裸銅框架銅線鍵合封裝技術研究

溫莉

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

裸銅框架銅線鍵合封裝技術研究

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

對裸銅框架銅線鍵合封裝的關鍵工藝進行了系統研究，通過選擇合適的裸銅框架、分段烘烤方式、全密封軌道焊線機防氧化以及工序間時間間隔控制，實現銅-銅鍵合關鍵技術，這一研究結果為更多封裝形式的裸銅框架實現銅線鍵合提供技術指導。

裸銅框架；氧化；銅-銅鍵合

銅合金以其優良的導熱、導電、力學性能及低成本因素，已經成為集成電路塑料封裝中最主要的引線框架（lead frame，LF））材料。近年來，隨著封裝成本壓力的不斷增大，引線框架從全鍍銀（載體和管腳均鍍銀）全面轉向環鍍銀（在管腳鍍銀和載體焊線區域鍍一圈銀）和選鍍銀（在管腳鍍銀和管腳焊線區域選鍍銀），并且在積極開發裸銅框架（無鍍銀框架）。然而，銅合金具有很高的親氧性，極易發生氧化現象，形成氧化膜。另外在封裝過程中要經受150～250℃的溫度，加劇了銅引線框架的氧化，會引起氧化膜剝離并最終導致封裝失效，而且框架表面的氧化膜也是塑料封裝產品在回流焊工藝中導致分層和裂紋的主要因素之一，因此，裸銅框架的抗氧化管控是應用于封裝的關鍵[2]。

目前在一些封裝公司已經成熟量產的產品主要有TO、DIP、SOT、QFP等，這些產品大多數采用軟焊料或共晶焊裝片技術、裝片還原和鋁線鍵合技術，可以實現裸銅框架的良好鍵合，但銅-鋁鍵合對產品的可靠性沒有改善。從理論上講，實現裸銅框架銅線鍵合，可以減少接觸面的缺陷，避免因銀遷移造成的短路，改善產品質量，提高封裝產品的可靠性和壽命，節約封裝成本。本文重點研究銅-銅鍵合關鍵技術，實現裸銅框架銅線鍵合封裝工藝。

1 試驗

1.1 防氧化機理

許多研究發現，引線框架銅合金的氧化膜構成對氧化膜的抗剝離性有重大影響，如果氧化膜中CuO的含量很低，氧化膜主要由Cu2O構成時，將呈現出非常良好的抗剝離性；一旦氧化膜中CuO含量增加，氧化膜的抗剝離性急劇下降，氧化膜中CuO含量增加的主要原因與銅合金中的微量元素偏析有密切的關系。Tomioa等對純銅和銅合金的氧化速度以及氧化膜成分研究也表明，雖然純銅氧化速度最快，但氧化膜中無CuO。因此，在銅合金表面電鍍純銅層，能提高氧化膜抗剝離性，改善材料的氧化失效性能，且價格低廉[1]。

根據金屬氧化理論，裸銅框架氧化過程依賴于銅離子和氧原子在氧化膜內的擴散，并且以銅離子的擴散占主導地位。高溫作用下，氧化環境為富銅環境，銅離子充足，并且隨溫度升高，銅離子的遷移率顯著提高，從而加快了框架的氧化速率。而在較低溫度下，雖然銅離子也比較充足，但溫度較低，銅離子的擴散較慢。因此，高溫對裸銅框架造成的氧化程度大于低溫造成的氧化程度[2]。

1.2 封裝過程控制因素

本文以SOT223裸銅框架產品為例，裸銅框架基材為C194銅合金，基材表面電鍍純銅。其成分如表1所示。封裝流程關鍵工藝為：裸銅框架的包裝及存放、粘片烘烤方式、引線鍵合防氧化、工序間時間間隔控制。

表1 C194銅合金成分

1.3 試驗內容

1.3.1 裸銅框架

本試驗采用的裸銅框架為在鍍層表面覆蓋一層有機物，密封鍍層孔隙防銅氧化，框架表面鍍純銅，表面更加平整光潔，減少了框架與氧氣的接觸面積，提高了氧化膜的抗剝離性，從而提高了框架的抗氧化能力。

