集成電路塑封中引線框架使用要求

摘要：本文講述了引線框架的主要特性以及引線框架對(duì)封裝的影響，提出了一些改進(jìn)方法。

　　關(guān)鍵詞：引線框架；塑封；IC

　　中圖分類號(hào)：305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

　　1引言

　　近年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，集成電路封裝也得到了很大的發(fā)展。國(guó)外廠商紛紛來(lái)大陸投資設(shè)廠，使國(guó)內(nèi)的封裝業(yè)變得更為興旺，這樣，作為電子信9、制造業(yè)的基礎(chǔ)--電子信息材料越來(lái)越受到政府各部門、各地區(qū)和企業(yè)界的關(guān)注和重視。集成電路塑封中使用的引線框架是集成電路封裝的一種主要結(jié)構(gòu)材料。它在電路中主要起承載IC芯片的作用，同時(shí)起連接芯片與外部線路板電信號(hào)的作用，以及安裝固定的機(jī)械作用等(見(jiàn)圖1)。

　　集成電路引線框架一般采用銅材(Cu)或鐵鎳合金(42#Fe-Ni)，考慮到電氣、散熱與塑封匹配以及成本等方面的因素，目前主要使用銅材，特別是DIP和SIP插入式封裝以及SOIC、QFP、PLCC等適合SMT技術(shù)要求的封裝大多數(shù)都采用銅材。

　　2引線框架的主要性能

　　根據(jù)引線框架在封裝體中的作用，要求引線框架具備以下性能：

　　2．1 良好的導(dǎo)電性能

　　由圖1可以看出，引線框架在塑封體中起到芯片和外面的連接作用，因此要求它要有良好的導(dǎo)電性。另外，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)地線通過(guò)芯片的隔離墻連到引線框架的基座，這就更要求它有良好的導(dǎo)電性。如圖2所示。

　　有的集成電路的工作頻率較高，為減少電容和電感等寄生效應(yīng)，對(duì)引線框架的導(dǎo)電性能要求就更高，導(dǎo)電性越高，引線框架產(chǎn)生的阻抗就越小。

　　一般而言，銅材的導(dǎo)電性比鐵鎳材料的導(dǎo)電性要好。如：Fe58％-Ni42％的鐵鎳合金，其電導(dǎo)率為3．0％IACS；摻0．1％Zr的銅材料，其電導(dǎo)率為90％IACS；摻2．3％Fe、0．03％P、0．1％Zn的銅材料，其電導(dǎo)率為65％IACS，因此從上面可以看出，銅材的電導(dǎo)率較好，并且根據(jù)摻雜不同，其電導(dǎo)率有較大的差別

　　2．2 良好的導(dǎo)熱性

　　集成電路在使用時(shí)，總要產(chǎn)生熱量，尤其是功耗較大的電路，產(chǎn)生的熱量就更大，因此在工作時(shí)要求主要結(jié)構(gòu)材料引線框架能有很好的導(dǎo)熱性，否則在工作狀態(tài)會(huì)由于熱量不能及時(shí)散去而"燒壞"芯片。導(dǎo)熱性一般可由兩方面解決，一是增加引線框架基材的厚度，二是選用較大導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料做引線框架。

　　Fe58％-Ni42％的鐵鎳合金導(dǎo)熱系數(shù)為15．89W／cm~℃；摻0．1％Zr的銅材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為359．8W／cm~℃；摻0．1％Fe、0．058％P的銅材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為435．14W／cm℃?？梢?jiàn)銅材料的導(dǎo)熱系數(shù)最好，而且根據(jù)摻雜的不同，其導(dǎo)熱系數(shù)不一樣。

　　2．3良好的熱匹配(即熱膨脹)

