PPF框架在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用

李慶生

（銅陵三佳山田科技有限公司技術(shù)部，安徽 銅陵 244000）

1 引言

2003年1月27日，歐盟議會和歐盟理事會通過了2002/95/EC指令，即“在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令”（The Restriction of the use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment），簡稱RoHS指令。基本內(nèi)容是：從2006年7月1日起，在新投放市場的電子電氣設(shè)備產(chǎn)品中，限制使用鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯（PBB）和多溴二苯醚（PBDE）等六種有害物質(zhì)。 RoHS指令發(fā)布以后，從2003年2月13日起成為歐盟范圍內(nèi)的正式法律； 2006年7月1日以后，歐盟市場上將正式禁止六類物質(zhì)含量超標(biāo)的產(chǎn)品進(jìn)行銷售。

PPF框架的開發(fā)是為了適應(yīng)無鉛化的工藝流程而開發(fā)的一種新型的封裝用材料，主要目的是避免在電路打線和裝配過程中使用含鉛焊料。PPF制程免除了電鍍/清除工序，為半導(dǎo)體制造商帶來簡化IC封裝流程的優(yōu)勢，從而省去對大型設(shè)備的投資和縮短制造周期。此外，與鍍純Sn方法相比，用戶的線路板裝配工序可采用與錫/鉛（SnPb）相同的回焊制程，并且不會有錫須的問題。

2 框架表面處理的發(fā)展過程

引線框架的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從低密度到高密度；同樣，引線框架表面處理發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)過程，如圖1所示。

引線框架的表面處理質(zhì)量如何影響到整個(gè)后道制程的生產(chǎn)，在對引線框架進(jìn)行表面處理時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面的問題：

（1）打線時(shí)的可焊性（金線鍵合時(shí)與框架表面是否能夠牢固的結(jié)合）;

（2）是否能夠滿足微細(xì)引腳間距的要求;

（3）是否能夠和電路裝配制程很好的兼容（260℃回流焊）;

（4）是否能夠滿足封裝工藝性要求;

（5）是否能夠滿足綠色環(huán)保要求。

3 PPF框架的結(jié)構(gòu)和基本應(yīng)用

3.1 純錫電鍍

為了實(shí)現(xiàn)無鉛（LEAD FREE）制程的綠色封裝，IC產(chǎn)品生產(chǎn)商們都在尋找用于替代錫鉛合金的材料。最初人們使用鍍純錫來替代錫鉛合金，但是純錫容易生長出一種稱之為“晶須”的東西，它是在一定環(huán)境條件下，在表面處理使用純錫或含錫合金的電子組件焊腳上，經(jīng)過一段時(shí)間表面會生長出像胡須一樣的錫絲。它的生長速度相當(dāng)緩慢，但具有很強(qiáng)的不確認(rèn)性，所以對于焊腳間距小的電子部件，由于晶須的生長，可引發(fā)部品焊腳之間的短路導(dǎo)致部件永久性失效或間歇性失效。生成“晶須”的原因有很多，基本的說法是“晶須”的產(chǎn)生是由于錫與銅之間的化合或外部作用，如溫度濕度的變化，或直接外力作用，引發(fā)內(nèi)部應(yīng)力，而長出錫胡須。目前降低晶須產(chǎn)生的可靠性風(fēng)險(xiǎn)的方法主要有以下幾種：

（1）不要使用亮錫；

（2）用晶粒尺寸較大的灰錫可減緩“晶須”生長速度；

（3）使用較厚的灰錫鍍層（最小8μm、10μm最佳）；

（4）電鍍后24h內(nèi)退火（150℃/2h或170℃/1h），以減少Sn層內(nèi)應(yīng)力；

（5）電鍍后24h內(nèi)回流焊接，作用同退火。

下圖2為“晶須”圖片。

以上措施雖然可以降低“晶須”產(chǎn)生的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，但是不能完全杜絕或控制“晶須”的產(chǎn)生，對于的引腳間距小于0.5mm的電路產(chǎn)品和對其可靠性要求高的場合下，純錫電鍍的表面處理方式是不適應(yīng)的，比如說用于軍品的集成電路以及空間技術(shù)產(chǎn)品等。必須找到其他更好的表面鍍層來代替錫鉛鍍層。

3.2 NiPdAu鍍層結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)無鉛化進(jìn)程（Pb-free），不少半導(dǎo)體公司正趨向選用鎳/鈀/金預(yù)鍍（NiPdAu PPF）引腳焊料涂層，以簡化生產(chǎn)制程。 但是這種方法需要考慮的是NiPdAu涂層上金粘結(jié)的質(zhì)量、其引腳成形加工時(shí)如何避免過程中的損傷以及選擇正確的原材料組合（晶片附著環(huán)氧樹脂和封裝復(fù)合材料），可在260℃下達(dá)到1級MSL （濕氣靈敏度）。

