王津生， 葉德洪， 高 偉， 陳 泉， 郭會會

(飛思卡爾半導(dǎo)體(中國)有限公司，天津 300385)

LQFP塑封電路第二焊線區(qū)分層影響因素分析

王津生， 葉德洪， 高 偉， 陳 泉， 郭會會

(飛思卡爾半導(dǎo)體(中國)有限公司，天津 300385)

討論了在薄型四方扁平封裝技術(shù)在封裝形式中影響塑封膠材料和第二焊線區(qū)之間的分層因素，從封裝工藝控制，封裝材料的使用及框架設(shè)計等諸多影響因素中進(jìn)行了分析實驗。結(jié)果顯示，雖然封裝過程中的工藝參數(shù)會影響第二焊線區(qū)的分層，但通過選擇更合適的塑封膠材料及引線框架，不僅可以消除封裝后的分層，還可以顯著改善可靠性試驗后的分層結(jié)果。所有實驗結(jié)論都是在統(tǒng)計分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后得出的。

薄型四方扁平封裝技術(shù);第二焊線區(qū)分層;塑封膠;電鍍;焊線;引線框架

引 言

塑封集成電路(IC)是通過熱固型環(huán)氧樹脂把銅合金或具有鎳、鈀及金鍍層的銅合金的引線框架和芯片的組合包封起來的一種封裝形式。由于其原材料成本低，工藝成熟且可靠性較高，規(guī)?；a(chǎn)后，已被廣泛用于消費電子、通訊及汽車電子領(lǐng)域。封裝體內(nèi)部的多種材料以多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，因此各材料界面間的分層就成為電子封裝的重要問題。若塑封電路內(nèi)部出現(xiàn)分層，水汽可透過非氣密性的塑封環(huán)氧樹脂腐蝕IC內(nèi)部的金屬，使塑封集成電路器件發(fā)生功能失效。影響器件內(nèi)部分層的原因和因素以及分析方法已有多篇文獻(xiàn)報道［1-6］。

薄型四方扁平封裝技術(shù)(LQFP)封裝形式是日本電子機械工業(yè)會根據(jù)新的QFP外形規(guī)格所用的名稱，利用該技術(shù)實現(xiàn)的芯片封裝的引腳間距很小，適用于一般大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路的封裝，同時該封裝技術(shù)操作方便，可靠性高，外形尺寸較小，適合規(guī)?；a(chǎn)，是一種比較成熟的IC封裝形式。

本文通過超聲波掃描顯微鏡(SAM)對分層進(jìn)行檢測，利用統(tǒng)計分析軟件對封裝工藝、材料及框架設(shè)計方案的改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然電鍍工藝中的陰極電解除油工序是導(dǎo)致塑封電路第二焊線區(qū)在封裝后(TO)時出現(xiàn)分層的原因，但是其根本原因是框架設(shè)計和封裝膠材料(EMC)存在缺陷。

LQFP封裝形式的生產(chǎn)工藝流程為:晶圓切割→貼片→銀漿固化→焊線前等離子體清洗→焊線→塑封→塑封后固化→框架引腳電鍍→切筋成型。

1 第二焊線區(qū)分層影響因素分析

鑒于常見的界面分層原因分析及生產(chǎn)中的實際情況，利用魚骨圖列出了可能導(dǎo)致第二焊線區(qū)分層的影響因素，如圖1所示。

圖1 影響因素魚骨圖分析

1.1 材料因素的影響

封裝體內(nèi)部包含有多種材料，第二焊線區(qū)附近的材料有基材銅、銀鍍層、金線及塑封膠，由于各材料間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同或存在顯著差異，會造成界面間的應(yīng)力，從而使封裝體內(nèi)部出現(xiàn)分層。Minjin Ko［7］及 Fujita H［8］對塑封材料與金屬框架附著力的影響進(jìn)行了研究，指出塑封膠中的成分，如基礎(chǔ)樹脂、硬化劑、加速劑、增韌劑及偶聯(lián)劑等對IC器件的內(nèi)部分層有顯著影響。通過調(diào)整這些成分的類型及在塑封膠中的比例可以改善與金屬基材間的結(jié)合力，從而減輕或消除塑封膠與金屬基材框架間的分層。

有研究證明［9-10］，不同基材或鍍層與塑封膠的結(jié)合力是有差別的，其結(jié)合力強弱順序為裸銅＞銀鍍層＞鎳、鈀、金鍍層。

1.2 封裝設(shè)計的影響

在IC的封裝設(shè)計階段，除考慮封裝材料因素外，還要根據(jù)封裝工藝考慮框架設(shè)計中上片板的類型及大小，框架與焊線區(qū)間的金屬層及與塑封膠間的金屬層的選擇。設(shè)計時不僅要考慮封裝形式的可靠性還要考慮經(jīng)濟(jì)性及設(shè)計的可行性。

