集成电路塑封中引线框架使用要求

摘要:本文讲述了引线框架的主要特性以及引线框架对封装的影响,提出了一些改进方法。

关键词:引线框架;塑封;IC
中图分类号:305.94 文献标识码
1引言

近年来,随着集成电路技术的进步,集成电路封装也得到了很大的发展。国外厂商纷纷来大陆投资设厂,使国内的封装业变得更为兴旺,这样,作为电子信9、制造业的基础--电子信息材料越来越受到政府各部门、各地区和企业界的关注和重视。集成电路塑封中使用的引线框架是集成电路封装的一种主要结构材料。它在电路中主要起承载IC芯片的作用,同时起连接芯片与外部线路板电信号的作用,以及安装固定的机械作用等(见图1)。

集成电路引线框架一般采用铜材(Cu)或铁镍合金(42#Fe-Ni),考虑到电气、散热与塑封匹配以及成本等方面的因素,目前主要使用铜材,特别是DIP和SIP插入式封装以及SOIC、QFP、PLCC等适合SMT技术要求的封装大多数都采用铜材。
2引线框架的主要性能

根据引线框架在封装体中的作用,要求引线框架具备以下性能:
2.1 良好的导电性能

由图1可以看出,引线框架在塑封体中起到芯片和外面的连接作用,因此要求它要有良好的导电性。另外,在电路设计时,有时地线通过芯片的隔离墙连到引线框架的基座,这就更要求它有良好的导电性。如图2所示。

有的集成电路的工作频率较高,为减少电容和电感等寄生效应,对引线框架的导电性能要求就更高,导电性越高,引线框架产生的阻抗就越小。

一般而言,铜材的导电性比铁镍材料的导电性要好。如:Fe58%-Ni42%的铁镍合金,其电导率为3.0%IACS;掺0.1%Zr的铜材料,其电导率为90%IACS;掺2.3%Fe、0.03%P、0.1%Zn的铜材料,其电导率为65%IACS,因此从上面可以看出,铜材的电导率较好,并且根据掺杂不同,其电导率有较大的差别
2.2 良好的导热性

集成电路在使用时,总要产生热量,尤其是功耗较大的电路,产生的热量就更大,因此在工作时要求主要结构材料引线框架能有很好的导热性,否则在工作状态会由于热量不能及时散去而"烧坏"芯片。导热性一般可由两方面解决,一是增加引线框架基材的厚度,二是选用较大导热系数的金属材料做引线框架。

Fe58%-Ni42%的铁镍合金导热系数为15.89W/cm~℃;掺0.1%Zr的铜材料,其导热系数为359.8W/cm~℃;掺0.1%Fe、0.058%P的铜材料,其导热系数为435.14W/cm℃。可见铜材料的导热系数最好,而且根据掺杂的不同,其导热系数不一样。
2.3良好的热匹配(即热膨胀)

材料受热产生膨胀,在封装体中,引线框架和塑封体的塑封树脂相接触,也和芯片间接接触,因此要求它们有一个良好的热匹配。Fe58%-Ni42%的铁镍合金,其线膨胀系数为43×10-7/℃,一般的铜材料引线框架,其线膨胀系数为(160~180)×10-7/℃,由此可见,铁镍材料的膨胀系数较小,铜材料的膨胀系数较大。铜质引线框架的膨胀系数和塑封树脂的膨胀系数(200×10'7/~C左右)相近,但是和硅芯片的膨胀系数相差较大,硅的膨胀系数为26×l0-7/℃。不过,现在采用的树脂导电胶作为粘片材料,它们的柔韧性强,足以吸收芯片和铜材之间所出现的应力形变。如果是共晶装片,那么就不宜采用线膨胀系数大的钢材做引线框架了。
2.4良好的强度

引线框架无论是在封装过程中,还是在随后的测试及客户在插到印刷线路板的使用过程中,都要求其有良好的抗拉强度。Fe58%-Ni42%的铁镍合金的抗拉强度为0.64GPa,而铜材料合金的抗拉强度一般为0.5GPa以下,因此铜材料的抗拉强度要稍差一些,同样它可以通过掺杂来改善抗拉强度。作为引线框架,一般要求抗拉强度至少应达到441MPa,延伸率大于5%。
2.5 耐热性和耐氧化性