　　材料受熱產(chǎn)生膨脹，在封裝體中，引線框架和塑封體的塑封樹(shù)脂相接觸，也和芯片間接接觸，因此要求它們有一個(gè)良好的熱匹配。Fe58％-Ni42％的鐵鎳合金，其線膨脹系數(shù)為43×10-7／℃，一般的銅材料引線框架，其線膨脹系數(shù)為(160~180)×10-7／℃，由此可見(jiàn)，鐵鎳材料的膨脹系數(shù)較小，銅材料的膨脹系數(shù)較大。銅質(zhì)引線框架的膨脹系數(shù)和塑封樹(shù)脂的膨脹系數(shù)(200×10''7／~C左右)相近，但是和硅芯片的膨脹系數(shù)相差較大，硅的膨脹系數(shù)為26×l0-7／℃。不過(guò)，現(xiàn)在采用的樹(shù)脂導(dǎo)電膠作為粘片材料，它們的柔韌性強(qiáng)，足以吸收芯片和銅材之間所出現(xiàn)的應(yīng)力形變。如果是共晶裝片，那么就不宜采用線膨脹系數(shù)大的鋼材做引線框架了。

　　2．4良好的強(qiáng)度

　　引線框架無(wú)論是在封裝過(guò)程中，還是在隨后的測(cè)試及客戶在插到印刷線路板的使用過(guò)程中，都要求其有良好的抗拉強(qiáng)度。Fe58％-Ni42％的鐵鎳合金的抗拉強(qiáng)度為0．64GPa，而銅材料合金的抗拉強(qiáng)度一般為0．5GPa以下，因此銅材料的抗拉強(qiáng)度要稍差一些，同樣它可以通過(guò)摻雜來(lái)改善抗拉強(qiáng)度。作為引線框架，一般要求抗拉強(qiáng)度至少應(yīng)達(dá)到441MPa，延伸率大于5％。

　　2．5 耐熱性和耐氧化性

　　耐熱性用軟化溫度進(jìn)行衡量。軟化溫度是將材料加熱5分鐘后，其硬度變化到最初始硬度的80％的加熱溫度。通常軟化溫度在400℃以上便可以使用。材料的耐氧化性對(duì)產(chǎn)品的可靠性有很大的影響，要求由于加熱而生成的氧化膜盡可能少。

　　2．6具有一定的耐腐蝕性

　　引線框架不應(yīng)發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋，在一般潮濕氣候下不應(yīng)腐蝕而產(chǎn)生斷腿現(xiàn)象。

　　3封裝工藝對(duì)引線框架的要求

　　引線框架作為主要結(jié)構(gòu)材料，從裝片開(kāi)始進(jìn)人生產(chǎn)過(guò)程一直到結(jié)束，幾乎貫穿整個(gè)封裝過(guò)程，它的設(shè)計(jì)是否合理、質(zhì)量控制得好與壞，將影響到封裝的幾乎所有的重要工序，如裝片、鍵合、塑封、電鍍、切筋等，因此根據(jù)封裝工藝，對(duì)引線框架具有以下的要求：

　　3．1一定的硬度

　　引線框架在使用過(guò)程中，要重復(fù)在不同工序的設(shè)備的導(dǎo)軌中傳送，如果引線框架的硬度不好，極易變形，引起產(chǎn)品報(bào)廢，甚至損壞設(shè)備，現(xiàn)在一般選用1H左右的硬度。硬度Hv應(yīng)大于130，國(guó)外要求引線腳的反復(fù)彎曲次數(shù)大于等于3次，以后要求會(huì)更高。

　　3．2引線框架的步進(jìn)特性

　　一條引線框架上可以裝5只~20只電路芯片，甚至更多，因此要求引線框架的定位孔的孔徑大小和塑封模及切筋模頂針剛好匹配。其次還要求定位孔的孔徑精度和定位孔之間的累積誤差都不能太大，否則在設(shè)備傳輸和模具上操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不到位和壓出金屬飛邊等。

　　3．3 引線框架的小島設(shè)計(jì)要和芯片匹配- 引線框架的小島要和芯片匹配，同一種封裝形式有不同的IC芯片尺寸，因此同一種引線框架也應(yīng)有很多種小島尺寸供選擇。同時(shí)，引線本身也有內(nèi)引線腳間距以及內(nèi)引線腳和小島之間間距的匹配要求，如圖3所示：

　　3．4 外引線腳的鎖定和潮氣隔離結(jié)構(gòu)

　　引線框架和塑封體之間是機(jī)械粘接的，因此在引線框架上應(yīng)有一定的凸起或孔洞將引線框架的腳鎖定在固化的塑封體中，這樣能很好地阻止在使用過(guò)程中的潮氣進(jìn)入到塑封體體內(nèi)。如圖4所示。

