許海漸，陳洪芳，朱錦輝，王 毅

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

1 前言

分層是IC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。

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。但是對(duì)于MOSFET、電源管理等敏感器件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期防范不足的產(chǎn)品，這是必須面對(duì)和亟待解決的一種致命性缺陷，它嚴(yán)重影響封裝電路的可靠性與老化使用后的功能性。造成IC產(chǎn)品分層的原因很多，本文對(duì)封裝材料、制程及工藝等主要因素進(jìn)行剖析，并對(duì)可能的預(yù)防措施進(jìn)行探討。經(jīng)研究表明，封裝BOM（主材）奠定產(chǎn)品分層水平的基調(diào)，封裝制程的控制方法和制程能力對(duì)分層有舉足輕重的作用。

2 塑料封裝工藝簡介

塑料封裝指使用樹脂封塑的IC產(chǎn)品，有區(qū)別于陶瓷、基板、金屬封裝，是一種非氣密性封裝方式。主要工藝流程如圖1。

圖1 IC封裝流程圖

2.1 磨片

將晶圓厚度減薄至技術(shù)要求的厚度范圍，其他作用有：

（1）去掉圓片背后的氧化物，保證芯片焊接時(shí)良好的粘接性；

（2）消除圓片背后的擴(kuò)散層，防止寄生結(jié)的存在；

（3）使用大直徑圓片制造芯片時(shí)，由于片子較厚，需要減薄才能滿足劃片、壓焊和封裝工藝的要求；

（4）減少串聯(lián)電阻和提高散熱性能，同時(shí)改善歐姆接觸。

2.2 切割

將晶圓黏貼在背膜與金屬支架上，使用金剛石（樹脂）刀片或激光在切割機(jī)上進(jìn)行切割分離成獨(dú)立的芯片單元。

2.3 裝片

把芯片裝配到管殼底座或框架上去。常用的方法有樹脂粘結(jié)、共晶焊接、鉛錫合金焊接等，樹脂粘結(jié)需要烤箱固化。

圖2 塑料封裝示意圖

2.4 鍵合

芯片焊盤與載體連接，常用Au/Cu/Al絲或帶焊接，實(shí)現(xiàn)芯片功能由載體端子導(dǎo)通輸出，CSP/Bump等工藝以植球等其他形式進(jìn)行焊接。

2.5 塑封

傳統(tǒng)樹脂熱熔注塑包封IC，高溫固化內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)，形成集成電路外形特征和硬度等要求，屬于不可逆包封（圖2）。

2.6 電鍍

去除多余樹脂溢料后框架電鍍易焊性金屬，如Pure Sn、SnBi、PbSn等，若框架原有鍍鎳等工藝則無需電鍍其他金屬。

2.7 打印

利用激光或油墨在PKG表面標(biāo)示產(chǎn)品信息。

2.8 成形

去除框架連筋，按照產(chǎn)品外形引腳要求打彎，最終形成IC電路完整的外形。

封裝工藝流程根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形特征不盡相同，以上略作簡述。

3 相關(guān)規(guī)范解讀

先對(duì)JEDCE吸濕管理塑料封裝器件分層相關(guān)規(guī)范（March 2008 IPC/JEDEC J-STD-020D.1）進(jìn)行解讀。針對(duì)金屬框架塑料封裝器件，JEDCE標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)預(yù)處理前后及分層變化比率：

（1）芯片表面不允許分層；

（2）焊線（包括接地線）不允許分層；

（3）SAM分析分層與芯片獨(dú)立金屬區(qū)域距離變化趨勢(shì)＜10%；

（4）電源/散熱片器件芯片焊接區(qū)域分層突變＜50%；

（5）器件無貫穿性分層（包括lead fingers, tie bars heat spreader alignment features, heat slugs）。

4 材料間分層問題解析及解決方案

導(dǎo)致分層的因素很多，降低封裝樹脂的應(yīng)力、改善封裝樹脂的吸濕性和提高封裝樹脂的粘接力是改善PKG內(nèi)部分層現(xiàn)象的有效方法。分層解析的通常思路為：斷面研磨確認(rèn)真性/假性分層，通過材料/工藝條件/加工方式等的對(duì)比初定產(chǎn)生根源，對(duì)主要因素進(jìn)行DOE試驗(yàn)進(jìn)行改善，對(duì)試驗(yàn)輸出條件展開有效的工藝控制。T scan超聲波掃描方式也可以界定疊層界面的具體分層情況。適當(dāng)使用decape、EDX方式確認(rèn)分層界面的物質(zhì)以確認(rèn)是否發(fā)生污染。

