摘 要： 

集成電路封裝行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)粘片后產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性提出了更高的要求，粘片工藝對(duì)集成電路可靠性有著至關(guān)重要的影響。采用單一控制變量法，研究硅微粉含量對(duì)QFP(Quad Flat Package)封裝可靠性的影響；利用正交試驗(yàn)工具，探究在粘片工藝中，不同的膠層厚度和膠層面積對(duì)QFP封裝后可靠性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，添加適量的硅微粉有助于提高環(huán)氧模塑料對(duì)QFP封裝后的可靠性；粘片工藝中，當(dāng)膠層厚度為30 μm、膠層面積大于或等于芯片面積時(shí)，QFP封裝后的可靠性最好。

1、引言

隨著集成電路向高密度、高性能方向快速發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體元器件可靠性的要求越來越高，對(duì)于國內(nèi)絕大部分上規(guī)模的封測企業(yè)來說，其材料性能及設(shè)備能力完全具備制造的能力，技術(shù)和設(shè)備已不再是產(chǎn)品達(dá)到可靠性要求的主要關(guān)鍵限制因素，反而工藝過程成為了主要限制因素。傳統(tǒng)的芯片貼片工藝正在由共晶焊慢慢向點(diǎn)膠過渡，傳統(tǒng)的共晶焊接工藝中，焊料與襯底金屬間容易生成界面金屬間化合物 (IMC)，對(duì)焊點(diǎn)的可靠性影響很大。當(dāng)金屬間化合物 IMC 層的厚度值增大到一定的臨界值時(shí)，金屬間化合物 IMC 層界面上的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，IMC 層界面間的空穴逐漸形成并不斷發(fā)展擴(kuò)大，在 IMC 層的界面上容易發(fā)生斷裂破壞。

粘片又稱固晶，是通過介質(zhì) ( 膠體或合金片 ) 把芯片粘接在基板 ( 或管殼 ) 的指定區(qū)域，用粘片膠把芯片按照一定的方位裝置到引線框架襯底上并進(jìn)行固化，形成熱通路或電通路，為后序的鍵合提供條件的工序。粘片工藝是 IC 器件和 MEMS 器件封裝工藝中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在 IC 貼片中，該工藝主要影響 IC 的導(dǎo)熱性和可靠性；在 MEMS 電路中，粘片工藝還會(huì)造成 MEMS 器件運(yùn)動(dòng)部件和功能部件的損壞。粘片不僅具有工藝靈活、簡單、工藝溫度低和不需要助焊劑等優(yōu)點(diǎn)，而且其工藝設(shè)備也相對(duì)便宜、簡單，無論是工藝操作、工藝要求還是成本都比較低，應(yīng)用越來越廣泛。本文主要以 Henkel-8200T 這款粘片膠為研究對(duì)象，衡所華威的 GRX 為封裝材料，探究不同環(huán)氧模塑料、不同的膠層厚度 (BLT)、膠層面積對(duì)QFP 封裝可靠性的影響。

2、試驗(yàn)部分 

2.1　主要材料及設(shè)備

主要原料 ：環(huán)氧樹脂，長春樹脂廠 ；酚醛樹脂，日本化藥株式會(huì)社；球型硅微粉，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司 ；催化劑，日本四國化成工業(yè)株式會(huì)社 ；QFP 框架，寧波康強(qiáng)股份有限公司；8200T 粘片膠，德國漢高。

主要設(shè)備 ：高速混合機(jī)，GJ016 ；雙輥擠出機(jī)，BH679068 ；模壓機(jī)， SKMP002-250-7 ；超聲掃描儀，Sonix ；八溫區(qū)回流焊，Heller Industries。

2.2 EMC-GRX的配方及制備

EMC-GRX 主要原材料及配方如表1 所示，放入高速攪拌混合機(jī)中，高速混合 25 min。然后利用雙輥捏合機(jī)對(duì)粉料進(jìn)行捏合，混煉溫度在 70~120 ℃ 之間，混煉后經(jīng)過壓輥、冷卻、粗粉碎、細(xì)粉碎后經(jīng)過 360° 旋轉(zhuǎn)混合，得到EMC-GRX1(Epoxy Molding Compound)、EMC-GRX2、EMC-GRX3 3 個(gè)樣品。

2.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)見表 2，采用單一控制變量法、利用正交試驗(yàn)工具，研究不同模塑料、膠層厚度、膠層面積對(duì)QFP 封裝后分層的影響。芯片面積為 2.3 mm×2.3 mm，其中膠層面積大代表膠層面積大于2.3 mm×2.3 mm，膠層面積小代表膠層面積小于2.3 mm×2.3 mm，膠層面積常規(guī)代表膠層面積等于2.3 mm×2.3 mm。MSL3/MSL1( Moisture Sensitivity Level)的考核按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)。

本次試驗(yàn)的考核流程如圖 1 所示，封裝后的 QFP經(jīng)過沖筋打彎后在 125 ℃ 的條件下烘烤 4 h，然后按照 MSL3/1 的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)元器件進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)束后經(jīng)過 3次八溫區(qū)的回流焊 ( 最高溫度為 260 ℃)，最后用超聲掃描儀對(duì)元器件進(jìn)行掃描。