包裝方式為將密封好的每盒框架密封后抽真空處理，在溫度15～24℃，濕度≤65%RH的儲存條件下存放，經試驗，存放6個月后無氧化現象。

1.3.2 粘片烘烤

粘片烘烤采用分段式進行，首先在無氮氣保護的環境中，溫度上升到一個不太高的溫度并保持一定的時間，這樣不僅可以降低烘烤過程中的揮發，而且減少粘片膠中非水分物質的衰減，使更多的物質固化在芯片和PAD間，兩者有更好的粘片強度；然后在充氮氣保護保持氧含量≤0.1%的環境中，上升到一個較高的溫度后保持一定時間，可以更好地去除水分。圖1為試驗中用到的分段烘烤曲線。

圖1 分段烘烤曲線

1.3.3 引線鍵合

1.3.3.1 等離子清洗

等離子清洗除能清潔掉芯片及引線框架表面的沾污和氧化物之外，還能激活表面，使結合面更加牢固，是提高引線鍵合和塑封性能的一個重要方法。

1.3.3.2 全密封軌道鍵合設備

引線鍵合采用具有“Gas cover kit”系統的全密封軌道焊線機，全程通保護氣體防氧化。該系統主要由“Full Heat Tunnel+UC Cover+Moving Cover”三部分組成，相互之間緊密連接，減少了裸銅框架與外界環境的接觸面積，達到全密封、防氧化的效果；鍵合時在軌道內部通入一定流量的保護氣體實現裸銅框架高溫鍵合的防氧化（見圖2）。

圖2 全密封軌道焊線機

1.3.4 工序間時間間隔控制

如果工序間時間間隔越長，會增加產品在生產線上的沾污和氧化風險，從而影響引線鍵合質量。尤其是粘片到引線鍵合、引線鍵合到塑封這兩個工序間時間間隔。粘片烘烤前，由于粘片膠未固化，滯留時間越長，粘片膠會外溢擴散到芯片區域外的載體上，甚至擴散到內引腳上，造成粘片膠沾污；引線鍵合到塑封工序，由于鍵合過程對框架有加熱，在此期間滯留時間較長易造成框架氧化，影響鍵合質量；由于塑封車間潔凈度相對較低，若在塑封車間滯留時間較長，極易造成引線框架及芯片沾污，影響塑封料與引線框架及芯片的結合強度。

2.4 試驗方案

將工序間時間間隔控制在24 h以內，采用分段烘烤進行粘片固化，引線鍵合及塑封前均加等離子清洗，并嚴格按照封裝工藝規范操作，隨機選取3批芯片將裸銅框架與鍍銀框架進行對比試驗考核，試驗后，裸銅框架封裝批次均滿足封裝產品質量及MSL1可靠性要求，如表2。

表2 試驗方案

2 結果與討論

圖3、圖4分別為裸銅框架銅線鍵合后圖片、MSL1后超聲掃描圖片。圖示為引線鍵合后滿足工藝質量標準，可靠性滿足JEDEC MSL1標準；裸銅框架銅線鍵合封裝產品的可靠性明顯優于鍍銀框架。

圖3 引線鍵合圖片

圖4 MSL1后超聲掃描圖片

3 結束語

研究表明，實現裸銅框架銅線鍵合封裝工藝，既改善了材料間的相容性，減少了接觸面的缺陷，又降低了生產成本，可有效提升封裝產品的可靠性能力；經過多次試驗證明，裸銅框架銅線鍵合封裝產品的可靠性要優于鍍銀框架。這一研究結果可以為生產中更多封裝形式的裸銅框架實現銅線鍵合提供技術指導。

[1] 王壽山.鍍銅層對IC引線框架表面抗氧化失效的作用[J].上海交通大學學報，2007，4(41)：5-8.

[2] 張胡軍.鍍銅厚度對裸銅框架抗氧化性能的影響[J].電子與封裝，2013，1(1)：9-11.

Research of Packaging Technology for Bare-copper Leadframes with Copper Bonding

WEN Lijun

(Tianshui huatian technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China)

In this paper，systematic research of critical process for bare-copper leadframes with Copper bonding，By selecting suitable bare-copper leadframes，performing sectional baking after die bonding，antioxidanting of hermetic orbital for wire-bonding machine，and controling interval time during each process，Achieve key technology of copper-copper bonding，This result provides a guidance for more bare-copper leadframes with copper bonding.

Bare-copper leadframes；Oxidation；Copper-copper bonding

TN405.97

A

1004-4507(2017)04-0005-04

溫莉珺（1985-），女，甘肅天水人，畢業于蘭州理工大學，天水華天科技股份有限公司技術部工程師，主要從事半導體封裝材料及集成電路封裝可靠性研究。

2017-07-06