黃 濤, 廖秋慧, 羅 成, 陳忠衛(wèi)

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海 201620; 2.上海凱虹科技電子有限公司, 上海 201612)

封裝技術(shù)一直是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新中所必需的最重要的技術(shù)[1].隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷變化和發(fā)展,電子封裝中芯片越來越小,封裝難度不斷提高,技術(shù)難度增加[2].隨著多引腳IC芯片的發(fā)展,表面貼裝型封裝(QFN)已經(jīng)占據(jù)封測市場份額的10%[3].然而封裝過程中易出現(xiàn)塑封體翹曲變形、引線框架移位、金線偏移等缺陷,其中金線偏移缺陷將直接導(dǎo)致電路失效和芯片可靠性下降[4].金線偏移程度過大會(huì)發(fā)生塌線或者剝離,造成短路或斷路,工程中通過多次試模的方法,可減少金線偏移量,但極大地增加了時(shí)間和成本.國內(nèi)學(xué)者基于Moldflow分析和預(yù)測金線偏移程度,減少了生產(chǎn)成本[5].塑料成型多因素影響分析大多采用Taguchi正交試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化來解決[6-9].本文結(jié)合Moldflow數(shù)值模擬分析工藝參數(shù)對(duì)金線偏移影響,結(jié)合Moldflow軟件DOE設(shè)計(jì)獲得最佳工藝參數(shù),為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo).

1 流動(dòng)和固化理論

在充填過程中塑封料熔體呈現(xiàn)黏流態(tài),將流體作為連續(xù)介質(zhì),流動(dòng)時(shí)流體質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)的增加等于流體質(zhì)量經(jīng)控制體表面的流入速度,則

(1)

式中:ρ為密度;u為x方向速度矢量;v為y方向速度矢量;w為z方向速度矢量.動(dòng)量方程為

(2)

(3)

式中:η為黏度;p為流體壓力[10].

塑封料主體為熱固性樹脂,在填充過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成固化的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其固化方程為

(4)

2 微芯片封裝的建模及材料分析

通過UG軟件建立三維圖,分立器外觀及引線布局如圖1所示.分立器采用方形扁平無引腳封裝(QFN),共有3個(gè)引腳,每個(gè)引腳長3.2 mm,芯片尺寸為7.3 mm×4.6 mm×0.168 mm.分立器整體尺寸為9.9 mm×8.2 mm×2.3 mm.為簡化模流分析而不影響模擬結(jié)果,提高運(yùn)行速度,取1/4建立3D模型,如圖2所示.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),采用側(cè)澆口和普通流道注射形式.

圖1 塑封體外觀及引線布局Fig.1 Appearance of plastic package body and lead layout

圖2 微芯片封裝建模Fig.2 Microchip packaging modeling

產(chǎn)品中兩根細(xì)的金線直徑為67 μm,其他3根較粗的鋁線直徑為608 μm,引線弧高均為1.2 mm.不同直徑引線中3根粗的引線電流較大,而細(xì)的金線承受的電流較小.同時(shí)在5根引線兩端設(shè)置固定約束以固定引線.將模型導(dǎo)入Moldflow中進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分,如圖2所示.塑封料材料選用Nitto Denko公司MP-190M(EXP),以高性能酚醛樹脂為固化劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%左右),引線框架材料選用銅,芯片選用硅,導(dǎo)電膠由于厚度小(<10 μm),在模流分析時(shí)影響小,故建模時(shí)可以忽略.

3 基于Moldflow金線偏移分析

金線偏移容易造成金線短路和斷路,如圖3所示.通過Moldflow金線偏移模擬金線在塑封過程中偏移行為,以便更好地分析和解決金線偏移失效問題.塑封工藝參數(shù)使用工廠初始工藝參數(shù)(模具溫度175 ℃、充填時(shí)間10 s、傳遞壓力10 MPa),分析序列設(shè)置為填充+保壓+金線偏移詳述,進(jìn)行模流分析.圖4(a)為塑封料填充過程在X-Y面料流方向,可以看出料流對(duì)金線在X軸方向有沖擊,造成金線在X軸方向的偏移.圖4(b)為塑封料在Z-Y面料流方向,可以看出料流直接沿著Y軸負(fù)方向(料流方向)撞擊金線.同時(shí)金線還受到沿著Z軸方向的沖擊,可能會(huì)造成金線塌線,但基于塑封體金線布局,金線在Z軸方向變形不會(huì)導(dǎo)致兩根金線接觸發(fā)生短路現(xiàn)象,本文暫不考慮.金線在X-Y面上偏移可能造成金線斷路情況,若熔體對(duì)金線沖擊力過大有可能將金線沖斷.

