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Power+QFN型开关芯片的封装工艺及其可靠性研究pdf

发布时间:2019-07-19 23:48 来源:未知 编辑:admin

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  第一帝绪论 ●l^茸日_)曙名山黾羞蜀括.L 图1.2半导体封装的三次技术转变 Simiconductorthricetechnicaltransformation Fig.1-2 assembly’s 1.1.2国内外半导体封装技术的现状 国内现在半导体技术刚起步不久,前道制造工艺已经有少部分合资企 p 业达到0.13m的能力。随之而来的封装技术也已有长足的进步。但是, 工艺相对落后。能自主开发和实现的产品也多集中于国外的已成熟产品, 并没有相应的领先技术来实现上面所说的集逻辑计算和控制系统以及大 量存储单元于一身的先进技术。这里包括了两个方而,一方而是产品设计, 另一方面是:笛片集成电路开发技术。据不完全统计,现在我国每年需要180 亿片芯片,而国内能供应。特别是自己有封装能力的不足20%。据估计, 20lO年后,我圈集成电路的年消费将达到932亿美元,约占当时世界市场 的20%,若其中30%用于电子封装及相关产业,则年产值将达到几千亿人 民币15】. 在国内,封装技术的重要性正逐渐被产业界、研究机构及政府部门所 认识。与半导体芯片技术相比,电子封装技术更需要雄厚的产业为基础, 并要有火量的中小型企业作后盾。在我国,电子封装无论从市场角度还是 从解决就业的角度看都有极大的潜力。目前.在原有研究所的基础上,正 在以大学为中心,以电子封装工程作为大目标进行丌发研究.但愿电子封 装工程能成为中国整个电子工业腾飞的新起点。 我闭原来的IC封装也多数附J赢在集成电路厂,规模小、场点多、产 第一·章绪论 品多为结构简单的DIP和COB结构,产量和品种都远远不能满足国内对IC 需求。我国集成电路市场需求和产量预测如表1-1所列。由于国内生产的 产品以低档占多数,高档产品多数靠进口,应此产量份额的计算并不能正 确反映线年中国集成电路市场需求和产量预测 from Tab.1·lDemandofChineseICmarket1998to2010andits production volumeforecast 20世纪90年代中期起,随着一批外资,独资和合资封装企业的建成, 我国摆脱了IC产量长期在1亿块左右徘伽l的局面。1995年达到5.4亿 块,1998年产量超过23亿块。电予封装可以带动和促进材料、微电子、先 进工艺、加工及检测设备等一大批基础产业。发展这些基础产业,不仅可 为国家的微电子产业形成雄厚的基础,建立我国自己坚实可靠的独立创新 知识产权基地,造就我国的电子工业辉煌16l。 1.2大功率封装的技术与种类 1.2.1封装技术的必要性 封装技术其实就是一种将集成电路打包的技术。拿我们常见的内存来 说,我们实际看到的体积和外观并不是真正的芯片的大小和i斫貌,而足芯 片经过打包即封装后的产品。这种打包对于芯片来说是必须的,也是至关 重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐 蚀I酊造成性能下降或损害。 另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封裟技术的好坏 还直接影响到:卷片自身性能的发挥和与之连接的PC8(印刷电路板)的设 计和制造,冈此它又是至关重要的。 封装也可以说足指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安 放、同定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内 4 第-章绪论 部世界与外部电路的桥梁一一芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引 脚上, 这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此, 对于很多集成电路产品而言,封装技术是非常关键。 1.2.2大功率封装种类 在当今的汽车电子系统中功率开关芯片有着广泛的应用。功率转换开 关将具有最小的导通电阻,从而能够在大量应用中显著节省功率损耗,同 时减少热耗。该产品所具有的可配置性、自保护和诊断功能,将使其成为 机械式固态继电器、保险丝和FET等器件的绝佳替代者。