李玉 黃彩清 劉天德

摘 要：利用模封機(jī)對(duì)不同鍍層的框架材料和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行注塑，然后利用粘接力測(cè)試儀對(duì)框架和環(huán)氧樹(shù)脂之前的粘接力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鎳、金和鎳鈀銀金的鍍層材料中，鎳鍍層的粘接力最小，通過(guò)改性的方式可以增大鎳層與環(huán)氧樹(shù)脂之間的粘接力，將改性后的鎳框架組裝成產(chǎn)品后，發(fā)現(xiàn)可靠性前后產(chǎn)品的分層失效問(wèn)題可以得到解決。

關(guān)鍵詞：粘接力;環(huán)氧樹(shù)脂;鎳框架;改性

中圖分類號(hào)：TQ323.5?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0051-05

Study of adhesion between frame and molding compound

LI Yu，HUANG Caiqing，LIU Tiande

（Shenzhen STS Microelectronics Co.，Ltd.，Shenzhen 518038，Guangdong China）

Abstract：In this paper，the frame materials and epoxy resin of different coatings were injection molded by the adhesion machine，then the adhesive force of the frame and epoxy resin were analyzed by the adhesive force tester.It was found that the bonding force of nickel coating was the least among the coating materials of nickel，gold and nickel，palladium，silver and gold，while the bonding force of nickel coating could be improved after surface treatment，and the layered of failure of the product before and after the reliability could be solved when assembling nickel frame into products.

Key words：adhesion force;frame;epoxy resin

芯片封裝是電子元器件生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序，可以保護(hù)電路芯片免受外界環(huán)境的影響。根據(jù)電子元器件對(duì)潮濕環(huán)境的耐受程度可以將其分為不同的濕度敏感等級(jí)，敏感等級(jí)越高，在溫度30℃和60%相對(duì)濕度條件下的車間使用壽命越短，常見(jiàn)的失效模式有分層、線腐蝕和芯片污染損傷等。

根據(jù)封裝材料的不同，封裝種類可以分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬-陶瓷封裝和塑料封裝。根據(jù)封裝氣密性的不同，分為氣密性和非氣密性封裝，氣密封裝主要為腔體封裝，封裝材料為陶瓷和金屬，非氣密性封裝主要以模塑料包覆IC的方式進(jìn)行封裝，也就是塑料封裝。塑料封裝具有的導(dǎo)熱率低、熱膨脹系數(shù)大和易吸潮等特點(diǎn)會(huì)降低器件的可靠性[1]，不過(guò)由于塑料封裝的成本廉潔、工藝簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)[2]，而其中環(huán)氧塑料占了塑料封裝的90%以上，已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的重要支柱。由于塑封器件所使用的塑封料為聚合物材料，聚合物作為一種長(zhǎng)鏈大分子結(jié)構(gòu)具有疏松多孔的特性[3]，當(dāng)其處于潮濕的環(huán)境中時(shí)，易于吸收環(huán)境中的濕氣[4]，濕氣對(duì)塑封器件的可靠性有著十分重要的影響，濕應(yīng)力集中是造成塑封件分層失效現(xiàn)象的重要原因之一[5]。隨著新材料的產(chǎn)生，塑封器件的可靠性不斷提升，塑料件中添加的填充劑，有效的減少了應(yīng)力，延緩濕氣和增強(qiáng)導(dǎo)熱力[6]。塑料元器件被廣泛稱為濕度敏感器件（MSDs），為了確保潮濕敏感電子元器件具有更好的車間使用壽命，芯片封裝的氣密性尤為重要。

在半導(dǎo)體行業(yè)，主要參照J(rèn)-STD-020對(duì)電子元器件成品進(jìn)行可靠性評(píng)估定義濕度敏感等級(jí)，但關(guān)于如何通過(guò)合理的方法對(duì)原材料進(jìn)行評(píng)估以提高封裝氣密性的研究較少。本文主要通過(guò)自主設(shè)計(jì)的手動(dòng)模封機(jī)，將環(huán)氧樹(shù)脂直接模封到引線框架，模擬半導(dǎo)體封裝過(guò)程，并評(píng)估不同的塑封材料與不同的框架材料之間的結(jié)合力，找到適合提高鎳涂覆框架與塑封料結(jié)合力的有效方法，并分析了相關(guān)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