耐热性用软化温度进行衡量。软化温度是将材料加热5分钟后,其硬度变化到最初始硬度的80%的加热温度。通常软化温度在400℃以上便可以使用。材料的耐氧化性对产品的可靠性有很大的影响,要求由于加热而生成的氧化膜尽可能少。
2.6具有一定的耐腐蚀性

引线框架不应发生应力腐蚀裂纹,在一般潮湿气候下不应腐蚀而产生断腿现象。
3封装工艺对引线框架的要求

引线框架作为主要结构材料,从装片开始进人生产过程一直到结束,几乎贯穿整个封装过程,它的设计是否合理、质量控制得好与坏,将影响到封装的几乎所有的重要工序,如装片、键合、塑封、电镀、切筋等,因此根据封装工艺,对引线框架具有以下的要求:
3.1一定的硬度

引线框架在使用过程中,要重复在不同工序的设备的导轨中传送,如果引线框架的硬度不好,极易变形,引起产品报废,甚至损坏设备,现在一般选用1H左右的硬度。硬度Hv应大于130,国外要求引线脚的反复弯曲次数大于等于3次,以后要求会更高。
3.2引线框架的步进特性

一条引线框架上可以装5只~20只电路芯片,甚至更多,因此要求引线框架的定位孔的孔径大小和塑封模及切筋模顶针刚好匹配。其次还要求定位孔的孔径精度和定位孔之间的累积误差都不能太大,否则在设备传输和模具上操作时,会产生不到位和压出金属飞边等。
3.3 引线框架的小岛设计要和芯片匹配- 引线框架的小岛要和芯片匹配,同一种封装形式有不同的IC芯片尺寸,因此同一种引线框架也应有很多种小岛尺寸供选择。同时,引线本身也有内引线脚间距以及内引线脚和小岛之间间距的匹配要求,如图3所示:

3.4 外引线脚的锁定和潮气隔离结构

引线框架和塑封体之间是机械粘接的,因此在引线框架上应有一定的凸起或孔洞将引线框架的脚锁定在固化的塑封体中,这样能很好地阻止在使用过程中的潮气进入到塑封体体内。如图4所示。

3.5应力释放
引线框架产生的两类应力可以通过引线框架设计减少。

最严重的应力之-是由于塑封与金属之间内在的热膨胀系数失配引起的。严重的情况可能发生在热冲击试验时,封装体会弯曲变形到足够的程度而损害器件的功能。将芯片表面放在封装体的中心弯曲轴线上,这样芯片表面的应力就会减小。芯片的粘接平台下凹就是为了达到这种效果。所遇到的另一种应力情况是由应力的集中点产生的。集中点位于每个冲制引线框架底部的边缘,如图5所示。当冲制成形时,冲头穿过片状金属形成一个圆角,它由于摩擦力拉动材料时形成。相反,在出口面一些金属会凸,出形成毛刺,毛刺很锋利并且是应力容易集中之处。一旦出现裂纹,裂纹就会沿着粘接芯片的支撑平台边缘的毛刺向一条水汽浸入通道,这种内部裂纹比较隐蔽,无法用普通的X射线技术探测。给跳步模装置增加一道精压工序来去毛刺,毛刺被锻压成边缘倒角。

3.6塑封支撑基体
引线框架对塑封料起-个支撑基体的作用,塑料可以黏附在它的上面并在模具中形成封装体。塑封模具的上下两部分相互结合在一起,这时塑封料在上下模具之间整体连结在一起,当金属区域增加时,上下两部分切开所需的力会减小,此时在引线弯曲成形或焊接操作时沿着金属与塑料的接触面会产生断裂。