圖3 分層解析主要考慮的因素

從封裝樹脂的角度來說，一般認(rèn)為主要是由于內(nèi)部應(yīng)力變化和內(nèi)部水分造成的。當(dāng)封裝體在環(huán)境溫度變化時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力的壓力和水分的蒸汽壓力大于封裝樹脂與芯片、載片以及框架表面之間的粘接力，以致于使它們的界面之間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致封裝樹脂或芯片出現(xiàn)裂紋。

塑料封裝主要應(yīng)用材料包括框架（Cu、Fe、NiPaAu等電鍍框架）、貼片膠（銀膠、絕緣膠、焊料等）、塑封料、芯片。材料相互之間的熱膨脹系數(shù)配合是主要因素，在穩(wěn)定的生產(chǎn)條件下極有規(guī)律地出現(xiàn)內(nèi)部界面分層，用調(diào)整作業(yè)條件的方式無法杜絕異?，F(xiàn)象。BOM設(shè)計(jì)充分考慮材料之間的匹配性，通過材料模型模擬實(shí)驗(yàn)論證，適當(dāng)考慮框架鍍層的選擇。封裝樹脂的應(yīng)力計(jì)算公式為σ＝K1|a1EdT＋K2a∫a2EdT，其中K1、K2是常數(shù)，a1、a2是封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)，E是封裝樹脂的彈性模量，dT是溫度變化，影響封裝樹脂的應(yīng)力因素有：封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)、封裝樹脂的彈性模量和封裝樹脂的玻璃化溫度，但是降低封裝樹脂的玻璃化溫度會(huì)降低材料的機(jī)械性能，所以降低封裝樹脂的熱膨脹系數(shù)和彈性模量是降低封裝樹脂應(yīng)力的有效方法。

產(chǎn)品生產(chǎn)工藝是控制各種因素在生產(chǎn)過程產(chǎn)生變化從而導(dǎo)致分層異常的關(guān)鍵。譬如框架的氧化、異物沾污、離子污染，塑封料性能劣化，銀漿樹脂分離潮解等，均需要生產(chǎn)過程嚴(yán)格的工藝控制和優(yōu)化。溫度、時(shí)間、沖塑壓力/速度等是主要的控制參數(shù)。

封裝后PKG在外部受力及后段degate、切筋、成形、PKG切割后金屬框架拉伸彎曲會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部界面剝離，本文定義為機(jī)械外力造成產(chǎn)品損傷，也是分層的一種產(chǎn)生形式，嚴(yán)重者有產(chǎn)品碎裂、缺損、變形等可目視的外觀不良情況發(fā)生。主要表現(xiàn)為框架載片臺(tái)、內(nèi)引腳區(qū)域在以上過程作用后出現(xiàn)分層。

IC產(chǎn)品組裝過程較多溫度、電流變化的作業(yè)條件下，使得產(chǎn)品內(nèi)部材料各自應(yīng)力出現(xiàn)突變釋放，導(dǎo)致內(nèi)部分層，嚴(yán)重者表現(xiàn)出PKG/基板裂紋（如圖4）。

圖4 塑封體吸濕熱烘產(chǎn)生應(yīng)力釋放

塑封料先天不足產(chǎn)生大面積規(guī)律性的界面分層，選擇合適的塑封料是解決問題的關(guān)鍵。

圖5 塑封料X與框架/裝片膠均分層及更改塑封料Y解決分層

塑封料流動(dòng)性及附著能力的差異使得分層表現(xiàn)迥異，甚至與芯片PI層均會(huì)發(fā)生分層，選擇流動(dòng)性能高的塑封料是必要的。

圖6 芯片與塑封料A分層及更換塑封料B無分層

注塑時(shí)間/壓力的優(yōu)化防止內(nèi)部局部區(qū)域空氣排擠不凈或注塑遠(yuǎn)端出現(xiàn)流動(dòng)性急劇變化時(shí)產(chǎn)生分層，注塑參數(shù)（注塑壓力/時(shí)間等）DOE是必須開展的研究，當(dāng)然塑封模具保養(yǎng)是前提，以防止排氣孔堵塞發(fā)生。

圖7 塑封料流動(dòng)性不良產(chǎn)生的局部載片臺(tái)分層

圖8 注塑參數(shù)優(yōu)化前與優(yōu)化后比較

芯片位置在特定環(huán)境下有不同的分層表現(xiàn)，在無芯片的制品中未發(fā)現(xiàn)分層，適當(dāng)調(diào)整芯片/框架布局可以防止分層發(fā)生。

