框架載片臺打凹深度對塑封針孔的影響

石海忠，陳巧鳳，朱錦輝，賈紅梅

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

1 引言

多年來在產品塑封過程中時有發生塑封體背面針孔的情況，一般通過調整塑封工藝參數等可以較快得到有效解決，但是隨著圓片制造技術的迅猛發展以及市場對低成本化的強烈需求，封裝中所用芯片尺寸越來越小、小芯片品種越來越多，在塑封過程中也容易產生塑封體背面針孔問題，使用常規改善方法效果不明顯，且存在塑封效率下降的情況。本文通過分析此種情況下針孔發生的原理，在基本不大調整塑封工藝參數的前提下，從引線框架、載片臺、打凹深度方面進行一些調整和優化，通過一系列試驗和驗證，有效解決小芯片塑封過程中容易產生塑封體背面針孔的問題。

2 封裝工藝描述

2.1 框架的應用

框架類集成電路封裝工藝中首先需將單個或多個芯片粘結在框架的載片臺上，經過高溫或其他類似工藝將芯片固定在載片臺上，然后通過鍵合焊接工藝將芯片和框架內引線通過金屬導線有效連接以來，再使用樹脂在一定的塑封工藝條件下將內部引線、導線、芯片完全密封起來，從而達到使用的高可靠性；后續再通過去飛邊、電鍍、打印、成形等工序將產品從框架上分離成單個成品。

封裝中使用的金屬框架載片臺一般均需要打凹成一定的深度，深度值主要考慮塑封后塑封體內部結構的應力平衡（框架、芯片、塑封料）以及芯片的厚度、鍵合絲的弧高和長度、樹脂的流動平衡、激光打印的安全深度等。

2.2 塑封工藝

鍵合后產品使用樹脂經過加熱液化，通過一定的壓力、速度、時間等在塑封模具的型腔內形成包封、固化過程，但有時因各種原因產生塑封體外觀不良，如針孔、填充不足、花斑等。特別在半導體技術快速發展的新形勢下，尺寸趨小化的芯片極易引起圖1所示塑封體背面針孔的問題，且有逐漸擴大的趨勢。

圖1 塑封體背面針孔

2.3 針孔發生狀況原理分析

在芯片尺寸小于1.0mm×1.0mm、芯片尺寸和載片臺尺寸之間懸殊比較大的情況下，不同的塑封料型號、綠色和普通塑封料之間、產品距離注塑口位置的遠近等，塑封體背面針孔發生率比例各不相同，最嚴重時發生比例高達50%?；沮厔轂樾酒叫≡絿乐?，載片臺尺寸越大越嚴重，綠色樹脂比普通樹脂更嚴重，距離注塑口越遠發生的比例越高，而且針孔位置主要集中在塑封體背面。

塑封模具在設計時考慮了框架打凹深度、芯片尺寸、塑封料流動性等對樹脂流動性的影響，上模腔樹脂的流動速度與下模腔是基本相同的，但是當芯片尺寸急劇減小的情況下，小芯片對樹脂的流動阻力大大減小，這樣上模腔樹脂的流動速度相對正常情況下明顯加快，下模腔空間內沒有變化（有的外形可能有頂桿），而樹脂流動速度維持正常速度，導致上模腔內樹脂提前到達排氣孔位置并堵住排氣孔，將模腔內空氣繼續推進到下模腔內并跟下模腔內樹脂匯合、擠壓空氣，在塑封體背面形成較多大小不一的針孔，其原理見圖2。

圖2 小芯片塑封時針孔發生原理示意圖

為了驗證小芯片塑封時是否存在上下模腔內樹脂流動速度的差異，使用半模試驗進行注塑（使用少于正常用量的樹脂），明顯發現塑封體背面有大針孔或填充不足（見圖3），塑封體正面正常，且靠近排氣孔的塑封體背面明顯疏松，表明上模腔內樹脂流動速度明顯快于下模腔，但由于樹脂不足造成大針孔或疏松。

圖3 小芯片引起塑封體背面的大針孔或填充不足

3 改善針孔高發生率的試驗及優化

3.1 塑封工藝參數及材料的調整

經過以上分析，我們需采取使上下模腔內樹脂流動速度達到平衡并重新匯合到排氣孔位置的解決方案。

首先通過調整和優化塑封工藝參數，甚至包括模具的定期清洗、清模方法優化等，有一定改善效果并降低了針孔發生率，但是針孔發生率仍然比較高且不太穩定，達不到正常合格率控制目標要求，而且延長了塑封時間，降低了塑封的生產效率，此方法不可取。

