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?；緝?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)含量超標的產(chǎn)品進行銷售。

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)量如何影響到整個后道制程的生產(chǎn)，在對引線框架進行表面處理時需要考慮以下幾個方面的問題：

（1）打線時的可焊性（金線鍵合時與框架表面是否能夠牢固的結(jié)合）;

（2）是否能夠滿足微細引腳間距的要求;

（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)過一段時間表面會生長出像胡須一樣的錫絲。它的生長速度相當緩慢，但具有很強的不確認性，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)生的可靠性風險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)生的可靠性風險，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)無鉛化進程（Pb-free），不少半導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)氧樹脂和封裝復合材料），可在260℃下達到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)部鈀氧化的保護層，還可以在使用更高引腳粘合溫度時阻止表面氧化。加上其在焊料中的高擴散比率以及較低的有機吸收傾向，能夠提高焊接過程的分解速度，使其拉拔強度較其他鈀結(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：

（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需要我們?nèi)タ朔?，具體體現(xiàn)在以下四個方面：

（1）在升高到260℃峰值回流溫度下達到1級MSL（潮濕敏感度）性能；

（2）打線時的引腳粘合性能；

（3）引腳彎曲成型時形狀、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和第三點進行介紹，其中重點介紹引腳彎曲成型時形狀、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。

4.1 高峰值回流溫度下達到1級MSL性能的控制

260℃回流溫度下的1級MSL性能由于NiPdAu鍍層的熔點溫度較高，因此需要提高焊料結(jié)點成形時的回流溫度，并針對260℃峰值回流溫度下的1級MSL性能進行評估。這是使用NiPdAu鍍層PPF框架工藝中的難點，因為現(xiàn)今大多數(shù)材料組合都在這個溫度水平下都出現(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，當封裝暴露于更高溫度時會帶來一系列介面分層和內(nèi)部裂紋問題。 鈀基PPF的粘合強度比銅引腳框架低，更易于產(chǎn)生這種現(xiàn)象。針對這個問題我們所要做的是選擇合適的環(huán)氧樹脂和鑄模復合材料，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。并對聚合物材料進行特性鑒定，以滿足產(chǎn)品的特殊工藝性的要求。需要強調(diào)的是，選擇新型材料時，一定要在封裝后對其進行一系列嚴格的測試，來最終評定材料是否符合工藝要求。測試流程可以參照JEDEC相關(guān)的流程文件。

4.2 引腳彎曲成型時形狀、尺寸和表面擦傷的控制

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

（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，因為使用與現(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)計成型工具時要充分考慮到成型尺寸的修正問題，在設(shè)計時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。通過我們的反復試驗，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框架進行成型時，還有一個容易出現(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為該框架和膠體的結(jié)合力比一般的框架要弱。在成型時，引腳彎曲的力量會傳遞到膠體，造成分層現(xiàn)象。我們這時要注意保護好肩部，就是要在成型時肩部一定要壓緊。我們的經(jīng)驗是肩部壓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，因為這會在制程中引起NiPdAu鍍層材料嚴重脫落而露銅，并導致焊接不良。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框架在半導體中的應(yīng)用也會越來越普遍。同時對產(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。