塑封器件分層問題淺析

楊文杰，王霞，王榮，邵榮昌

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000）

塑封器件分層問題淺析

楊文杰，王霞，王榮，邵榮昌

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000）

在現行引線框架的IC封裝模式過程中，分層是一種重大的質量異?，F象，且是產品本身可靠性的絕對關鍵因素。而在生產過程中如何防患于未然，提高合格率，是急需解決的問題。概述分層及分層分類，提出影響分層的主要因素，并給出了避免塑封器件分層的有效措施，降低產品失效的幾率，提高可靠性。

分層；環氧樹脂；引線框架；可靠性

塑封器件在使用的過程中，在成本上具備很大的優勢。隨著集成電路集成度的持續增長，為了滿足電子器件微型化、多功能化和智能化的要求，半導體分立器件越來越小，器件表面積減小，引線框架設計的高密度化，給產能帶來新的機遇。但也產生了一系列的問題：

（1）封裝體因尺寸減小而引起機械強度的降低；

（2）無鉛化進程要求回流焊的溫度提高，這使得塑封料需要提高自身的粘結強度以抵御因回流焊溫度升高引起的塑封料與芯片之間以及塑封料與引線框架之間的分層現象；

（3）塑封材料與框架之間的熱膨脹系數不一致，在溫度變化較大時引起的分層現象等。

1　分層概述

在塑封器的使用過程中，由于使用不同的參數，因此造成不同材料的粘結面存在著分離或者剝離現象，屬于內應力問題的一種，會影響塑封器件的工作與使用壽命。分層主要是因為材料不同，從而濕氣與熱應力對其造成破壞。對框架式的塑封元器件中，分層存在大概4種形態［1］，如圖1所示。

分層的4種形態：

（1）芯片與塑封體間的分層。主要是因為芯片表面污染造成與塑封料之間的結合力下降，現在在封裝前，一般會用去離子水對其表面進行清洗，去除芯片表面的污染物，達到預防的目的。

（2）引線鍵合區分層。一般為引腳在成型時受到拉扯時產生的變形或者框架本身的品質異常造成的。

（3）芯片與鍍層之間的分層。這種現象設備在粘片時，粘接面分層，主要是鍍層（銀/銅）分布不均勻、設備的穩定性或鍍層的品質不好造成的。

（4）框架與塑封體之間的分層?？蚣苎趸窃蛑唬菬o法確認在封裝后是否一定會產生，即使經過等離子清洗，仍然無法避免其發生。

圖1　分層的四種形態

2　分層分類分析

塑封成型的缺陷種類很多，在不同的封裝形式上有不同的表現形式，發生的幾率和位置也有很大的差異，產生的原因也比較復雜，并且相互牽連，相互影響，所以需要綜合分析，制定出相應的行之有效的解決方法。很多器件失效機制一般表現為兩大類：一是熱應力破壞，二是濕氣破壞［2］。

2.1熱應力破壞

在溫度循環及高溫下，由于塑封料與不同材料（芯片、引線框架、金絲）熱膨脹系數的差異，封裝體內局部應力集中。當應力水平超過封裝材料的屈服強度時，就會引發失效，對器件密封性也有著不可忽視的影響。環氧塑封材料的熱膨脹系數和楊氏模量在玻璃化溫度（Tg）附近對溫度的變化非常敏感，溫度一旦發生變化，環氧塑封料的熱膨脹系數和楊氏模量就會發生較明顯的變化。若部分器件的工作溫度可能會接近玻璃化溫度，這樣的工作環境更容易使器件出現分層的失效現象。

2.2濕氣破壞

環氧樹脂是非致密性的，濕氣滲入器件主要有兩條途徑：

（1）通過塑封料包封層本體；

（2）通過塑封料包封層與引線框架間的間隙。

當濕氣通過這兩條途徑到達芯片表面時，在其表面形成一層導電水膜，并將塑封料中的Na+、CL-離子也隨之帶入，在電位差的作為下，加速了對芯片表面布線的電化學腐蝕，最終導致電路內引線開路。隨著電路集成度的不斷提高，布線越來越細，因此，布線腐蝕對器件壽命的影響就越發嚴重。在分立器件生產過程中電鍍這一環節，電鍍液中含有較多的離子，一旦這些離子浸入塑封里內部，很容易造成芯片表面腐蝕，甚至是分層。

