第9章 塑料封裝【高等教學】

1、第9章 塑料封裝,1,行業(yè)學習,塑料封裝的散熱性、耐熱性、密封性雖遜于陶瓷封裝和金屬封裝，但塑料封裝具有低成本、薄型化、工藝較為簡單、適合自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，它的應用范圍極廣,2,行業(yè)學習,9.1塑料封裝簡介,1、塑料封裝的結(jié)構(gòu) 塑料封裝包括：芯片、金屬支撐底座或框架、連接芯片到框架的焊線以及保護芯片及內(nèi)部連線的環(huán)氧塑封料?？蚣芸捎勉~合金，或用42合金（42Ni-58Fe）或50合金（50Ni-50Fe）制成，然后鍍金、銀或者鈀，可以在鎳或鎳-鈷合金上全鍍或選鍍,3,行業(yè)學習,2.塑料封裝的形式,塑封微電子器件一般可制成表面安裝式或通孔插裝式。 通孔插裝式安裝器件又分為以下幾種： （1）塑料雙列

2、直插式封裝：矩形的塑封體，在矩形塑封體比較長的兩側(cè)面有雙列管腳，相鄰管腳之間的節(jié)距為2.54mm，適合于大批量低成本生產(chǎn)。 （2）單列直插式封裝形狀為矩形，管腳在邊長的一側(cè)，特點是外形高，焊接區(qū)小，成本低。 （3）塑料針柵封裝是密度最高的插孔式安裝封裝外，為塑封器件提供了最高的有用的管腳數(shù),4,行業(yè)學習,塑料封裝的形式(2,表面安裝器件分為：小外形封裝（SOP）、塑料有引線片式載體（PLCC）及塑料四邊引線扁平封裝（PQFP）。 SOP與DIP相似，只是管腳形狀是翼形。SOJ是SOP的演變，其管腳按照J字形彎曲并折向塑封體。特點是焊盤所占PWB面積比翼形小，但焊點不易檢驗。PLCC是引線在封裝

3、體的四周，節(jié)距為1.27mm，并形成J字形結(jié)構(gòu)。特點是安裝密度高，管腳短且一致性較好。PQFP是正方形或矩形封裝。分布于四邊,5,行業(yè)學習,3.封裝工藝分類,塑料封裝有預塑或后塑兩種方法： 預塑是先模制出一個塑料底座，然后將芯片放在上面，用引線將芯片連接到I/O的輸出端，環(huán)氧樹脂粘附到框架管腳上形成一個腔體。預塑模式通常用于多管腳器件或針柵陣列封裝,6,行業(yè)學習,3.封裝工藝分類,后塑是先將芯片粘接到框架，再將框架送入多個型腔的包封模，通過遞模成型工藝用熱固型塑料進行包封。后塑模式比預封模式便宜,7,行業(yè)學習,4.塑料封裝與陶瓷封裝的比較,塑料封裝器件在尺寸、重量、性能、成本、可靠性及實用性方

4、面優(yōu)于氣密性封裝。估計塑封器件占世界商用芯片封裝市場的97。 尺寸及重量：大部分塑封器件重量大約是陶瓷封裝的一半。如14腳雙列直插封裝（DIP）重量大約為1g，而14腳陶瓷封裝重2g。較小結(jié)構(gòu)如小外形封裝（SOP），較薄的結(jié)構(gòu)如薄形小外形封裝（TSOP）僅適用于塑封。從而提高組裝密度，減少器件傳遞延遲。 性能：塑料的介電特性優(yōu)于陶瓷。與標準的共燒陶瓷相比，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)較低，而銅框架的引線電感較可伐框架小,8,行業(yè)學習,塑料封裝與陶瓷封裝的比較（2,成本：塑封器件成本較陶瓷封裝低很多。一個完整的塑封電路成本由下列因素決定，如芯片、包封、生產(chǎn)量、尺寸、組裝費用及成品率、篩選、早期老煉及成品率

5、，最終老煉測試及成品率、強制性的質(zhì)量鑒定試驗。 可靠性：陶瓷封裝可靠性較高。近年來，塑封器件的可靠性有了極大的提高，主要是由于封裝材料、芯片鈍化及制造工藝有了改進，特別是現(xiàn)代塑封材料的雜質(zhì)離子含量低，對其它封裝材料有很好的粘附性、玻璃轉(zhuǎn)化溫度較高、熱導率高、與框架的熱膨脹系數(shù)能較好地匹配 可用性：在全球競爭下，工業(yè)上材料及制造工藝的研究集中在塑封器件方面，97以上的集成電路封裝形式為塑封,9,行業(yè)學習,塑料封裝與陶瓷封裝的比較（3,塑料封裝走過了漫長的歷程，它在外形、重量、性能、成本及可用性方面都顯著地超過了陶瓷封裝，塑封器件的可靠性不再是制約它廣泛使用的障礙。早期潮氣誘發(fā)的失效機理如腐蝕、裂

