第七讲微系统封装技术 塑料封装课件

第七讲：塑料封装塑料封装历史：1.最初的封装是可伐（铁钴镍合金）预成型封装，器件粘接在底座，顶端随后固定。2.陶瓷封装在结构上与可伐外壳相同。3.1950，使用酚醛树脂进行模塑。酚醛塑料在器件周围浓缩产生较大的压力使柔软的焊线断裂。4.由于塑料封装的成本降低，取代了陶瓷和金属封装。5.早期器件塑封靠模压制成，随后浇铸法代替，其将芯片定位在模具的模体上，再将熔融状液体树脂注入型腔内。6.随后递模成型法获得了广泛的应用。芯片放置在模具的型腔中加以固定，在一定压力下，塑封料从料筒注塑到型腔，塑封料一般是典型的热固型聚合物，在型腔内发生交联反应并固化形成最终的封装体。7.酚醛树脂和硅酮树脂是塑封的最早材料，但其质量差导致可靠性差。环氧树脂的配方得到改进，固化时的收缩及沾污程度有所下降，因而盛行起来。8.现在使用的塑封料是一个多元的混合体。是在环氧树脂基体中掺入交联反应剂、催化剂、填充剂、耦合剂、脱膜剂及增塑剂。塑料封装的结构：塑料封装包括：芯片、金属支撑底座或框架、连接芯片到框架的焊线以及保护芯片及内部连线的环氧塑封料。框架可用铜合金，或用42合金（42Ni-58Fe）或50合金（50Ni-50Fe）制成，然后镀金、银或者钯，可以在镍或镍-钴合金上全镀或选镀。封装工艺：先用环氧有机导电胶将芯片粘接到框架上，再通过引线键合将芯片的铝焊块和框架的管脚用金丝或铝丝连接起来，然后用环氧树脂经过注塑模包封成型，最后外引线电镀一层铅锡合金，再从条带上冲切下来，按照所需要的形状成型。塑料封装有预塑或后塑两种方法：预塑是先模制出一个塑料底座，然后将芯片放在上面，用引线将芯片连接到I/O的输出端，芯片及焊点通常用环氧树脂保护，环氧树脂粘附到框架管脚上形成一个腔体。预塑模式通常用于多管脚器件或针栅阵列封装，它们不适合于平坦的框架及简单的扇出型。后塑是先将芯片粘接到框架，再将框架送入多个型腔的包封模，通过递模成型工艺用热固型塑料进行包封。后塑模式比预封模式便宜。塑封微电子器件可制成表面安装式或通孔插装式：通孔插装式安装器件：塑料双列直插式封装（PDIP）、单列直插封装（SIP）以及塑料针栅阵列封装（PPGA）。塑料双列直插式封装：矩形的塑封体，再矩形塑封体比较长的两侧面有双列管脚，相邻管脚之间的节距为2.54mm，适合于大批量低成本生产。单列直插式封装形状为矩形，管脚在边长的一侧，在塑封体界面出管脚的中心距是1.27mm，两排台阶形引线各自的节距是2.54mm，相互之间的距离是1.225mm。特点是外形高，焊接区小，成本低。塑料针栅封装是密度最高的插孔式安装封装外，为塑封器件提供了最高的有用的管脚数。表面安装器件：小外形封装（SOP）、塑料有引线片式载体（PLCC）及塑料四边引线扁平封装（PQFP）。SOP与DIP相似，只是管脚形状是翼形。SOJ是SOP的演变，其管脚按照J字形弯曲并折向塑封体。特点是焊盘所占PWB面积比翼形小，但焊点不易检验。PLCC是引线在封装体的四周，节距为1.27mm，并形成J字形结构。特点是安装密度高，管脚短且一致性较好。PQFP是正方形或矩形封装。分布于四边。塑料封装与陶瓷封装的比较：塑料封装器件在尺寸、重量、性能、成本、可靠性及实用性方面优于气密性封装。估计塑封器件占世界商用芯片封装市场的97％。1.尺寸及重量：大部分塑封器件重量大约是陶瓷封装的一半。如14脚双列直插封装（DIP）重量大约为1g，而14脚陶瓷封装重2g。较小结构如小外形封装（SOP），较薄的结构如薄形小外形封装（TSOP）仅适用于塑封。从而提高组装密度，减少器件传递延迟。2.性能：塑料的介电特性优于陶瓷。与标准的共烧陶瓷相比，环氧树脂的介电常数较低，而铜框架的引线电感较可伐框架小。3.成本：一个完整的塑封电路成本由下列因素决定，如芯片、包封、生产量、尺寸、组装费用及成品率、筛选、早期老炼及成品率，最终老炼测试及成品率、强制性的质量鉴定试验。4.