0引言

芯片是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)?電子產(chǎn)品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)的核心部件之一,而封裝技術(shù)就是將內(nèi)部芯片包裹起來,以避免芯片與外界接觸,防止外界對芯片的損害的一種工藝技術(shù)?空氣中的雜質(zhì)和不良?xì)怏w,乃至水蒸氣都會腐蝕芯片上的精密電路,進(jìn)而造成電學(xué)性能下降?不同的封裝技術(shù)在制造工序和工藝方面差異很大,封裝后對內(nèi)部芯片自身性能的發(fā)揮也起到至關(guān)重要的作用?

1現(xiàn)有封裝技術(shù)分析

目前電子產(chǎn)品越來越小型化,封裝越來越片式化,TO-252封裝以其外形尺寸小?功率大而得到越來越廣泛的應(yīng)用,然而其封裝中容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象,在不同的介質(zhì)之間存在間隙和水汽,當(dāng)產(chǎn)品工作發(fā)熱時(shí),水汽膨脹,使得產(chǎn)品失效,甚至爆炸?

本文針對這些問題研究了一種新型的封裝硅芯片的方法,通過優(yōu)化引線框架結(jié)構(gòu),在載芯板上增加楔形盲孔,提高引線框架和塑封料之間的結(jié)合性能,有效地解決了分層問題?

2新型封裝技術(shù)改進(jìn)

2.1引線框架的制作

引線框架的作用在于實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出段與外部電路的電氣連接,形成歐姆通路,其材質(zhì)為銅?銅合金或者鐵?鐵基鎳合金等金屬材料?

圖1為新的引線框架,它包含承載待封裝芯片的載芯板?引腳和多個(gè)載芯板之間的連接筋,其中a引腳連接著載芯板,通過連接筋,在引線框架上可以連接多個(gè)載芯板?在載芯板的板面上有若干個(gè)凹坑,凹坑在橫向與縱向上均呈均勻式分布,凹坑的形狀為楔形盲孔,其坑口面積大于坑底面積,且坑口和坑底的形狀都為矩形,坑口邊長為0.08mm~0.12mm,坑底邊長為0.04mm~0.07mm,深度為0.03mm~0.1mm?

2.2塑封料的選擇

選用環(huán)氧樹脂作為塑封料,它是一種熱固性化學(xué)材料,主要由環(huán)氧樹脂?硬化劑?添加劑等混合后加工形成,視封裝工藝要求各成分比例略有不同?為了防止產(chǎn)品回潮,塑封料中不含任何鹵系元素?

3優(yōu)化理論分析

3.1問題分析

TO-252封裝中常見的分層類型如表1所示?

以上四種異常都是由兩種材料間的結(jié)合力不夠引起的,其優(yōu)化方法一方面是通過更換新型材料,提高不同材質(zhì)間的結(jié)合強(qiáng)度;另一方面是優(yōu)化引線框架結(jié)構(gòu),通過沖壓形成均勻的楔形凹坑,增加塑封料和不同材料之間的結(jié)合面積,進(jìn)而增加兩部分的結(jié)合強(qiáng)度?

由表2可見,鐵鎳材料的熱膨脹系數(shù)較小,銅及銅合金材料膨脹系數(shù)較大?銅質(zhì)引線框架與常用塑封料的熱膨脹系數(shù)較為接近,但與硅芯片膨脹系數(shù)相差較大,在不同的溫度條件下,由于膨脹系數(shù)不同,還需要優(yōu)化引線框架的結(jié)構(gòu)?

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

新引線框架結(jié)構(gòu)主要做了以下幾方面改進(jìn):(1)在載芯板上增加楔形凹坑,以增大電子元件引腳與塑封料?塑封料與載芯板之間的結(jié)合面積,共同作用使得載芯板與芯片的結(jié)合強(qiáng)度大大增加;(2)針對塑封料與框架結(jié)合不牢固的問題,在載芯板上增設(shè)鎖定孔,相當(dāng)于在塑封料與框架間加入榫卯結(jié)構(gòu),把塑料與框架緊釘在一起;(3)在引腳處加入密封槽,保證產(chǎn)品封裝后的密封性;(4)優(yōu)化后的引線框架調(diào)整了結(jié)構(gòu)尺寸,其中裝片面積比原有框架增加65%,可以裝載更大面積的芯片,也更有利于產(chǎn)品散熱;壓腳面積比原有框架增加近50%,允許焊接更粗的線徑,滿足大電流產(chǎn)品的封裝需求,圖2是框架改進(jìn)前后的對比?

