淺談引線框架對(duì)IC封裝分層的影響

孫亞麗，周朝峰，趙 萍

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

淺談引線框架對(duì)IC封裝分層的影響

孫亞麗，周朝峰，趙 萍

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

引線框架是集成電路封裝中必不可少的材料，它作為集成電路的芯片載體，起到了和外部導(dǎo)通連接的作用，因此要求引線框架具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能以及機(jī)械性能，還要求具有抗氧化性、抗腐蝕性及高可靠性；在集成電路封裝過程中，塑封器件極易發(fā)生分層，嚴(yán)重影響IC器件的可靠性。分析了引線框架對(duì)封裝可靠性的影響以及一些提高封裝質(zhì)量的方法。

封裝；引線框架；分層；可靠性

IC封裝中往往都要使用多種不同熱膨脹系數(shù)的材料，由于材料間的熱膨脹系數(shù)的差異及制造和使用過程中的溫度波動(dòng)，使得各種材料及界面都將承受不同的熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致IC封裝產(chǎn)品的功能失效［1］。所以分析和優(yōu)化材料在封裝和使用過程中產(chǎn)生應(yīng)力對(duì)IC封裝成品的質(zhì)量提升有重要的意義，本文主要就引線框架對(duì)IC封裝分層的影響進(jìn)行分析和探討。

1 引線框架的組成及其作用

引線框架是模塑封裝的骨架，它主要由兩部分組成：框架基島和引腳。其中框架基島在封裝過程中為IC芯片提供機(jī)械支撐作用（如圖1）。

圖1 IC封裝體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

引線框架通常都是由合金材料制成，加工方法一般為沖壓法和蝕刻法。普通的引線框架是由銅合金材料和鐵鎳合金（也稱合金42，一般情況下鎳的含量為42%，鐵的含量為58%）組成。

2 分層的定義和機(jī)理

在電子封裝中，分層是指封裝完成后的IC器件內(nèi)部各界面之間發(fā)生了微小的剝離或氣隙，主要發(fā)生的區(qū)域包括樹脂與芯片界面、樹脂與焊線界面、封裝樹脂與引線框架界面、芯片與裝片膠界面、裝片膠與引線框架界面或以上交叉界面等（如圖2所示）［2］。塑料封裝產(chǎn)品內(nèi)部分層其實(shí)是一種很普遍的現(xiàn)象，IC產(chǎn)品功能與應(yīng)用不同，對(duì)產(chǎn)品分層引起的可靠性要求也各不相同。

圖2 IC封裝分層掃描圖及切片圖

3 封裝材料對(duì)產(chǎn)品分層的影響

導(dǎo)致分層的因素很多，從環(huán)氧樹脂的角度來說，一般認(rèn)為框架、環(huán)氧樹脂與器件內(nèi)部其它材料間的熱匹配差異，是導(dǎo)致IC封裝體內(nèi)部分層的主要原因，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹脂或芯片出現(xiàn)裂紋（如圖3所示）。

圖3 塑封體裂紋

3.1 引線框架材料的熱膨脹系數(shù)（CET）

在IC封裝體中，不同材料的熱匹配特性（即：熱膨脹系數(shù)（CET））也是不同的，硅的CET是（2.3～2.6）×10-6，而環(huán)氧樹脂的CET為（16～20）×10-6。由以上數(shù)據(jù)可看出，硅的CET和環(huán)氧塑封料的CET數(shù)值相差較大，CET失配就會(huì)造成IC封裝體分層甚至于開裂。因此，為了降低由CET失配所引起的熱應(yīng)力，通常行業(yè)內(nèi)更傾向于選擇銅合金作為框架材料。

3.3 引線框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在封裝過程中，引線框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)直接影響IC封裝的分層表現(xiàn)。所以，在引線框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮以下幾個(gè)設(shè)計(jì)因素：

3.3.1 引線框架基島的特征設(shè)計(jì)

