集成電路封裝設(shè)計(jì)提高可靠性的方法研究

1 前言

　　隨著集成電路的發(fā)展，小型化與多功能成了大家共同追求的目標(biāo)，這不僅加速了IC設(shè)計(jì)的發(fā)展，也促進(jìn)了IC封裝設(shè)計(jì)的發(fā)展。IC封裝設(shè)計(jì)也可以在一定程度上提高產(chǎn)品的集成度，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品的可靠性起著很重要的影響作用。本文總結(jié)和研究了一些封裝工藝中提高可靠性的方法。

　　2 引線框架

　　引線框架的主要功能是芯片的載體，用于將芯片的I/O引出。在引線框架的設(shè)計(jì)過程中，需要考慮幾個(gè)因素。

　　2.1 與塑封料的粘結(jié)性

　　引線框架與塑封料之間的粘結(jié)強(qiáng)度高，產(chǎn)品的氣密性更佳，可靠性更高；與塑封料的粘結(jié)性不好，會(huì)導(dǎo)致分層及其他形式的失效。影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素除了塑封料的性能之外，引線框架的設(shè)計(jì)也可以起到增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度的作用，如在引腳和基島邊緣或背面設(shè)計(jì)圖案，如圖1所示。

圖1　各種增強(qiáng)型框架

　　2.2 芯片與引腳之間的連接

　　引線框架的最重要的功能是芯片與外界之間的載體，因此，引線框架應(yīng)設(shè)計(jì)得利于芯片與引腳之間的連接，要考慮線弧的長度以及弧度。

　　2.3 考慮塑封料在型腔內(nèi)的流動(dòng)

　　對(duì)于多芯片類的復(fù)雜設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮塑封時(shí)塑封料在芯片與芯片或芯片與模具之間的流動(dòng)性。

　　3 焊線

　　3.1 增強(qiáng)焊線強(qiáng)度

　　焊線強(qiáng)度除了焊點(diǎn)處的結(jié)合強(qiáng)度外，線弧的形狀也會(huì)對(duì)焊線強(qiáng)度有一定的影響。

　　增強(qiáng)焊線強(qiáng)度的方法之一是在焊線第二點(diǎn)種球，有BSOB和BBOS兩種方式。如圖2所示。

圖2　BSOB和BBOS的示意圖

BSOB的方法是先在焊線的第二點(diǎn)種球，然后再將第二點(diǎn)壓在焊球上；BBOS的方法是在焊線的第二點(diǎn)上再壓一個(gè)焊球。兩種方法均能增強(qiáng)焊線強(qiáng)度，經(jīng)試驗(yàn)，BBOS略強(qiáng)于BSOB。BBOS還應(yīng)用于die todie（芯片與芯片）之間的焊接，如圖3所示。

圖3　BBOS用于疊晶及芯片與芯片之間焊接的情況

　　3.2 降低線弧高度

　　現(xiàn)在的封裝都向更薄更小發(fā)展，對(duì)芯片厚度、膠水厚度和線弧高度都有嚴(yán)格控制。一般弧度的線弧，弧高（芯片表面至線弧最高點(diǎn)的距離）一般不低于100μm，要形成更低的線弧，有以下兩種方法。RB（Reverse BONding反向焊接）和FFB（FoldedForward Bonding折疊焊接 ），如圖4和圖5所示。

圖4　反向焊接（RB）

圖5　折疊正向焊接（FFB）

　　反向焊接雖然可以形成低的線弧，但是種球形成了大的焊球，使得焊線間距受到限制。折疊正向焊接方法是繼反向焊接之后開發(fā)的用于低線弧的焊接方法，如圖5所示。

　　低線弧不僅能夠滿足塑封體厚度更薄的要求，還能減少塑封時(shí)的沖絲以及線弧的擺動(dòng)（wiresweep），對(duì)增加封裝可靠性有一定的幫助。
3.3 等離子清洗

