各成分比例略有不同。為了防止產(chǎn)品回潮，塑封料中不含任何鹵系元素。

3? 優(yōu)化理論分析

3.1? 問題分析

TO-252封裝中常見的分層類型如表1所示。

以上四種異常都是由兩種材料間的結(jié)合力不夠引起的，其優(yōu)化方法一方面是通過更換新型材料，提高不同材質(zhì)間的結(jié)合強(qiáng)度;另一方面是優(yōu)化引線框架結(jié)構(gòu)，通過沖壓形成均勻的楔形凹坑，增加塑封料和不同材料之間的結(jié)合面積，進(jìn)而增加兩部分的結(jié)合強(qiáng)度。

由表2可見，鐵鎳材料的熱膨脹系數(shù)較小，銅及銅合金材料膨脹系數(shù)較大。銅質(zhì)引線框架與常用塑封料的熱膨脹系數(shù)較為接近，但與硅芯片膨脹系數(shù)相差較大，在不同的溫度條件下，由于膨脹系數(shù)不同，還需要優(yōu)化引線框架的結(jié)構(gòu)。

3.2? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

新引線框架結(jié)構(gòu)主要做了以下幾方面改進(jìn)：（1）在載芯板上增加楔形凹坑，以增大電子元件引腳與塑封料、塑封料與載芯板之間的結(jié)合面積，共同作用使得載芯板與芯片的結(jié)合強(qiáng)度大大增加;（2）針對(duì)塑封料與框架結(jié)合不牢固的問題，在載芯板上增設(shè)鎖定孔，相當(dāng)于在塑封料與框架間加入榫卯結(jié)構(gòu)，把塑料與框架緊釘在一起;（3）在引腳處加入密封槽，保證產(chǎn)品封裝后的密封性;（4）優(yōu)化后的引線框架調(diào)整了結(jié)構(gòu)尺寸，其中裝片面積比原有框架增加65%，可以裝載更大面積的芯片，也更有利于產(chǎn)品散熱;壓腳面積比原有框架增加近50%，允許焊接更粗的線徑，滿足大電流產(chǎn)品的封裝需求，圖2是框架改進(jìn)前后的對(duì)比。

3.3? 模具優(yōu)化

原有模具在脫模時(shí)，由于模具與管體正面塑料之間產(chǎn)生的粘結(jié)力，會(huì)增加封裝層合之間的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致因脫模而產(chǎn)生分層，因此對(duì)模具進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化：（1）改變上下模位置，減少脫模時(shí)對(duì)管體正面塑料的拉扯作用，減少應(yīng)力;（2）在每個(gè)管體的型腔中增加了一根頂針，脫模時(shí)通過頂針給予管體一個(gè)力的作用，使之迅速與模具脫離，減少兩者粘力的作用，如圖3所示。

4? 改進(jìn)的封裝流程步驟詳述

第一步：使用新的框架進(jìn)行粘片。粘片之前一般對(duì)引線框架在250∽350℃下進(jìn)行15s∽30s預(yù)熱處理，其益處在于粘片溫度普遍在300∽400℃，如果引線框架從室溫驟然升到400℃，載芯板會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，容易引起芯片開裂。

第二步：采用焊錫點(diǎn)焊料，或者通過融化硅芯片背面的金層來連接硅芯片與載芯板。

第三步：采用超聲波焊接，通過內(nèi)引線將硅芯片電極與引線框架對(duì)應(yīng)的引腳連接起來。

第四步：塑封，將引線框架放入模具中，在100℃∽ 180℃溫度下預(yù)熱引線框架8min∽12min，用液壓機(jī)將塑封料壓入模具，從而將芯片內(nèi)引線、引線框架的三個(gè)引腳a、b、c的端頭密封起來。

第五步：密封完畢后，讓產(chǎn)品在200℃∽250℃溫度下進(jìn)行熱處理2h∽3h，釋放其內(nèi)應(yīng)力。

第六步：對(duì)引線框架的引腳a、b、c經(jīng)行電鍍，使各引腳均勻鍍上一層錫。

第七步：分離成型，切掉引線框架上的連接筋，得到具有獨(dú)立功能的產(chǎn)品。

第八步：由于去除連接筋時(shí)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，管腳根部的塑封料容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，因此再讓產(chǎn)品在150℃∽200℃溫度下退火3h∽12h，釋放管腳內(nèi)應(yīng)力。

5? 對(duì)改進(jìn)方法的可靠性進(jìn)行測(cè)試

5.1? 無損檢測(cè)

通過對(duì)框架和模具進(jìn)行改進(jìn)，產(chǎn)品的密封性得到很大的改善，使用超聲波探傷技術(shù)，對(duì)密封后的引線框架進(jìn)行C-SAM檢測(cè)，如圖4（頂?shù)撞糠直硎居兴芰象w和框架分層）?？梢悦黠@地看出經(jīng)過模具和框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，組件內(nèi)部的芯片粘接失效、分層、裂紋、夾雜物、空洞等可能的分層現(xiàn)象大大減少，證明上述優(yōu)化工作產(chǎn)生了良好的效果。

5.2? 試流測(cè)試

針對(duì)改進(jìn)后的封裝技術(shù)，通過開展試流測(cè)試，來檢驗(yàn)新型封裝產(chǎn)品在防止芯片與框架分層的優(yōu)化效果，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，從中可以看出改進(jìn)后的產(chǎn)品性能良好，成品率穩(wěn)定。

6? 結(jié)? 論

本文通過優(yōu)化TO-252框架結(jié)構(gòu)，提出了一種能夠提升封裝芯片結(jié)合強(qiáng)度的方法，可以有效地解決半導(dǎo)體器件分層問題。主要優(yōu)化措施包括：（1）對(duì)引線框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，加入多個(gè)楔形盲孔結(jié)構(gòu)，增大了部件之間有效接觸面積，有利于提升封裝部件的結(jié)合強(qiáng)度與密封性能;（2）優(yōu)化模具及相關(guān)工藝，新的塑封模具在型腔里增加了頂針孔，比舊模具更容易脫模，也減少了脫模時(shí)的拉扯力，減小塑封料與框架間分層的可能性;（3）提出了一套完整的生產(chǎn)工藝，能夠有效地減少芯片封裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)于行業(yè)內(nèi)提高芯片封裝質(zhì)量具有較高的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：袁鳳江（1971-），男，漢族，江蘇淮安人，工程師，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士，研究方向：半導(dǎo)體技術(shù)。