在絕大部分引線框架的整個(gè)結(jié)構(gòu)中，框架基島是表面積最大的部分（FLIP CHLIP、COL或LOC產(chǎn)品因無實(shí)質(zhì)性基島，故不在此討論）。框架基島面積大，對(duì)用于非E-PAD（基島露底封裝）的框架，其與塑封材料的粘結(jié)性是不利的，為增強(qiáng)與塑封料的粘結(jié)性，在引線框架設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)在基島背面設(shè)計(jì)釘孔，為了保證增加釘孔后框架基島的平面度，通常釘孔分布為點(diǎn)陣式，常用到的釘孔單點(diǎn)設(shè)計(jì)為夾角為90°的倒梯形，深度約為0.020 mm（如圖4所示）。在塑封時(shí)，液態(tài)樹脂會(huì)進(jìn)入到釘孔內(nèi)，樹脂固化后，會(huì)與金屬形成緊密結(jié)合力，相比而言，釘孔設(shè)計(jì)框架封裝后的結(jié)合力約為1.5倍無釘空設(shè)計(jì)，實(shí)際跟蹤也說明了這一點(diǎn)。同時(shí)也為了鎖緊塑封膠體，在此類產(chǎn)品的基島背面四周會(huì)設(shè)計(jì)一道凹槽，同時(shí)在基島邊沿加一個(gè)段差，達(dá)到阻膠及鎖膠的使用，常用到的為三角形及四邊形凹槽（如圖5所示）。

圖4 基島背面常用釘孔（Dimples）

圖5 四邊形凹槽

塑料封裝集成電路是非氣密性封裝器件，且因?yàn)槟Ｋ芰吓蛎浵禂?shù)大，在注模成型冷卻過程或器件使用環(huán)境的溫差較大時(shí)，有些在框架與塑封料的結(jié)合面出現(xiàn)微小的間隙，即分層。嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)“爆米花效應(yīng)”［1］使IC功能失效。為了減少器件中潮氣，除使用吸水低的封裝材料，封裝后對(duì)器件抽真空包裝，貯存和使用需要做好防潮管控之外，在框架基島做“U形槽”、“V形槽”、“回形槽”以及引線框架基島二臺(tái)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖6），可有效地防止水汽的浸入，增強(qiáng)可靠性。

3.3.2 引線框架內(nèi)引腳的特征設(shè)計(jì)

在框架設(shè)計(jì)內(nèi)引腳時(shí)，也要充分考慮到塑封時(shí)及塑封后內(nèi)引腳在后續(xù)作業(yè)及使用中的穩(wěn)定性要求。通常會(huì)在內(nèi)引腳的區(qū)域設(shè)計(jì)通孔，也叫封裝孔或叫鎖膠孔（在內(nèi)引腳面積許可的情況下增加）（如圖7），并且在內(nèi)引腳封裝線向內(nèi)約0.25 mm（不同內(nèi)腳設(shè)計(jì)此值有所不同）附近設(shè)計(jì)鎖膠槽，為更好地達(dá)到鎖膠要求，此種鎖膠槽常規(guī)在正背面均有設(shè)計(jì)。通孔及鎖膠槽作用主要為兩點(diǎn)：（1）有效增加框架與塑封膠的粘結(jié)力；（2）減少或阻隔因框架與塑封膠結(jié)合面出現(xiàn)間隙后，外界的水汽對(duì)IC內(nèi)部的影響。

圖6 框架基島特性設(shè)計(jì)

如圖7所示，在塑封過程中，液態(tài)樹脂會(huì)穿過設(shè)計(jì)通孔，在引線框架不同面形成“工”形鎖定，該結(jié)構(gòu)能夠使引線框架被固態(tài)樹脂完全包裹并鎖定，數(shù)據(jù)表明，其結(jié)合力約是無通孔設(shè)計(jì)的3倍，由于該結(jié)構(gòu)能夠在不同材質(zhì)間形成很好的結(jié)合度，故目前該設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用在有引線框架的封裝系列中。類似的設(shè)計(jì)，是在內(nèi)引腳封裝線向內(nèi)約0.25 mm（不同內(nèi)腳設(shè)計(jì)此值有所不同）附近設(shè)計(jì)鎖膠槽（如圖8、圖9），也能很好地達(dá)到鎖膠效果，其原理類似基島背面的釘孔設(shè)計(jì)。

