高可靠塑料封裝技術(shù)研究

儲奕鋒，周毅，陳海燕，陳波

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214000）

0 引言

塑封器件在尺寸、重量、成本和性能方面較陶瓷封裝和金屬封裝器件有明顯的優(yōu)勢，但在惡劣的使用環(huán)境下，如高溫高濕、低氣壓和溫差變化大的航空航天等領(lǐng)域，因模塑材料本身的吸水性、不同材料之間的熱膨脹系數(shù) （CTE：Coefficient of Thermal Expansion）差異等因素，易出現(xiàn)腐蝕、塑封體開裂、內(nèi)部分層等各種缺陷，從而影響了塑封器件在高可靠需求環(huán)境中的使用。

李強(qiáng)等[1]分析發(fā)現(xiàn)塑封貼片膠固化不充分時，回流焊高溫會導(dǎo)致貼片膠中的殘留水分汽化，造成塑封器件背面鼓包而引起塑封體開裂；黃煒等[2]分析得出芯片面積與載體面積比例接近的塑封器件更易分層，在塑封尺寸選擇時，應(yīng)盡量地選擇較大的載體尺寸；張延赤[3]認(rèn)為塑封電路在力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的情況下，使用前無須進(jìn)行預(yù)烘干。

本文從封裝角度出發(fā)，分析說明了封裝材料及工藝對產(chǎn)品可靠性造成的影響，并提出改進(jìn)措施，由此可降低產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中使用時的失效風(fēng)險。

1 塑封器件的常見失效

塑封器件由于其固有特性，在機(jī)械、熱、化學(xué)或電氣等應(yīng)力作用時，出現(xiàn)的最常見的物理失效包括分層、斷裂和腐蝕。

1.1 分層

分層是塑封器件最常見的失效模式，是塑封器件中相鄰材料的分離，主要包括模塑料與芯片、模塑料與基板/框架、芯片與貼片膠、貼片膠與基板/框架分層等。導(dǎo)致分層的因素有很多，包括外部載荷如水汽、溫度和環(huán)境濕度等。封裝體關(guān)鍵區(qū)域的分層，比如貼片區(qū)、鍵合區(qū)，易造成芯片背部電位浮空、鍵合點(diǎn)剝離等缺陷，從而導(dǎo)致塑封器件的電氣失效。

1.2 斷裂

模塑料、基板/框架與硅芯片存在較大的CTE差異，在溫度劇烈變化的環(huán)境中，因材料間的CTE差異造成的熱膨脹差異將導(dǎo)致應(yīng)力增加；當(dāng)應(yīng)力超過材料自身強(qiáng)度時，易發(fā)生斷裂異常，從而導(dǎo)致塑封器件失效。最常見的斷裂為硅芯片脆性斷裂。

1.3 腐蝕

模塑料本身具有吸水性，潮氣可通過模塑料本體或模塑料與框架/基板的結(jié)合界面進(jìn)入器件內(nèi)部的芯片表面。潮氣中的離子可能與鍵合點(diǎn)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。腐蝕易造成電參數(shù)漂移、漏電流過大和開/短路等電氣失效。

2 高可靠塑封技術(shù)

塑封器件受熱、水汽影響時，更易出現(xiàn)分層、性能降低和材料劣化等失效。本文主要從封裝材料和工藝角度進(jìn)行了分析，提出了框架/基板結(jié)構(gòu)設(shè)計和封裝工藝的優(yōu)化方案。