NiPdAu合金預(yù)鍍引腳框架（PPF）一般由銅基框架預(yù)鍍上鎳和鈀加上薄金涂層構(gòu)成。PPF制程免除了電鍍/清除，為半導(dǎo)體制造商帶來簡化IC封裝流程的優(yōu)勢，從而省去對大型設(shè)備的投資和縮短制造周期。 此外，與鍍純錫方法相比，用戶的線路板裝配工序可采用與錫/鉛（SnPb）相同的回焊工藝，并且不會有錫須的問題。圖3、圖4所示的是NiPdAu涂層的結(jié)構(gòu)以及在IC電路中的應(yīng)用。

如圖3、圖4所示，附加的外部薄金涂層具有高熱阻，不僅可以用作防止內(nèi)部鈀氧化的保護(hù)層，還可以在使用更高引腳粘合溫度時(shí)阻止表面氧化。加上其在焊料中的高擴(kuò)散比率以及較低的有機(jī)吸收傾向，能夠提高焊接過程的分解速度，使其拉拔強(qiáng)度較其他鈀結(jié)構(gòu)材料高， 而使用此物質(zhì)也就不會存在Cu-Sn金屬化合物。相當(dāng)于其他的表面處理方式，NiPdAu合金預(yù)鍍引腳框架（PPF）具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免了純錫鍍層容易引起“晶須”的缺陷；

（2）相對于NiPd鍍層，由于減少了貴金屬鈀的用量，成本得到了控制；

（3）相對于PMF（POST-MOLD FINISH）流程，使用PPF框架簡化了流程，節(jié)省了人力和相關(guān)設(shè)備投資；

（4）適應(yīng)無鉛化綠色封裝；

（5）適應(yīng)所有微細(xì)引腳間距產(chǎn)品的封裝，如QFP/TQFP/SSOP/TSSOP/QFN/SOT/SOIC等。

圖5、圖6、圖7顯示的是NiPdAu合金預(yù)鍍引腳框架（PPF）在16L QFN產(chǎn)品中的應(yīng)用。

4 工藝難點(diǎn)和解決方法

雖然NiPdAu鍍層的PPF框架具有以上的優(yōu)越性能，但是任何事物都有其不利的一面，NiPdAu鍍層也有其工藝上的難點(diǎn)需要我們?nèi)タ朔唧w體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）在升高到260℃峰值回流溫度下達(dá)到1級MSL（潮濕敏感度）性能；

（2）打線時(shí)的引腳粘合性能；

（3）引腳彎曲成型時(shí)形狀、尺寸和表面擦傷的控制；

（4）焊錫性。

由于本文篇幅的關(guān)系，我們將對上述中的第一點(diǎn)和第三點(diǎn)進(jìn)行介紹，其中重點(diǎn)介紹引腳彎曲成型時(shí)形狀、尺寸和表面擦傷的控制以及與其有關(guān)的成型刀具的處理要點(diǎn)。

4.1 高峰值回流溫度下達(dá)到1級MSL性能的控制

260℃回流溫度下的1級MSL性能由于NiPdAu鍍層的熔點(diǎn)溫度較高，因此需要提高焊料結(jié)點(diǎn)成形時(shí)的回流溫度，并針對260℃峰值回流溫度下的1級MSL性能進(jìn)行評估。這是使用NiPdAu鍍層PPF框架工藝中的難點(diǎn)，因?yàn)楝F(xiàn)今大多數(shù)材料組合都在這個(gè)溫度水平下都出現(xiàn)失效。 一般來說，峰值回流溫度每升高5℃~10℃，MSL性能就會降低一級。這是由于內(nèi)部潮氣氣壓的爆米花效應(yīng)所造成，當(dāng)封裝暴露于更高溫度時(shí)會帶來一系列介面分層和內(nèi)部裂紋問題。 鈀基PPF的粘合強(qiáng)度比銅引腳框架低，更易于產(chǎn)生這種現(xiàn)象。針對這個(gè)問題我們所要做的是選擇合適的環(huán)氧樹脂和鑄模復(fù)合材料，提高新型聚合物和框架的結(jié)合力，防止產(chǎn)品由于內(nèi)應(yīng)力或結(jié)合力不高等原因而出現(xiàn)分層現(xiàn)象。并對聚合物材料進(jìn)行特性鑒定，以滿足產(chǎn)品的特殊工藝性的要求。需要強(qiáng)調(diào)的是，選擇新型材料時(shí)，一定要在封裝后對其進(jìn)行一系列嚴(yán)格的測試，來最終評定材料是否符合工藝要求。測試流程可以參照J(rèn)EDEC相關(guān)的流程文件。

4.2 引腳彎曲成型時(shí)形狀、尺寸和表面擦傷的控制

在對NiPdAu鍍層的PPF框架進(jìn)行引腳成型時(shí)，必須要注意解決好以下的幾個(gè)問題，防止由于工藝失當(dāng)而造成產(chǎn)品報(bào)廢：

