第9章 塑料封装

第9章 塑料封装 塑料封装塑料封装的散热性、耐热性、密封性散热性、耐热性、密封性虽逊于陶瓷封装和金属封装，但塑料封装具有低成本、薄型化、工艺较为低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产简单、适合自动化生产等优点，它的应用范围极广。9.19.1塑料封装简介塑料封装简介1、塑料封装的结构 塑料封装包括：芯片、金属支撑底座或框架、连接芯片到框架的焊线以及保护芯片及内部连线的环氧塑封料。框架可用铜合金，或用42合金（42Ni-58Fe）或50合金（50Ni-50Fe）制成，然后镀金、银或者钯，可以在镍或镍-钴合金上全镀或选镀。2.塑料封装的形式塑料封装的形式 塑封微电子器件一般可制成表面安装式或通孔插装式。通孔插装式通孔插装式安装器件又分为以下几种：（1）塑料双列直插式封装塑料双列直插式封装：矩形的塑封体，在矩形塑封体比较长的两侧面有双列管脚，相邻管脚之间的节距为2.54mm，适合于大批量低成本生产。（2）单列直插式封装单列直插式封装形状为矩形，管脚在边长的一侧，特点是外形高，焊接区小，成本低。（3）塑料针栅封装塑料针栅封装是密度最高的插孔式安装封装外，为塑封器件提供了最高的有用的管脚数.塑料封装的形式塑料封装的形式(2)表面安装器件分为：小外形封装（SOP）、塑料有引线片式载体（PLCC）及塑料四边引线扁平封装（PQFP）。SOP与DIP相似，只是管脚形状是翼形。SOJ是SOP的演变，其管脚按照J字形弯曲并折向塑封体。特点是焊盘所占PWB面积比翼形小，但焊点不易检验。PLCC是引线在封装体的四周，节距为1.27mm，并形成J字形结构。特点是安装密度高，管脚短且一致性较好。PQFP是正方形或矩形封装。分布于四边。3.3.封装工艺分类封装工艺分类 塑料封装有预塑或后塑两种方法：预塑预塑是先模制出一个塑料底座，然后将芯片放在上面，用引线将芯片连接到I/O的输出端，环氧树脂粘附到框架管脚上形成一个腔体。预塑模式通常用于多管脚器件或针栅阵列封装。3.3.封装工艺分类封装工艺分类 后塑后塑是先将芯片粘接到框架，再将框架送入多个型腔的包封模，通过递模成型工艺用热固型塑料进行包封。后塑模式比预封模式便宜。4.4.塑料封装与陶瓷封装的比较塑料封装与陶瓷封装的比较 塑料封装器件在尺寸、重量、性能、成本、可靠性及实用性方面优于气密性封装。估计塑封器件占世界商用芯片封装市场的97。尺寸及重量：大部分塑封器件重量大约是陶瓷封装的一半。如14脚双列直插封装（DIP）重量大约为1g，而14脚陶瓷封装重2g。较小结构如小外形封装（SOP），较薄的结构如薄形小外形封装（TSOP）仅适用于塑封。从而提高组装密度，减少器件传递延迟。性能：塑料的介电特性优于陶瓷。与标准的共烧陶瓷相比，环氧树脂的介电常数较低，而铜框架的引线电感较可伐框架小。塑料封装与陶瓷封装的比较（塑料封装与陶瓷封装的比较（2 2）成本：塑封器件成本较陶瓷封装低很多。一个完整的塑封电路成本由下列因素决定，如芯片、包封、生产量、尺寸、组装费用及成品率、筛选、早期老炼及成品率，最终老炼测试及成品率、强制性的质量鉴定试验。可靠性：陶瓷封装可靠性较高。近年来，塑封器件的可靠性有了极大的提高，主要是由于封装材料、芯片钝化及制造工艺有了改进，特别是现代塑封材料的杂质离子含量低，对其它封装材料有很好的粘附性、玻璃转化温度较高、热导率高、与框架的热膨胀系数能较好地匹配可用性：在全球竞争下，工业上材料及制造工艺的研究集中在塑封器件方面，97以上的集成电路封装形式为塑封。塑料封装与陶瓷封装的比较（塑料封装与陶瓷封装的比较（3 3）塑料封装走过了漫长的历程，它在外形、重量、性能、成本及可用性方面都显著地超过了陶瓷封装，塑封器件的可靠性不再是制约它广泛使用的障碍。