2.1 材料

塑料封裝使用的材料包括框架/基板、貼片膠和模塑料等，因不同材料之間的CTE差異、材料吸水特性等因素的影響，分層主要發(fā)生在材料結(jié)合界面。

2.1.1 框架/基板

塑封器件框架材質(zhì)主要包括Cu和4J42合金兩種，QFN和QFP類塑封器件一般采用Cu框架。試驗證明，Cu框架表面進(jìn)行棕化處理后與模塑料的結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于鍍層框架與模塑料的結(jié)合強(qiáng)度?？紤]貼片、鍵合工藝需要，在貼片區(qū)和鍵合點(diǎn)采用局部鍍覆的方式，進(jìn)行框架表面金屬化處理，一般在貼片區(qū)和鍵合點(diǎn)位置表面鍍Ag。也有研究表明，Ag鍍層較Cu框架（未棕化處理）與模塑料的結(jié)合強(qiáng)度更優(yōu)，因Ag鍍層較軟，模塑時的模壓可以將塑封料中填充的二氧化硅顆粒壓入Ag鍍層，增強(qiáng)了金屬與樹脂的機(jī)械互鎖作用[4]。

QFN類塑封框架一般采用半刻蝕結(jié)構(gòu)，在中島貼片區(qū)四周增加半刻蝕圖形（環(huán)形和“X”型結(jié)構(gòu)），模塑后可與模塑料形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，提高結(jié)合強(qiáng)度，如圖1所示；QFP類塑封框架一般在中島四周增加貫通孔，除了與模塑料形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)外，在熱應(yīng)變情況下，還可降低芯片和框架之間的應(yīng)力[5]。

圖1 高可靠QFN框架設(shè)計示例

目前業(yè)界塑封器件使用的基板主要包括積層多層板、Coreless基板和MIS基板等（嚴(yán)格來講，MIS基板也屬于Coreless基板，因MIS基板和傳統(tǒng)的Coreless基板材料和加工工藝不同，此處進(jìn)行了區(qū)分），各種基板的加工工藝和應(yīng)用環(huán)境也存在差異，如圖2所示。積層多層板和Coreless基板模塑后，因基板表面阻焊層和模塑料的材料特性差異，濕熱試驗過程易在兩種材料的界面之間出現(xiàn)分層；MIS基板介質(zhì)層與模塑料材質(zhì)一致（環(huán)氧樹脂中填充二氧化硅），表面無阻焊層，模塑料與基板結(jié)合可靠性更優(yōu)，但因基板加工工藝的限制，目前無法批量生產(chǎn)5層以上。

圖2 不同類型基板層疊剖面示意圖

選用基板時，應(yīng)注意芯片、基板和PCB的CTE匹配?；錍TE與芯片接近時，隨著芯片尺寸和封裝尺寸的增加，板級組裝焊點(diǎn)的開裂風(fēng)險將增大；基板CTE與PCB接近時，溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力易造成芯片斷裂、貼片膠分層等失效。

2.1.2 貼片膠

貼片膠是實現(xiàn)芯片與框架/基板固定的材料，主要組成是環(huán)氧樹脂和銀片（導(dǎo)電膠），影響界面可靠性的關(guān)鍵材料參數(shù)包括CTE、楊氏模量和玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）等。因芯片與貼片膠、框架/基板之間的CTE差異，溫度變化時芯片應(yīng)力隨貼片膠楊氏模量的增加而增大，溫度超過貼片膠Tg時，芯片應(yīng)力下降，材料性能也發(fā)生變化導(dǎo)致了粘接強(qiáng)度下降。選用Tg以上較強(qiáng)粘接力的貼片膠，可有效地防止高溫焊接過程中貼片膠界面的撕裂。

2.1.3 模塑料

模塑料的主要成分是環(huán)氧樹脂、硬化劑和促進(jìn)劑等，主要添加劑包括二氧化硅等，二氧化硅可降低模塑料的CTE和吸濕率、增加模塑料的導(dǎo)熱性，但二氧化硅含量過高會顯著地增加模塑料的楊氏模量，這將在CTE差異大的封裝體局部產(chǎn)生應(yīng)力或變形，加速界面分層惡化。模塑料的吸濕率同樣影響封裝器件的長期可靠性，器件在濕熱環(huán)境中長時間地工作，濕熱應(yīng)力的疊加將加速器件分層失效。

