塑料封裝電路分層淺析

穆 鵬

（陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽(yáng)，712000）

集成電路分層是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于電路的內(nèi)部各界面之間發(fā)生了微小的剝離或間隙，而這種分離是由于兩種物質(zhì)由于相互作用力之間存在區(qū)別，容易導(dǎo)致塑料封裝里面的應(yīng)力會(huì)略大于兩者之間的粘接力，因?yàn)檫@種情況的發(fā)生會(huì)使在塑料封裝的時(shí)候使兩者之間的界面會(huì)出現(xiàn)一定的間隔。就針對(duì)于塑料封裝電路來(lái)講上述的情況主要就發(fā)生在塑料與芯片之間的界面上、封裝塑料引線框；芯片與裝片膠界面等等容易出現(xiàn)界面分離的情況，在當(dāng)今的研究中界面分離的現(xiàn)象大約有90%的界面分層主要發(fā)生在樹(shù)脂和引線框界面之間，樹(shù)脂和芯片界面之間。分層現(xiàn)象的出現(xiàn)嚴(yán)重影響封裝電路的可靠性與老化以及今后的的功能性。本文將主要對(duì)于封裝工藝以及上述兩種分層原因進(jìn)行淺析，并對(duì)可能的預(yù)防措施進(jìn)行探討。

1 塑料封裝工藝簡(jiǎn)介

塑料封裝工藝指使用樹(shù)脂對(duì)IC產(chǎn)品進(jìn)行封裝的操作，塑料封裝工藝其實(shí)就是一種非氣密封性的封裝方式，而下面將主要介紹一下塑料封裝工藝的主要流程具體提如圖1所示。

各部分的功用如下：

（1）研磨：通過(guò)研磨來(lái)使精圓達(dá)到需要的厚度。

（2）切割：主要是將每顆芯片給分離出來(lái)。

（3）裝片：將芯片粘貼到引線框或者是基板上面。

圖1 封裝流程Fig.1 Flow process of plastic packaging

（4）鍵合：通過(guò)物理的方式，將引線框和芯片連接起來(lái)。

（5）模壓：模壓就是要用塑料材料將芯片以及導(dǎo)線用塑封材料進(jìn)行包裝處理，這樣做主要就是為了避免芯片在使用的過(guò)程中出現(xiàn)受損、氧化的現(xiàn)象。

（6）印字：在膠體上面打印出需要的產(chǎn)品的資訊。

（7）電鍍：給引線框的外層鍍上錫，方便SMT上板。

（8）切單：將每顆產(chǎn)品從引線框上給分離出來(lái)。

（9）包裝：使用真空包裝，并且將產(chǎn)品進(jìn)行裝箱以及粘貼標(biāo)簽。

（10）出貨：按照客戶的要求進(jìn)行貨物的配送。

通過(guò)上面的分析可以清楚地知道之所以會(huì)出現(xiàn)分層，其主要原因就是因?yàn)榘l(fā)生了模壓，因此通過(guò)這個(gè)結(jié)論就要求相關(guān)的封裝廠在模壓之后都要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽測(cè)檢測(cè)產(chǎn)品是否分層從而能更快的查找原因并采取對(duì)策，以便挽回?fù)p失。

2 基塑料材料間分層問(wèn)題解析

塑料封裝由于具有成本低、尺寸小、質(zhì)量輕和可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛使用在電子產(chǎn)品的封裝過(guò)程中。目前塑料材料間分層經(jīng)過(guò)了許多行業(yè)的支持研究下，塑料封裝在各個(gè)方面已經(jīng)顯現(xiàn)出了一定的成熟性，但是關(guān)于塑料封材料的有關(guān)器件仍然存在著許多的不足之處，就比如在塑料封裝中可能會(huì)出現(xiàn)的腐蝕失效或者是爆米花失效更可能會(huì)出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配而導(dǎo)致的溫度失效等。當(dāng)今，塑料封裝器件正在逐步地運(yùn)用到高可靠性領(lǐng)域，因此在當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)中有關(guān)塑料封裝器件的可靠性研究成為了當(dāng)下的熱門話題。