　　3．5應(yīng)力釋放

　　引線框架產(chǎn)生的兩類應(yīng)力可以通過(guò)引線框架設(shè)計(jì)減少。

　　最嚴(yán)重的應(yīng)力之-是由于塑封與金屬之間內(nèi)在的熱膨脹系數(shù)失配引起的。嚴(yán)重的情況可能發(fā)生在熱沖擊試驗(yàn)時(shí)，封裝體會(huì)彎曲變形到足夠的程度而損害器件的功能。將芯片表面放在封裝體的中心彎曲軸線上，這樣芯片表面的應(yīng)力就會(huì)減小。芯片的粘接平臺(tái)下凹就是為了達(dá)到這種效果。所遇到的另一種應(yīng)力情況是由應(yīng)力的集中點(diǎn)產(chǎn)生的。集中點(diǎn)位于每個(gè)沖制引線框架底部的邊緣，如圖5所示。當(dāng)沖制成形時(shí)，沖頭穿過(guò)片狀金屬形成一個(gè)圓角，它由于摩擦力拉動(dòng)材料時(shí)形成。相反，在出口面一些金屬會(huì)凸，出形成毛刺，毛刺很鋒利并且是應(yīng)力容易集中之處。一旦出現(xiàn)裂紋，裂紋就會(huì)沿著粘接芯片的支撐平臺(tái)邊緣的毛刺向一條水汽浸入通道，這種內(nèi)部裂紋比較隱蔽，無(wú)法用普通的X射線技術(shù)探測(cè)。給跳步模裝置增加一道精壓工序來(lái)去毛刺，毛刺被鍛壓成邊緣倒角。

　　3．6塑封支撐基體

　　引線框架對(duì)塑封料起-個(gè)支撐基體的作用，塑料可以黏附在它的上面并在模具中形成封裝體。塑封模具的上下兩部分相互結(jié)合在一起，這時(shí)塑封料在上下模具之間整體連結(jié)在一起，當(dāng)金屬區(qū)域增加時(shí)，上下兩部分切開(kāi)所需的力會(huì)減小，此時(shí)在引線彎曲成形或焊接操作時(shí)沿著金屬與塑料的接觸面會(huì)產(chǎn)生斷裂。

　　水汽沿金屬與塑料連接界面處滲透官幼的減緩與金屬框架周圍塑料收縮有關(guān)，一般情況下，塑料覆蓋范圍越大，收縮力越大，設(shè)計(jì)引線框架時(shí)理想的塑料與金屬面積之比為：

　　Am／Ap≤1

　　其中：Am是金屬面積，Ap是塑料面積。

　　3．7內(nèi)引線腳的鍍層質(zhì)量

　　為了保證封裝工藝中的裝片／鍵合性能，使芯片和金絲與引線框架形成良好的擴(kuò)散焊接，引線框架的裝片／鍵合區(qū)域(內(nèi)引線腳上和小島)一般要求壓印，然后在上面鍍金或鍍銀，如圖6所示。

　　通過(guò)壓印可以形成-個(gè)光滑致密的表面以獲得高質(zhì)量的鍍層，同時(shí)提供了一個(gè)充足平坦的鍵合點(diǎn)區(qū)域。壓印深度一般控制在0．013mm。早期在壓印區(qū)域都采用鍍金工藝，厚度控制在2ltm左右。采用鍍金工藝是因?yàn)殄兘饘优c引線框架基體和金絲有比其它金屬更加好的結(jié)合力和焊接性能，保證了很好的裝片／鍵合強(qiáng)度，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、耐氧化、可靠性好。但是其成本過(guò)于昂貴制約了集成電路的飛速發(fā)展，于是金的替代品銀逐漸被廣泛采用。

