第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù) 塑料封裝課件

第七講：塑料封裝第七講：塑料封裝1塑料封裝歷史：1.最初的封裝是可伐（鐵鈷鎳合金）預(yù)成型封裝，器件粘接在底座，頂端隨后固定。2.陶瓷封裝在結(jié)構(gòu)上與可伐外殼相同。3.1950，使用酚醛樹脂進行模塑。酚醛塑料在器件周圍濃縮產(chǎn)生較大的壓力使柔軟的焊線斷裂。4.由于塑料封裝的成本降低，取代了陶瓷和金屬封裝。5.早期器件塑封靠模壓制成，隨后澆鑄法代替，其將芯片定位在模具的模體上，再將熔融狀液體樹脂注入型腔內(nèi)。6.隨后遞模成型法獲得了廣泛的應(yīng)用。芯片放置在模具的型腔中加以固定，在一定壓力下，塑封料從料筒注塑到型腔，塑封料一般是典型的熱固型聚合物，在型腔內(nèi)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)并固化形成最終的封裝體。7.酚醛樹脂和硅酮樹脂是塑封的最早材料，但其質(zhì)量差導(dǎo)致可靠性差。環(huán)氧樹脂的配方得到改進，固化時的收縮及沾污程度有所下降，因而盛行起來。8.現(xiàn)在使用的塑封料是一個多元的混合體。是在環(huán)氧樹脂基體中摻入交聯(lián)反應(yīng)劑、催化劑、填充劑、耦合劑、脫膜劑及增塑劑。塑料封裝歷史：2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。塑料封裝的結(jié)構(gòu)：3封裝工藝：先用環(huán)氧有機導(dǎo)電膠將芯片粘接到框架上，再通過引線鍵合將芯片的鋁焊塊和框架的管腳用金絲或鋁絲連接起來，然后用環(huán)氧樹脂經(jīng)過注塑模包封成型，最后外引線電鍍一層鉛錫合金，再從條帶上沖切下來，按照所需要的形狀成型。塑料封裝有預(yù)塑或后塑兩種方法：預(yù)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，芯片及焊點通常用環(huán)氧樹脂保護，環(huán)氧樹脂粘附到框架管腳上形成一個腔體。預(yù)塑模式通常用于多管腳器件或針柵陣列封裝，它們不適合于平坦的框架及簡單的扇出型。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(yù)封模式便宜。塑封微電子器件可制成表面安裝式或通孔插裝式：通孔插裝式安裝器件：塑料雙列直插式封裝（PDIP）、單列直插封裝（SIP）以及塑料針柵陣列封裝（PPGA）。塑料雙列直插式封裝：矩形的塑封體，再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)。單列直插式封裝形狀為矩形，管腳在邊長的一側(cè)，在塑封體界面出管腳的中心距是1.27mm，兩排臺階形引線各自的節(jié)距是2.54mm，相互之間的距離是1.225mm。特點是外形高，焊接區(qū)小，成本低。封裝工藝：4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)。表面安裝器件：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(rèn)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。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5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％。1.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。2.性能：塑料的介電特性優(yōu)于陶瓷。與標(biāo)準(zhǔn)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。3.成本：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，最終老煉測試及成品率、強制性的質(zhì)量鑒定試驗。塑料封裝與陶瓷封裝的比較：64.可靠性：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(dǎo)率高、與框架的熱膨脹系數(shù)能較好地匹配。塑封及氣密性封裝的失效機理是由于潮濕對金屬化層造成損傷。5.可用性：在全球競爭下，工業(yè)上材料及制造工藝的研究將塑封器件方面，97％以上的集成電路封裝形式為塑封?？偨Y(jié)：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。潮氣誘發(fā)的失效機理如腐蝕、裂紋、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。