模封機(jī)TMM90C;推力機(jī)Dage-4000;三維顯微鏡OLS41;聚焦離子束XEIA3;高溫箱;恒溫恒濕箱;回流焊。

1.2 測(cè)試原理

我們用模封機(jī)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行熔融后再模封操作，取供應(yīng)商注塑好的成品，放在夾具上，在設(shè)備上設(shè)置一定的溫度，使環(huán)氧塑料達(dá)到一定的熔融溫度，對(duì)環(huán)氧塑料以一定的形狀再次固化在特定的框架材料上，測(cè)試其后成型的模封體上表面的直徑、粘附面積、高度和其推力的數(shù)值，從而來(lái)判定不同類型的環(huán)氧塑料和不同的引線框架之間的粘附性能。粘接力的試驗(yàn)如圖1所示。

用模封機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行操作的時(shí)候，應(yīng)用到如下的公式：

F=π4×D2×P

式中：F為理論輸出力;D為模封機(jī)內(nèi)氣缸的內(nèi)徑;P為操作的壓力。根據(jù)氣缸的內(nèi)徑、彈性系數(shù)、載荷的力和設(shè)置氣壓的大小，可以得到在一定的氣壓下，傳達(dá)給物品的力滿足如下線性方程。通過(guò)設(shè)置的壓力的數(shù)值，可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的力的大小。模封機(jī)的工作原理如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

不同類型框架的粘接力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)選擇同一種環(huán)氧塑料在不同的4種框架材料：純銅框架、表面鍍有鎳的框架、表面鍍有鎳鈀銀金的預(yù)鍍類框架（PPF）和表面鍍有金的框架上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PPF框架的粘接力最大，鎳框架的粘接力最小。

不同模封體和引線框架的推力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，由于環(huán)氧樹(shù)脂的種類組成不同，當(dāng)有的環(huán)氧樹(shù)脂是用原材料R1進(jìn)行合成時(shí)，此類環(huán)氧樹(shù)脂稱之為R1;當(dāng)有的環(huán)氧樹(shù)脂是用原材料R2進(jìn)行合成時(shí)，此類環(huán)氧樹(shù)脂稱之為R2;以此類推。選擇3種不同的環(huán)氧塑料R1、環(huán)氧塑料R2和環(huán)氧塑料R3進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)選用環(huán)氧塑料R1、R2和R3并分別在表面鍍有鎳的框架、表面鍍有鎳鈀金的PPF框架和表面鍍有金的框架上進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)盡管原材料的類型不同，但鎳框架的粘接力依然是最小的。

不同引線框架的粗糙度結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，由于粘接力的大小與粘接界面的處理、材料的性能、粘接面積等密切相關(guān)。本文試驗(yàn)時(shí)，注塑的接觸面積是一樣的，對(duì)與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行注塑的3種框架材料進(jìn)行表面粗糙度的研究發(fā)現(xiàn)，粘接力強(qiáng)的，粗糙度的數(shù)值比較大，這個(gè)可能與引線框架本身的處理和金屬材料的性能有關(guān)。

