鎳框架與環(huán)氧樹脂之間的粘接力改善研究

李玉 黃彩清 劉天德

摘 要：利用模封機對不同鍍層的框架材料和環(huán)氧樹脂進行注塑，然后利用粘接力測試儀對框架和環(huán)氧樹脂之前的粘接力進行了分析，發(fā)現(xiàn)鎳、金和鎳鈀銀金的鍍層材料中，鎳鍍層的粘接力最小，通過改性的方式可以增大鎳層與環(huán)氧樹脂之間的粘接力，將改性后的鎳框架組裝成產(chǎn)品后，發(fā)現(xiàn)可靠性前后產(chǎn)品的分層失效問題可以得到解決。

關鍵詞：粘接力;環(huán)氧樹脂;鎳框架;改性

中圖分類號：TQ323.5?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0051-05

Study of adhesion between frame and molding compound

LI Yu，HUANG Caiqing，LIU Tiande

（Shenzhen STS Microelectronics Co.，Ltd.，Shenzhen 518038，Guangdong China）

Abstract：In this paper，the frame materials and epoxy resin of different coatings were injection molded by the adhesion machine，then the adhesive force of the frame and epoxy resin were analyzed by the adhesive force tester.It was found that the bonding force of nickel coating was the least among the coating materials of nickel，gold and nickel，palladium，silver and gold，while the bonding force of nickel coating could be improved after surface treatment，and the layered of failure of the product before and after the reliability could be solved when assembling nickel frame into products.

Key words：adhesion force;frame;epoxy resin

芯片封裝是電子元器件生產(chǎn)過程中的關鍵工序，可以保護電路芯片免受外界環(huán)境的影響。根據(jù)電子元器件對潮濕環(huán)境的耐受程度可以將其分為不同的濕度敏感等級，敏感等級越高，在溫度30℃和60%相對濕度條件下的車間使用壽命越短，常見的失效模式有分層、線腐蝕和芯片污染損傷等。

根據(jù)封裝材料的不同，封裝種類可以分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬-陶瓷封裝和塑料封裝。根據(jù)封裝氣密性的不同，分為氣密性和非氣密性封裝，氣密封裝主要為腔體封裝，封裝材料為陶瓷和金屬，非氣密性封裝主要以模塑料包覆IC的方式進行封裝，也就是塑料封裝。塑料封裝具有的導熱率低、熱膨脹系數(shù)大和易吸潮等特點會降低器件的可靠性[1]，不過由于塑料封裝的成本廉潔、工藝簡單，被廣泛應用于電子工業(yè)[2]，而其中環(huán)氧塑料占了塑料封裝的90%以上，已經(jīng)成為半導體工業(yè)發(fā)展的重要支柱。由于塑封器件所使用的塑封料為聚合物材料，聚合物作為一種長鏈大分子結(jié)構具有疏松多孔的特性[3]，當其處于潮濕的環(huán)境中時，易于吸收環(huán)境中的濕氣[4]，濕氣對塑封器件的可靠性有著十分重要的影響，濕應力集中是造成塑封件分層失效現(xiàn)象的重要原因之一[5]。隨著新材料的產(chǎn)生，塑封器件的可靠性不斷提升，塑料件中添加的填充劑，有效的減少了應力，延緩濕氣和增強導熱力[6]。塑料元器件被廣泛稱為濕度敏感器件（MSDs），為了確保潮濕敏感電子元器件具有更好的車間使用壽命，芯片封裝的氣密性尤為重要。

在半導體行業(yè)，主要參照J-STD-020對電子元器件成品進行可靠性評估定義濕度敏感等級，但關于如何通過合理的方法對原材料進行評估以提高封裝氣密性的研究較少。本文主要通過自主設計的手動模封機，將環(huán)氧樹脂直接模封到引線框架，模擬半導體封裝過程，并評估不同的塑封材料與不同的框架材料之間的結(jié)合力，找到適合提高鎳涂覆框架與塑封料結(jié)合力的有效方法，并分析了相關機理。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

模封機TMM90C;推力機Dage-4000;三維顯微鏡OLS41;聚焦離子束XEIA3;高溫箱;恒溫恒濕箱;回流焊。

1.2 測試原理

我們用模封機對環(huán)氧樹脂進行熔融后再模封操作，取供應商注塑好的成品，放在夾具上，在設備上設置一定的溫度，使環(huán)氧塑料達到一定的熔融溫度，對環(huán)氧塑料以一定的形狀再次固化在特定的框架材料上，測試其后成型的模封體上表面的直徑、粘附面積、高度和其推力的數(shù)值，從而來判定不同類型的環(huán)氧塑料和不同的引線框架之間的粘附性能。粘接力的試驗如圖1所示。