早期潮气诱发的失效机理如腐蚀、裂纹、界面脱层非常显著，但包封料、芯片钝化、金属化技术及全自动组装的发展使塑料封装成为包封技术的未来。9.29.2塑料封装材料塑料封装材料 9.2.1塑料封装主要材料 酚醛树脂、硅胶等热硬化型塑胶为塑料封装最主要的材料。早期酚醛树脂材料有氯与钠离子残余。酚醛树脂本身不产生氨，但在使用时加入了六亚甲基四胺以利于固化，这些元素会在加热时反应产生氨气，这会造成腐蚀破坏。由于材料纯化技术的进步，酚醛树脂中的残余氯离子浓度已经可以控制在数个ppm一下，因此它仍然是最普通的塑料封装材料。塑料封装主要材料（塑料封装主要材料（2 2）硅胶树脂的主要优点为无残余的氯、钠离子，低玻璃转移温度（约在2070），材质光滑故铸膜成型时无须加入模具松脱剂（Mold Release Agent）。但材质光滑也是主要的缺点，硅胶树脂光滑的材质使其与IC芯片，导线之间的黏着性质不佳，而衍生密封性不良的问题。塑料封装主要材料（塑料封装主要材料（3）以上所述的两种铸膜材料均不具有完整的理想特性，不能单独适用于塑料封装的铸膜成型，因此塑料铸膜材料必须添加多种有机与无机材料，以使其具有最佳的性质。9.2.29.2.2主要添加剂主要添加剂（1）加速剂：其通常与硬化剂拌和使用，功能为在铸膜热压过程中引发树脂的交联作用，加速其反应，加速剂含量将影响铸膜材料的凝胶硬化速度。（2）硬化剂：某种化学活性化合物，加入它可使环氧树脂从液态（热塑性）变成坚硬的固态。（3）填充剂主要功能为铸膜材料的基底强化、降低热膨胀系数、提高热传导率及热震波阻抗性等；同时，无机填充剂较树脂类材料价格低廉，故可降低铸膜材料的制作成本。9.2.29.2.2主要添加剂（主要添加剂（2 2）（4）阻燃剂：由于树脂材料本身易燃，因而要加入卤素形态的阻燃剂。（5）脱模剂：由于树脂材料对各种表面有很好的粘附性，这给塑封料从模具上分离造成困难。因此需要加入脱模剂。脱模剂是一种用在两个彼此易于粘着的物体表面的一个界面涂层，它可使物体表面易于脱离、光滑及洁净。（6）黑色色素是为外壳颜色美观与统一标准，塑料封装外观通常以黑色为标准色泽。9.39.3塑料封装工艺塑料封装工艺1.自动排片 自动排片机大大提高了塑封的自动化，它通过气动机构将多个片盒中的框架送到排料等待区，再由X，Y运动机构将框架放到料架上，由加热系统进行加热。2 2、塑封、塑封 塑封装置分为很多种，其主要有：传递塑封机和反应射出成型机。（1）传递塑封机 传递塑模工艺是集成电路封装最普遍的方法。它通过加压，将加料室中热的黏稠状态的热固性材料，通过料道、浇口进入闭合闭合模腔内制造塑封元件的过程。模具可区分为上、下两部分，接合的部分称为隔线（Paring Line），每一部分各有一组压印板（Platen）与模板（Chase），压印板是与挤制杆相连的厚钢片，其功能为铸模压力与热的传送，底部的压印板还有推出杆（Ejector Pins）与凸轮（Cams）装置以供铸模完成，元器件退出使用。模板为刻有元器件的铸孔、进料、闸口（Gates）与输送道的钢板以供软化的树脂原料流入而完成铸模。图 塑封模具（2 2）反应喷射成型）反应喷射成型 反应式射出成型的塑胶封装是将所需的原料分别置于两组容器中搅拌，再输入铸孔中使其发生聚合反应完成涂封，它的制备设备如下图所示。反应式射出成型工艺能免除传输铸模工艺的缺点，其优点有：n能源成本低；n低铸模压力（约0.30.5Mpa），能减低倒线发生的机会；n使用的原料一般有较佳的芯片表面湿润能力；n适用于以TAB连线的IC芯片密封；n可使用热固化型与热塑型材料进行铸模。反应式射出成型工艺的缺点则为：n原料须均匀地搅拌;n目前尚无一标准化的树脂原料为电子封装业者所接受。