圖3 兩種金線偏移失效模式Fig.3 Two failure modes of gold wire sweep

圖4 塑封料熔體流動(dòng)方向Fig.4 Flow direction of molding compound melt

圖5(a)為金線受力示意圖,金線剪切應(yīng)力為118.2 MPa.由于熔體對(duì)金線兩端沖擊力大,金線a和b兩端的剪切應(yīng)力明顯大于中間.同時(shí)金線兩端被焊料焊接固定,充填時(shí)金線a和b中間偏移量也大于兩端.鋁線由于直徑大,承受料流沖擊力較小,表現(xiàn)為剪切應(yīng)力較小且沒有發(fā)生明顯偏移.圖5(b)為X-Y面金線偏移量,從圖中可見,金線a比b偏移量大,偏移量為0.032 9 mm,因?yàn)榻鹁€a較金線b離澆口近,熔體沖擊力大.圖6為X、Y軸方向偏移量.Y軸方向的偏移全部為負(fù)方向,佐證了熔體沖擊造成金線偏移.圖7為固化時(shí)間110.10 s時(shí)的體積收縮率.塑封料固化階段收縮率極差為0.038 7%,收縮率比較均勻,說明固化階段體積收縮對(duì)金線偏移影響較小.

圖5 X-Y面內(nèi)金線剪切應(yīng)力及偏移量Fig.5 Shear stress and sweep of gold wire in X-Y plane

4 工藝優(yōu)化及熔體沖擊分析

4.1 工藝優(yōu)化

塑封料模流分析的影響因素有很多,如熔體溫度、固化時(shí)間、充填時(shí)間等.塑封料是在加料室預(yù)熱,固定為170 ℃(Tg=130 ℃)預(yù)熱.塑封料在固化過程中收縮率均勻一致,故固化時(shí)間對(duì)金線偏移量影響不大.影響金線偏移的主要因素有3個(gè),本次模擬通過Taguchi正交試驗(yàn)對(duì)模具溫度A、充填時(shí)間B、傳遞壓力C 3個(gè)因素進(jìn)行設(shè)計(jì),得出每個(gè)因素對(duì)金線偏移量的影響程度[12].再用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法(RSM)優(yōu)化挑選最佳工藝參數(shù).基于Moldflow軟件DOE設(shè)計(jì)(變量影響及響應(yīng)),此混合試驗(yàn)首先進(jìn)行“變量影響”Taguchi分析,隨后進(jìn)行“變量響應(yīng)”分析.表1為正交試驗(yàn)因素水平表.各因素范圍按照實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取:模具溫度控制在175 ℃,上下控制在±5 ℃,溫度過低會(huì)使黏度上升,熔體流動(dòng)性變差,溫度過高導(dǎo)致冷卻時(shí)間長或塑封料在充填模腔前固化等問題;填充時(shí)間控制在7～13 s;傳遞壓力控制在7～13 MPa.本次試驗(yàn)先對(duì)變量A、B、C進(jìn)行Taguchi正交試驗(yàn),然后再進(jìn)行“變量響應(yīng)”分析,如圖8所示.得到其對(duì)金線偏移影響程度為:充填時(shí)間B>模具溫度A>傳遞壓力C.

圖6 X軸及Y軸金線偏移量Fig.6 Gold wire sweep of X-axis and Y-axis

圖7 固化時(shí)間110.10 s時(shí)體積收縮率Fig.7 Volume shrinkage at curing time of 110.10 s

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level table

圖8 金線偏移影響因素比重Fig.8 Proportion of influencing factors of gold wire sweep

圖9為金線剪切應(yīng)力和金線X-Y面偏移量的DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖.從圖中看出兩個(gè)曲線變化趨勢相同,即在金線偏移量最小時(shí)金線剪切應(yīng)力也為最小值.

圖9 金線偏移DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖Fig.9 Data distribution of DOE experiment data for gold wire sweep

根據(jù)DOE變量之間的交互作用對(duì)金線偏移進(jìn)行響應(yīng)面分析,如圖10和圖11所示.由圖10(a)可 知,當(dāng)模具溫度170 ℃時(shí),金線剪切應(yīng)力隨著填充時(shí)間增大而減小,當(dāng)充填時(shí)間為13 s時(shí)金線剪切應(yīng)力最小.由圖10(b)可知,填充時(shí)間13 s時(shí),模具溫度180 ℃和傳遞壓力8.6 MPa,剪切應(yīng)力取得最小值.充填時(shí)間一定時(shí),無論其他兩個(gè)變量怎么變化,金線剪切應(yīng)力都比較小,佐證了充填時(shí)間對(duì)金線偏移影響程度最大.因此,最佳工藝為充填時(shí)間13 s、模具溫度180 ℃、傳遞壓力8.6 MPa,此時(shí)金線剪切應(yīng)力最小,為80.3 MPa,較初始工藝減小32%.