3、試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 3種不同模塑料對(duì)可靠性的影響

采用圖 1 的考核流程，得到 3 種模塑料在 MSL3/MSL1 后的分層考核結(jié)果，如表 3 所示。

從表 3 可以看出，GRX1 塑封料在 MSL3 后分層較少，MSL1 后分層嚴(yán)重 ；GRX2 塑封料在 MSL3 后芯片周圍無分層，MSL1 后芯片周圍嚴(yán)重分層；GRX3 塑封料在 MSL3/MSL1 后芯片周圍皆沒有發(fā)現(xiàn)分層。這主要是因?yàn)?GRX2/GRX3 兩款塑封料含有的硅微粉較 GRX1 的多，硅微粉增加，吸水率減少，故分層較好。模塑料吸入的濕氣會(huì)加速電子元器件的損壞，而且對(duì)元件焊接過程中的影響也非常巨大。這是因?yàn)樵骷附佣际窃诟邷叵逻M(jìn)行波峰焊或回流焊并由焊接設(shè)備自動(dòng)完成的。當(dāng)將元器件固定到 PCB 板上時(shí)，回流焊快速加熱將在元器件內(nèi)部形成壓力，由于不同封裝結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此可能產(chǎn)生元器件封裝不能承受的壓力。當(dāng)將元器件暴露在回流焊接期間，由于環(huán)境溫度不斷升高，QFP 元件內(nèi)部的潮氣會(huì)產(chǎn)生足夠的蒸汽壓力，損傷或毀壞元件，嚴(yán)重的會(huì)造成“爆米花”效應(yīng)。選擇GRX1、GRX2這兩款塑封料為對(duì)象，研究 BLT、膠層面積對(duì) QFP 封裝后可靠性的影響。

3.2　不同的BLT對(duì)可靠性的影響

采用圖 1 的考核流程，得到 GRX1/GRX2 兩種模塑料在不同的 BLT 后 MSL3/MSL1 后的分層考核結(jié)果，如表 4 所示。

從表 4 可以看出，當(dāng) BLT 為 10 μm 時(shí)，兩款材料在 MSL3/MSL1 后芯片周邊分層很嚴(yán)重；當(dāng) BLT 為20 μm 時(shí)，兩款材料在 MSL3/MSL1 后的分層有所改善；當(dāng) BLT 為 30 μm 時(shí)，兩款材料在 MSL3/MSL1 后的芯片周圍分層效果最佳。不同 BLT 條件下芯片對(duì)框架的粘結(jié)強(qiáng)度如圖 2 所示，當(dāng) BLT 為 10 μm 時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最差，BLT 為 30 μm 時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最大，BLT 為20 μm 時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度介于兩者之間，粘結(jié)強(qiáng)度越強(qiáng)，分層越好。

3.3　不同膠層面積對(duì)可靠性的影響

采用圖 1 的考核流程，得到 GRX1/GRX2 兩種模塑料在不同的膠層面積下 MSL3/MSL1 后的分層考核結(jié)果，如表 5 所示。

從表 4 可以看出，在 BLT 為 20 μm 的條件下，當(dāng)膠層面積大于2.3 mm×2.3 mm時(shí)，芯片周邊分層最少，當(dāng)膠層面積小于 2.3 mm×2.3 mm 時(shí)，芯片周邊分層越差。膠層面積為 2.3 mm×2.3 mm 時(shí)，芯片周圍分層與膠層面積大于 2.3 mm×2.3 mm 時(shí)的效果相當(dāng)。

不同膠層面積下芯片對(duì)框架的粘結(jié)強(qiáng)度如圖 3 所示，可以看出，當(dāng)膠層面積大于 2.3 mm×2.3 mm 時(shí)，芯片與框架的粘結(jié)強(qiáng)度最大，達(dá)到 3899 N，當(dāng)膠層面積小于2.3 mm×2.3 mm時(shí)，芯片與框架的粘結(jié)強(qiáng)度最小，只有 2891 N，膠層面積等于 2.3 mm×2.3 mm 的粘結(jié)強(qiáng)度介于兩者之間。膠層面積大于 2.3 mm×2.3 mm 時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度雖比膠層面積等于 2.3 mm×2.3 mm 時(shí)的大，但兩者的分層效果卻相當(dāng)。這可能是由于膠層面積太大，膠溢在芯片周邊，過回流焊時(shí)膠中的揮發(fā)物揮發(fā)導(dǎo)致的。

總結(jié)

本文針對(duì) QFN 元器件采用粘片工藝將芯片固定在基板上，以 Henkel-8200T 粘片膠為研究對(duì)象，衡所華威的 GRX 模塑料為封裝材料，探究不同模塑料、不同膠的 BLT 和不同膠層面積對(duì) QFP 分層的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：環(huán)氧模塑料中添加適量的硅微粉有助于改善QFP封裝后的分層性能 ；芯片與基板之間的粘結(jié)強(qiáng)度越大，分層的效果越好，當(dāng) BLT 為 30 μm 時(shí)較 BLT 為20 μm 和 BLT 為 10 μm 時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度大，故 QFP 的分層效果最好 ；當(dāng)膠水面積大于芯片面積時(shí)，芯片與基板之間的粘結(jié)強(qiáng)度越大，但膠水面積較大時(shí)，膠水會(huì)外溢在芯片周圍影響可靠性，故膠水面積大于或等于芯片面積時(shí)，兩者的 QFP 的分層效果相當(dāng)，皆較膠水面積小于芯片面積時(shí)的分層效果好。