这利·智能模拟器 件,由混合信号技术将普通模拟电路、高速CMOS电路及高电压功率驱动 器电路组合成一体,很适合于在恶劣的汽车电子环境中工作。对于那些功 率要求高至2千瓦的电源控制系统,如应用在家用电器、电动工具、碗碟 存放系统、舰船和汽车系统的各种电子启动器件等,这一新的功率转换开 关是理想的芯片方案。 最早的大功率电子封装是PDIP,可靠性高,散热 性好。第二代大功率封装器件,T0\TSOP\HSOP都具有较大的散热能力,相 比一代产品体积也有所减小。当前的第三代产品,应用HDTMOS和SMARTMOS 技术并配有PowerQFN封装形式如图1-3,具有更小的体积、散热性、更 好的电性能等。 ’ 图I-3 PowerQFN器件 PowerIC Fig.I-3 QFN 5 第一章绪论 1.3大功率封装简介及主要技术 I 1.3.1从DP封装到H$OP封装 大功率芯片的封装技术已经历经好几代的变迁,技术指标一代比一代 先进。芯片面积与封装面积之比越来越接近于1;适用频率越来越高:散 热性能越来越好;引脚间距越来越小;重量越来越轻;可靠性则越来越高。 20世纪70年代时,芯片封装流行的还是双列直插封装,简称DIP(Dual 1n一1ine Package)。DIP封装在当时具有适合PCB(印刷电路板)的穿孔 安装。比TO(ThinOutline)型封装易于对PCB布线以及操作较为方便等 一些特点㈣11。 到了80年代出现的内存第二代封装技术以HSOP为代表,它很快为业 界所普遍采用,到目前为止还保持着内存封装的主流地位。HSOP是英文 SmallOutline High Package的缩写,意即薄型小尺寸封装。HSOP内存 封装技术的一个典型特征就是在封装:占片的周围做出引脚,如SDRAM内存 的集成电路两侧都有引脚,SDRAM内存的集成电路四面都有引脚。HSOP适 合用SMT技术(表面安装技术)在PCB(印刷电路板)上安装布线。HSOP 封装时,寄生参数减小,适合高频应用,操作比较方便,可靠性也比较高, 而且具有较大面积的散热片,散热功能良好。 1.3.2Power OFN封装技术:新一代的封装技术 FlatNo 20世纪90年代随着集成技术的进步,QFN(QuadLead)如 图卜4出现,它的体积小,表面贴装性得到了广泛的青睐。但其散热性制 约了它在大功牢封装领域的发展。飞思卡尔公司经过改进,PowerQFN如 ◆ 图卜5封装形式产生了。PowerQFN使用0.508mm(20mi l)厚的铜框架, QFN一般框架厚度只有0.127到0.2mm。银浆本身固有特性降低了QFN封 ◆ 装形式的导热性能。PQFN使用较厚的框架和焊锡膏的结合降低了热阻,因 此可以在瞬间电压承载更高的电压分布。PowerQFN使用化学腐蚀成型框 架使自然形成了防止潮气进入的塑封锁紧特征,使封装体可以通过JEDEC J-STD-020工业测试标准要求。 6 第一章绪论 Mold GoldWI怕 Comoound 1rrlm 、、·I \\. ,‘ -3m 一 图14QFN结构 structure Fig.I-4QFN t 盯嗍 一、 一●门●●●●●●●U,一 ,一 =个上一 20mils leadframe copper 图I-5PowerQFN结构 Powerstructure Fig.I-5 QFN Power QFN提供了多个晶圆封装在一个封装体内的解决方案。Power QFN的阵列式封装类似于QFN,除了使用了额外的焊锡膏贴片材料和更大 线径的引线连接。阵列式封装工艺保证了物理单元的独立,同时保证了设 计工艺的弹性。 Power QFN封装适合于汽车电子应用。Power QFN使用与QFN类似的 生产工艺和设备,所以相比标准功率器件HSOP有更便宜的价格。 7 第一章绪论 1.4课题的提出与主要研究内容 此大功率封装的开发课题来自于飞思卡尔内部的封装技术项目开发。 (1)传统QFN使用的晶圆粘结剂银浆很难满足大功率器件应用过程中瞬问传 热的要求,必须使用焊锡膏作为Power QFN的品圆粘结剂,选择新焊锡膏成为 开发Power QFN产品的关键环。 (2)fl J于晶圆粘合剂重新选择,与之匹配的塑封胶业需要重新选择。 (3)焊锡膏的导入同时引入了助焊剂,其会在通过回流焊过程中挥发并附着在 框架和晶圆表面影响金线键合工艺。必须通过优化回流焊曲线是助焊剂对金线键 合工艺影响降到最低。 