引線框氧化與可靠性關系的研究

吳建忠，王倫波，王建新

（無錫華潤安盛科技有限公司，江蘇 無錫 214028）

1 引言

在塑封電路經過回流焊后確保產品的可靠性同時防止產品開裂是一個巨大的挑戰。導致開裂的最關鍵因素是各種材料之間結合面的分層控制。而EMC（環氧塑封料）與框架之間的結合力是其中最弱的，幾乎所有的分層都出現在EMC和框架的結合面上，如圖1所示。

在目前的塑封技術里兩種材料被廣泛用于框架的制造，一種是以銅為基材的各種合金，另外一種是以鐵鎳為基材的合金。相比鐵鎳合金，銅材料的合金具有更好的導電導熱性以及較低的成本。由于這些優勢使其廣泛應用于大而薄的封裝體上。然而相對于鐵鎳合金來說，銅合金的封裝更加容易發生由于分層造成的開裂。而造成EMC與銅框架之間結合力低的原因是在封裝的過程中銅框架上的氧化膜厚度的增加。因此對氧化層的分析對于改善封裝體的可靠性至關重要。

圖1 開裂說明圖

在整個封裝過程中框架會經過一系列的加溫，而裝片后的固化以及鍵合是造成塑封前框架氧化的關鍵工序。目前業界典型的裝片膠固化在150℃～200℃，固化時間在0.5h～2h。而鍵合的溫度在180℃～220℃之間，時間在20s～200s之間。本文為了試驗氧化膜對于粘結力以及分層的影響，我們測量了不同溫度和時間下銅框架的氧化層厚度，同時也研究了氧氣濃度對于氧化層厚度增加的關系。

2 銅框架氧化膜的增長

2.1 溫度與時間的影響

為了獲得一個準確的氧化膜厚度增長率，我們測量了經過不同溫度時間加熱的框架。在試驗中，框架在烘箱內的溫度為120℃、150℃、200℃、270℃，時間范圍為30min～120min。氧化膜的厚度采用陰極還原的方法測量。氧化膜厚度的增加可以表述為如下公式：

x（nm）為氧化層的厚度，Kc（nm3/s）為一個常量，t（s）為時間。

A[nm3/s] 為一個頻率因子，E[J/mol] 為活化能，T[K]為絕對溫度，R [J/K mol] 為氣體常數。

圖2 說明了在本次試驗中氧化膜增長率的結果。

圖2 氧化膜增長與時間的關系圖

圖3為從本次試驗獲得的阿雷尼烏斯圖，雖然本次試驗僅測量了三個數據，但還是顯示了良好的線性。因此：

圖3 常數與溫度關系圖

將公式（3）代入公式（1）后得到如下結果：

使用上述公式，我們估算出大多數裝片膠固化時氧化膜的增加速度，如圖4。

圖4 氧化膜與溫度關系圖

2.2 氧氣含量的影響

氧氣含量與氧化膜厚度的增長率關系如圖5。

圖5 氧化膜厚度與氧氣含量關系圖

在此次實驗中加熱溫度恒定在250℃。當氧氣濃度低于1%時框架幾乎沒有氧化，當氧氣含量超過5%時，框架氧化的速度與在大氣中氧化的速度接近。根據這個結果，當進行裝片膠固化時，為了減少框架的氧化，可以在烘箱內填充N2使氧氣含量低于1%。

3 結合力測試

測試方法如圖6，說明了如何測試EMC與氧化銅板之間的結合力。該測試使用2mm的EMC立方體作為測試標準塊，使用此標準塊塑封注塑在銅板上。銅板預先在高溫下進行氧化，取得不同的氧化層厚度。在完成注塑后使用推力計進行測試。

圖6 推力測試說明圖

圖7表述了不同氧化膜厚度對應的推力值，當氧化膜厚度低于20nm時推力并沒有隨著氧化膜厚度的增加而顯著降低，當氧化膜厚度超過20nm時我們發現推力會急劇下降。推力的下降在氧化膜厚度達到70nm時基本停止在1MPa。總體來看，推力的大小與氧化膜厚度成反比。因此控制氧化膜的厚度成為保證足夠粘結力的關鍵因素。

根據氧化膜厚度的不同，我們發現兩種不同的斷裂模式。當氧化膜厚度低于20nm時，經過推力測試后仍然在銅板上能夠發現EMC的殘留。當氧化膜厚度大于20nm時，EMC的表面可以看到氧化膜的殘留。

圖7 氧化膜與推力的關系圖

4 封裝體的可靠性

4.1 方法和材料

本次試驗針對LQFP64 1.4mm package評估不同氧化膜厚度產品的可靠性。試驗條件如下：

Package: LQFP64 (1.4mm)；

Die size: 2.65mm×3.25mm；

Leadframe plating type: Double ring；

Epoxy: 8290；

Compound: 8240；

Assembly process flow: DA→Post DA cure→WB→MD→PT→MK→TF。

可靠性試驗流程如圖8。

圖8 可靠性試驗流程圖

4.2 結果以及討論

表1表述了分層以及塑封體開裂的結果，在預處理前只有當氧化層大于42.5nm時才出現分層的狀況，所有的樣品均沒有塑封體開裂。而經過預處理后當氧化層厚度小于42.5nm時分層狀況沒有變化，而大于42.5nm時分層狀況隨著氧化膜厚度的增加而惡化，同時出現了塑封體開裂的現象。

表1 分層及塑封體開裂情況統計

5 總結

通過一系列的試驗得出了氧化膜增加與溫度以及時間的關系，同時發現了氧氣濃度與氧化膜的關系，當氧氣含量低于1%時框架幾乎不會出現氧化，這個發現有利于更好地控制后固化的氧氣含量，以避免框架在后固化工序中的氧化。針對氧化膜厚度與EMC結合力的關系也進行了研究，氧化膜厚度越厚則結合力越低。最后針對LQFP64進行了封裝體層面的可靠性與氧化膜厚度之間關系的研究，當氧化膜厚度低于42.5nm時產品是安全可靠的。

通過上述研究表明，為了達到JEDEC的可靠性標準，需要有效控制框架的氧化。而發展低溫固化裝片膠水以及采用低溫鍵合技術將是控制氧化膜的關鍵。

[1] Soon-Jin Cho Components,Packaging,and Manufacturing Technology[S].Part B 1997.

[2] 黃福祥.The status and development of oxidation of copper alloy for lead frame[J].JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS，2002,33(1).