2.2 封裝工藝

塑料封裝的典型工藝過程包括貼片、鍵合和模塑等。為了去除基板內(nèi)部水汽，封裝前增加基板預(yù)烘工序；鍵合前后增加等離子清洗工序，以提高鍵合強(qiáng)度和模塑料與框架/基板界面結(jié)合強(qiáng)度；模塑后增加后固化工序，使模塑料內(nèi)部充分地發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，以提升器件的熱-機(jī)械性能。

2.2.1 貼片

芯片和框架/基板CTE存在較大的差異，芯片厚度越大，溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力越大，綜合地考慮薄芯片在柔韌性、散熱方面和成本方面的優(yōu)勢，通常，建議芯片的厚度應(yīng)取150～200μm之間。

一般地，根據(jù)芯片背面的電位要求，采用導(dǎo)電膠或絕緣膠對芯片進(jìn)行固定，貼片膠的固化溫度和固化時間不僅影響芯片粘接強(qiáng)度，固化不充分時，膠內(nèi)殘留的水汽在器件回流焊接過程也易出現(xiàn)“爆米花”現(xiàn)象。王飛研究發(fā)現(xiàn)貼片膠的楊氏模量越大，熱應(yīng)變情況下，芯片、基板的翹曲變形和芯片的最大等效應(yīng)力也越大。無論從減小貼片工藝的翹曲變形還是降低芯片的應(yīng)力角度出發(fā)，都應(yīng)盡可能地在允許范圍內(nèi)，選擇楊氏模量較低的貼片膠[6]。塑封器件回流過程中貼片膠界面的分層現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 塑封器件回流過程中貼片膠界面出現(xiàn)分層

2.2.2 鍵合

常用的鍵合絲材料有金絲、鋁絲和銅絲，應(yīng)用最廣泛的是金絲。鍵合過程中金絲和芯片鋁焊盤形成金-鋁間化合物，溫度較高時，因為金-鋁之間的互相擴(kuò)散速率不一致，會出現(xiàn)Kirkendall效應(yīng)，鍵合界面形成空洞，降低了器件的可靠性。通過對國外電路解剖并驗證，發(fā)現(xiàn)采用摻雜2%wt Al的金絲，可有效地抑制金-鋁間化合物的生長。

常見的芯片焊盤材質(zhì)包括Al/Si、Al/Si/Cu，通過耐腐蝕研究發(fā)現(xiàn)Al/Si焊盤在酸性溶液中易被腐蝕，Al/Si/Cu焊盤在鹽霧試驗中易被腐蝕，模塑料中含有的鹵素（Cl-、Br-）、Na+、K+等易導(dǎo)致芯片焊盤腐蝕的發(fā)生。在芯片焊盤表面增加Ni/Au鍍層可有效地防止腐蝕的發(fā)生，同時也可避免因金-鋁間化合物產(chǎn)生的Kirkendall效應(yīng)。電鍍Ni/Au因致密度高，較化學(xué)鍍Ni/Au耐腐蝕效果更佳。

基板鍵合指一般按照鍵合絲直徑、鍵合劈刀尺寸和引線傾斜角度進(jìn)行設(shè)計，如圖4所示。因鍵合指鍍層一般為鎳金或鎳鈀金，表面較平整，與包封塑封料無法有效地形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，界面強(qiáng)度較差，所以鍵合指尺寸設(shè)計滿足鍵合工藝要求即可，不進(jìn)行放大設(shè)計。鍵合前對框架/基板進(jìn)行等離子清洗，去除鍵合表面的有機(jī)沾污。鍵合引線長度應(yīng)盡量地短，以降低模塑過程中的沖絲風(fēng)險。

圖4 鍵合指及角度按照需求進(jìn)行設(shè)計

QFN框架在鍵合和模塑過程中一般采用背面貼膠帶的方式，利于搬運(yùn)和防止模塑溢料至框架背面，但膠帶的有效粘結(jié)層主要是硅樹脂，受熱后易產(chǎn)生揮發(fā)物，對鍵合強(qiáng)度和塑封料與框架的結(jié)合強(qiáng)度造成不利的影響。張漢民[7]針對QFN器件封裝鍵合第二點(diǎn)脫落的問題，分析驗證了不同的膠帶揮發(fā)物會造成鍵合強(qiáng)度偏低。