　　目前，在引線框架鍍銀工藝中，一般分為半光亮和光亮鍍銀兩種。鍍銀層的質(zhì)量直接影響裝片和金絲鍵合強(qiáng)度，從而最終影響產(chǎn)品的成品率和可靠性。一般鍍銀層的厚度控制在3~8}μm，銀層表面應(yīng)致密光滑，色澤均勻，呈鍍層本色，不允許有起皮、起泡、沾污、斑點(diǎn)、水跡、異物和發(fā)花等缺陷。應(yīng)無(wú)明顯的污點(diǎn)、脫落或鍍層漏鍍，無(wú)貫穿鍍層的劃痕；在冷態(tài)和熱態(tài)(250℃)應(yīng)無(wú)明顯變色，不允許起皮，起泡，剝落，發(fā)花，斑點(diǎn)等缺陷；鍵合區(qū)應(yīng)易于鍵合，鍵合強(qiáng)度大于4gf；外引線腳經(jīng)彎曲試驗(yàn)后不應(yīng)出現(xiàn)斷裂。另外，光亮度過(guò)高的銀層，在鍵合高溫時(shí)會(huì)析出碳?xì)湮镔|(zhì)，降低了銀面的致密性，提高了空隙率，最終影響鍵合。

　　3．8 引線框架的共面性

　　由于現(xiàn)在引線框架的腳數(shù)越來(lái)越多，引線框架的內(nèi)外引腳和小島的共面性要求較高，否則鍵合后會(huì)斷絲等，或者在塑封模具中造成金絲斷開(kāi)。一般要求共面性在100~130μm左右，實(shí)際使用時(shí)愈嚴(yán)愈好。

　　3．9 引線框架的彎曲

　　由于現(xiàn)在封裝都是采用自動(dòng)化設(shè)備和精度較高的模具，因此要求引線框架在長(zhǎng)度和寬度方向的側(cè)彎較小，否則會(huì)在設(shè)備導(dǎo)軌中傳輸時(shí)引線變形，在塑封／切筋模具中產(chǎn)生金屬飛邊。一般在長(zhǎng)度方向的彎曲(俗稱為側(cè)彎)應(yīng)控制在50-100μm。

　　3．10 引線框架的機(jī)械位置一致性

　　由于現(xiàn)在操作都是高速自動(dòng)化生產(chǎn)，先將引線框架的機(jī)械位置等輸人到設(shè)備里，然后設(shè)備認(rèn)準(zhǔn)該數(shù)據(jù)進(jìn)行快速自動(dòng)化生產(chǎn)，如果機(jī)械位置不一致，則會(huì)造成經(jīng)常停機(jī)，并且會(huì)產(chǎn)生大量不合格品，如圖7所示。

　　現(xiàn)在有些引線框架廠家為提高產(chǎn)量，上下兩排引線框架同時(shí)沖壓(也就是相當(dāng)于兩付模具分別同時(shí)沖壓)，然后再切開(kāi)，這時(shí)就不允許這上下兩排引線框架混放在一起，因?yàn)檫@兩排引線框架不可能完全一致，極有可能造成鍵合機(jī)能識(shí)別上排引線框架就無(wú)法識(shí)別下排引線框架的現(xiàn)象。

　　有時(shí)雖然是同一模具沖壓出來(lái)的引線框架，但是模具沖壓次數(shù)過(guò)多，或者后面的電鍍等相應(yīng)工序的控制不好，也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械位置不一致。

　　3．11引線框架的運(yùn)輸過(guò)程控制

　　現(xiàn)在的引線框架大都是基島下凹的。如果運(yùn)輸過(guò)程控制不好，就會(huì)造成引線框架基島的吊筋浮起或下沉，特別是有四根吊筋的引線框架，如QFP引線框架尤為嚴(yán)重。如圖8所示。

　　一般引線框架出廠時(shí)，吊筋是正常的，而到了客戶那里，就會(huì)出現(xiàn)吊筋上浮和下沉的現(xiàn)象，顯然是運(yùn)輸過(guò)程中造成的。對(duì)生產(chǎn)線上的引線框架進(jìn)行抽樣調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，吊筋上浮一般是在每包引線框架最上面的5條，而吊筋下沉一般是在每包引線框架的最后5條。改變角度，減少運(yùn)輸過(guò)程中的震動(dòng)，對(duì)減少吊筋異常是有幫助的。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路復(fù)雜度的增加，集成電路具有更小的外形，更高的性能。這就對(duì)集成電路塑封引線框架提出了更高的要求，要求引線框架具備更高的電性能，更高的可靠性。因此引線框架制造要不斷技術(shù)更新，嚴(yán)格質(zhì)量管理，更好地適應(yīng)封裝技術(shù)和集成電路發(fā)展的需求。