TO系列塑料封裝離層探討

李明奐，王文杰，張宏杰

（天水華天微電子股份有限公司，甘肅 天水 741000）

1 概述

隨著電子工業的快速發展，對塑料封裝產品的需求也與日俱增，尤其是TO系列塑料封裝電路的市場需求規模化，大大促進了TO系列產品封裝產業的發展進入大規模生產的階段。由于其生產成本相對低廉，產品性價比高，已被廣泛應用于各個領域。隨著應用領域的擴展，對產品的離層提出了更高的要求（減少或杜絕離層）。根據市場分析預測，2012年到2030年之間，TO系列塑料封裝產品的市場需求量約為150億只～180億只。減少或杜絕TO系列塑封產品的離層便成為同行競爭的主要指標；國內TO系列塑封產品與國外同類產品相比，這一指標還有一定的差距。因此，進一步減少或杜絕TO系列塑料封裝電路的離層已刻不容緩。

影響TO系列塑料封裝電路離層的因素很多，如金屬絲性能及焊接質量、引線框架材料性能和表面處理、塑封料的性能、封裝現場的溫度和濕度，各類材料之間的匹配性等。一旦離層形成，在后續產品的應用中，水汽便會隨機浸入塑封體內部腐蝕電路，影響其正常工作。

通過選擇合適的封裝材料和封裝工藝，初步解決了TO系列的離層問題，提高了TO系列塑料封裝電路的成品率和封裝過程的穩定性。

2 TO系列塑封離層產生原因分析

由于塑封過程中使用的多種材料（引線框架、軟焊料、導電膠、焊接金屬線、芯片粒、塑封料等）熱膨脹系數不完全匹配，在熱、電以及機械應力共同作用下，塑封體與引線框架界面、塑封體與芯片界面、鍵合引線與芯片界面、引線框架與第二焊點界面都可能產生離層。

塑封料屬于親水性材料且分子間隙較大，環境中的水汽易吸附至塑封料表面，并通過塑封料或者引腳與塑封體的假面擴散至內部界面缺陷處。在高溫工藝（如樹脂固化和回流、波峰焊）中，水汽會膨脹幾十甚至數百倍，產生很高的蒸汽壓，當氣壓大于界面處結合力時，離層即會產生。對于長寬尺寸小、厚度大的封裝體僅產生潛在失效可能的離層，對于長寬尺寸較大、厚度小的封裝體，可能會產生爆米花現象，導致產品失效。通常情況下，離層出現在芯片上部與封裝體的接觸面。第二焊點可能會在注射過程中因引線框架被樹脂沖擊產生位移而導致焊點被拉脫，也可能是鍵合點強度不夠；軟焊料等屬于純度高的金屬材料，在高溫條件下很容易被氧化而導致物理性能降低而產生離層。

塑封模具設計是否合理也是離層產生的原因之一。在生產中，塑封模具型腔斜度、頂針位置、頂出距離等不合理，都可能導致產品離層。下面我們探討塑封料的一些機理。

塑封料是一種熱固化材料，塑封過程是一種類似使用膠粘劑的粘接技術。要使塑封體與框架、芯片粘接牢固，必須使粘接力大于上述各種因素產生的合應力。這便需要搞清楚其粘接機理，即粘接力的產生以及影響粘接力大小的因素，如何才能使粘接力最大，然后有針對性地選擇相應的原材料，摸索最佳抗離層塑封工藝，達到消除離層的目的。

圖1 離層產生原因

塑封料與引線框架、芯片之間的粘接過程是一個復雜的物理化學過程，它是在加熱或加壓條件下完成的。其粘接強度與塑封料（熔融態時）的性能以及工藝過程等有關。圖2顯示的是各微粒之間的相互作用力關系，即分子間作用力與微粒間的間距關系。說明要使兩種或兩種以上的物質間產生良好的粘接力，首先要使其表面相互接近到A（約0.3nm～0.5nm）位置左右，以達到產生引力場距離范圍，即原子間距水平。要求被粘接物質表面保持潔凈，這也是封裝產業上芯、壓焊、塑封要求空間潔凈的原因。

另外，塑封料表面處于熔融狀態時的表面張力影響其潤濕框架能力，以及塑封過程中溫度的控制對框架表面能的影響，都是影響粘接的主要因素。

圖2 微粒之間的相互作用力關系

如圖2所示，當兩個粒子之間的間距到達A位置的距離時，他們之間的吸引力是最大的；而當其間距比這個間距還大時，其引力隨距離變化直至零；而當間距繼續減少時，引力也會減少甚至變為斥力。所以我們要求的最佳粘接力就需要兩個分子間距在A附近。

3 材料的選用

（1）塑封料的選用

選擇結合力強、脫模性能好的塑封料： 用KL/SI/EME/KH等系列的塑封料，對比進行抗離層驗證試驗，確定具有結合力強、抗離層能力好、易脫模屬性的塑封料；

（2）引線框架的選擇

確保既不出現離層現象，又不能出現溢料露銅等現象。即選擇表面處理良好、結構設計完善的引線框架。

（3）導電膠的選擇

考慮導電膠與框架界面以及與芯片界面的離層，選取表面張力小、浸潤性良好的導電膠。

（4）焊線的選擇

焊線必須選擇與框架以及與芯片結合力強、熱膨脹系數匹配良好的材質。

4 工藝措施

（1）先采用特殊氣體對引線框架進行保護，預防軟焊料、框架表面氧化。

（2）焊線采用冷壓焊線方式，并且將載體或第二焊點與墊塊之間的間隙調整至適合狀態，預防焊線出現的隱性離層。

5 實驗驗證

以TO-220AB產品為驗證對象，擇優選取工藝范圍，在該工藝范圍內做驗證以達到最佳的實驗效果。

首先選擇普通材料進行調試，通過工藝參數調整，結果如圖3所示。

圖3 封裝產品的SAT圖片

從圖3可以看出，兩張圖片紅色區域為有離層存在的區域，載體區域離層最大達到92%，最小的也有15%；管腳部位的離層幾乎接近100%。

后續選取表面處理以及結構優化后的引線框架、性能良好的導電膠以及焊線，選擇多種中高端塑封料，進行試封裝并在工藝參數上進行微調。

首先空封產品進行初步驗證，然后使用墨點先進行全程跟蹤驗證，最后使用正式產品封裝，并作離層試驗（之前做先導試驗）。實驗結果如圖4所示。

圖4 優化工藝后掃描照片

經過驗證，可以發現塑封料性能、引線框架的結構與材質、各種原材料之間的匹配性以及生產工藝是影響TO系列塑料封裝產品離層產生的主要因素。隨著現代科技以及封裝技術的發展，封裝設備的更新、封裝工藝的日趨成熟、原材料的不斷完善，TO系列塑料封裝產品的離層問題會在封裝行業有所改善。

6 結束語

本文論述了TO系列塑料封裝產品離層產生的原因，提出了預防TO系列產品離層產生的方法。結合封裝生產線得出結論：塑封料性能、引線框架的結構與材質、各種原材料之間匹配性以及生產工藝、生產過程中的氫氮保護等，是解決離層的關鍵。

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