TO系列塑料封裝離層探討

李明奐，王文杰，張宏杰

（天水華天微電子股份有限公司，甘肅 天水 741000）

1 概述

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)塑料封裝產(chǎn)品的需求也與日俱增，尤其是TO系列塑料封裝電路的市場(chǎng)需求規(guī)模化，大大促進(jìn)了TO系列產(chǎn)品封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)的階段。由于其生產(chǎn)成本相對(duì)低廉，產(chǎn)品性價(jià)比高，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對(duì)產(chǎn)品的離層提出了更高的要求（減少或杜絕離層）。根據(jù)市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)，2012年到2030年之間，TO系列塑料封裝產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量約為150億只～180億只。減少或杜絕TO系列塑封產(chǎn)品的離層便成為同行競(jìng)爭(zhēng)的主要指標(biāo)；國(guó)內(nèi)TO系列塑封產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，這一指標(biāo)還有一定的差距。因此，進(jìn)一步減少或杜絕TO系列塑料封裝電路的離層已刻不容緩。

影響TO系列塑料封裝電路離層的因素很多，如金屬絲性能及焊接質(zhì)量、引線框架材料性能和表面處理、塑封料的性能、封裝現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度，各類材料之間的匹配性等。一旦離層形成，在后續(xù)產(chǎn)品的應(yīng)用中，水汽便會(huì)隨機(jī)浸入塑封體內(nèi)部腐蝕電路，影響其正常工作。

通過選擇合適的封裝材料和封裝工藝，初步解決了TO系列的離層問題，提高了TO系列塑料封裝電路的成品率和封裝過程的穩(wěn)定性。

2 TO系列塑封離層產(chǎn)生原因分析

由于塑封過程中使用的多種材料（引線框架、軟焊料、導(dǎo)電膠、焊接金屬線、芯片粒、塑封料等）熱膨脹系數(shù)不完全匹配，在熱、電以及機(jī)械應(yīng)力共同作用下，塑封體與引線框架界面、塑封體與芯片界面、鍵合引線與芯片界面、引線框架與第二焊點(diǎn)界面都可能產(chǎn)生離層。

塑封料屬于親水性材料且分子間隙較大，環(huán)境中的水汽易吸附至塑封料表面，并通過塑封料或者引腳與塑封體的假面擴(kuò)散至內(nèi)部界面缺陷處。在高溫工藝（如樹脂固化和回流、波峰焊）中，水汽會(huì)膨脹幾十甚至數(shù)百倍，產(chǎn)生很高的蒸汽壓，當(dāng)氣壓大于界面處結(jié)合力時(shí)，離層即會(huì)產(chǎn)生。對(duì)于長(zhǎng)寬尺寸小、厚度大的封裝體僅產(chǎn)生潛在失效可能的離層，對(duì)于長(zhǎng)寬尺寸較大、厚度小的封裝體，可能會(huì)產(chǎn)生爆米花現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。通常情況下，離層出現(xiàn)在芯片上部與封裝體的接觸面。第二焊點(diǎn)可能會(huì)在注射過程中因引線框架被樹脂沖擊產(chǎn)生位移而導(dǎo)致焊點(diǎn)被拉脫，也可能是鍵合點(diǎn)強(qiáng)度不夠；軟焊料等屬于純度高的金屬材料，在高溫條件下很容易被氧化而導(dǎo)致物理性能降低而產(chǎn)生離層。

塑封模具設(shè)計(jì)是否合理也是離層產(chǎn)生的原因之一。在生產(chǎn)中，塑封模具型腔斜度、頂針位置、頂出距離等不合理，都可能導(dǎo)致產(chǎn)品離層。下面我們探討塑封料的一些機(jī)理。

塑封料是一種熱固化材料，塑封過程是一種類似使用膠粘劑的粘接技術(shù)。要使塑封體與框架、芯片粘接牢固，必須使粘接力大于上述各種因素產(chǎn)生的合應(yīng)力。這便需要搞清楚其粘接機(jī)理，即粘接力的產(chǎn)生以及影響粘接力大小的因素，如何才能使粘接力最大，然后有針對(duì)性地選擇相應(yīng)的原材料，摸索最佳抗離層塑封工藝，達(dá)到消除離層的目的。