经费预算(美元): ◆ [1】立项(projectsetup):2000 【2】实验费用(experimentfee):5000 【3】测量检验(metrologyvalidation):3000 0000 【4】可靠性(reliability):1 课题计划进度: 【112009.1.2009.3资料阅读 【212009.4-2009.6课题选择,方案设计 【312009.7.2009.1l项目立项 【412009.12-2010.3焊锡膏和塑封胶的选择 【512010.4-2010.6可靠性试验 【612010.4.2010.5回流焊的曲线报告总结 【912010.8.2010.11报告审批;论文撰写和答辩 ● ◆ 8 2.1Powe Powe (20mil) 较高热量,尺寸规格如表2-1所示。 Power I冬i2-1 QFN标准改计 Powerstandard Fig.2—1 QFN design 表2.1Power QFN标准设计的结构尺寸 ● StandardPowerdimensions. Fig.2—1 QFN 标准PowerQFNstandard 管角之间宽度 0.8mm 框架厚度 20miI 塑封体厚度 2.1mm 芯片粘结材料 焊锡膏 金线.OmiI Flag数量 1个 9 第二章Power QFN]二艺过程 2.2Power QFN封装的技术难点 Power QFN具有和0FN类似的结构,但由于使用领域不同所以需要瞬 间承载比较高的热量,局部温度会较高,普通银浆粘结剂很难满足要求, 所以必须引入焊锡膏作为粘结剂,由于各封装材料的热膨胀系数发生改变 相应的塑封胶也需要重新选择。焊锡膏的引入同时也会带来助焊剂对晶圆 和框架表面的污染,增加金线键合工艺和可靠性的难度。所以在选择原材 料的同时必须对回流焊工艺参数进行优化,降低助焊剂对金线键合以及可 靠性的影响。 由于Power QFN用于汽车电子领域,所以需要严格冷热循环可靠性, 遵循AEC-0100标准。 ● 2.3Power QFN工艺流程设计 图2.3Power0FN封装工艺流程 Power flow Fig.2·3 QFNprocess Power QFN器件的工艺过程与QFN器件较类似,本节只对固晶工艺, 金线键合工艺和塑封工艺进行具体介绍。 10 第二章Power QFN工艺过程 2.3.1固晶工艺 固晶工艺包含将晶圆放到涂抹焊锡膏的框架上,在这个过程中要控制 焊锡膏的量,既要保证良好的润湿性,又不能使焊锡膏过量,否增过量的 焊锡膏会加剧对品圆与框架的污染,影响金线键合工艺。然后将放好晶圆 的框架放入回流焊中进行焊接。 回流焊是将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好晶圆的框架,让 晶圆两侧的焊料融化后与框架粘结。这种工艺的优势是温度易于控制,焊接过程 中还能避免氧化,可以满足焊接后的应用要求。 回流焊接的过程本质上是一个热量传递的过程,在这个过程中,影响因素众 多,如果对每个因素都进行精确的分析足非常复杂的,根据美国ACI研究院 EMPF中心的研究结果,回流焊接的加热模型可以简化为: Tt-Ti=(TS.Ti)(1.e艰L), 式中: Tt.当时间为t时,框架的温度: Ti一框架的初始温度; Ts-力口热环境的温度: R一传热的热阻; C.框架的热容。 其中,热阻R与回流焊炉的传热效率及框架的结构特征有关,热容与框架 的材料特性有关。通过这个简化的数学模型,可以很方便地对凹流焊接加热过程 中各因素的影响进行定性的分析112l。 2.3.1.1温度曲线分析与设计 温度曲线是指框架通过回流炉时,框架上某一点的温度随时间变化的曲线;其 本质是框架在某一位置的热容状态。温度曲线提供了一种直观的方法。来分析某 个晶圆在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性,避免由 于超温而对元件造成损坏以及保证焊接质量都非常重要。 第二章Power QFN工艺过程 fl: 蜂州 鼯 4…~● 使 活侬渲住 丛 ▲T●l叠 幢 / 他汉 姊髻加体阿 一l 阄热区 晒性区 网流区 冷棚K 时Ili『{逢嚏的函敌}——_ 图24理想的回流焊曲线理想的reflow profile ● 2.3.1.2温度曲线热容分析 理想的温度曲线由四个部分组成,前而三个区加热和最后一个区冷却。一个 典型的温度曲线所示,其包含回流持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和 所希望的回流最高温度等。回流焊炉的温区越多,越能使实际温度曲线的轮廓达 到理想的温度曲线。大多数锡膏都能用有四个基本温区的温度曲线完成回流焊工 艺过程。 