通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)造成塑料封裝分層的原因有許多種，首先通過(guò)研究分層的發(fā)生率，發(fā)現(xiàn)引線框容易分層。然后對(duì)引線框產(chǎn)品分層的影響因子進(jìn)行分類鑒別，發(fā)現(xiàn)引線框和樹(shù)脂兩個(gè)因子很關(guān)鍵。通過(guò)這兩個(gè)因子能夠在一定的程度上降低封裝樹(shù)脂自身的應(yīng)力、還能夠在研究的過(guò)程中改善封裝樹(shù)脂的吸濕性的性能，另外這兩個(gè)因子也能夠提高封裝樹(shù)脂的粘接力等方式成為了解決塑料封裝分層的主要方法。塑封微電路（PEM）有其固有的弱點(diǎn)，主要表現(xiàn)在溫度范圍、耐潮濕性、熱機(jī)械應(yīng)力。

銅金屬構(gòu)成了引線框的主要成分，基于聚丙烯的PP塑料構(gòu)成了基板的主要成分。從力的結(jié)合方式來(lái)看，聚丙烯的PP塑料板中既存在物理反應(yīng)又有化學(xué)反應(yīng)，就比如樹(shù)脂與引線框之間的結(jié)合就屬于是一種物理反應(yīng)；化學(xué)反應(yīng)則主要體現(xiàn)在樹(shù)脂與基板之間的結(jié)合，要是以學(xué)術(shù)性的觀點(diǎn)看來(lái)，從物理學(xué)中的力學(xué)方面來(lái)講，如果在進(jìn)行研究的過(guò)程中溫度能夠達(dá)到樹(shù)脂的玻璃化溫度，那么樹(shù)脂與引線框之間所存在的應(yīng)力就會(huì)隨著溫度的變化而有所提高，但是應(yīng)力變大的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致兩者之間出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，在當(dāng)下的研究中主要是集中于引像框的成品。分層的可能因素有人為因素，機(jī)械因素，材料因素，方法因素，工作環(huán)境因素。降低封裝樹(shù)脂的應(yīng)力、改善封裝樹(shù)脂的吸濕性和提高封裝樹(shù)脂的粘接力等方式成為了解決塑料封裝分層的主要方法。塑封微電路（PEM）有其固有的弱點(diǎn)，主要表現(xiàn)在溫度范圍、耐潮濕性、熱機(jī)械應(yīng)力。分層一直困擾著產(chǎn)品可靠性和良率。

3 基塑料材料間分層問(wèn)題解決方案

3.1 降低樹(shù)脂與器件之間的應(yīng)力

目前對(duì)于電子產(chǎn)品的封裝塑料是采用高分子樹(shù)脂進(jìn)行封裝的，這種高分子樹(shù)脂是將塑料助劑加入到了環(huán)氧樹(shù)脂的合成過(guò)程中去的。樹(shù)脂的反應(yīng)機(jī)理：環(huán)氧樹(shù)脂和硬化劑在高溫高壓下，通過(guò)本征反應(yīng)、溶液反應(yīng)、自由基反應(yīng)或者是其他的反應(yīng)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)這些反應(yīng)進(jìn)行縮聚，合成預(yù)聚合物，然后將預(yù)聚合物進(jìn)行冷凝、灌裝得到我們需要的塑料材料。目前塑料的主要組成成分被列于表1。

表1 塑料的組成成分Tab.1 Components of plastic materials

就分層來(lái)說(shuō) ，我們主要研究樹(shù)脂的應(yīng)力與結(jié)合力，樹(shù)脂的應(yīng)力模型公式如下：

降低樹(shù)脂與器件之間的應(yīng)力就要首先搞清楚兩者之間的形成條件，其次降低樹(shù)脂與器件之間的應(yīng)力可以選取一些相對(duì)分子質(zhì)量大，相對(duì)分子質(zhì)量分布窄的樹(shù)脂，也可以選取雜質(zhì)含量低的樹(shù)脂，因?yàn)榫酆衔飪?nèi)的雜質(zhì)即是應(yīng)力的集中體，又會(huì)降低塑料的原有強(qiáng)度。降低樹(shù)脂與器件之間的應(yīng)力可以對(duì)成型加工條件進(jìn)行控制，在塑料制品成型的過(guò)程中，凡是能減小制品中聚合物分子取向的成型因素都能夠降低取向應(yīng)力，凡有助于塑料制品脫模的加工方法都有利于降低脫模的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)內(nèi)應(yīng)力影響較大的加工條件主要有料筒溫度、模具溫度等等，對(duì)于不同的厚度材料制品，其模溫要求不同。對(duì)于厚壁制品其模溫要適當(dāng)?shù)馗咭恍?，那么在一定的程度上就能夠降低?shù)脂與器件之間的應(yīng)力。