4.可靠性：塑封器件的可靠性有了極大的提高，主要是由于封裝材7模塑料及引線框架材料：塑封料是樹脂及各種添加劑混合在一起的多元包封樹脂，包括固化劑、催化劑、惰性填充劑、耦合劑、阻燃劑、消除應(yīng)力添加劑、著色劑和脫模劑。模塑料及引線框架材料：塑封料是樹脂及各種添加劑混合在一起的多8第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件9模塑料配制過程模塑料配制過程10引線框架的設(shè)計、材料及工藝設(shè)計引線框架時有三類材料可以選擇：鐵鎳合金、復(fù)合條帶、銅基合金引線框架的設(shè)計、材料及工藝設(shè)計引線框架時有三類材料可以選擇：11熱導(dǎo)率：框架所起的從芯片到電路板的導(dǎo)熱能力與其材質(zhì)的熱導(dǎo)率有關(guān)。銅合金的主要優(yōu)點是：它的導(dǎo)熱系數(shù)高。通過使用銅合金可以最大限度降低封裝的熱阻。熱導(dǎo)率：框架所起的從芯片到電路板的導(dǎo)熱能力與其材質(zhì)的熱導(dǎo)率有12引線框架機械設(shè)計的主要考慮因素：1.易于制造。2.封裝時框架的步進特性。3.粘接芯片的基板及金絲的跨距。4.引線鍵合所需的共面性。5.引線鎖定及潮氣隔離結(jié)構(gòu)。6.應(yīng)力泄放。7.塑料支撐基體。8.引出線與支撐高度結(jié)構(gòu)。引線框架機械設(shè)計的主要考慮因素：13第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件14第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件15引線框架的制造：沖壓與化學(xué)刻蝕。引線框架的制造：16模塑料的性能指標(biāo)：

模具填充特性，樹脂溢出特性、熱硬度、對模具沾污性低剪切率情況下的剪切粘度固化時間流動阻力玻璃轉(zhuǎn)化溫度熱機械特性裂縫靈敏度可水解離子純度潮氣溶解度及擴散速率對框架材料的粘附強度粘度及玻璃轉(zhuǎn)化溫度的潮氣敏感性粒子輻射率用于表面安裝技術(shù)的抗“爆米花”特性模塑料的性能指標(biāo)：17第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件18收縮應(yīng)力收縮應(yīng)力19熱膨脹系數(shù)及玻璃轉(zhuǎn)化溫度熱膨脹系數(shù)：每單位溫度變化時的材料尺寸變化。尺寸可以是體積、面積或長度，但是熱膨脹系數(shù)因材料而異，且隨溫度而變化。因而不同材料在溫度上升值相同時熱膨脹不同。為避免彎曲、斷裂或剝離，相接觸的不同材料應(yīng)具有相同或相似的熱膨脹系數(shù)。玻璃轉(zhuǎn)化溫度：熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線的拐點，在它之上熱膨脹速率（即熱膨脹系數(shù)）急劇上升。要把玻璃態(tài)溫度區(qū)與無定型聚脂材料的膠化溫區(qū)區(qū)別開，玻璃化溫度成為聚合物材料整個粘彈性對所施加應(yīng)變響應(yīng)的一種象征，它取決于應(yīng)變速率、應(yīng)變程度及加熱速率。螺旋流動長度讓流動的模塑料穿過橫截面是半圓形的螺旋管直至停止流動，用來測量一定壓力、熔融粘度及凝膠化速率下的熔融情況。熱膨脹系數(shù)及玻璃轉(zhuǎn)化溫度螺旋流動長度讓流動的模塑料穿過橫截面20模塑料流變性流變性：指模塑料在熔融狀態(tài)下流動和變形的能力。模塑料的固化特性模塑料的固化：是指在封裝過程后期基體樹脂逐步熱聚合而導(dǎo)致凝固的過程，在固化期間是強制變硬，完全化學(xué)變化發(fā)生在后固化期間，模塑封裝的生產(chǎn)率取決于該化學(xué)變化的速率。凝膠時間凝膠：一種膠體，其間分散物質(zhì)與分散媒介相混合，以制造一種半固體狀物質(zhì)。凝膠時間是工藝中的定性點，該點以后模塑料材料不能再被涂抹成薄層。粘附性模塑料與管芯、管芯焊盤、引線框架間較差的粘附性，在裝配過程中能產(chǎn)生“爆米花”失效及腐蝕、應(yīng)力集中以及由此產(chǎn)生熱應(yīng)力失效、封裝開裂、芯片斷裂、管芯金屬化變形等。因此，對封裝進行的具體物理和材料設(shè)計時，選擇模塑料的粘附性是重要的判別特性之一。熱硬度是指固化過程結(jié)束后材料的剛性。封裝好的部分條帶安全地從包封模中脫出之前，模塑料必須有一定的熱硬度。打開模具10s以內(nèi)，熱硬度值達到肖氏D級硬度約80就可。后固化為萬千固化大部分環(huán)氧模塑料需要在170oC～175oC之間進行4小時的后固化。模塑料流變性流變性：指模塑料在熔融狀態(tài)下流動和變形的能力。