1)预热区,也叫斜坡区,用来将框架的温度从周围环境温度提升到所须的活性 温度。在这个区,框架和晶圆的热容不同,他们的实际温度提升速率不同。框架和 晶网的温度应4i超过每秒2~5℃速度连续.i-升,如果过快,会产生热冲击,框架和 晶圆都可能受损,如品圆裂痕。而温度上升太慢,锡膏会感温过度,溶剂挥发不充分, 影响焊接质最,产生气泡。炉的预热区一般占整个加热区长度的15~25%113】。 2)活性区,有时叫做干燥或浸湿区,这个区一般占加热区的30~50%。活性 区的主要F1的是使框架上晶圆的温度趋于稳定,尽最减少温差。在这个区域里给 予足够的时间使热容大的晶圆的温度赶上较小晶圆。并保证焊膏巾的助焊剂得到 充分挥发。到活性区结束,整个框架的温度达到平衡。应注意的是框架上所有晶 网在这一区结束时应具有相同的温度,否则进入到凹流区将会因为各部分温度不 均产生各种不良焊接现象。一般普遍的活性温度范围是120-150CIl41,如果活性 区的温度设定太高,助焊剂没有足够的时问活性化。温度曲线的斜率是一个向上递 增的斜率,助焊剂没有足够的时间释放出来,也会对后续金线键合工艺造成影响。 虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加,但是理想的温度曲线应当 是平稳的温度。 3)回流区,有时nq做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将框架的温度从活 12 第二章PowerQFN工艺过程 性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰 值温度总足在熔点以上。典型的峰值温度范围是焊膏合金的熔点温度加40℃左 右。回流区工作时间范围是20.50s。这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过 每秒2~5℃,或使回流峰值温度比推荐的高,或工作时间太长可能引起框架的过 分翘曲并损害晶圆的完整性【I5l。回流峰值温度比推荐的低,工作时间太短可能出 现冷焊等缺陷。 4)冷却区,这个区中焊膏的锡合金粉末已经熔化并充分润湿被连接表面,应该 用尽可能快的速度来进行冷却,这样将有助于合金晶体的形成,得到明亮的焊点。 并有较好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电路板的杂质更多分解而进入 锡中,从而产生灰暗粗糙的焊点。在极端的情形下。其可能引起沾锡不良和减弱焊 点结合力。冷却段降温速率一般为3~10℃,S。 ◆ 2.3.2金线键合工艺.金线键合工艺 引线键合焊的原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层和 污染,产生塑性变形,使得引线和被焊表面紧密接触,达到原子问的引力分为并 导致界面间原子扩散而形成焊合点。常用的引线键合方式有三种:热压键合、超 声键合和热声键合。Power QFN器件中的金线键合工艺使用的是热声键合焊,它 是利用超卢波能量、外加热源、键合线(无需磨蚀掉表面氧化层)交互作用使键 合线与金属焊点产生合金化合物。外加热量的目的是激活材料的能级,促进两利· 金属的有效连接以及金属间化合物(IMC)的扩散和生KfI61。采用热声焊的球形 键合技术(如图2.5)是最具代表性引线键合技术。球形键合技术的特点是操作 方便、灵活且焊点牢固,压焊面积大,无方向性,故可实现高速自动化焊接。现 代的金丝球键合焊机一般都带有超声功能,从而具有超声键合的优点,也称为热 声焊。因此这种热声键合焊广泛用于各类集成电路的焊接中11。71,如图2.6所示焊 合后形貌。焊接时衬底仍需要加热(一般100摄氏度),压焊时加超声,因此加 热温度远低于热压焊。所以压力一般为50克每点,与热压相同。 13 第-二章PowerQFN下艺过程 图2.5球形键合工艺步骤 Ball flow Fig.2-5bondingprocess 图2—6丝线键合形成的焊点 (a)丝线键合引线,(b)第一焊点,(c)第二焊点 Wire Fig.2-6bondingjoint (a)the wire,(b)l bonding 3‘bondingpointand(c)2喇bondingpoint 2.3.3塑封工艺 塑封工艺是用热圃性树脂将品圆、引线和框架包裹起来,起作用可以防止外 力冲击、耐腐蚀,使器件在安全的环境下工作。在这个过程中,塑封胶被预加热 后通过液压传动装置挤压到模具型腔中,在塑封。