劉旭昌

(天水華天電子集團股份有限公司，甘肅天水741000)

塑封功率器件分層研究

劉旭昌

(天水華天電子集團股份有限公司，甘肅天水741000)

自塑封料誕生以來，逐漸以其低成本、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點逐步替代陶瓷和金屬封裝，成為目前功率半導體封裝的主要材料。因塑封功率器件基本上都是非氣密性產(chǎn)品，同時，由于封裝所使用的塑封料也具有不同程度的吸水性問題，導致在封裝過程中以及實際使用過程中產(chǎn)品較容易產(chǎn)生分層，對產(chǎn)品的長期可靠性有很大影響。主要講述了塑封功率器件的分層原理及其常見的產(chǎn)生原因，并結合實際生產(chǎn)提供了改善方向。

分層；封裝；框架；塑封

分層是器件內(nèi)部不同物質(zhì)在接觸面產(chǎn)生分離和縫隙，導致各界面之間發(fā)生微小的剝離或氣隙，進而導致電性能失效或者出現(xiàn)失效隱患等（如圖1所示）。封裝分層一般是在水汽和熱應力的協(xié)同作用下發(fā)生，工作溫度很高的功率器件極易發(fā)生分層。封裝分層可以導致鍵合引線脫落、芯片表面金屬層或鈍化層損傷、爆米花效應、金屬的腐蝕，使塑封器件的性能極大降低甚至失效。

功率器件的廣泛應用對封裝可靠性提出了更高的要求，封裝分層日益引起關注。功率半導體器件是電力電子技術的基礎和核心，近年來功率半導體技術發(fā)展迅速，但功率半導體器件的封裝技術發(fā)展相對滯后，一定程度上制約了功率器件性能的進一步提高。塑料封裝是功率半導體器件主要的封裝形式，但塑料封裝的非氣密性會帶來潛在的可靠性問題，封裝分層就是其中最常見的一種失效模式。所以，如何解決塑封功率器件的分層問題，已成為急需解決的問題。

圖1 塑封功率器件分層分布圖

1 功率器件封裝工藝流程

以MOSFET功率器件為例，MOSFET功率器件屬于塑料封裝，在封裝過程中一般采用環(huán)氧樹脂作為包封材料，它屬于非氣密性器件，其主要封裝工藝流程如圖2所示。

圖2 MOSFET功率器件封裝工藝流程

2 分層標準

某封裝企業(yè)消費類TO-263系列和工業(yè)級產(chǎn)品的分層內(nèi)部控制標準：

（1）載體部位分層小于25%；

（2）載體有地線區(qū)域分層為0；

（3）管腳部位分層為0；

（4）芯片表面分層為0。

針對金屬引線框架封裝的塑封器件，國際標準非密封型固態(tài)表貼組裝器件的濕度敏感性回流焊分類（Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices IPC/JEDEC J-STD-020D.1 March 2008）中對分層的要求：

（1）芯片表面分層為0；

（2）管腳和打地線區(qū)域分層為0；

（3）先導試驗前后分層變化小于10%；

（4）載體部位分層小于50%；

（5）器件無貫穿性分層。

3 分層改善方案研究

3.1 分層問題解析及解決方案

對于塑封功率器件而言，導致分層的因素很多，降低封裝樹脂的應力、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。

塑料封裝主要應用材料包括框架（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常現(xiàn)象。BOM設計充分考慮材料之間的匹配性，通過材料模型模擬實驗論證，適當考慮框架鍍層的選擇。影響封裝樹脂的應力因素有：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降低材料的機械性能，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)生變化從而導致分層異常的關鍵。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)過程嚴格的工藝控制和優(yōu)化。溫度、時間、沖塑壓力/速度等是主要的控制參數(shù)。

封裝后PKG在外部受力及后段切筋、成形導致產(chǎn)品內(nèi)部界面剝離，也是分層的一種產(chǎn)生形式，嚴重者會產(chǎn)生裂紋等外觀不良情況。主要表現(xiàn)為框架載片臺、內(nèi)引腳區(qū)域在以上過程作用后出現(xiàn)分層。

由以上描述可知，除封裝BOM材料對影響塑封功率器件的分層之外，封裝過程中的很多因素也會對分層造成影響，基于功率器件封裝的實際情況，本文選取對分層有主要影響的引線框架、塑封料和塑封工藝參數(shù)三方面進行研究，提出解決分層的有效措施。