1.3 封裝工藝的影響

焊線工藝中，使用的是超聲加熱技術(shù)，在引線鍵合過程中，由于對框架上的焊線位置加熱，會造成框架的氧化，而加熱時間及溫度也會影響框架的氧化程度，進(jìn)而形成不同厚度的氧化層對第二焊線區(qū)的分層有顯著的影響［11-12］。等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，在半導(dǎo)體行業(yè)用來清洗金屬表面的氧化物和有機污染物，增強塑封膠與金屬間的結(jié)合力。

利用電沉積技術(shù)在塑封體外部的框架引腳上沉積可焊性好的金屬或合金鍍層，增強IC器件與印制板焊點之間的可靠性連接。前處理中的電解除油是電鍍工藝中的關(guān)鍵工序，表面污漬是否完全去除干凈將會影響到鍍層與基材的附著力，采用陰極電解除油，使用堿性溶液，利用電解水在陰極產(chǎn)生大量氫氣氣泡，將工件上的油膜撕裂并脫離表面，以小油滴狀形態(tài)進(jìn)入除油溶液中，被堿性溶液皂化而溶于水，同時產(chǎn)生的氣體對溶液起攪拌作用，加速了除油的速度。

2 實驗

實驗器件為LQFP7X7，48管腳的封裝體。框架均為C7025銅合金，檢測器件內(nèi)部分層儀器為SONIX SAT，掃描范圍為第二焊線區(qū)，模式為C掃描。利用JMP統(tǒng)計分析軟件設(shè)計實驗和分析結(jié)果，響應(yīng)值為封裝后的結(jié)果(用η表示)，即每個實驗條件封裝完成后有分層器件數(shù)量與總數(shù)的比值，為連續(xù)變量。

2.1 工藝參數(shù)影響分析

2.1.1 實驗設(shè)計

為確定工藝參數(shù)的影響，影響因子分別是焊線工序停留時間，塑封前等離子體清洗及電鍍除油中陰極電解電壓。試樣為框架設(shè)計類型編號A005，第二焊線區(qū)為銀鍍層，每次實驗的抽樣量均為36粒，各因子水平對應(yīng)的工藝參數(shù)如表1。

表1 工藝參數(shù)的設(shè)計實驗

表1 工藝參數(shù)的設(shè)計實驗

2.1.2 實驗結(jié)果分析

按照工藝參數(shù)的設(shè)計實驗，對第二焊線區(qū)在封裝后器件內(nèi)部采用超聲波檢驗(C-SCAN)，器件內(nèi)部分層結(jié)果列于表2。

表2 第二焊線區(qū)封裝后器件內(nèi)部分層結(jié)果

超聲波檢驗器件內(nèi)部分層情況如圖2。利用JMP軟件，構(gòu)建模型對實驗因子進(jìn)行分析，首先做全因子的分析，如圖3所示。由圖3擬合結(jié)果的R平方值和調(diào)整R平方值較為接近且都大于80%來看，模型較為成功，顯著因子為陰極電解除油電壓(p值小于0.05)，而等離子體清洗較焊線停留時間更不顯著，把較不顯著的因子去掉，做部分因子分析，如圖4所示。由圖4可以看出，焊線停留時間及陰極電解除油電壓為顯著因子。可見，降低陰極電解除油電壓會改善第二焊線區(qū)的分層問題，但實驗中發(fā)現(xiàn)隨著電壓的降低，封裝體與引線框架連接處的溢料無法去除干凈，發(fā)生漏鍍現(xiàn)象。所以進(jìn)一步實驗暫不改變其電壓參數(shù)。6min的焊線停留時間在生產(chǎn)線上是有可能的，在生產(chǎn)要求上只能盡量避免，卻無法完全杜絕，所以把此水平作為最惡劣條件加以評估。

圖2 TO時的LQFP的C-SCAN照片

圖3 全因子分析結(jié)果

圖4 部分因子分析結(jié)果

2.2 塑封材料的評估

選取相同類型的EMC共10種，編號為A～J，現(xiàn)在生產(chǎn)中使用的O類型EMC作為同條件的對比。焊線停留t為6min，陰極電解除油U為2.8V，每次實驗的抽樣量均為72粒，采用超聲波檢驗分層結(jié)果，檢驗結(jié)果如表3。表3中TO為封裝后，PC為預(yù)處理，TC為溫度循環(huán)。