圖9 芯片靠右側(cè)發(fā)生分層及芯片靠左側(cè)解決分層

框架設(shè)計(jì)鎖孔、鎖槽、反向倒角、T型內(nèi)引腳等方式，利用塑封料自身的強(qiáng)度降低各界面間的張力集中程度，有效防止分層的發(fā)生。

圖10 防止分層的框架設(shè)計(jì)案例

圖11 載片臺(tái)/引腳分層及調(diào)整框架設(shè)計(jì)后無分層

芯片污染會(huì)直接造成表面分層，BG過程膠殘留在芯片表面是直接原因，選擇合適的減薄膠帶可以解決問題（圖12為不同膠帶試驗(yàn)的對(duì)比）。

圖12 BG膜A導(dǎo)致芯片污染分層及更換BG膜B后無芯片分層

芯片表面線路凹凸過大也會(huì)造成塑封料流動(dòng)過程包裹空氣形成分層界面。如果設(shè)計(jì)定型后，一般無法改善，但wire bond后表面coating可以解決芯片表面區(qū)域性分層問題。

圖13 凹凸表面塑料流動(dòng)不良產(chǎn)生分層及Coating后表面無分層

切筋成形/Degate等工藝步驟使用工裝治具需要充分考慮刀具壽命及模具關(guān)鍵尺寸公差與PKG尺寸的安全余量。圖14所示為成形刀具磨損過度，造成刀具與產(chǎn)品外引腳產(chǎn)生拉伸力，與塑封料產(chǎn)生間隙（分層），嚴(yán)重者內(nèi)引腳焊點(diǎn)剝離/斷絲，更嚴(yán)重者PKG出現(xiàn)裂紋。

圖14 載片臺(tái)、內(nèi)引腳分層，焊點(diǎn)斷絲/引腳與塑封體間隙（分層）

圖15 更換新刀具后無分層（間隙），焊點(diǎn)無裂紋

在一些環(huán)境有限的生產(chǎn)區(qū)域，材料發(fā)生輕微的氧化、污染可能不可避免，所以對(duì)材料的適當(dāng)處理顯得尤為關(guān)鍵，鍵合前或鍵合后適當(dāng)?shù)腜lasma對(duì)框架、芯片表面進(jìn)行電漿清洗，對(duì)改善材料間結(jié)合強(qiáng)度、防止分層也非常有效，尤其在銅制程上運(yùn)用較廣（如圖16）。

除上述主要因素外，生產(chǎn)過程的管控方法對(duì)分層也有很大的影響，往往前端制程中不當(dāng)?shù)姆椒ㄔ诤蠖沃瞥谭从吵龇謱訂栴}。通常來講，我們建議對(duì)框架充氮存放并進(jìn)行時(shí)間管理，對(duì)前固化烤箱的溫度/時(shí)間進(jìn)行規(guī)范管理，必要時(shí)充氮?dú)饣虺檎婵辗乐垢邷匮趸?，?duì)烤箱定期清掃及合適的清潔化劑去除揮發(fā)物防止二次污染；對(duì)打線/塑封溫度及停機(jī)時(shí)間采取主動(dòng)報(bào)警管理，適當(dāng)開展高溫作業(yè)軌道/IR溫度的定期檢測(cè)與維護(hù)，塑封模具的定期清模、脫模、排氣孔維護(hù)及模具表面的適當(dāng)處理。電鍍?nèi)ワw邊方式（水煮、電解）及電流控制也是后段制程影響分層的主要因素，同時(shí)也要注意包封后制品物流過程中的彎曲、變形、碰撞等細(xì)節(jié)的管理方法。

圖16 未Plasma精悍區(qū)分層嚴(yán)重及等離子Plasma清洗后無分層

5 總結(jié)與探討

塑料封裝技術(shù)相對(duì)走向成熟，我們面對(duì)的不再是產(chǎn)品組裝問題，而是客戶端產(chǎn)品可靠性問題。而面對(duì)紛繁復(fù)雜的各種可能因素，即使擁有豐富封裝/FA經(jīng)驗(yàn)的工程師，也往往覺得無從下手，本文簡述團(tuán)隊(duì)多年來的實(shí)踐積累，通過不同案例的深入驗(yàn)證和DOE試驗(yàn)，希望對(duì)于大家在分層研究與系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)方面提供一些有益的思路或參考。本文涉及的過程控制、工藝、材料、設(shè)備、產(chǎn)品相關(guān)信息僅作解析研究使用，請(qǐng)勿引用。

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