6、紋、界面脫層非常顯著，但包封料、芯片鈍化、金屬化技術(shù)及全自動組裝的發(fā)展使塑料封裝成為包封技術(shù)的未來,10,行業(yè)學習,9.2塑料封裝材料,9.2.1塑料封裝主要材料 酚醛樹脂、硅膠等熱硬化型塑膠為塑料封裝最主要的材料。 早期酚醛樹脂材料有氯與鈉離子殘余。酚醛樹脂本身不產(chǎn)生氨，但在使用時加入了六亞甲基四胺以利于固化，這些元素會在加熱時反應產(chǎn)生氨氣，這會造成腐蝕破壞。 由于材料純化技術(shù)的進步，酚醛樹脂中的殘余氯離子濃度已經(jīng)可以控制在數(shù)個ppm一下，因此它仍然是最普通的塑料封裝材料,11,行業(yè)學習,塑料封裝主要材料（2,硅膠樹脂的主要優(yōu)點為無殘余的氯、鈉離子，低玻璃轉(zhuǎn)移溫度（約在2070），材質(zhì)光滑故

7、鑄膜成型時無須加入模具松脫劑（Mold Release Agent）。但材質(zhì)光滑也是主要的缺點，硅膠樹脂光滑的材質(zhì)使其與IC芯片，導線之間的黏著性質(zhì)不佳，而衍生密封性不良的問題,12,行業(yè)學習,塑料封裝主要材料（3,以上所述的兩種鑄膜材料均不具有完整的理想特性，不能單獨適用于塑料封裝的鑄膜成型，因此塑料鑄膜材料必須添加多種有機與無機材料，以使其具有最佳的性質(zhì),13,行業(yè)學習,9.2.2主要添加劑,1）加速劑：其通常與硬化劑拌和使用，功能為在鑄膜熱壓過程中引發(fā)樹脂的交聯(lián)作用，加速其反應，加速劑含量將影響鑄膜材料的凝膠硬化速度。 （2）硬化劑：某種化學活性化合物，加入它可使環(huán)氧樹脂從液態(tài)（熱塑性）

8、變成堅硬的固態(tài)。 （3）填充劑主要功能為鑄膜材料的基底強化、降低熱膨脹系數(shù)、提高熱傳導率及熱震波阻抗性等；同時，無機填充劑較樹脂類材料價格低廉，故可降低鑄膜材料的制作成本,14,行業(yè)學習,9.2.2主要添加劑（2,4）阻燃劑：由于樹脂材料本身易燃，因而要加入鹵素形態(tài)的阻燃劑。 （5）脫模劑：由于樹脂材料對各種表面有很好的粘附性，這給塑封料從模具上分離造成困難。因此需要加入脫模劑。脫模劑是一種用在兩個彼此易于粘著的物體表面的一個界面涂層，它可使物體表面易于脫離、光滑及潔凈。 （6）黑色色素是為外殼顏色美觀與統(tǒng)一標準，塑料封裝外觀通常以黑色為標準色澤,15,行業(yè)學習,9.3塑料封裝工藝,1.自動排

9、片 自動排片機大大提高了塑封的自動化，它通過氣動機構(gòu)將多個片盒中的框架送到排料等待區(qū)，再由X，Y運動機構(gòu)將框架放到料架上，由加熱系統(tǒng)進行加熱,16,行業(yè)學習,2、塑封,塑封裝置分為很多種，其主要有：傳遞塑封機和反應射出成型機。 （1）傳遞塑封機 傳遞塑模工藝是集成電路封裝最普遍的方法。它通過加壓，將加料室中熱的黏稠狀態(tài)的熱固性材料，通過料道、澆口進入閉合閉合模腔內(nèi)制造塑封元件的過程,17,行業(yè)學習,18,行業(yè)學習,模具可區(qū)分為上、下兩部分，接合的部分稱為隔線（Paring Line），每一部分各有一組壓印板（Platen）與模板（Chase），壓印板是與擠制桿相連的厚鋼片，其功能為鑄模壓力與熱

10、的傳送，底部的壓印板還有推出桿（Ejector Pins）與凸輪（Cams）裝置以供鑄模完成，元器件退出使用。模板為刻有元器件的鑄孔、進料、閘口（Gates）與輸送道的鋼板以供軟化的樹脂原料流入而完成鑄模,19,行業(yè)學習,圖 塑封模具,20,行業(yè)學習,2）反應噴射成型,反應式射出成型的塑膠封裝是將所需的原料分別置于兩組容器中攪拌，再輸入鑄孔中使其發(fā)生聚合反應完成涂封，它的制備設(shè)備如下圖所示,21,行業(yè)學習,反應式射出成型工藝能免除傳輸鑄模工藝的缺點，其優(yōu)點有： 能源成本低； 低鑄模壓力（約0.30.5Mpa），能減低倒線發(fā)生的機會； 使用的原料一般有較佳的芯片表面濕潤能力； 適用于以TAB連線