l:艺过程中,要控制整个J.艺过 税在凝胶时间内完成,这样才能保让塑封胶的流动性‘埔i。 14 第二章PowerQFN工艺过程 2.4小结 本章通过对芯片封装的几个需要达到的性能指标进行了剖析 内在尺寸有所了解。在我们熟悉了芯片封装所要达到的结构要求 装工艺的探讨。在了解了芯片封装的各个工艺流程的具体意义 Power QFN封装的难点集中在以下几方面: 【l】焊锡膏的引入改变了塑封体整体应力分布,所以需要对封 以适应可靠性的要求,包括焊锡膏和塑封胶。 【2】现有回流焊曲线不能适应焊锡膏工艺需要,需要重新优化回流焊曲线】焊锡膏中.的助焊剂会对金线键合工艺产生影响,需要优化金线键合工艺参 数,提高成品率。 ● 4 15 第三章Power QFN封装材料的选择 第三章Power QFN封装材料的选择 3.1Power QFN封装材料 Power 0FN器件用于汽车电子行业,所以遵循行业标准AEC-Q100。其 封装材料主要涉及到焊锡膏、塑封胶、金线、引线框架等。材料性能的好 坏是影响封装质量的首要因素。如果材料性能不能达到封装设计的要求, ● 比如,塑封胶的粘度和流动性不好,那么在封装时肯定会造成封装空洞、 材料分层等问题。其次,材料问的匹配也是相当重要的,性能优越的材料 并不一定代表是能够适合某种封装技术结构特点的材料,关键还要看它是 否能够满足材料间的匹配,是否满足机械性能上的要求,在冷热冲击循环 试验后会不会有潜在的失效。最后,是材料的成本,这是一个在技术开发 中必须考虑的问题。现在,封装技术开发材料的成本占到了50%以上,这 越来越表明选择正确的材料的重要性。由于焊锡膏是PowerQFN与QFN器 件材料设计最大的区别,所以材料的选择主要集中在焊锡膏的选择和相应 的塑封胶。 3.2焊锡膏的选择 焊锡膏的种类很多,基本组成为85-90%金属填充物,4-7%的助焊剂还 有一些增粘剂等118i。从组成上可以看出金属填充物占有很大比例,而这些 金属粉是以球状存在,如图3-2。焊锡膏在经过高温回流焊接后,其助焊 剂等有机成分的绝大部分会反应掉或挥发掉,焊锡粉则会熔化并凝同形成 一个牢固的焊点。圈3-3和3-4分别足所选合金成分对应的相图和凝固后 的显微组织。 16 第三章Power QFN封装材料的选择 彳?呜赫 一慕●/——、 ’7‘嚣?-二盒东磊% ~∞_=黧 图3.1焊锡膏的成分组成 solder Fig.3-1 pastecomposition ● Pb Sn reglo gnons 图3.2金属粉合金 Power Fig.3-2 alloy 人8一I’Ii一.g¨ :}a一 ● ~ 一 ● ~ 帅 . :-。...J。。...1..,。。.....J.L“ o^● 恕钆-b- 一-‘.‘^‘ 图3.3合金相图 图3_4合金微脱结构 Microstructures Fig.3-3Alloyphasediagram Fig.3-4Alloy 17 第三章PowerQFN封装材料的选择 由于PowerQFN器件要工作在高温环境下,焊点要承受高温,高熔点 QFN器件在客户端使用时还需要进 焊锡膏成为了唯一的选择;而且Power 行二次回流焊等组装焊接工艺,采用高熔点钎料可以防止二次组装时器件 内部焊点发生熔化。 一般来讲,因为含银的高铅焊料其抗蠕变和疲劳性能有大幅度提高, 同时,银还提供了钎料在基体上的润湿性能。 根据以上要求选定了 92.5PbSn5A92.5两款焊锡膏,如表3—1。 表3—1焊锡膏对比表 一 solder Fig.3一I pastecomparison 种类 含铅量%含锡量%含银量% ● 器 鬻 3.3塑封胶的选择 塑封胶与固晶胶一样使用环氧树脂,但塑封胶的成分种类和特性要 求比固晶胶复杂。常温下固晶胶为浆糊状液体,而塑封胶为固体。多制成 圆柱状,只有极少数是用粉末材料。塑封胶使用硅粉作为主要填料,其余 成分还有硬化剂、催化剂、应力释放剂、脱模剂、阿【燃剂等。塑封胶的作 用是把芯片、金线和铜引脚封装保护起来,使它们与外界环境隔离,以避 免发生腐蚀及机械破坏。塑封胶在集成电路中占比重最大,由此要求其有 多方面良好的特性。首先,应具有良好的流动性和热圃性,以满足封装要 求;其次,低离子含量、低吸水率、低收缩率、低应力、高纯度、高粘接 力、高绝缘性㈣; 塑封胶的基本特性: ^ (1)玻璃转化温度(Tg)如图3-5,它是高分子聚合物从玻璃态变化 到橡胶态必不可少的一个温度。在此温度下,高分子聚合物还是晶体态的, 分子链很好的连接在一块。在此状态下,高分子聚合物是硬的且脆的。当 温度高于玻璃转化温度,高分子聚合物就表现为象橡胶一样有粘性的形 态。