用模封機對樣品進行操作的時候，應用到如下的公式：

F=π4×D2×P

式中：F為理論輸出力;D為模封機內(nèi)氣缸的內(nèi)徑;P為操作的壓力。根據(jù)氣缸的內(nèi)徑、彈性系數(shù)、載荷的力和設置氣壓的大小，可以得到在一定的氣壓下，傳達給物品的力滿足如下線性方程。通過設置的壓力的數(shù)值，可以計算對應的力的大小。模封機的工作原理如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

不同類型框架的粘接力測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當選擇同一種環(huán)氧塑料在不同的4種框架材料：純銅框架、表面鍍有鎳的框架、表面鍍有鎳鈀銀金的預鍍類框架（PPF）和表面鍍有金的框架上進行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PPF框架的粘接力最大，鎳框架的粘接力最小。

不同模封體和引線框架的推力測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，由于環(huán)氧樹脂的種類組成不同，當有的環(huán)氧樹脂是用原材料R1進行合成時，此類環(huán)氧樹脂稱之為R1;當有的環(huán)氧樹脂是用原材料R2進行合成時，此類環(huán)氧樹脂稱之為R2;以此類推。選擇3種不同的環(huán)氧塑料R1、環(huán)氧塑料R2和環(huán)氧塑料R3進行試驗。

當選用環(huán)氧塑料R1、R2和R3并分別在表面鍍有鎳的框架、表面鍍有鎳鈀金的PPF框架和表面鍍有金的框架上進行試驗，發(fā)現(xiàn)盡管原材料的類型不同，但鎳框架的粘接力依然是最小的。

不同引線框架的粗糙度結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，由于粘接力的大小與粘接界面的處理、材料的性能、粘接面積等密切相關。本文試驗時，注塑的接觸面積是一樣的，對與環(huán)氧樹脂進行注塑的3種框架材料進行表面粗糙度的研究發(fā)現(xiàn)，粘接力強的，粗糙度的數(shù)值比較大，這個可能與引線框架本身的處理和金屬材料的性能有關。

表面改性原理如圖6所示。

鍍鎳框架的生產(chǎn)成本比PPF和鍍銀的框架的生產(chǎn)成本低，優(yōu)先對鍍鎳的框架進行改性研究。

有研究表明采用氬氣、氧氣或者氫氣的混合氣體做為氣體源，可以有效清除框架表面的臟污、氧化層或薄的保護膜[7-10]。把表面鍍有鎳的引線框架放在通有氧氣的真空的環(huán)境中，當對樣品的表面進行清潔后，加入改性劑，打開樣品表面金屬的穩(wěn)定的化學鍵，然后在框架基材的表面引入羥基的結(jié)構，實現(xiàn)對樣品的改性處理。在本試驗中，選擇170 s和250 s不同的改性時間進行評估，改性劑與引線框架表面的羥基進行連接，從而在框架材料的表面形成一層薄的有機薄膜，框架與改性劑的粘接過程是一個復雜的物理和化學的過程，框架表面的結(jié)構狀態(tài)和膠粘劑的性質(zhì)與粘接力有直接的關系，粘接力的來源是多方面的，有化學鍵力、分子間作用力或范德華力、機械作用力。粘接強度主要來自分子間的作用力，機械作用力并不產(chǎn)生粘附力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。

可靠性前后的推力結(jié)果如圖7所示。

對產(chǎn)品進行改性處理以后，模擬生產(chǎn)的過程進行高、低溫可靠性試驗，并試驗可靠性前后環(huán)氧樹脂與框架之前的粘接力是否有提升。經(jīng)過試驗可以得到，改性后，鎳的框架與環(huán)氧樹脂之間的粘接力比未改性的提升了3～5倍。經(jīng)過可靠性試驗之后，170 s的推力比可靠性試驗前的高;而隨著時間的延長，320 s的推力比可靠性試驗之前的低。