表面改性原理如圖6所示。

鍍鎳框架的生產(chǎn)成本比PPF和鍍銀的框架的生產(chǎn)成本低，優(yōu)先對(duì)鍍鎳的框架進(jìn)行改性研究。

有研究表明采用氬氣、氧氣或者氫氣的混合氣體做為氣體源，可以有效清除框架表面的臟污、氧化層或薄的保護(hù)膜[7-10]。把表面鍍有鎳的引線框架放在通有氧氣的真空的環(huán)境中，當(dāng)對(duì)樣品的表面進(jìn)行清潔后，加入改性劑，打開(kāi)樣品表面金屬的穩(wěn)定的化學(xué)鍵，然后在框架基材的表面引入羥基的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的改性處理。在本試驗(yàn)中，選擇170 s和250 s不同的改性時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，改性劑與引線框架表面的羥基進(jìn)行連接，從而在框架材料的表面形成一層薄的有機(jī)薄膜，框架與改性劑的粘接過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)的過(guò)程，框架表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和膠粘劑的性質(zhì)與粘接力有直接的關(guān)系，粘接力的來(lái)源是多方面的，有化學(xué)鍵力、分子間作用力或范德華力、機(jī)械作用力。粘接強(qiáng)度主要來(lái)自分子間的作用力，機(jī)械作用力并不產(chǎn)生粘附力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。

可靠性前后的推力結(jié)果如圖7所示。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改性處理以后，模擬生產(chǎn)的過(guò)程進(jìn)行高、低溫可靠性試驗(yàn)，并試驗(yàn)可靠性前后環(huán)氧樹(shù)脂與框架之前的粘接力是否有提升。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可以得到，改性后，鎳的框架與環(huán)氧樹(shù)脂之間的粘接力比未改性的提升了3～5倍。經(jīng)過(guò)可靠性試驗(yàn)之后，170 s的推力比可靠性試驗(yàn)前的高;而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，320 s的推力比可靠性試驗(yàn)之前的低。

當(dāng)對(duì)不同的引線框架進(jìn)行試驗(yàn)，鎳在沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的時(shí)候，與框架的粘接力很小;當(dāng)經(jīng)等離子體170 s的前處理后，粘接力增大。對(duì)鎳經(jīng)170 s處理的樣品進(jìn)行剖面分析，可以發(fā)現(xiàn)在鎳的表面，已經(jīng)有一層改性后的厚度大致為26～34 nm的改性層。而正是由于這改性層，增強(qiáng)了模封體與框架材料之間的粘接力。處理后的鎳框架的內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖8所示。

為了驗(yàn)證產(chǎn)品是否能有明顯的提升，用改性過(guò)后的鎳框架和其他原材料加工成3種不同的產(chǎn)品，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。首先把產(chǎn)品放入干燥箱中干燥24 h，溫度為125 ℃，以去除塑封料內(nèi)的濕氣;之后把樣品立即放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行吸潮實(shí)驗(yàn)，在溫度為85 ℃、相對(duì)濕度為85%條件下進(jìn)行測(cè)試，時(shí)間168 h。最后在溫度260 ℃的條件下進(jìn)行回流焊3次，對(duì)未進(jìn)行可靠性的產(chǎn)品和進(jìn)行可靠性試驗(yàn)后的產(chǎn)品進(jìn)行超聲掃描測(cè)試。超聲波掃描是評(píng)估產(chǎn)品內(nèi)部是否有分層的有效評(píng)估方法，通過(guò)圖像對(duì)比度可以辨別材料內(nèi)部聲阻差異、確定缺陷形狀和尺寸、確定缺陷方位[11-12]。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，改性前產(chǎn)品有比較高的失效率;而改性后，失效率明顯下降，說(shuō)明改性后的產(chǎn)品粘接力有很大程度的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用粘接力測(cè)試儀對(duì)框架和環(huán)氧樹(shù)脂之前的粘接力進(jìn)行研究，從引線框架的材料和化學(xué)處理等整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了分析。并與可靠性評(píng)估相結(jié)合，針對(duì)不同的材料進(jìn)行了全面的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)鎳、金和鎳鈀銀金的鍍層材料中，鎳鍍層的粘接力最小，通過(guò)表面改性的方式可以增大鎳表面的粘接力，并發(fā)現(xiàn)在改性的框架里，能觀察到在鎳層和環(huán)氧樹(shù)脂之間明顯的改性層，鎳框架表面的粘接力得到很大程度的提高，產(chǎn)品的分層失效可以得到較大的改善。

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