圖7 通孔設(shè)計(jì)圖

圖8 鎖膠槽

圖9 在框架內(nèi)引腳正背面的鎖膠槽

3.3.3 引線框架的表面處理

引線框架材質(zhì)為銅合金材料，為了增加環(huán)氧樹脂和引線框架有良好的結(jié)合面，對(duì)引線框架的表面進(jìn)行棕色氧化粗化處理（如圖10），高粗糙度可增加表面積可改善機(jī)械結(jié)合力，銅表面氧化物可促進(jìn)化學(xué)鍵合，使環(huán)氧樹脂和引線框架結(jié)合力更好。

圖10 棕化氧化處理之后框架表面結(jié)構(gòu)

在IC封裝焊線材料一般為金線、銅線、以及其他合金焊線，而框架底材為銅合金（含銅量＞90%），焊線的硬度遠(yuǎn)小于框架底材硬度，若直接焊接其焊點(diǎn)結(jié)合性會(huì)較差，故在框架上要求焊線區(qū)域做電鍍處理，基于硬度、成本及傳導(dǎo)性考量，鍍材一般為純銀。而環(huán)氧樹脂對(duì)銀的粘接力低于對(duì)銅的粘接，因此在引線框架設(shè)計(jì)過程中盡量減少鍍銀層的面積，常用的引線框架焊盤鍍銀方式主要有點(diǎn)鍍、單環(huán)鍍、雙環(huán)鍍等方式。如圖11所示。

圖11 引線框架焊盤鍍銀方式

對(duì)于產(chǎn)品的可靠性及成本來講，設(shè)計(jì)引線框架的電鍍方式，通常是單環(huán)鍍銀或雙環(huán)鍍銀。器件仍舊能持續(xù)有效地輸出設(shè)計(jì)功能。最終達(dá)到IC封裝質(zhì)量保證的目的。

4 結(jié) 論

提高塑封器件的可靠性是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其取決于固有設(shè)計(jì)、制造過程、材料選用及工作條件等。對(duì)IC封裝來說，分層對(duì)器件的功能影響是致命的，但是由于器件中不同材料的特性（主要是：熱膨脹系數(shù)CET）差異無法平衡，通過框架設(shè)計(jì)及表面處理，增加材料之間的結(jié)合性能，能使不同材料接觸面間不容易產(chǎn)生脫離，以此提升產(chǎn)品抗分層能力，使得即使在內(nèi)外部熱沖擊下，IC封裝

［1］藺興江，張宏杰，張易勒.淺談IC封裝材料對(duì)產(chǎn)品分層的影響及改善［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42（12）：1-6.

［2］許海漸，陳洪芳，朱錦輝，等.塑料封裝集成電路分層淺析及改善研究［J］.電子與封裝，2012，12（10）：3-6.

Briefly Discussing the Effect of Lead Frame to IC Packaging Delamination

SUN Yali，ZHOU Chaofeng，ZHAO Ping
（Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China）

The lead frame is essential material for integrated circuit packaging，as carrier of integrated circuit chip，that played an important role with external conduction connection，so lead frame has excellent electric conductivity，thermal conductivity and mechanical properties，also has the oxidation resistance，corrosion resistance and high reliability.In the process of integrated circuit packaging，the product easily occurred delamination，seriously affecting the reliability of IC device.In this paper，briefly analyzed the effect of lead frame to the packaging reliability and some methods to improve the quality of packaging.

Assembly；Lead frame；Delamination；Reliability

TN405.97

A

1004-4507（2015）12-0028-04

孫亞麗（1984-），女，甘肅省隴南人，畢業(yè)于甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程師，現(xiàn)主要從事集成電路封裝引線框架設(shè)計(jì)工作。

2015-10-21