3 3、去溢料、去溢料 集成电路在封装过程中由于框架精度与模具不匹配（模具磨损、模具不平整、捏合不足）、压边问题、注塑工艺条件和框架表面粗糙度等问题造成塑封料溢出模具，在电路包封后引线框架引脚周围的溢料没有去除会导致电镀时氧化无法去除溢料附近的氧化皮，从而使引脚无法镀上锡，造成镀层剥离。1)机械喷沙（干法/湿法），也叫介质去飞毛刺，使用专用的高压喷沙机，将研磨料（如粒状的料球）喷在集成电路引线框架表面上，打磨去掉溢料。2)碱性电解法，是在碱性药水中通过电解的方法去除溢料。引线框架与阴极相连（即设备的传送钢带），在药水中引脚产生大量气泡溢出时将溢料松动产生空隙，碱液渗入将产品表面的溢料泡软，利用高压水打掉溢料。3)化学浸泡+高压水喷法，这是目前比较流行的方法。先利用软化药水在一定温度、浸煮一段时间将塑封体表面的溢料泡软，再将产品放入专用的高压喷水去溢料设备，去除软化的产品溢料。去溢料方法去溢料方法BeforeAfter去溢料后效果去溢料后效果4 4、切筋成型、切筋成型切筋切筋：将一条片的：将一条片的Lead FrameLead Frame切割成单独的切割成单独的UnitUnit（ICIC）的过程；）的过程；成型成型：对：对TrimTrim后的后的ICIC产品进行引脚成型，达到工艺需要求的形状，产品进行引脚成型，达到工艺需要求的形状，并放置进并放置进TubeTube或者托盘中；或者托盘中；5 5、引脚处理、引脚处理 对封装后外引脚的后处理可以是电镀或是浸锡。该工序是在框架引脚上做保护性镀层，以增加其可焊性。（1）电镀：是在流水线式的电镀槽中进行，包括清洗，再在不同浓度的电镀槽中进行电镀，最后冲洗、吹干，放入烘箱烘干。（2）浸锡：清洗，助焊剂浸泡，再浸入熔融锡合金溶液。图 LTS200浸锡机6 6、印字打标、印字打标 主要有油墨打标和激光打标。（1）油墨打标：工艺过程像敲橡皮图章，油墨通常是高分子化合物，需要进行热固化或紫外光固化。（2）激光打标：利用高能量密度的激光束对目标作用，在材料表面发生物理或化学变化，使材料迅速汽化，形成凹坑，从而形成永久可见的图形。图 激光打标机7 7、产品包装与运输、产品包装与运输 对潮气敏感的塑封微电路，装运成本可高达总成本的10%。包装运输不当会使成品电路成品率降低。有时塑封电路需提供干燥的氮气环境包装。9.49.4可靠性测试可靠性测试 塑料封装中使用的材料包括金属、半导体、高分子材料等，这些材料的相互作用使塑料封装的可靠性成为一项重要的研究内容。塑料封装破坏的机制大致可区分为因材料热膨胀系数差异所引致的热应力破坏与湿气渗透所引致的腐蚀破坏两大类，常用来试验塑料封装的可靠性的方法有三种：高温偏压试验，温度循环试验，温度/湿度/偏压测试（1）高温偏压试验（High Temperature/Voltage Bias Test）。试验的方法是将封装元器件置于125150的测试腔中，并使其在最高的电压与电流负荷的条件下操作，其目的是实验元器件与材料相互作用所引致的破坏。（2）温度循环试验（Temperature Cycle Test）。采用的试验条件有：65150循环变化，在最高与最低温各停留1h；55200循环变化，在最高温与最低温各停留10min；0125，每小时3个循环变化。温度循环试验可以测量应力对封装结构的影响，能测出的问题点有连线接点分离、连线断裂、接合面断裂与芯片表面的钝化保护层破坏等。（3）温度/湿度/偏压测试（Temperature/Humidity/Voltage Bias Test）。这种试验方法也称为THB试验，将IC元器件置于85/85%相对湿度的测试腔中，并在元器件上通入交流负载（通常约5V），它也是所有试验中最严格的一种。