3　分層主要因素分析及改善方案

如圖1所示，分層主要為4種表現形式，本文主要以引線框架與塑封體之間的分層為代表進行分析。

首先，列出影響引線框架與塑封體間分層主要因素包括a.引線框架，b.材料，c.封裝參數。構成魚骨圖，如圖2所示。依魚骨圖逐一找出可能影響分層的各因素。

圖2　影響引線框架與塑封體分層的主要因素魚骨圖

3.1塑封參數對分層的影響

3.1.1封裝溫度

生產過程中，模具溫度控制在略高于塑封料玻璃化溫度Tg時，能獲得較理想的流動性，約160℃～180℃。模具溫度過高，塑封料固化過快，內應力增大，包封層與框架粘接力下降。同時，固化過快也會使模具沖不滿。模具溫度過低，塑封料流動性差，同樣會出現模具填充不良，包封層機械強度下降。同時，保持模具各區域溫度均勻是非常重要的，因為模具溫度不均勻，會造成塑封料固化程度不均勻，導致器件機械強度不一致。

3.1.2注塑壓力

注塑壓力的選擇，要根據塑封料的流動性和模具溫度而定，壓力過小，器件包封層密度低，與框架黏結性差，易發生吸濕腐蝕，并出現模具沒有注滿塑封料提前固化的情況；壓力過大，對內引線沖擊力增大，造成內引線被沖歪或沖斷，并可能出現溢料，堵塞出氣孔，產生氣泡和填充不良。

3.1.3注模速度

注塑速度的選擇主要根據塑封料的凝膠化時間確定。凝膠化時間短，注模速度要稍快，反之亦然。注模要在凝膠化時間結束前完成，否則由于塑封料的提前固化造成內引線沖斷或包封層缺陷。

3.1.4合模壓力

公開透明。軍隊行政權力清單制度要求將制定的權力和責任目錄及權力運行流程圖，根據權力事項秘密等級在一定范圍內公開。這使得本來模糊的軍隊權力通過公開而變得透明起來，確保權力在陽光下公開、透明地運行。

合模壓力的選擇主要根據壓痕的深淺以及溢料情況。塑封工藝調整的同時，還應注意到預成型料塊的保管、模具的清洗、環境的溫濕度等原因對塑封工序的影響。

3.2塑封材料對分層的影響：

之前討論過，濕氣可通過塑封料包封層進入內部，或通過塑封料包封層與金屬框架間的間隙。當濕氣通過這兩條途徑到達芯片表面時，在其表面形成一層導電水膜，并將塑封料中的Na+、CL-離子也隨之帶入，在電位差的作為下，加速了對芯片表面鋁布線的電化學腐蝕，最終導致電路內引線開路。針對上述問題，我們必須要求：塑封料要有較高的純度，Na+、CL離子降至最低；塑封料的主要成分：環氧樹脂與無機填料的結合力要高，以阻止濕氣由本體的滲入；塑封料與框架金屬要有較好的粘接性；芯片表面的鈍化層要盡可能地完善，其對濕氣也有很好的屏蔽作用。

由于塑封料、芯片、金屬框架的線膨脹系數不匹配而產生的內應力，對器件密封性有著不可忽視的影響。因為塑封料膨脹系數（20-26E-6/℃）比芯片、框架（-16E-6/℃）的較大，在注模成型冷卻或在器件使用環境的溫差較大時，有可能導致壓焊點脫開，焊線斷裂甚至包封層與框架粘接處脫離，由此而引起其器件失效。由此可見，塑封料的線膨脹系數應盡可能的低，但這個降低是受到限制的，因為在降低應力的同時，塑封料的熱導率也隨之降低，這對于封裝大功率的器件十分不利，要使這兩個方面得以兼顧，取決于配方中填料的類型和用量。

3.3引線框架氧化對分層的影響

引線框架是電子封裝中最主要的結構材料，在封裝體中可以起到固定芯片、保護內部元件、分配電信號的作用，同時還提供散熱通道。但是金屬銅具備較強的親氧性，在封裝工藝加熱的過程中容易發生氧化，形成氧化膜。金屬的表面氧化會改變原性質，而化學性質的改變也連帶使物理性質產生變化，如表面濕潤、表面張力以及結合力。研究發現［4］，引線框架表面氧化狀況對塑封料的粘接強度有較大影響，其氧化膜認為是塑封料封裝再回流焊工藝中分層及裂紋的主要原因之一［5］。

