塑封TO-220、TO-263產品封裝工藝改進

濟南市半導體元件實驗所 孟 博 蘇云榮 于 洋 崔 同

1 概述

芯片的背面電極與引線框架的物理連接及電連接是通過粘片工藝實現的。粘片工藝實現情況的好壞直接影響到器件的參數與可靠性，特別是對于功率器件的影響更加明顯。對于TO-220、TO-263封裝的功率型器件而言，現在一般采用融點焊錫絲，焊錫拍扁成型，芯片放置，焊錫冷卻成型等幾個步驟來實現粘片工藝。我們發現器件生產中或者器件可靠性的多種失效模式都產生于粘片工藝。我們認為以下缺陷與粘片工藝有關：a、焊料縮錫，b、焊料空洞率高，c、焊料熱疲勞能力差，d、芯片背裂。

塑封料與引線框架、芯片分層，以及在各種應力條件下分層情況加重是塑封器件的最重要的失效模式之一。塑封分層可引起器件的多種失效，一般有以下幾種：a、塑封料與引線框架分層，形成水汽進入通路。此模式短期內可使器件的漏電增大，長時間可以引起電極電化學腐蝕。b、塑封料與碳化硅二芯片表面分層，可以使鍵合點與芯片金屬層分離，或者接觸不良，引起器件失效。c、在塑封料與引線框架分層的條件下，某些外力作用于器件，可以使芯片分層（芯片底部的襯底開裂）或者使焊料分層，使器件的正向電壓異常升高。

器件受到以下幾種應力時，分層情況可能加劇：a、器件安裝時受到的機械或者熱應力。b、器件受到一定物理沖擊。例如跌落或者其他對背面散熱片的物理沖擊。在大量的產品生產過程中遇到過多次此種現象。此種可能容易被忽略。c、溫度沖擊，主要指一些使用環境溫度的急速變化。芯片、焊料、鍵合絲、塑封料、引線框架等的材質不同，其線膨脹系數不同，在溫度變化時各部分間都會產生應力使分層現象加劇。

2 粘片工藝改進

2.1 焊料優化

首先，焊料應符合以下幾點基本要求，

a、器件應承受回流焊的極限260℃/10s以上的沖擊，因此焊料的熔點至少應保證高于280℃；

b、熱膨脹系數應盡可能接近碳化硅與引線框架使用的KFC銅合金材料的熱膨脹系數；

c、焊料本身的工藝操作窗口較寬，與碳化硅芯片的背面銀層、引線框架使用的KFC合金材料的浸潤性好；

d、具有優異的電導率、熱導率的綜合性能。

綜合以上條件，最初我們在眾多的焊料中選擇了0.76mm直徑的PbSn10的軟焊料。此成分的焊料綜合電導率、熱導率適中，與芯片背面銀層、KFC材料的浸潤性較好，相對其他成分的焊料其加工的工藝參數窗口寬，生產控制較為容易。但是經過溫度循環試驗（-55℃～＋150℃，1000次）后發現部分器件的正向壓降升高的的情況，經過失效分析發現焊料出現大量的裂紋，發生了金屬疲勞現象。

通過對各種成分焊料進行實驗,我們發現基本上焊料的耐熱疲勞能力與其與引線框架的浸潤性成反比：

抗熱疲勞能力：PbSn1Ag1.5＞PbSn2Ag2.5＞PbSn5Ag2.5＞PbSn5＞PbSn10；

浸潤性：PbSn10＞PbSn5＞PbSn5Ag2.5＞PbSn2Ag2.5＞Pb-Sn1Ag1.5。

目前我們選用了抗熱疲勞能力較強的PbSn1Ag1.5材料，器件經過溫度循環試驗后，未發生正向壓降升高的情況，焊料熱疲勞現象得到明顯的改善。

但是更換焊料初期遇到了縮錫比例大，焊料空洞率高，焊料與框架不浸潤等問題。我們通過調整引線框架表面粗糙度、優化工藝參數（調整氮氫保護氣流量，優化點錫、拍錫工藝參數）以及拍錫頭優化的方法，有效的避免了這些問題的發生。

2.2 拍錫頭優化

根據大量實驗，最終確定拍錫頭的導氣槽結構特征如下，a、導氣槽深度50μm；

b、最外圍為正方形導氣槽，其對角線也為導氣槽；

c、拍錫頭邊長為芯片邊長的110%。

經大量實驗表明，優化后的導氣槽可最大限度的保證以下能力，

a、能有效的防止縮錫現象。將縮錫現象的發生比例提高到0.5‰以下；

b、焊錫厚度由優化前的15μm～90μm縮小到20μm～60μm；

c、優化的拍錫面積在保證粘片剪切力的同時，減小芯片受到的焊料固化收縮應力；

d、合理的拍錫面積保證粘片剪切力的同時，保證留有盡可能多的引線框架與塑封料接觸的面積，來提高塑封料與引線框架的粘結力，避免分層現象的發生。

2.3 頂針結構與高度優化

150mil芯片以下使用單頂針，150mil芯片以上使用4頂針結構。采用4頂針結構可防止大芯片單頂針工藝造成的的芯片背裂。頂針高度在保證可吸起芯片的條件下應盡可能小，避免頂針應力。根據藍膜粘附性狀態不同，其工藝參數需要進行調整。優化后芯片背裂的失效率由0.1‰提升到0.01‰以下。