水汽沿金属与塑料连接界面处渗透官幼的减缓与金属框架周围塑料收缩有关,一般情况下,塑料覆盖范围越大,收缩力越大,设计引线框架时理想的塑料与金属面积之比为:
Am/Ap≤1
其中:Am是金属面积,Ap是塑料面积。
3.7内引线脚的镀层质量
为了保证封装工艺中的装片/键合性能,使芯片和金丝与引线框架形成良好的扩散焊接,引线框架的装片/键合区域(内引线脚上和小岛)一般要求压印,然后在上面镀金或镀银,如图6所示。

通过压印可以形成-个光滑致密的表面以获得高质量的镀层,同时提供了一个充足平坦的键合点区域。压印深度一般控制在0.013mm。早期在压印区域都采用镀金工艺,厚度控制在2ltm左右。采用镀金工艺是因为镀金层与引线框架基体和金丝有比其它金属更加好的结合力和焊接性能,保证了很好的装片/键合强度,而且化学性质稳定、耐腐蚀、耐氧化、可靠性好。但是其成本过于昂贵制约了集成电路的飞速发展,于是金的替代品银逐渐被广泛采用。

目前,在引线框架镀银工艺中,一般分为半光亮和光亮镀银两种。镀银层的质量直接影响装片和金丝键合强度,从而最终影响产品的成品率和可靠性。一般镀银层的厚度控制在3~8}μm,银层表面应致密光滑,色泽均匀,呈镀层本色,不允许有起皮、起泡、沾污、斑点、水迹、异物和发花等缺陷。应无明显的污点、脱落或镀层漏镀,无贯穿镀层的划痕;在冷态和热态(250℃)应无明显变色,不允许起皮,起泡,剥落,发花,斑点等缺陷;键合区应易于键合,键合强度大于4gf;外引线脚经弯曲试验后不应出现断裂。另外,光亮度过高的银层,在键合高温时会析出碳氢物质,降低了银面的致密性,提高了空隙率,最终影响键合。
3.8 引线框架的共面性

由于现在引线框架的脚数越来越多,引线框架的内外引脚和小岛的共面性要求较高,否则键合后会断丝等,或者在塑封模具中造成金丝断开。一般要求共面性在100~130μm左右,实际使用时愈严愈好。
3.9 引线框架的弯曲

由于现在封装都是采用自动化设备和精度较高的模具,因此要求引线框架在长度和宽度方向的侧弯较小,否则会在设备导轨中传输时引线变形,在塑封/切筋模具中产生金属飞边。一般在长度方向的弯曲(俗称为侧弯)应控制在50-100μm。
3.10 引线框架的机械位置一致性

由于现在操作都是高速自动化生产,先将引线框架的机械位置等输人到设备里,然后设备认准该数据进行快速自动化生产,如果机械位置不一致,则会造成经常停机,并且会产生大量不合格品,如图7所示。

现在有些引线框架厂家为提高产量,上下两排引线框架同时冲压(也就是相当于两付模具分别同时冲压),然后再切开,这时就不允许这上下两排引线框架混放在一起,因为这两排引线框架不可能完全一致,极有可能造成键合机能识别上排引线框架就无法识别下排引线框架的现象。

有时虽然是同一模具冲压出来的引线框架,但是模具冲压次数过多,或者后面的电镀等相应工序的控制不好,也会产生机械位置不一致。

3.11引线框架的运输过程控制

现在的引线框架大都是基岛下凹的。如果运输过程控制不好,就会造成引线框架基岛的吊筋浮起或下沉,特别是有四根吊筋的引线框架,如QFP引线框架尤为严重。如图8所示。

一般引线框架出厂时,吊筋是正常的,而到了客户那里,就会出现吊筋上浮和下沉的现象,显然是运输过程中造成的。对生产线上的引线框架进行抽样调查和统计,吊筋上浮一般是在每包引线框架最上面的5条,而吊筋下沉一般是在每包引线框架的最后5条。改变角度,减少运输过程中的震动,对减少吊筋异常是有帮助的。
4结束语

随着微电子技术的迅速发展,集成电路复杂度的增加,集成电路具有更小的外形,更高的性能。这就对集成电路塑封引线框架提出了更高的要求,要求引线框架具备更高的电性能,更高的可靠性。因此引线框架制造要不断技术更新,严格质量管理,更好地适应封装技术和集成电路发展的需求