為了提升第二鍵合點(diǎn)（框架/基板側(cè)）的強(qiáng)度，最常用的方法是在第二點(diǎn)處壓焊安全球，可有效地提高引線鍵合強(qiáng)度，如圖5所示。但當(dāng)框架/基板與塑封料分層造成安全球脫落時，鍵合點(diǎn)形成開路，導(dǎo)致器件失效；更有效的方法是在第二鍵合點(diǎn)處增加安全弧鍵合設(shè)計，安全球脫落時，安全弧的第三焊點(diǎn)仍與框架/基板連接，只有安全球和第三鍵合點(diǎn)全部脫落時，才會造成鍵合開路失效，如圖6所示。

圖5 不同模式的第二鍵合點(diǎn)[7]

圖6 第二鍵合點(diǎn)的安全弧鍵合設(shè)計示意圖

2.2.3 模塑

常用的模塑工藝包括傳遞模塑和壓縮模塑。傳遞模塑具有低成本、高產(chǎn)量等優(yōu)勢，是主流的模塑工藝；壓縮模塑適用于薄芯片、多芯片封裝和晶圓級封裝，同一套模具可實現(xiàn)模塑高度的小范圍調(diào)整。傳遞模塑工藝需調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)包括模具溫度、合模壓力和合模時間等，合理的參數(shù)設(shè)置可避免沖絲、氣孔等缺陷的產(chǎn)生。

模塑過程中塑封料受熱融化成液態(tài)，流淌浸潤粗糙的框架表面，填充了框架上棕化處理形成的微蝕坑。模塑料沿微蝕坑彎曲路徑與框架形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，粘接面積和粘接強(qiáng)度較光滑的鍍層表面更佳。為了進(jìn)一步地提升模塑料與框架/基板的界面結(jié)合強(qiáng)度，可在模塑前的器件表面沉積一層附著力促進(jìn)劑，如偶聯(lián)劑，可增加模塑料與框架/基板的粘接強(qiáng)度[8]。

模塑后，模塑料未能充分地發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，通常會再進(jìn)行數(shù)小時的后固化，后固化溫度低于模塑溫度。后固化過程中會在器件上方壓置重物，以防止模塑料收縮而造成框架/基板發(fā)生翹曲現(xiàn)象。

2.3 烘烤

在125℃下烘烤24 h，可以充分地去除封裝器件吸收的濕氣，有效地避免回流過程中出現(xiàn)的“爆米花”現(xiàn)象。同時，模塑料的抗焊接熱能力也可通過粘接強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度和吸濕率的改進(jìn)而得到提高，雖然烘烤可以將大部分水分除去，但在吸潮和烘烤的過程中模塑料會發(fā)生老化，界面結(jié)合力會變?nèi)?。張悅通過對吸潮試樣進(jìn)行烘烤試驗，發(fā)現(xiàn)較長時間的烘烤可以有效地減少PQFP器件失效的發(fā)生，但對PBGA試樣烘烤并不能有效地避免吸潮回流過程中產(chǎn)生裂紋分層等失效[9]。因此，對于較薄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑封器件要從結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，增加界面結(jié)合強(qiáng)度，并在貯存過程中注意有效的防潮。

3 結(jié)束語

本文在封裝材料和封裝工藝等方面，針對塑封器件的可靠性提升提出了優(yōu)化方案。高可靠塑封器件的可靠性提升應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計階段開始考慮，充分地結(jié)合仿真技術(shù)，并監(jiān)控封裝工藝過程，再進(jìn)行試驗驗證，經(jīng)迭代后才能實現(xiàn)高可靠塑封器件的穩(wěn)定生產(chǎn)。僅依靠材料“海選”驗證、封裝工藝參數(shù)“面面俱到”的調(diào)整和“大水漫灌”式的試驗摸底方法，不僅效率低、成本高，更無法實現(xiàn)全品類塑封器件可靠性的有效提升。