3.2 引線框架對分層的影響

對于封裝過程，引線框架也是BOM表中最重要的封裝材料之一，通過粘片使芯片焊接在引線框架的基島上，通過鍵合線的連接，使芯片和引線框架導通為整體。隨著功率器件小型化、大電流、高功率的發(fā)展趨勢，分層會導致散熱和功能失效等重大問題，尤其是FULL-PAKCKAGE產(chǎn)品和SMT產(chǎn)品。我們分別就引線框架設計缺陷和框架表面材質(zhì)質(zhì)量兩方面對分層的影響做一分析。

3.2.1 引線框架設計

我司某系列產(chǎn)品在切筋成型之后對產(chǎn)品分層進行例行抽樣檢查時發(fā)現(xiàn)載體出現(xiàn)了大面積貫穿性的分層（如圖3）。經(jīng)過分析排查，確認導致產(chǎn)品出現(xiàn)分層的站點為切筋成型工序，在切筋成型過程中該系列產(chǎn)品引腳根部溢膠與塑封體之間連接牢固，沖廢時造成塑封體之間出現(xiàn)裂紋，超聲掃描出現(xiàn)貫穿性分層（如圖4）。進一步分析，該框架在初期設計時存在缺陷，塑封成型后引腳之間會出現(xiàn)較厚的溢膠。

圖3 分層照片

圖4 產(chǎn)品出現(xiàn)貫穿性分層機理

3.2.2 引線框架質(zhì)量對分層影響

對于功率器件的引線框架，主流選擇應該是裸銅材質(zhì)的引線框架，但由于該類框架均為KFC材質(zhì)，具有親氧性，在高熱或高濕環(huán)境中引線框架表面容易出現(xiàn)氧化變色，形成一層氧化膜，試驗證明，氧化膜不僅對鍵合質(zhì)量有影響，也會影響到封裝成品的分層可靠性。

以下針對FULL PACKAGE產(chǎn)品的分層進行分析，如圖5，該系列產(chǎn)品散熱片背面存在分層，通過抽樣開封并在顯微鏡下進行觀察，散熱片有氧化現(xiàn)象，通過對比氧化位置和分層位置，發(fā)現(xiàn)二者存在對應關系，應該是由于框架氧化造成塑封體與引線框架表面出現(xiàn)分層。

圖5 塑封體分層與引線框架氧化位置的對比

我們在對異常區(qū)域進行解剖后做電鏡成分分析，如圖6。SEM結果顯示該區(qū)域元素中存在氧元素，也進一步說明異常區(qū)域存在氧化現(xiàn)象。

通過以上分析，說明引線框架的設計和質(zhì)量對分層造成的影響，在解決分層問題時也應當進行考慮，采取預防措施。

圖6 SEM電鏡圖片

3.3 塑封料對分層的影響

我們針對生產(chǎn)線加工的某一款產(chǎn)品，BOM表中塑封料為A塑封料，在正常生產(chǎn)加工過程中載體和芯片會出現(xiàn)少量的分層（圖7標注區(qū)域有分層），不能滿足客戶工業(yè)級產(chǎn)品的要求。針對此現(xiàn)象，更換另一種同類型性能更加優(yōu)越的B款塑封料進行驗證。

圖7 塑封功率器件超聲掃描后圖片

兩款塑封料在粘接力、膨脹系數(shù)和填料含量方面都有較大的差別，從該區(qū)別我們考慮能否通過更換流動性更好的塑封料來改善分層？進行以下實驗對比，在塑封工藝參數(shù)沒有改變的情況下，分別使用A/B兩款塑封料進行塑封，塑封后進行分層掃描。從超聲掃描結果可以看出，使用A塑封料的產(chǎn)品載體和芯片有分層存在，使用B塑封料封裝的產(chǎn)品載體、芯片均為0分層。從此實驗可以直觀的看出，塑封料的成分對分層的控制起到了關鍵性的作用，如果能在產(chǎn)品工程批試制階段通過實驗選取性能最優(yōu)的塑封料，對于分層的改善能夠起到很好的作用。

3.4 塑封工藝參數(shù)對分層的影響

在第一項試驗中我們研究分析了塑封料本身對分層的影響，下面我們通過研究塑封工藝參數(shù)與分層的關聯(lián)性。

由于MGP塑封模具相較于傳統(tǒng)的單缸模具，具有節(jié)省塑封料30%～50%、塑封料流道短、末端沖廢少和模具溫度控制比較均勻等優(yōu)點，產(chǎn)品成型率良好，分層易于控制。