可靠性：塑封器件的可靠性有了极大的提高，主要是由于封装材料、芯片钝化及制造工艺有了改进，特别是现代塑封材料的杂质离子含量低，对其它封装材料有很好的粘附性、玻璃转化温度较高、热导率高、与框架的热膨胀系数能较好地匹配。塑封及气密性封装的失效机理是由于潮湿对金属化层造成损伤。5.可用性：在全球竞争下，工业上材料及制造工艺的研究将塑封器件方面，97％以上的集成电路封装形式为塑封。总结：塑料封装走过了漫长的历程，它在外形、重量、性能、成本及可用性方面都显著地超过了陶瓷封装，塑封器件的可靠性不再是制约它广泛使用的障碍。潮气诱发的失效机理如腐蚀、裂纹、界面脱层非常显著，但包封料、芯片钝化、金属化技术及全自动组装的发展使塑料封装成为包封技术的未来。模塑料及引线框架材料：塑封料是树脂及各种添加剂混合在一起的多元包封树脂，包括固化剂、催化剂、惰性填充剂、耦合剂、阻燃剂、消除应力添加剂、着色剂和脱模剂。模塑料配制过程引线框架的设计、材料及工艺设计引线框架时有三类材料可以选择：铁镍合金、复合条带、铜基合金热导率：框架所起的从芯片到电路板的导热能力与其材质的热导率有关。铜合金的主要优点是：它的导热系数高。通过使用铜合金可以最大限度降低封装的热阻。引线框架机械设计的主要考虑因素：1.易于制造。2.封装时框架的步进特性。3.粘接芯片的基板及金丝的跨距。4.引线键合所需的共面性。5.引线锁定及潮气隔离结构。6.应力泄放。7.塑料支撑基体。8.引出线与支撑高度结构。引线框架的制造：冲压与化学刻蚀。模塑料的性能指标：

模具填充特性，树脂溢出特性、热硬度、对模具沾污性低剪切率情况下的剪切粘度固化时间流动阻力玻璃转化温度热机械特性裂缝灵敏度可水解离子纯度潮气溶解度及扩散速率对框架材料的粘附强度粘度及玻璃转化温度的潮气敏感性粒子辐射率用于表面安装技术的抗“爆米花”特性收缩应力热膨胀系数及玻璃转化温度热膨胀系数：每单位温度变化时的材料尺寸变化。尺寸可以是体积、面积或长度，但是热膨胀系数因材料而异，且随温度而变化。因而不同材料在温度上升值相同时热膨胀不同。为避免弯曲、断裂或剥离，相接触的不同材料应具有相同或相似的热膨胀系数。玻璃转化温度：热膨胀系数随温度变化曲线的拐点，在它之上热膨胀速率（即热膨胀系数）急剧上升。要把玻璃态温度区与无定型聚脂材料的胶化温区区别开，玻璃化温度成为聚合物材料整个粘弹性对所施加应变响应的一种象征，它取决于应变速率、应变程度及加热速率。螺旋流动长度让流动的模塑料穿过横截面是半圆形的螺旋管直至停止流动，用来测量一定压力、熔融粘度及凝胶化速率下的熔融情况。模塑料流变性流变性：指模塑料在熔融状态下流动和变形的能力。模塑料的固化特性模塑料的固化：是指在封装过程后期基体树脂逐步热聚合而导致凝固的过程，在固化期间是强制变硬，完全化学变化发生在后固化期间，模塑封装的生产率取决于该化学变化的速率。凝胶时间凝胶：一种胶体，其间分散物质与分散媒介相混合，以制造一种半固体状物质。凝胶时间是工艺中的定性点，该点以后模塑料材料不能再被涂抹成薄层。粘附性模塑料与管芯、管芯焊盘、引线框架间较差的粘附性，在装配过程中能产生“爆米花”失效及腐蚀、应力集中以及由此产生热应力失效、封装开裂、芯片断裂、管芯金属化变形等。因此，对封装进行的具体物理和材料设计时，选择模塑料的粘附性是重要的判别特性之一。热硬度是指固化过程结束后材料的刚性。封装好的部分条带安全地从包封模中脱出之前，模塑料必须有一定的热硬度。打开模具10s以内，热硬度值达到肖氏D级硬度约80就可。后固化为万千固化大部分环氧模塑料需要在170ºC～175ºC之间进行4小时的后固化。传递模塑过程塑封器件中失效机理、位置和失效模式失效机理分类：过应力和磨损。根据诱发失效机理的应力类型进一步分为：机械的、热学的、电学的、辐射的或化学的应力失效。失效分析：1.芯片破裂2.管芯钝化层损伤3.管芯金属化腐蚀4.金属化变形5.键合金丝弯曲6.金丝键合焊盘凹陷7.键合线损伤8.键合线断裂和脱落9.引线键合和焊盘腐蚀10.引线框架腐蚀11.引线框架的低粘附性及脱层12.包封料破裂13.包封料疲劳裂缝封