3 塑封分層改進

3.1 優化塑封料

a、樹脂基材體系：目前塑封材料中的環氧樹脂基材主要有4類，分別是：鄰甲酚、多官能團、雙環戊二烯、聯苯。經過實驗對比發現四類塑封料對引線框架的粘附性差異巨大[2-3]。針對塑封分層情況，需要增加塑封料與引線框架的粘附力，應在可能條件下應優先選擇粘結力較大的材料。

b、填充二氧化硅：目前填充的二氧化硅顆粒有三種，分別是結晶型、熔融型片狀、熔融球形。這三種填充物的特性差異較大，可以較大地影響塑封料整體的熱傳導率、線性膨脹系數、彎曲強度、吸濕率。

對塑封分層情況，我們目前主要的失效模式為溫度循環條件下分層。可認為塑封料與引線框架之間產生了熱失配，銅材的線膨脹系數約為20*10-6/℃，塑封料與引線框架間的高溫線膨脹系數差異較大，應選取高溫線膨脹系數a2盡量低的塑封料，因此應選擇高填充的熔融的二氧化硅，如果條件允許可以使用高填充的球型二氧化硅。

3.2 優化引線框架設計

a、塑封區頂部U型槽：當外力作用于引線框架使其震動時容易使器件自塑封體頂部分層開裂，在此處增加一個深的U型或者燕尾槽可以使此處耐物理沖擊的性能有很大的提高。

b、塑封區網格、麻點：通過溫度循環1000次后，二極管芯片附近的引線框架區域與塑封料發生了分層，在二極管芯片區及附近增加這種網格結構可以增加引線框架與塑封料的接觸面積，以及改變接觸面的受力方向來提高粘附性。還可以借鑒前面U型槽的設計，對網格結構進一步優化，以更加增加兩者的粘附性。

c、鍵合區鎖膠孔：引線鍵合區分層是可能會引起器件直接失效的原因，在GJB7400的篩選項目中明確指出任何鍵合區分層都是不可接受的，此處接近塑封體邊緣，容易發生分層。此處的鎖膠孔設計明顯針對此項進行設計，但是孔徑的面積大小也會影響到引線的電流承載能力以及散熱能力。在此處設計時應根據引腳電流密度，引腳的散熱能力要求，以及分層應力條件綜合設計實驗。

3.3 引線框架框架表面態控制

塑封料與引線框架分層主要有以下三種模式[4-5]：（a）分層處為塑封料與引線框架表面的Cu2O界面。斷裂所需應力較低。（b）分層處為引線框架表面的Cu2O與CuO的交界面（此時的氧化銅層薄，晶格缺陷少）。斷裂所需應力較高且一致性較好。（c）分層處為塑封料與引線框架表面的CuO界面（此時的氧化銅層厚，晶格缺陷較多）。此處斷裂所需應力高低一致性不好。

分層處的狀態與粘附力狀態非常相關，通過對框架的氧化表面態的控制進行分層處位置的控制，使分層發生在粘附性最好的狀態。但是實際生產過程中引線框架需要經過高溫（最高溫度360℃）粘片工藝，其引線框架表面已經發生了氧化，而且引線框架廠使用的銅材在微量元素上會有一些差異。這些材料差異可使引線框架表面氧化銅的表面形態有所不同，需要具體對每種材料進行分析。可以在常規的引線框架材料中選取最優方案,在選取時應考慮熱導率，電導率等多個因素。

為了排除前期各種因素，具體的方法可首先通過還原框架表面態，再進行塑封前引線框架預熱氧化的方法做到框架表面氧化態一致性的控制。

引線框架表面態還原目前可以進行高溫氮氫還原或者等離子清洗、UV照射等方法。可以對多種方法，多種處理時間等進行多項正交試驗，以確定最優結果。

[1]黃福祥.引線框架材料對銅合金與錫鉛焊料界面組織的影響[J].電子元件與材料,2003,22(4):33-35.

[2]侍二增.環氧樹脂和酚醛樹脂對塑封料性能影響的研究[J].電子工業專用設備,2015,11:1-4.

[3]秦蘇瓊.環氧樹脂和酚醛樹脂對芯片引線框架粘結力的洋酒[J].電子工業專用設備,2015,8:11-15.

[4]方行.Cu引線框架氧化對功率器件中Cu/EMC界面的影響[J].半導體技術,2010,35(2):142-145.

[5]徐冬梅.銅基引線框架氧化的產物、機理及控制措施[J].半導體技術,2012,27(12):969-973.