在封裝工藝中存在加熱可能造成引線框架氧化的工藝包括以下幾個方面：（1）芯片粘貼后的烘烤；（2）壓焊前的預熱；（3）引線鍵合時的加熱，雖然有氮氣流保護，但引線框架還是存在一定的氧化；（4）引線框架的預熱，EMC注塑成型前必須對引線框架進行預熱，保證其良好的粘接，但其間并沒有保護性氣氛，預熱時間只能靠人工控制，由于給料需要較長時間，極易造成引線框的嚴重氧化。銅氧化層有兩種不同機制產生［5］：（1）在室溫中，一個薄膜層的氧化亞銅（Cu2O）由氧化還原反應，成型于銅基材的表面。其反應式為：

傳統觀點認為，引線框架氧化膜的形成會降低銅與環氧樹脂的粘接強度，引起裂紋，因此為了提高封裝的可靠性，應盡量避免框架的氧化或去除氧化。但是一些學者進行的研究表明，具有一定厚度的氧化膜可以提高粘接強度。在此方面，有一定的分期存在。Mino，Tosbikazu等人認為［6］，氧化膜厚度只有在一定數值下，才能保證框架與EMC的粘接強度，通過一直氧化膜生長的方法，可以避免粘接強度的降低。

圖3　塑封體間的結合強度

3.4去溢料的影響對分層的影響

造成分層的主因與塑封料黏度、框架工藝有直接關系，但去毛刺溶液對于分層有一定的破壞作用，而在如何避免去毛刺溶液對于分層影響方面：

（1）藥水使用溫度的影響，由于材料之間彈性系數的差異，受熱脹冷縮影響對于分層有明顯影響，這就要求藥水要朝著低溫趨勢發展；

（2）去毛刺藥水中需要選用分子量大的組分，減少滲透力對于塑封料造成的影響。

（3）盡量避免去毛刺溶液對納米級氧化亞銅層的破壞力，產品在塑封前引線框架表面形成納米級氧化亞銅，有利于增強塑封料與框架之間的結合力，藥水破壞這層氧化亞銅層進而影響分層。

（4）從藥水的反應動力學角度考慮，去毛刺溶液應考慮組分對于溢料溶解溶脹的力度不易過大。

4　結論

綜上所述，分層是一個綜合性課題，需要工作人員對各個工序的工藝，使用材料進行調整，優化、提高塑封的可靠性，以擴大塑封的引用范圍，進一步提高塑封集成電路的發展。

［1］肖海洪.塑封分立器件的分層問題研究［D］.成都：電子科技大學，2009.

［2］馬緒.塑封分立器件的分層問題［J］.科技創新論壇，2014，（1）：166-168.

［3］G.L.Ang，L.C.Goh，K.W.Heng，and S.K.Lahin.Oxidation of Copper Lead Frame［C］.Physical&Failure Analysis of Integrated Circuits，1995.218-220.

［4］黃福祥，馬營生，寧宏龍，等.引線框架銅合金氧化特性的研究現狀［J］.功能材料，2002，31（1）：29-32.

［5］方強.塑封功率器件分層失效激勵研究與工藝改進［D］.上海：上海交用大學，2009.

［6］Toshikazu M，Kanako S，AtsushiK，et al.Development of Mositure-Proof thin and Large QFP with Copper Lead-Frame［C］.ProcessdingsElectronic Componentsand Technology Conference.May 35-28，1998，1125-1131.

The Research on Delamination of Plastic Packaging Device

YANG Wen-jie，Wang Xia，Wang Rong，Shao Rong-chang

（Huatian Technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China）

At present，the delamination still is a major concern in terms of quality and reliability for lead frame packaging.How to avoid the cause and promoting yield rate in which to become a very important issue and need to be improve at continuously.This article first summarized the delamination，and expounded the classification of delamination in detail，put forward the main factors for device failure，and some effective measure avoiding the device delamination.

Delamination；Epoxy Mold Compound（EMC）；Lead Frame，Reliability

TN305.94

B

1004-4507（2016）10-0026-05

2016-09-30

楊文杰（1988－），男（漢族），甘肅輝縣人。助理工程師，2012年畢業于西安交通大學，現于天水華天科技股份有限公司從事半導體封裝測試研究。