在器件塑封過程中，我們主要通過對模具溫度、合模壓力、注塑壓力、注塑時間和固化時間的調(diào)整來控制產(chǎn)品的外觀以及可靠性滿足標準要求，那么，在實際加工過程中工藝參數(shù)肯定會對器件的外觀或者內(nèi)部分層等產(chǎn)生直接的影響。為探究工藝參數(shù)與器件分層之間的關系，我們進行DOE參數(shù)驗證。結合實際需要，制定以下幾組對比參數(shù)，見表1。

表1 塑封工藝參數(shù)驗證

經(jīng)過DOE對比試驗，4組樣品使用不同參數(shù)進行加工，分層表現(xiàn)有所差異，具體見表2所示。

通過超聲掃描結果的對比，可以看出使用第4組參數(shù)加工的樣品分層表現(xiàn)明顯要比其余3組樣品好。同時，通過此項試驗，也證明在模溫一定的條件下，降低合模壓力，提高注射壓力和注射速度可以優(yōu)化對分層起到一定的改善作用。在實際生產(chǎn)加工過程中，針對不同封裝外形的不同塑封料，在基于塑封料自身參數(shù)的基礎后，工程人員要對設備的各項參數(shù)逐一進行調(diào)試，發(fā)揮塑封料的最佳性能，保證產(chǎn)品的分層。

表2 塑封工藝參數(shù)驗證結果

3.5 等離子清洗工藝

在實際生產(chǎn)過程中，我們使用的框架大部分是裸銅材質(zhì)，部分為局部鍍銀材質(zhì)，框架在傳遞或者儲存過程中不可避免的會產(chǎn)生一些氧化或者沾污現(xiàn)象，從而導致塑封后的產(chǎn)品出現(xiàn)分層異常。等離子清洗工藝就是將壓焊后的產(chǎn)品通過超聲波設備的清洗，使殘留在框架表面的沾污或者其它雜質(zhì)去掉，降低分層的風險。

進行以下試驗：4組樣品，分別使用A和B規(guī)格塑封料，分別在劃片后、上芯后、壓焊后和正常工藝流程，在塑封加工是使用同一組工藝參數(shù)，加工后進行超聲掃描，掃描結果見表3。

表3 等離子清洗驗證結果

從掃描結果來看，同樣的樣品，在不同工序清洗，塑封后的分層表現(xiàn)差別很大，劃片清洗后，兩款塑封料加工的產(chǎn)品塑封后載體都出現(xiàn)較多分層。上芯后和壓焊后清洗的產(chǎn)品，兩款塑封料加工的產(chǎn)品均未發(fā)現(xiàn)分層。使用正常工藝（無等離子清洗）加工的產(chǎn)品，兩款塑封料封裝的產(chǎn)品芯片和載體均出現(xiàn)較多分層。

通過該對比試驗，等離子清洗對分層的改善效果非常明顯，同時，也間接地證明了不同站點的等離子清洗效果也不同，說明不同站點對分層影響效果也不一致，根據(jù)試驗結果，等離子清洗工藝最好選擇在上芯后或者壓焊后進行，能夠最大程度地改善分層。

4 結 論

分層形成是由于內(nèi)應力過大或者不同介質(zhì)面上剪切應力過大造成，是一個綜合性、系統(tǒng)性的問題，也需要從框架、塑封料和封裝技術等多方面進行綜合分析、研究，并不斷通過DOE實驗進行優(yōu)化BOM的匹配與選擇，才能不斷改善功率器件的分層問題，滿足高可靠性功率器件的質(zhì)量需求。

[1] Vitezslav Benda，Duncan A.Grant.功率半導體器件：理論與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

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Research of Plastic Packaging Power Device

LIU Xuchang
(Tianshui Huatian Electronics Group Co.,Ltd，Tianshui 741000，China)

Ceramic and metal packaging are replaced gradually,since the birth of encapsulation material for its advantages of simple production process and low cost,and become the main power semiconductor packaging materials at present.The power devices are air-tightness products basically, besides,encapsulation material that used to packaged also has inordinately different hydroscopicity problems that caused products delamination easily in the process of packaging products and actual application,which has a great influence on long-term reliability of product.The paper mainly tells the layering principle of power device and its common cause,and also provides improvement direction according to actual production.

Delamination；Packaging；Framework；Pastic package

TN305.94

A

1004-4507(2017)02-0025-06

劉旭昌（1986-），男，漢族，甘肅莊浪人，畢業(yè)于蘭州理工大學，工程師，現(xiàn)就職于天水華天電子集團股份有限公司，主要從事功率器件封裝技術和產(chǎn)品的開發(fā)工作。

2017-03-29