我们的工艺参数要根据玻璃化转化温度设定模具温度,塑封胶所用的 热同性树脂的玻璃化转换温度一般在170-180摄氏度12Ⅲ,温度越高越不容 易控制,因为玻璃化转换温度较高,反应速率也较快,很容易出现排气口 18 第三章PowerQFN封装材料的选择 一侧的空洞。 图3.5Tg玻璃转化温度表示图 Fig.3-5TgGraph (2)凝胶时间(geltime),如图3-6。它是指塑封胶在玻璃化转变 温度条件下从固态到液态再到固态的整体时间。这个时间越长,工艺越容 易控制,所以在选用塑封胶应选择流变时间较长的。 1413-6凝胶曲线表 the time Fig.3-6gel chart (3)热膨胀系数(CTE),如图3-7。它是测量材料形态随温度变化 的一个指标。通常是测量在某一方向上变化的PPM值。或者是在一度温度 19 第三章Power QFN封裟材料的选择 变化下,体积的变化情况。如果CTE不匹配,那么材料间极易造成因应力 导致的疲劳,裂纹或分层。材料的热膨胀系数越小对器件的影响越小‘2¨。 一_工I o.10Hg\上&口。一∞】To(1一 .50 50 150 250 Ternpel’ature{c 图3-7塑封胶的热膨胀系数随温度的变化 CET Fig.3-7compoundbytemperaturechange 根据以上讲的材料基本特性,在选择塑封胶时要选择玻璃化转化时间 较低的,凝胶曲线时间较长的这样对于工艺控制比较容易,结合PowerQFN 两种塑封胶,如表3-2。 表3.2塑封胶对比表 塑封胶To TGimele cTE 3.4金线的选择 金线在半导体器件中的主要作用为连接晶圆与管脚,所以它要保证芯 片的电流需要,对于Power0FN器件一般瞬间电流较太,根据产品的需要 所以一般选择1.5mil或2mil线径金线。 一般来说,金线的导电性和延展性能都非常好,所以在各个领域应用 20 第三章PowerQFN封裟材料的选择 很广,但是本身是贵重金属,所以制约了它的应用。金线焊接要使用热声 键合焊。铝线由于其价格得便宜,延展性好导电性好,广泛应用于大功率 器件的封装,但是由于铝线一般使用压合焊,而且延展性能比金线要差, 在为PowerQFN选择材料初期也考虑到铝线,但是由于PowerQFN器件集 成度较高,所以工艺要求比较高,铝线本章小结 本章通过对封装材料性能的对比以及powerQFN器件的要求选择了以 下材料, 【l】根据材料特性,以及客户端使用需要选择了indium的两种焊锡膏 88PbSn lOA92和92.5PbSnSA92.5。 【3】根据器件电流要求选择1.5mil或2.Omil金线l 第p_q章Power QFN封装T艺参数优化和可靠性测试 第四章Power QFN封装工艺参数优化和可靠性测试 4.1Power QFN的工艺参数存在的问题 通过上一章选出的封装材料,根据从前的回流焊工艺进行焊接,发现 焊锡膏空洞比较多而且金线键合成品率较低,不能满足生产工艺要求,所 以要对回流焊以及金线键合工艺进行优化。如图4-1,通过X射线设备检 查,白色为焊锡膏空洞,并且计算出空洞占芯片面积百分比为8.9%。 图4.1焊锡膏气泡 soldervoid Fig.4·1 4.2回流焊工艺优化试验设计 基于供应商对焊锡膏给出的液相线摄氏度,为了使助 焊剂尽量挥发出来减少焊合后的气泡缺陷需要选择更高的回流焊温度使 助焊剂在高温区快速挥发。设计了二因子二水平试验,最高温度360摄氏 第阴章Power QFN封装丁艺参数优化和可靠性测试 度,最低温度335摄氏度,回流焊最长时间300秒,最短时间225秒。 考虑到设备自身的能力添加回流焊时间125秒,最高温度360摄氏度 为极限试验组。 每条框架收集单个气泡和整体气泡各48个数据。 表4.1同流焊优化矩阵 Tab.禾lMatrixforsolderreflow optimization 4.2.1回流焊工艺优化实施 根据以上试验设计设定回流焊参数,每次只调整第四个温区的温度 和传送带温度满足试验要求. 第叫章Power QFN封装丁艺参数优化和可靠性测试 图4.2回流焊温区分布 Solderoven Fig.4—2 Temp.distribution 4.2.2回流焊工艺优化结果分析 通过数据收集和统计学软件(JMP)分析,整体气泡分布与单个气泡 分布具有相同的趋势,更高的凹流焊温度和较短的删流焊n寸问会减少气 泡。 第pq章Power QFN封装丁艺参数优化和可靠性测试 Challfol90Tohll VⅢi,d’ility 图4.3整体气泡分布 totalvoiddistribution Fig.4—3 第pq章Power QFN封装丁艺参数优化和可靠性测试 Chartfor。