半導體集成電路引線框架塑料封裝分層原因及改善方法

分層是集成電路內部各界面之間發生了微小的剝離或間隙,主要發生區域包括封裝塑封料與芯片之間界面、封裝塑封料與引線框架界面、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(如圖1所示)等。集成電路產品分層產生的原因很多,涉及到封裝的各個環節。

圖1   分層發生界面分布圖示

圖1 分層發生界面分布圖示

分層的類型

分層的分類,按照不同的情況有不同的分類方法。

(1)按照發生位置進行分類:芯片表面與塑封料之間的分層,引線框架管腳表面與塑封料之間的分層,引線框架基島與塑封料之間的分層,粘片膠與塑封料之間的分層,粘片膠層與框架之間的分層;

(2)按照發生時機進行分類:封裝過程分層,可靠性試驗后分層;

(3)按照形成原因進行分類:熱應力造成的分層,機械應力造成的分層,粘污造成的分層,封裝材料互相粘接力不好造成的分層等。

分層的危害與機理

塑料封裝集成電路是非氣密性器件,器件分層發生后給濕氣的侵入提供了通道或者縮短了保護的距離。濕氣的入侵造成了芯片的腐蝕,使產品可靠性降低或導致產品失效。如濕氣與塑封料中的氯離子結合生成鹽酸,鹽酸對芯片的鋁電極以及鋁條進行腐蝕,最終導致電極開路使產品失效(見圖2);分層在兩個界面存在間隙,在焊接或者其他高溫的沖擊下造成間隙擴大,嚴重時會造成拉脫焊線造成產品失效。甚至會導致塑封體外部開裂,被稱為“爆米花”效應。對于MOSFET、電源管理等敏感器件和產品設計前期防范不足的產品,這是必須面對和解決的一種致命缺陷,嚴重影響封裝電路的可靠性與老化使用后的功能。塑料集成電路分層是系統性問題,涉及到封裝材料BOM(Billofmaterials,封裝材料清單)、設備、工藝、方法、存儲環境等。在集成電路的制造過程中,分層產生的主要影響因素見圖3。

圖 2 濕氣侵入產生分層模型

圖 2 濕氣侵入產生分層模型

圖 3 分層產生因果分析圖

圖 3 分層產生因果分析圖

分層的改善措施

針對封裝各個環節產生分層的機理制定相對應的改善措施,預防分層的發生。

產品優化設計

產品的質量、可靠性是設計出來的,對于封裝產品在設計之初就要考慮到可靠性的問題。對引線框架增加鎖定裝置、在載體背面壓梅花,管腳增加防潮氣槽、應力釋放槽、減少鍍銀面積等方法可有效改善分層和封裝產品的可靠性。封裝結構設計時,增加封裝面積,合理分布引線框架的結構布局,增強封裝強度,也能夠有效地改善分層和提高封裝產品的可靠性。

封裝凈化度

塑料集成電路封裝對凈化度有嚴格的要求。凈化度包括晶圓制造凈化度,減薄、劃片、裝片、焊線、塑封過程凈化度。裝片膠固化、裝片過程使用的材料是粘片膠,其主要成份是環氧樹脂,在固化過程中會產生大量的揮發物,揮發物會吸附在芯片、框架的表面,影響了塑封料和框架、芯片表面的粘接力,造成分層現象。為了解決粘污的問題,在烘烤過程中增加排風裝置,把揮發物排出,也可在產品塑封前增加等離子清洗,見圖4。等離子清洗可以有效去除氧化層、活化框架以及去除芯片表面、框架表面的有機物,增強了框架的浸潤性,有效改善 分層。等離子清洗效果可以用水滴角進行檢測,水 滴角越小,清洗效果越好。

等離子清洗防止塑封分層案例

圖四 等離子清洗防止分層案例

注塑工藝改善

塑封過程是對芯片、框架以及焊線包封的過程,包封的密封程度決定了產品的可靠性,因此塑封材料及工藝對產品可靠性的影響尤為重要。塑封材料主要成份為環氧樹脂,環氧樹脂在硬化劑和催化劑的作用下發生交聯反應,分子結構從線型變為穩定的網狀結構。塑封工藝參數有模具溫度、固化時間、注塑壓強、注塑時間、后固化溫度、后固化時間。交聯反應的程度由模具溫度、固化時間、后固化溫度以及后固化時間決定,封裝產品封裝致密強度是由注塑壓強所決定。注塑工藝很關鍵,不僅決定了封裝產品成形的品質,同時決定了封裝產品的可靠性。

去濕

塑料封裝是非氣密性器件,在封裝和儲存過程中會吸濕,在后續使用過程中會有高溫,在高溫沖擊下產品內的濕氣迅速膨脹,導致分層產生。為了改善該問題,在封裝后增加烘烤工藝進行去濕,去濕工藝條件一般為125℃/12h。對去濕后的產品做真空干燥包裝,防潮包裝打開后需要控制使用時間,防止產品再次吸濕。

分層是塑料封裝集成電路封裝過程中常發生的 缺陷,影響產品的可靠性,嚴重時會造成產品失效。 分層是系統性的可靠性問題,只有對設計、封裝、包 裝、貯存、安裝等各個環節嚴格控制才能有效地預防分層問題,針對每個環節制定系統的改善措施才能夠實現。