當對不同的引線框架進行試驗，鎳在沒有經(jīng)過處理的時候，與框架的粘接力很小;當經(jīng)等離子體170 s的前處理后，粘接力增大。對鎳經(jīng)170 s處理的樣品進行剖面分析，可以發(fā)現(xiàn)在鎳的表面，已經(jīng)有一層改性后的厚度大致為26～34 nm的改性層。而正是由于這改性層，增強了模封體與框架材料之間的粘接力。處理后的鎳框架的內(nèi)容結(jié)構如圖8所示。

為了驗證產(chǎn)品是否能有明顯的提升，用改性過后的鎳框架和其他原材料加工成3種不同的產(chǎn)品，然后對產(chǎn)品進行可靠性試驗。首先把產(chǎn)品放入干燥箱中干燥24 h，溫度為125 ℃，以去除塑封料內(nèi)的濕氣;之后把樣品立即放入恒溫恒濕箱中進行吸潮實驗，在溫度為85 ℃、相對濕度為85%條件下進行測試，時間168 h。最后在溫度260 ℃的條件下進行回流焊3次，對未進行可靠性的產(chǎn)品和進行可靠性試驗后的產(chǎn)品進行超聲掃描測試。超聲波掃描是評估產(chǎn)品內(nèi)部是否有分層的有效評估方法，通過圖像對比度可以辨別材料內(nèi)部聲阻差異、確定缺陷形狀和尺寸、確定缺陷方位[11-12]。測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，改性前產(chǎn)品有比較高的失效率;而改性后，失效率明顯下降，說明改性后的產(chǎn)品粘接力有很大程度的提升。

3 結(jié)語

本文利用粘接力測試儀對框架和環(huán)氧樹脂之前的粘接力進行研究，從引線框架的材料和化學處理等整個過程進行了分析。并與可靠性評估相結(jié)合，針對不同的材料進行了全面的評估，發(fā)現(xiàn)鎳、金和鎳鈀銀金的鍍層材料中，鎳鍍層的粘接力最小，通過表面改性的方式可以增大鎳表面的粘接力，并發(fā)現(xiàn)在改性的框架里，能觀察到在鎳層和環(huán)氧樹脂之間明顯的改性層，鎳框架表面的粘接力得到很大程度的提高，產(chǎn)品的分層失效可以得到較大的改善。

【參考文獻】

[1]SALZER T E.Thermal & Thermomechanical phenomena in electronic system，2017[C].USA：Orlando，2017.

[2] HAO Z，YANG L，WANG L，et al.A new hermetic sealing method for ceramic package using nanosilver sintering technology[J].Microelectronics Reliability，2018（81）：143-149.

[3] KIM H，YOO I S，A N J H，et al.A novel paper-plastic hybrid device for the simultaneous loop-mediated isothermal amplification and detection of DNA[J].Materials Letters，2018（214）：243-246.

[4] 朱文敏，疊層芯片封裝的熱濕機械可靠性研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2021.

[5] STELLRECHT E，HAN B，PECHT M G.Characterization of hygroscopic swelling behavior of mold compounds and plastic package[J].Components &Packaging Technologies IEEE Transactions on，2004，27（3）：499-506.

[6] KUDIMOVA A，MIKHA YLUTS I，NADOLIN D，et al.Computer design of porous and ceramic piezocomposites in the finite element package ACELAN[J].Procedia Structural Integrity，2017（6）：301-308.

[7] Yi S，Yue C Y，Hsich J H，et al.Effects of oxidation and plasma cleaning on the adhesion strength of molding compounds to copper leadframes[J].J Adhes Sci Technol，1999，13：789-804.

[8] Li W H.A Study of Plasma-Cleaned Ag-Plated Cu Leadframes Surfaces[J].J Electron Mater，2010，39：295-302.

[9] Lee C，Gopalakrishnan R，Nyunt K，et al.Plasma cleaning of plastic ball grid array package[J].Microelectron Reliab，1999，39：97-105.

[10] Liu W J，Guo X J，Chuang C H.The effects of plasma surface modification on the molding adhesion properties of Film-BGA package[J].Surface and Coatings Technology，2005，196：192-197.

[11] 何存富，鄭明方，呂炎，等.超聲導波檢測技術的發(fā)展、應用與挑戰(zhàn).儀器儀表學報，2016，37（8）：1 713-1 735.

[12] 敬人可，李建增，周海林.超聲無損檢測技術的研究進展.國外電子測量技術，2012，31（7）：28-30.