j Vmialdlity Siti91e t 图4.4单个气泡分布 Fig.4-4 voiddistribution single 第pq章Power QFN封装T艺参数优化和可靠性测试 通过3MP建立数学模型预测在95%的置信区间内我们可以得到优化的 设备参数,第四温区温度355摄氏度,回流焊时间130秒。根据预测在设 备上设定参数,实测出的曲线 们 ’● 零 ‘ 一 毫 0.1 最 善 一 虮 Q ∞ o o g 129 需 罱 355 需 Time(125,300)Peak 图4—5预测曲线 PredictionProfiler Fig.4-5 第四帝Power QFN封装r丁艺参数优化和可靠健塑!!!堕 AfterDDE 一 图4.6新老回流焊曲线 and reflowoven old new Fig.4-6 profile 根据预测参数设定进行确认试验,可以使单个气泡百分比低于10%,整 体气泡百分比低于20%,满足器件应用过程中散热需要。 4.3金线键合工艺优化试验设计 OFN器件在回流焊T艺后,在框架表面会 由于焊锡膏引入,使Power 残留少罱的助焊剂,但是这些助焊剂一方面会影响焊接过程造成金线键合 成品率降低,另一方面会影响老化试验后的合金化(IMC)生长。所以试 验设计从这两方面出发,既要收集焊接后成品率又要观察老化试验后IMC 生长情况。 金线键合的丰要参数有焊接力(BondForce),放电电流(USG current) 和超声波频率(c/v),用Minitab软件设计三因子三水平试 1 验如表4-2,收集每组的金球粘结力(balshare),引线拉力(wirepull), 球颁,球高(BIIH)以及焊点痕迹(cratering)和冷热冲击循环后金属合 金化生长(IMC)· 第pq章PowerQFN封装T艺参数优化和可靠性测试 表4.2试验设计矩阵 Tab.4-2the matrix experimentdesign ”鬻碍昂甲璎孵邗孵■粥 研w硼馕口啊孵 ∥鄹“ 《黟程门F珂≯ 穆1b6柏1—1 ”研飞 Runorder 勘dOrder. 摊TVp璺、蕊:j蛔毫蛭‰!:.~“氓,血N.foroe..。。JIsG?叠 4 t. 1 。二 1 1. U.5 18 9U 19 I 2:j O J. O.45 16.5 95 2 I 3{1 l O.5 15 90 13 童4jj 1 1. O.4S 16.5 86.59104 8 t.5,.i l l O.5 lB 100 18 ≥6j O . 0.45 16.5 95 6 ‘. 7 .≈ 1 l O.5 15 1UO ZO B 8 垂 O I O.45 16.5 95 t 14 k 9 凋 一1 l O.45 16.5 103.409 16 t.10:女 O l O.45 16.5 9S 12 }11‘羔 .1 l O.45 19.022699S 9 &、12’1.1 l 0.3659116.5 95 15 I 133 O l U.45 1b.5 95 5 1.14 1 l 0.4 15 100 i 10 》 ls囊 -l 1. O.5340916.5 95 11 ; 16 I .1 l O.4S 13.9773l95 17 - 17 3 O l O.45 16.5 95 7 :18《 l l 0.4 18 100 3 1 l O.4 18 90 t 19{ l L。2Q一 1 l O.4 15 90 4.3.1金线键合工艺优化结果分析 根据统计学Minitab计算结果,具体数据见附表1,优化后的模型预 Current:90mA—lOOmA,BondForce: 测USG 159一189,c/v:0.45 mi 1s/ms。 (a) (b) force和tJSG优化模型(b)bond 图4-8优化后的模型(a)bond force和CV优化模型 model(a)bondforceandUSG forceandCdV Fig.4-8 model(b)bond optimized model 第叫章Power QFN封装工艺参数优化和可靠性测试 通过改进后的金线键合参数,参数优化后对比如表4-3,可以将成品 率从80%提高到98%以上。有效提高了PowerQFN产品的成品率,大大降 低了成本。 表4.3金线键合参数对比 Tab.4—3wirebond parametercomparison Parameter0Id New Bond 20-22 1 8 force(g) 5.1 吣U、 80.100。。