3.3模具優(yōu)化

原有模具在脫模時(shí),由于模具與管體正面塑料之間產(chǎn)生的粘結(jié)力,會增加封裝層合之間的內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致因脫模而產(chǎn)生分層,因此對模具進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化:(1)改變上下模位置,減少脫模時(shí)對管體正面塑料的拉扯作用,減少應(yīng)力;(2)在每個(gè)管體的型腔中增加了一根頂針,脫模時(shí)通過頂針給予管體一個(gè)力的作用,使之迅速與模具脫離,減少兩者粘力的作用,如圖3所示?

4改進(jìn)的封裝流程步驟詳述

第一步:使用新的框架進(jìn)行粘片?粘片之前一般對引線框架在250∽350℃下進(jìn)行15s∽30s預(yù)熱處理,其益處在于粘片溫度普遍在300∽400℃,如果引線框架從室溫驟然升到400℃,載芯板會產(chǎn)生很大的應(yīng)力,容易引起芯片開裂?

第二步:采用焊錫點(diǎn)焊料,或者通過融化硅芯片背面的金層來連接硅芯片與載芯板?

第三步:采用超聲波焊接,通過內(nèi)引線將硅芯片電極與引線框架對應(yīng)的引腳連接起來?

第四步:塑封,將引線框架放入模具中,在100℃-180℃溫度下預(yù)熱引線框架8min-12min,用液壓機(jī)將塑封料壓入模具,從而將芯片內(nèi)引線?引線框架的三個(gè)引腳a?b?c的端頭密封起來?

第五步:密封完畢后,讓產(chǎn)品在200℃-250℃溫度下進(jìn)行熱處理2h-3h,釋放其內(nèi)應(yīng)力?

第六步:對引線框架的引腳a?b?c經(jīng)行電鍍,使各引腳均勻鍍上一層錫?

第七步:分離成型,切掉引線框架上的連接筋,得到具有獨(dú)立功能的產(chǎn)品?

第八步:由于去除連接筋時(shí)也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,管腳根部的塑封料容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象,因此再讓產(chǎn)品在150℃-200℃溫度下退火3h-12h,釋放管腳內(nèi)應(yīng)力?

5對改進(jìn)方法的可靠性進(jìn)行測試

5.1無損檢測

通過對框架和模具進(jìn)行改進(jìn),產(chǎn)品的密封性得到很大的改善,使用超聲波探傷技術(shù),對密封后的引線框架進(jìn)行C-SAM檢測,如圖4(頂?shù)撞糠直硎居兴芰象w和框架分層)?可以明顯地看出經(jīng)過模具和框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,組件內(nèi)部的芯片粘接失效?分層?裂紋?夾雜物?空洞等可能的分層現(xiàn)象大大減少,證明上述優(yōu)化工作產(chǎn)生了良好的效果?

5.2試流測試

針對改進(jìn)后的封裝技術(shù),通過開展試流測試,來檢驗(yàn)新型封裝產(chǎn)品在防止芯片與框架分層的優(yōu)化效果,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示,從中可以看出改進(jìn)后的產(chǎn)品性能良好,成品率穩(wěn)定?

6結(jié)論

本文通過優(yōu)化TO-252框架結(jié)構(gòu),提出了一種能夠提升封裝芯片結(jié)合強(qiáng)度的方法,可以有效地解決半導(dǎo)體器件分層問題?主要優(yōu)化措施包括:(1)對引線框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),加入多個(gè)楔形盲孔結(jié)構(gòu),增大了部件之間有效接觸面積,有利于提升封裝部件的結(jié)合強(qiáng)度與密封性能;(2)優(yōu)化模具及相關(guān)工藝,新的塑封模具在型腔里增加了頂針孔,比舊模具更容易脫模,也減少了脫模時(shí)的拉扯力,減小塑封料與框架間分層的可能性;(3)提出了一套完整的生產(chǎn)工藝,能夠有效地減少芯片封裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象,對于行業(yè)內(nèi)提高芯片封裝質(zhì)量具有較高的參考價(jià)值?

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