其次想到更改塑封料型號、配方、特性等，事先進行的試驗表明有明顯的改善效果，但涉及核心封裝材料的變更或調整，產品需要重新進行工藝驗證、可靠性考核，甚至需要通知客戶并得到批準，解決問題的周期將非常長，此方法不能讓各方滿意。

3.2 框架載片臺縮小

載片臺縮小對改善針孔的效果非常明顯，同時對鍵合絲縮短、變形、載片臺分層也有好處，但只能適合沒有散熱要求的IC產品，同時要求芯片尺寸相對固定或變動范圍比較小，框架模具及鍵合夾具要重新加工，累計投入的費用比較高；針對有散熱要求的IC產品或MOSFET等中小功率產品受到一定的限制，即載片臺尺寸不能減小或不能減小太多，否則影響產品的正常散熱。

3.3 載片臺打凹深度的調整和優化

最后重新全面分析了針孔發生原理和影響上下模腔樹脂流動速度的因素，只有框架載片臺打凹深度的變化是否對針孔發生率的影響沒有試驗，從理論上分析減小框架載片臺打凹深度可以適當增加下模空間，從而使下模腔內樹脂流動速度適當加快從而跟上模腔內樹脂流動速度一致（即達到流動平衡），在排氣孔位置匯合而使模腔內空氣從排氣孔一側排出，達到減少針孔高發生率的目的。

載片臺打凹深度減小多少合適，太淺很容易使金絲露出上塑封體，同時要求提升弧高控制能力，影響塑封體內部結構的應力平衡；所以必須通過試驗優化載片臺打凹深度值，載片臺打凹深度最大值就取目前值，載片臺打凹深度最小值根據裝片膠厚度最大值、芯片厚度、金絲弧高最大值、激光打印深度安全值確定，然后請框架供應商在載片臺打凹深度最大值和最小值之間分四個檔次提供不同深度的框架樣品A1、A2、A3、A4，試驗結果如表1所示。

表1 不同樹脂與不同載片臺打凹深度值試驗的針孔發生率

從表1結果發現兩種類型的樹脂在載片臺打凹深度值從5.5mil～4.5mil之間的針孔發生率發生了質的變化，后續又追加了載片臺打凹深度值5mil的試驗，試驗結果如表2所示。

表2 不同樹脂與載片臺打凹深度5mil值時的針孔發生率

4 更全面的試驗驗證

載片臺打凹深度越小雖然對改善針孔越有效果，但對塑封體內部結構應力影響越大，特別是大外形產品，所以在有效改善針孔的前提下，綜合封裝工藝將打凹深度優化到合理值，同時現在芯片厚度減薄能力和裝片能力均有大幅提升，在載片臺打凹深度減小后可以適當降低芯片的厚度，以達到塑封體內部結構各方面最佳組合和應力平衡。

小芯片使用載片臺打凹深度優化后的框架解決了針孔高發生率的問題，但是優化后的框架用于大芯片是否會將針孔反包在塑封體正面，后續的試驗和塑封工藝參數的再次確認可以達到兼容大小芯片和優化后框架，避免了大芯片使用載片臺打凹深度深的框架，小芯片使用載片臺打凹深度淺的框架，簡化了框架采購和生產管理。后續的內部分層評估、可靠性評價、小批量、批量生產投產等均再次驗證了小芯片產品使用優化后的框架再也沒有出現塑封體背面針孔的現象以及其他相關質量問題。

5 結論

針對目前一些客戶的小芯片封裝要求居多但又有一定的中大芯片尺寸、且有一定散熱要求的產品（如MOSFET等），調整和優化載片臺打凹深度是一個最適合解決塑封體背面針孔的方案，可以采用兼容的塑封工藝，不降低塑封效率，不降低外觀合格率；只需對框架打凹小模具、鍵合夾具進行改造且費用比較低，但解決塑封體背面針孔的效果非常明顯，過程控制簡單、方便、有效。此封裝工藝的提升有力地支持小芯片封裝需求，以整體降低集成電路的有效成本，增強了競爭力。

[1] 王長河.微電子器件塑封損傷機理分析[J].半導體情報，2000.

[2] 張鵬，陳億裕. 塑封器件失效機理及其快速評估技術研究[J].半導體技術，2006.