… 90.100。。 Current(mA) 0.45 C/V(mil/ms)0.55 4.4可靠性试验计划 冷热循环老化试验(Temperaturecycle)是把半导体器件放在加速 热膨胀变化条件下,测试器件应力情况。由于器件中各种材料的热膨胀系 数(CTE)不同,在试验后器件中会产生应力,如果材料之间的热膨胀系 数相近,应力就会小很多,但是应力也和材料的本身结构有关系。测试遵 循标准ESD22一A104,温度条件为(-50C/+150C)。冷热循环测试是将器件 放入一个高低温升降箱中,一次循环10分钟,升温5分钟降温5分钟。 标准测试是1000个循环,行业内一般认为这利,模拟等价于器件使用10 年的时间。常见的失效项有分层、晶圆开裂,塑封体开裂等。 上一章经过筛选,共有两种焊锡膏和两种塑封胶,进行组合试验,测 currentwhich drian 量静态电流量stopIDD(stop flOWS todrian withinCOMS Circuit)吲22,对比冷热冲击循环试验jjif后数值,此测试模 拟客户在恶劣环境中使用汽车的条件。通过超声无损探伤,观察分层情况, 用机械研磨的方法,确认分层的具体位置。分层的结果直接反映各种材料 的匹配程度。使用的冷热循环条件遵循汽车电子标准AECQ-100l”l,试验矩 阵如表4-4 3l 第pq章Power QFN封装_下艺参数优化和可靠性测试 表4_4试验矩阵 Tab.4-4Matrixfor experiment 4.5试验结果及分析 4.5.1测试电流量(IDD)原理 IDD测试如图4-9是测试项中容易显示反映原材料性能得重要项目。 其主要原理当给电子元器件一个直流恒定电压(5V),测它的输出电流, 对比老化试验电流变化。stopIDD指器件在加电压情况下,关闭所有功能 模块下的静电流,其直接反映封装器件本身材料性能‘排捌。 Mo‘lel2400 SourceMeler Inlmt 圈4.9IDD测量的原理 of IDDmeasure Fig.4-9 theory 第pq章Power QFN封装丁艺参数优化和可靠性测试 4.5.2测试(IDD)结果及分析 从试验批中,每组取30颗料进行StopIDD测试求平均值,比较老化 试验前后变化。如表4-5 表4.5电流晕测试结果 Tab.4.5IDDtestresult 测试结果显示塑封胶应该是影响电性的主要因素,G700塑封胶显示了 比较好的电性:9220HFl3的电性较差,在老化试验后出现漏电流的现象比 较严重,在汽车电子应用过程中如出现漏电流现象,可能会导致电子器件 失灵等严重后果,所以必须避免。 4.5.3无损探伤结果及分析 结果如表4-6在老化试验以前GT00显示出比较好的粘结力,与两种 焊锡膏都没有分层出现,但是在老化试验后它与88PbSnl0A92出现了较多 的分层,在下一节分析分层具体位置。 9220HFl3在老化试验前与两种焊锡膏都有分层现象,而且在老化试验 后分层加剧,说明此种塑封家与两种焊锡膏的机械应力较大,不能满足 Power 0FN器件的封装要求。 表4击超声无损探伤结果 Tab.4.6Csamresult Csam No 焊锡膏 塑封胶TO 冷热冲击后Csam 1 G700 0/30 0,30 92.5PbSn5A92.5 2 9220HFl3 3/30 10/30 92.5PbSn5A92.5 33 第叫章PowerQFN封装工艺参数优化和可靠性测试 1 G700 0/30 7,30 3 88PbSn 0A92 4 9220HFl315/30 24/30 88PbSnl0A92 4.5.4分层结果及分析 如图4-10根据无损探伤结果从每组中选择一颗分层最严重的料,进 行机械研磨到分层处,可以看到G700塑封胶和92.5PbSn5A92.5有较好的 匹配性,无损探伤没有发现有分层现象在所有界面上,此种组合符合Power 0FN产品要求。 图4一lO 92.5PbSn5A92.5和G700冷热冲击试验后的超声波无损探伤(a)和剖面图(b) 0 andG700 cross time Csam(a)andsection(b)after Fig.4-192.5PbSn5A92.5 cycle 如图4—1l根据无损探伤结果从每组中选择一颗分层最严重的料,进 行机械研磨到分层处,可以看到9220HFl3塑封胶和92.5PbSn

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