模21傳遞模塑過程傳遞模塑過程22塑封器件中失效機理、位置和失效模式塑封器件中失效機理、位置和失效模式23失效機理分類：過應(yīng)力和磨損。根據(jù)誘發(fā)失效機理的應(yīng)力類型進一步分為：機械的、熱學(xué)的、電學(xué)的、輻射的或化學(xué)的應(yīng)力失效。失效機理分類：過應(yīng)力和磨損。24失效分析：1.芯片破裂2.管芯鈍化層損傷3.管芯金屬化腐蝕4.金屬化變形5.鍵合金絲彎曲6.金絲鍵合焊盤凹陷7.鍵合線損傷8.鍵合線斷裂和脫落9.引線鍵合和焊盤腐蝕10.引線框架腐蝕11.引線框架的低粘附性及脫層12.包封料破裂13.包封料疲勞裂縫封裝爆裂14.電學(xué)過載和靜電放電15.軟誤差16.焊接點疲勞失效分析：25塑封的發(fā)展趨勢1.包封材料方面：對環(huán)氧模塑料熱膨脹系數(shù)、加工時粘性等提出料更高的要求。2.封裝設(shè)計方面：超薄小形封裝趨勢對管芯減薄、芯片-焊盤安裝、引線框架設(shè)計、引線鍵合、板的互連、包封、焊接等提出了挑戰(zhàn)。3.封裝制造方面：新的潔凈方法、改進的生產(chǎn)過程控制、窄節(jié)距互連、新的引線框架制造。塑封的發(fā)展趨勢26第七講：塑料封裝第七講：塑料封裝27塑料封裝歷史：1.最初的封裝是可伐（鐵鈷鎳合金）預(yù)成型封裝，器件粘接在底座，頂端隨后固定。2.陶瓷封裝在結(jié)構(gòu)上與可伐外殼相同。3.1950，使用酚醛樹脂進行模塑。酚醛塑料在器件周圍濃縮產(chǎn)生較大的壓力使柔軟的焊線斷裂。4.由于塑料封裝的成本降低，取代了陶瓷和金屬封裝。5.早期器件塑封靠模壓制成，隨后澆鑄法代替，其將芯片定位在模具的模體上，再將熔融狀液體樹脂注入型腔內(nèi)。6.隨后遞模成型法獲得了廣泛的應(yīng)用。芯片放置在模具的型腔中加以固定，在一定壓力下，塑封料從料筒注塑到型腔，塑封料一般是典型的熱固型聚合物，在型腔內(nèi)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)并固化形成最終的封裝體。7.酚醛樹脂和硅酮樹脂是塑封的最早材料，但其質(zhì)量差導(dǎo)致可靠性差。環(huán)氧樹脂的配方得到改進，固化時的收縮及沾污程度有所下降，因而盛行起來。8.現(xiàn)在使用的塑封料是一個多元的混合體。是在環(huán)氧樹脂基體中摻入交聯(lián)反應(yīng)劑、催化劑、填充劑、耦合劑、脫膜劑及增塑劑。塑料封裝歷史：28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。塑料封裝的結(jié)構(gòu)：29封裝工藝：先用環(huán)氧有機導(dǎo)電膠將芯片粘接到框架上，再通過引線鍵合將芯片的鋁焊塊和框架的管腳用金絲或鋁絲連接起來，然后用環(huán)氧樹脂經(jīng)過注塑模包封成型，最后外引線電鍍一層鉛錫合金，再從條帶上沖切下來，按照所需要的形狀成型。塑料封裝有預(yù)塑或后塑兩種方法：預(yù)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，芯片及焊點通常用環(huán)氧樹脂保護，環(huán)氧樹脂粘附到框架管腳上形成一個腔體。預(yù)塑模式通常用于多管腳器件或針柵陣列封裝，它們不適合于平坦的框架及簡單的扇出型。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(yù)封模式便宜。塑封微電子器件可制成表面安裝式或通孔插裝式：通孔插裝式安裝器件：塑料雙列直插式封裝（PDIP）、單列直插封裝（SIP）以及塑料針柵陣列封裝（PPGA）。塑料雙列直插式封裝：矩形的塑封體，再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)。單列直插式封裝形狀為矩形，管腳在邊長的一側(cè)，在塑封體界面出管腳的中心距是1.27mm，兩排臺階形引線各自的節(jié)距是2.54mm，相互之間的距離是1.225mm。特點是外形高，焊接區(qū)小，成本低。封裝工藝：30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)。表面安裝器件：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(rèn)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。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31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％。1.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。2.性能：塑料的介電特性優(yōu)于陶瓷。