3.2 增強(qiáng)樹(shù)脂的粘合性

就從樹(shù)脂的成份上進(jìn)行分析，影響樹(shù)脂的粘合性最大影響因素的就是環(huán)氧樹(shù)脂的含量，另外環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)粘合性也有這不同的表現(xiàn)，在這種表現(xiàn)性中通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了軟性結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂實(shí)際上要比硬性的粘合性更好，軟性結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂的具體優(yōu)點(diǎn)就在于能夠更容易的和其他封裝材料進(jìn)行結(jié)合。采用聯(lián)苯型環(huán)氧樹(shù)脂這一方案雖具備一定的缺陷，但卻具有可行性。偶聯(lián)劑在塑料配混中，改善合成樹(shù)脂與無(wú)機(jī)填充劑或增強(qiáng)材料的界面性能的一種塑料添加劑。在一定的程度上能夠增強(qiáng)塑封料的粘合性，偶聯(lián)劑的主要影響主要就體現(xiàn)在當(dāng)塑料封裝材料中加入偶聯(lián)劑的時(shí)候?qū)?huì)導(dǎo)致樹(shù)脂的耦合度以及它的密封度均比較的強(qiáng)，同時(shí)由于環(huán)氧樹(shù)脂和塑料封裝中的二氧化硅之間的物質(zhì)的表面極性不同，當(dāng)偶聯(lián)劑加入到其中的時(shí)候，能夠?qū)⒍趸璧谋砻娼档蜆O性，增加與環(huán)氧樹(shù)脂的相容性。

影響材料粘結(jié)性能的因素比較多，諸如：被粘結(jié)材料的化學(xué)組成、界面性質(zhì)等，所用粘結(jié)材料的化學(xué)組成、與被粘結(jié)材料的相互作用、自身強(qiáng)度等。因此在選擇粘結(jié)不同材料的粘合劑時(shí)，這些因素均需要考慮。就拿環(huán)氧樹(shù)脂作為例子來(lái)講，要想讓環(huán)氧膠粘劑粘接強(qiáng)度增強(qiáng)我們就可以采用高性能環(huán)氧樹(shù)脂；一些高性能的環(huán)氧樹(shù)脂，如AG-80、AFG-90、酚醛環(huán)氧樹(shù)脂、似盼F環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚S環(huán)氧樹(shù)脂、液晶環(huán)氧樹(shù)脂、TDE-85(IJ0)、731等，單獨(dú)配合或與雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂共混，都具有很高的粘接強(qiáng)度；選用增強(qiáng)性固化劑，固化劑對(duì)環(huán)氧膠粘劑的粘接強(qiáng)度有重要影響，選用能使環(huán)氧膠固化后粘接強(qiáng)度高的固化劑，如雙氰胺、間苯二胺等；添加增強(qiáng)性填充劑，填充劑的加入降低了固化物的熱膨脹系數(shù)和固化收縮率，減小了內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)超負(fù)荷作用出現(xiàn)裂紋時(shí)，有填料的膠層還能阻止裂紋擴(kuò)展，從而提高了粘接強(qiáng)度。增強(qiáng)樹(shù)脂的粘合性能夠在一定的程度上減少分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

由于產(chǎn)品的分層現(xiàn)象在一定的程度上是沒(méi)有辦法避免的，主要的原因就是因?yàn)閮烧叩臉?gòu)成成分一個(gè)是金屬，而另外一個(gè)則是由樹(shù)脂構(gòu)成的，構(gòu)成成分的不同也就導(dǎo)致了兩者的物理特性會(huì)發(fā)生改變，因此在一些特殊的情況下，產(chǎn)品總是會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榻Y(jié)合不牢或者兩者之間的應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)的分層，那么既然在研究或者使用的過(guò)程中無(wú)法避免分層的現(xiàn)象，就要盡最大的努力去改善這種情況并且把分層的現(xiàn)象控制在人為能夠控制的范圍中。本文就基于塑料助劑的產(chǎn)品分層進(jìn)行了分析，并對(duì)于塑料與金屬之間的結(jié)合力記性了研究，對(duì)于今后降低產(chǎn)品分層程度具有重要的意義。