圖1 離層產(chǎn)生原因

塑封料與引線框架、芯片之間的粘接過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它是在加熱或加壓條件下完成的。其粘接強(qiáng)度與塑封料（熔融態(tài)時(shí)）的性能以及工藝過程等有關(guān)。圖2顯示的是各微粒之間的相互作用力關(guān)系，即分子間作用力與微粒間的間距關(guān)系。說明要使兩種或兩種以上的物質(zhì)間產(chǎn)生良好的粘接力，首先要使其表面相互接近到A（約0.3nm～0.5nm）位置左右，以達(dá)到產(chǎn)生引力場(chǎng)距離范圍，即原子間距水平。要求被粘接物質(zhì)表面保持潔凈，這也是封裝產(chǎn)業(yè)上芯、壓焊、塑封要求空間潔凈的原因。

另外，塑封料表面處于熔融狀態(tài)時(shí)的表面張力影響其潤(rùn)濕框架能力，以及塑封過程中溫度的控制對(duì)框架表面能的影響，都是影響粘接的主要因素。

圖2 微粒之間的相互作用力關(guān)系

如圖2所示，當(dāng)兩個(gè)粒子之間的間距到達(dá)A位置的距離時(shí)，他們之間的吸引力是最大的；而當(dāng)其間距比這個(gè)間距還大時(shí)，其引力隨距離變化直至零；而當(dāng)間距繼續(xù)減少時(shí)，引力也會(huì)減少甚至變?yōu)槌饬ΑＫ晕覀円蟮淖罴颜辰恿托枰獌蓚€(gè)分子間距在A附近。

3 材料的選用

（1）塑封料的選用

選擇結(jié)合力強(qiáng)、脫模性能好的塑封料： 用KL/SI/EME/KH等系列的塑封料，對(duì)比進(jìn)行抗離層驗(yàn)證試驗(yàn)，確定具有結(jié)合力強(qiáng)、抗離層能力好、易脫模屬性的塑封料；

（2）引線框架的選擇

確保既不出現(xiàn)離層現(xiàn)象，又不能出現(xiàn)溢料露銅等現(xiàn)象。即選擇表面處理良好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完善的引線框架。

（3）導(dǎo)電膠的選擇

考慮導(dǎo)電膠與框架界面以及與芯片界面的離層，選取表面張力小、浸潤(rùn)性良好的導(dǎo)電膠。

（4）焊線的選擇

焊線必須選擇與框架以及與芯片結(jié)合力強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)匹配良好的材質(zhì)。

4 工藝措施

（1）先采用特殊氣體對(duì)引線框架進(jìn)行保護(hù)，預(yù)防軟焊料、框架表面氧化。

（2）焊線采用冷壓焊線方式，并且將載體或第二焊點(diǎn)與墊塊之間的間隙調(diào)整至適合狀態(tài)，預(yù)防焊線出現(xiàn)的隱性離層。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以TO-220AB產(chǎn)品為驗(yàn)證對(duì)象，擇優(yōu)選取工藝范圍，在該工藝范圍內(nèi)做驗(yàn)證以達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果。

首先選擇普通材料進(jìn)行調(diào)試，通過工藝參數(shù)調(diào)整，結(jié)果如圖3所示。

圖3 封裝產(chǎn)品的SAT圖片

從圖3可以看出，兩張圖片紅色區(qū)域?yàn)橛须x層存在的區(qū)域，載體區(qū)域離層最大達(dá)到92%，最小的也有15%；管腳部位的離層幾乎接近100%。

后續(xù)選取表面處理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的引線框架、性能良好的導(dǎo)電膠以及焊線，選擇多種中高端塑封料，進(jìn)行試封裝并在工藝參數(shù)上進(jìn)行微調(diào)。

首先空封產(chǎn)品進(jìn)行初步驗(yàn)證，然后使用墨點(diǎn)先進(jìn)行全程跟蹤驗(yàn)證，最后使用正式產(chǎn)品封裝，并作離層試驗(yàn)（之前做先導(dǎo)試驗(yàn)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化工藝后掃描照片

經(jīng)過驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)塑封料性能、引線框架的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)、各種原材料之間的匹配性以及生產(chǎn)工藝是影響TO系列塑料封裝產(chǎn)品離層產(chǎn)生的主要因素。隨著現(xiàn)代科技以及封裝技術(shù)的發(fā)展，封裝設(shè)備的更新、封裝工藝的日趨成熟、原材料的不斷完善，TO系列塑料封裝產(chǎn)品的離層問題會(huì)在封裝行業(yè)有所改善。

6 結(jié)束語

本文論述了TO系列塑料封裝產(chǎn)品離層產(chǎn)生的原因，提出了預(yù)防TO系列產(chǎn)品離層產(chǎn)生的方法。結(jié)合封裝生產(chǎn)線得出結(jié)論：塑封料性能、引線框架的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)、各種原材料之間匹配性以及生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程中的氫氮保護(hù)等，是解決離層的關(guān)鍵。

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