與標(biāo)準(zhǔn)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。3.成本：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，最終老煉測試及成品率、強制性的質(zhì)量鑒定試驗。塑料封裝與陶瓷封裝的比較：324.可靠性：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(dǎo)率高、與框架的熱膨脹系數(shù)能較好地匹配。塑封及氣密性封裝的失效機理是由于潮濕對金屬化層造成損傷。5.可用性：在全球競爭下，工業(yè)上材料及制造工藝的研究將塑封器件方面，97％以上的集成電路封裝形式為塑封?？偨Y(jié)：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。潮氣誘發(fā)的失效機理如腐蝕、裂紋、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。4.可靠性：塑封器件的可靠性有了極大的提高，主要是由于封裝材33模塑料及引線框架材料：塑封料是樹脂及各種添加劑混合在一起的多元包封樹脂，包括固化劑、催化劑、惰性填充劑、耦合劑、阻燃劑、消除應(yīng)力添加劑、著色劑和脫模劑。模塑料及引線框架材料：塑封料是樹脂及各種添加劑混合在一起的多34第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件35模塑料配制過程模塑料配制過程36引線框架的設(shè)計、材料及工藝設(shè)計引線框架時有三類材料可以選擇：鐵鎳合金、復(fù)合條帶、銅基合金引線框架的設(shè)計、材料及工藝設(shè)計引線框架時有三類材料可以選擇：37熱導(dǎo)率：框架所起的從芯片到電路板的導(dǎo)熱能力與其材質(zhì)的熱導(dǎo)率有關(guān)。銅合金的主要優(yōu)點是：它的導(dǎo)熱系數(shù)高。通過使用銅合金可以最大限度降低封裝的熱阻。熱導(dǎo)率：框架所起的從芯片到電路板的導(dǎo)熱能力與其材質(zhì)的熱導(dǎo)率有38引線框架機械設(shè)計的主要考慮因素：1.易于制造。2.封裝時框架的步進特性。3.粘接芯片的基板及金絲的跨距。4.引線鍵合所需的共面性。5.引線鎖定及潮氣隔離結(jié)構(gòu)。6.應(yīng)力泄放。7.塑料支撐基體。8.引出線與支撐高度結(jié)構(gòu)。引線框架機械設(shè)計的主要考慮因素：39第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件40第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件41引線框架的制造：沖壓與化學(xué)刻蝕。引線框架的制造：42模塑料的性能指標(biāo)：

模具填充特性，樹脂溢出特性、熱硬度、對模具沾污性低剪切率情況下的剪切粘度固化時間流動阻力玻璃轉(zhuǎn)化溫度熱機械特性裂縫靈敏度可水解離子純度潮氣溶解度及擴散速率對框架材料的粘附強度粘度及玻璃轉(zhuǎn)化溫度的潮氣敏感性粒子輻射率用于表面安裝技術(shù)的抗“爆米花”特性模塑料的性能指標(biāo)：43第七講微系統(tǒng)封裝技術(shù)塑料封裝課件44收縮應(yīng)力收縮應(yīng)力45熱膨脹系數(shù)及玻璃轉(zhuǎn)化溫度熱膨脹系數(shù)：每單位溫度變化時的材料尺寸變化。尺寸可以是體積、面積或長度，但是熱膨脹系數(shù)因材料而異，且隨溫度而變化。因而不同材料在溫度上升值相同時熱膨脹不同。為避免彎曲、斷裂或剝離，相接觸的不同材料應(yīng)具有相同或相似的熱膨脹系數(shù)。玻璃轉(zhuǎn)化溫度：熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線的拐點，在它之上熱膨脹速率（即熱膨脹系數(shù)）急劇上升。要把玻璃態(tài)溫度區(qū)與無定型聚脂材料的膠化溫區(qū)區(qū)別開，玻璃化溫度成為聚合物材料整個粘彈性對所施加應(yīng)變響應(yīng)的一種象征，它取決于應(yīng)變速率、應(yīng)變程度及加熱速率。螺旋流動長度讓流動的模塑料穿過橫截面是半圓形的螺旋管直至停止流動，用來測量一定壓力、熔融粘度及凝膠化速率下的熔融情況。熱膨脹系數(shù)及玻璃轉(zhuǎn)化溫度螺旋流動長度讓流動的模塑料穿過橫截面46模塑料流變性流變性：指模塑料在熔融狀態(tài)下流動和變形的能力。模塑料的固化特性模塑料的固化：是指在封裝過程后期基體樹脂逐步熱聚合而導(dǎo)致凝固的過程，在固化期間是強制變硬，完全化學(xué)變化發(fā)生在后固化期間，模塑封裝的生產(chǎn)率取決于該化學(xué)變化的速率。凝膠時