圖10 金線剪切應(yīng)力變化Fig.10 Variations of shear stress for gold wire

圖11 金線偏移量變化Fig.11 Variations of gold wire sweep

由于熔體對(duì)金線沖擊是金線X-Y面偏移的原因,即當(dāng)金線剪切應(yīng)力取最小的時(shí)候,金線偏移量也取得最小值.由圖11可以看出,充填時(shí)間對(duì)金線偏移量影響最大,其最佳工藝與金線剪切應(yīng)力最佳工藝相同,此時(shí)最小偏移量為0.021 5 mm,較初始工藝減小34%.

4.2 熔體沖擊分析

填充時(shí)間影響熔體流速,充填時(shí)間越長,流動(dòng)速率越小.將金線偏移看作熔體對(duì)金線沖擊造成的,流體沖擊力可以按照動(dòng)量定理解釋.依據(jù)動(dòng)量定理有

FΔt=Δmv

(5)

Δm=ρSvΔt

(6)

則沖擊力F為

F=ρSv2

(7)

式中:Δt為時(shí)間;ρ為流體密度;S為流體橫截面積;v為流體流速;Δm為Δt時(shí)間通過橫截面S的流體質(zhì)量.依據(jù)式(7),流速是熔體沖擊力直接相關(guān)參數(shù),熔體速度越小,熔體金線沖擊力越小,即減小熔體流速或增加充填時(shí)間均能減小金線剪切應(yīng)力和偏移量.

5 試驗(yàn)與檢測

5.1 剪切剝離試驗(yàn)

金線偏移會(huì)造成金線焊點(diǎn)剪切剝離,熔體直接將金線沖斷.因此,塑封前要進(jìn)行金線焊點(diǎn)剝離試驗(yàn).試驗(yàn)儀器用金線焊點(diǎn)推力機(jī)dage4000,如圖12所示,剝離試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示.通過試驗(yàn)測得金線a焊點(diǎn)剝離應(yīng)力最小,僅112 MPa焊點(diǎn)就被剝離.本次試驗(yàn)結(jié)果由上海凱虹科技電子公司提供.在初始塑封工藝生產(chǎn)時(shí)金線已經(jīng)沖斷,造成金線斷路,芯片電功能直接失效.當(dāng)充填時(shí)間為13 s時(shí),金線剪切應(yīng)力均滿足小于剝離應(yīng)力112 MPa,故生產(chǎn)時(shí)要嚴(yán)格控制充填時(shí)間.

圖12 金線焊點(diǎn)推力機(jī)Fig.12 Gold wire solder joint thrust machine

圖13 金線焊點(diǎn)剪切剝離試驗(yàn)Fig.13 Gold wire solder joint shear peel experiment

5.2 X線檢測

X線檢測是金線偏移檢測常用的方法.由于鋁線在X線透射下通明系數(shù)極高,3根鋁線在X線透射下難以分辨,只能分辨出兩個(gè)較細(xì)的金線,如圖14所示.在應(yīng)用最佳工藝參數(shù)后,剪切應(yīng)力為80.33 MPa,小于金線焊點(diǎn)剝離應(yīng)力,從圖中看出金線未被塑封料料流沖斷且未發(fā)生較大偏移.

圖14 X線檢測結(jié)果Fig.14 X ray test result

6 結(jié) 論

1) 本文通過Moldflow軟件模擬金線在塑封過程中的偏移可以有效預(yù)測實(shí)際金線偏移情況,減少不必要的物理試驗(yàn)和檢測.模流結(jié)果得出金線偏移由塑封料流在充填過程中對(duì)金線撞擊引起.

2) 通過Moldflow軟件DOE設(shè)計(jì)(變量影響)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,各因素對(duì)引線偏移的影響程度為:充填時(shí)間>模具溫度>傳遞壓力,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制充填時(shí)間.通過DOE設(shè)計(jì)(變量響應(yīng))分析,得出最佳工藝參數(shù)為充填時(shí)間13 s、模具溫度180 ℃、傳遞壓力8.6 MPa,金線最大剪切應(yīng)力80.33 MPa,金線X-Y面偏移量0.021 5 mm.

3) 塑封過程中金線剪切應(yīng)力小于金線剝離應(yīng)力,金線未被塑封料熔體沖斷,不會(huì)造成斷路.