（1）產(chǎn)品的成型的尺寸，特別是和裝配有關(guān)的尺寸，如外形尺寸、站腳高度、引腳成型角度以及C區(qū)長度尺寸（在gauge plane平面上）等；

（2）注意控制產(chǎn)品引腳的共面性；

（3）注意控制引腳第一彎腳區(qū)和第二彎腳區(qū)的R尺寸，防止出現(xiàn)彎腳裂紋；

（4）注意引腳在第二彎腳區(qū)的擦傷；

（5）控制產(chǎn)品的肩部不要和膠體（package）出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

4.3 產(chǎn)品成型尺寸及形狀的控制

從理論上講，因?yàn)槭褂门c現(xiàn)有銅材料相同的基底，應(yīng)該不會對封裝外形和適應(yīng)性造成影響。 但是，根據(jù)實(shí)際的使用情況，由于鎳的硬度原因，可能無法獲得所需的側(cè)翼和引腳角度，從而影響線路板安裝過程中的引腳定位。 這就要求我們在設(shè)計(jì)成型工具時(shí)要充分考慮到成型尺寸的修正問題，在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮好修正方法和修正余量。在產(chǎn)品調(diào)試過程中要通過修正成型工具的相關(guān)尺寸來滿足產(chǎn)品的尺寸和形狀要求。如圖8所示是我們在產(chǎn)品調(diào)試所需要控制的尺寸（以QFP產(chǎn)品為例）。

要控制產(chǎn)品“R”區(qū)的引腳不出現(xiàn)裂紋，最主要的是設(shè)計(jì)合適的成型“R”大小，R尺寸太大，產(chǎn)品的形狀控制起來就比較困難，不容易得到滿意的站腳高度和C區(qū)長度；但是如果R尺寸太小，就容易引起產(chǎn)品的鍍層在“R”區(qū)出現(xiàn)皸裂現(xiàn)象。這歸因于厚鎳層、小彎曲半徑及鎳層的硬度比銅基體要大。通過我們的反復(fù)試驗(yàn)，得出的結(jié)論是NiPdAu鍍層的PPF框架的成型R 尺寸不能小于1.5倍的引腳厚度尺寸。

在對NiPdAu鍍層的PPF框架進(jìn)行成型時(shí)，還有一個(gè)容易出現(xiàn)的問題是在引腳的肩部和產(chǎn)品的膠體部分出現(xiàn)分層現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況的原因是因?yàn)樵摽蚣芎湍z體的結(jié)合力比一般的框架要弱。在成型時(shí)，引腳彎曲的力量會傳遞到膠體，造成分層現(xiàn)象。我們這時(shí)要注意保護(hù)好肩部，就是要在成型時(shí)肩部一定要壓緊。我們的經(jīng)驗(yàn)是肩部壓0.01mm就可以避免分層現(xiàn)象出現(xiàn)，又不會壓傷引腳的鍍層（具體的產(chǎn)品壓緊量可能不一樣，這要根據(jù)調(diào)試結(jié)果來最終確定）。

在成型過程中要控制成型工具對引腳擦傷，因?yàn)檫@會在制程中引起NiPdAu鍍層材料嚴(yán)重脫落而露銅，并導(dǎo)致焊接不良。出現(xiàn)這種問題可以通過兩種方法來解決：一種是成型時(shí)采用柔性夾彎成型方式，減少成型工具與引腳之間相對的移動，相對的移動越小產(chǎn)生的擦傷就越少；另外一個(gè)建議是使用帶有DLC，類鉆石涂層的成型工具，它是在工具上附著一層纖薄堅(jiān)硬涂層，表面高度拋光。具有低摩擦系數(shù)且有自潤滑作用，可更有效地防止焊料粘結(jié)，可以減少成形工具表面鍍層的沉積，從而延長工具壽命，減少成型時(shí)對引腳表面的擦傷。通過這些措施可以保證引腳彎曲制程的穩(wěn)定性。圖9、圖10、圖11是柔性夾彎成型方式和經(jīng)過表面DLC處理的成型刀具。

5 總結(jié)

隨著RoHS指令逐漸發(fā)揮作用以及全球化的發(fā)展要求我們要積極適應(yīng)外部的客觀環(huán)境，PPF框架在半導(dǎo)體中的應(yīng)用也會越來越普遍。同時(shí)對產(chǎn)品升級的需求以及對產(chǎn)品生產(chǎn)成本的控制，也驅(qū)使著我們?nèi)L試應(yīng)用一些新的技術(shù)和工藝手段。對PPF框架在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用研究，可以幫助我們做好相應(yīng)的技術(shù)貯備，來迎接外部環(huán)境的挑戰(zhàn)，滿足客戶潛在的需求。