11、的IC芯片密封； 可使用熱固化型與熱塑型材料進行鑄模,反應式射出成型工藝的缺點則為： 原料須均勻地攪拌; 目前尚無一標準化的樹脂原料為電子封裝業(yè)者所接受,22,行業(yè)學習,3、去溢料,集成電路在封裝過程中由于框架精度與模具不匹配（模具磨損、模具不平整、捏合不足）、壓邊問題、注塑工藝條件和框架表面粗糙度等問題造成塑封料溢出模具，在電路包封后引線框架引腳周圍的溢料沒有去除會導致電鍍時氧化無法去除溢料附近的氧化皮，從而使引腳無法鍍上錫，造成鍍層剝離,23,行業(yè)學習,1) 機械噴沙（干法/濕法），也叫介質(zhì)去飛毛刺，使用專用的高壓噴沙機，將研磨料（如粒狀的料球）噴在集成電路引線框架表面上，打磨去掉溢料。

12、2) 堿性電解法，是在堿性藥水中通過電解的方法去除溢料。引線框架與陰極相連（即設(shè)備的傳送鋼帶），在藥水中引腳產(chǎn)生大量氣泡溢出時將溢料松動產(chǎn)生空隙，堿液滲入將產(chǎn)品表面的溢料泡軟，利用高壓水打掉溢料。 3) 化學浸泡+高壓水噴法，這是目前比較流行的方法。先利用軟化藥水在一定溫度、浸煮一段時間將塑封體表面的溢料泡軟，再將產(chǎn)品放入專用的高壓噴水去溢料設(shè)備，去除軟化的產(chǎn)品溢料,去溢料方法,24,行業(yè)學習,Before,After,去溢料后效果,25,行業(yè)學習,4、切筋成型,切筋：將一條片的Lead Frame切割成單獨的Unit（IC）的過程；成型：對Trim后的IC產(chǎn)品進行引腳成型，達到工藝需要求的形

13、狀， 并放置進Tube或者托盤中,26,行業(yè)學習,5、引腳處理,對封裝后外引腳的后處理可以是電鍍或是浸錫。該工序是在框架引腳上做保護性鍍層，以增加其可焊性。 （1）電鍍：是在流水線式的電鍍槽中進行，包括清洗，再在不同濃度的電鍍槽中進行電鍍，最后沖洗、吹干，放入烘箱烘干,27,行業(yè)學習,2）浸錫：清洗，助焊劑浸泡，再浸入熔融錫合金溶液,圖 LTS200浸錫機,28,行業(yè)學習,6、印字打標,主要有油墨打標和激光打標。 （1）油墨打標：工藝過程像敲橡皮圖章，油墨通常是高分子化合物，需要進行熱固化或紫外光固化。 （2）激光打標：利用高能量密度的激光束對目標作用，在材料表面發(fā)生物理或化學變化，使材料迅速

14、汽化，形成凹坑，從而形成永久可見的圖形,29,行業(yè)學習,圖 激光打標機,30,行業(yè)學習,7、產(chǎn)品包裝與運輸,對潮氣敏感的塑封微電路，裝運成本可高達總成本的10%。包裝運輸不當會使成品電路成品率降低。有時塑封電路需提供干燥的氮氣環(huán)境包裝,31,行業(yè)學習,9.4可靠性測試,塑料封裝中使用的材料包括金屬、半導體、高分子材料等，這些材料的相互作用使塑料封裝的可靠性成為一項重要的研究內(nèi)容。塑料封裝破壞的機制大致可區(qū)分為因材料熱膨脹系數(shù)差異所引致的熱應力破壞與濕氣滲透所引致的腐蝕破壞兩大類，常用來試驗塑料封裝的可靠性的方法有三種：高溫偏壓試驗 ，溫度循環(huán)試驗 ，溫度/濕度/偏壓測試,32,行業(yè)學習,1）高溫偏壓試驗（High Temperature/Voltage Bias Test）。試驗的方法是將封裝元器件置于125150的測試腔中，并使其在最高的電壓與電流負荷的條件下操作，其目的是實驗元器件與材料相互作用所引致的破壞,33,行業(yè)學習,2）溫度循環(huán)試驗（Temperature Cycle Test）。采用的試驗條件有： 65150循環(huán)變化，在最高與最低溫各停留1h； 55200循環(huán)變化，在最高溫與最低