　　提高焊接可靠性的一個(gè)重要方法是使用等離子清洗。等離子清洗除能清潔掉芯片及引線框架表面的沾污和氧化物之外，還能激活表面，使結(jié)合面更加牢固。等離子清洗需要保證氣體在產(chǎn)品各個(gè)表面均勻的流動(dòng)，因此需要使用有孔料盒，如圖6所示。

圖6　等離子清洗使用的料盒

等離子清洗的幾個(gè)關(guān)鍵影響因素有：

　?。?）氣體成分。等離子清洗使用的氣體一般為氬氣、氧氣和氫氣，也可以使用混合氣體。氬氣和氧氣用來清洗有機(jī)殘留，氫氣用來清洗氧化物。

　　（2）料盒和產(chǎn)品排布。清洗效果的一致性是很重要的，有利于獲得封裝組裝工藝的高質(zhì)量控制 [3]。對(duì)于射頻型等離子清洗機(jī)而言，應(yīng)該讓料盒的排布順應(yīng)氣體的流向，讓氣體均勻流通在料盒的各個(gè)位置。

　　（3）功率和時(shí)間。對(duì)不同廠家制造的等離子清洗機(jī)以及不同類型的產(chǎn)品，都要通過DOE實(shí)驗(yàn)方法，找出最合適的設(shè)定范圍。

　?。?）評(píng)定方法。最直觀的評(píng)定等離子清洗效果的方法是滴水試驗(yàn)，通過觀察界面角來判定親水性，如圖7。

圖7　浸濕示意圖

　　浸濕角在20°~40°之間是合適狀態(tài)，16h后浸濕角會(huì)大于40°。因此，等離子清洗后的延遲時(shí)間建議為8h。

　　評(píng)估等離子清洗效果的另一方法為比較PpK或CpK，這也是使用等離子清洗的最終目標(biāo)。為了獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量控制，我們做了PpK的比較試驗(yàn)，結(jié)果證明，等離子清洗能夠在一定程度上提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。試驗(yàn)內(nèi)容如下：

　　試驗(yàn)設(shè)備：EUROPLASMA；氣體：Ar+H2（氬氣+氫氣）；線徑：30μm金線；焊球直徑：82.5μm；等離子清洗機(jī)RF功率：300W；清洗時(shí)間：180s。

表1　等離子清洗前后樣品焊球推力測試結(jié)果比較

　　由此可見，等離子清洗對(duì)金線的結(jié)合力有一定程度的提高，同時(shí)也提高了品質(zhì)穩(wěn)定性。

　　4 塑封

　　影響塑封效果的主要因素有以下幾個(gè)方面。

　　4.1 模具和框架設(shè)計(jì)

　　前文中提到一些加強(qiáng)框架與塑封料之間結(jié)合力的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)需要用到大面積的基島時(shí)，就需要考慮用到加強(qiáng)型的設(shè)計(jì)；同時(shí)，接近塑封體邊緣的部分也是脆弱點(diǎn)，也需要一些加強(qiáng)結(jié)合力的方法。

　　框架和塑封模具之間關(guān)系密切，它們互補(bǔ)互足，設(shè)計(jì)模具時(shí)需要綜合考量框架、內(nèi)部芯片擺放位置、走線方向以及塑封料的物理化學(xué)性能。

　　4.2 塑封料

　　塑封料性能的好壞也直接影響可靠性。一般判斷塑封料等級(jí)的首要因素為MSL（潮濕敏感度等級(jí)），MSL等級(jí)越高，其對(duì)芯片的保護(hù)越好。其次，熱硬度即熱轉(zhuǎn)化溫度及與不同金屬面之間的粘結(jié)性能也是需要考慮的重要因素。

　　5 總結(jié)

　　在進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮電性能方面的穩(wěn)定性之外，封裝工藝的可靠性設(shè)計(jì)也是重要的環(huán)節(jié)。封裝工藝需要依靠行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和各個(gè)公司總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，封裝工藝設(shè)計(jì)和可靠性測試與失效分析是密不可分的，它們具有相輔相成的關(guān)系。封裝工藝需要通過可靠性試驗(yàn)來衡量，需要失效分析來尋找問題的原因，需要經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)來得出改進(jìn)的方法。