表3 超聲波檢驗第二焊線區(qū)內(nèi)部分層結(jié)果

受控實驗中的O類型EMC為目前使用的塑封材料，從第二焊線區(qū)分層結(jié)果來看，其表現(xiàn)最差。其它EMC在不同程度上對器件的分層都有所改善。TO的超聲波(C-SCAN)檢驗結(jié)果顯示，A、G和J三種類型的EMC對第二焊線區(qū)的分層有明顯改善作用，沒有發(fā)現(xiàn)有分層的器件。使用這三種EMC的器件繼續(xù)做可靠性試驗，可靠性分析結(jié)果見圖5，其中包括預(yù)處理(PC)和溫度循環(huán)(TC)，然后再分別進(jìn)行C-SCAN檢驗。超聲波檢查的分層情況見圖6。圖6中顯示，三種EMC在PC后的結(jié)果并不明顯，但在500TC后A類型EMC的分層比率明顯增大，而G和J類型EMC沒有明顯差別，但J型EMC在PC和500TC后的分層比率都較其它兩種EMC小，所以J略優(yōu)于G和A類型EMC。

圖5 A、G和J三種EMC的可靠性

圖6 A、G、J和O四種EMC不同條件下C-SCAN照片

2.3 框架不同設(shè)計的評估

觀察到的分層發(fā)生在第二焊線區(qū)的鍍銀區(qū)域周圍，對于LQFP7X7，48管腳封裝產(chǎn)品來說，雖然外形尺寸完全一樣，但內(nèi)部設(shè)計有很大不同，表4列舉了11種封裝體內(nèi)部框架設(shè)計在內(nèi)管腳長度方面的差異。

表4 LQFP7X7不同框架設(shè)計上的內(nèi)管腳長度

從表4中看出，內(nèi)管腳有3種長度，可分為兩類，大于0.8mm為長管腳，小于0.8mm為短管腳。選取了LFA005、LFA003和LFA002三種常用的框架作為測試樣品，3.4mm×3.4mm的芯片，EMC類型為目前常用的O型，經(jīng)過相同的封裝工藝后做超聲波C-SCAN檢驗。結(jié)果如表5。

表5 LQFP7X7內(nèi)管腳長度對第二焊線區(qū)分層的影響

表5 LQFP7X7內(nèi)管腳長度對第二焊線區(qū)分層的影響

通過JMP軟件對代表三種不同內(nèi)管腳長度的框架使用單因子方差進(jìn)行分析，如圖7所示。由圖7可明顯看出，框架類型對第二焊線區(qū)分層方面的影響存在顯著差異，主要體現(xiàn)在長管腳LFA003和短管腳LFA002與LFA005之間，而短管腳LFA002和LFA005之間沒有明顯差異。使用配對檢驗(Tukey-HSD)對框架類型與第二焊線區(qū)分層比率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8。由圖8證明短的內(nèi)管腳框架間無明顯差異;而長的內(nèi)管腳框架與短的內(nèi)管腳框架間差異顯著。

圖7 框架類型對第二焊線區(qū)分層的影響分析

圖8 Tukey HSD配對檢驗

3 結(jié)論

通過對LQFP封裝形式的生產(chǎn)工藝、使用材料及部分設(shè)計因素的分析和實驗，可以歸納為以下幾點:

1)在當(dāng)前的封裝工藝中，陰極電解除油電壓及焊線停留時間對第二焊線區(qū)分層有著直接的影響;

2)所使用的EMC及引線框架結(jié)構(gòu)對第二焊線區(qū)分層有著顯著的影響。同樣的工藝參數(shù)條件下，不同類型的EMC在第二焊線區(qū)分層上表現(xiàn)是不同的，其中A、G和J類EMC明顯對封裝后(TO)的分層有明顯改善;

3)框架的內(nèi)管腳長度對第二焊線區(qū)分層有著重要的影響，第二焊線區(qū)分層更容易產(chǎn)生在引線框架的內(nèi)管腳長度小于0.8mm的LQFP封裝產(chǎn)品上。

通過以上對第二焊線區(qū)分層的影響因素分析，可以根據(jù)產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝采用相應(yīng)的改善措施和方法，消除由第二焊線區(qū)分層帶來的產(chǎn)品可靠性問題。

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An Effecting Factor Analysis on Second Bond Delamination in LQFP Packages

WANG Jin-sheng，YE De-hong，GAO Wei，CHEN Quan，GUO Hui-hui
(Freecale Semiconductor(China)Co.Limited，Tianjin 300385，China)

This paper discussed the effecting factors that may impact delamination between second bond and EMC in LQFP packages.The factors included assembly process control，package material，lead frame design，etc.Results of the experiments showed that the delamination between second bond and EMC was related to process control，but proper EMC selection and lead frame design could eliminate the delamination and improve it significantly after reliability testing.All the experimental conclusions were based on statistical analysis of the experimental data with JMP statistical analysis software.

LQFP;second bond delamination;EMC;plating;wire bond;lead frame

TQ320.6

A

1001-3849(2012)07-0025-06

2012-02-08

2012-03-12