集成电路封装设计提高可靠性的方法研究

1 前言

随着集成电路的发展，小型化与多功能成了大家共同追求的目标，这不仅加速了IC设计的发展，也促进了IC封装设计的发展。IC封装设计也可以在一定程度上提高产品的集成度，同时也对产品的可靠性起着很重要的影响作用。本文总结和研究了一些封装工艺中提高可靠性的方法。

2 引线框架

引线框架的主要功能是芯片的载体，用于将芯片的I/O引出。在引线框架的设计过程中，需要考虑几个因素。

2.1 与塑封料的粘结性

引线框架与塑封料之间的粘结强度高，产品的气密性更佳，可靠性更高；与塑封料的粘结性不好，会导致分层及其他形式的失效。影响粘结强度的因素除了塑封料的性能之外，引线框架的设计也可以起到增强粘结强度的作用，如在引脚和基岛边缘或背面设计图案，如图1所示。

图1　各种增强型框架

2.2 芯片与引脚之间的连接

引线框架的最重要的功能是芯片与外界之间的载体，因此，引线框架应设计得利于芯片与引脚之间的连接，要考虑线弧的长度以及弧度。

2.3 考虑塑封料在型腔内的流动

对于多芯片类的复杂设计，还应考虑塑封时塑封料在芯片与芯片或芯片与模具之间的流动性。

3 焊线

3.1 增强焊线强度

焊线强度除了焊点处的结合强度外，线弧的形状也会对焊线强度有一定的影响。

增强焊线强度的方法之一是在焊线第二点种球，有BSOB和BBOS两种方式。如图2所示。

图2　BSOB和BBOS的示意图

BSOB的方法是先在焊线的第二点种球，然后再将第二点压在焊球上；BBOS的方法是在焊线的第二点上再压一个焊球。两种方法均能增强焊线强度，经试验，BBOS略强于BSOB。BBOS还应用于die todie（芯片与芯片）之间的焊接，如图3所示。

图3　BBOS用于叠晶及芯片与芯片之间焊接的情况

3.2 降低线弧高度

现在的封装都向更薄更小发展，对芯片厚度、胶水厚度和线弧高度都有严格控制。一般弧度的线弧，弧高（芯片表面至线弧最高点的距离）一般不低于100μm，要形成更低的线弧，有以下两种方法。RB（Reverse BONding反向焊接）和FFB（FoldedForward Bonding折叠焊接 ），如图4和图5所示。

图4　反向焊接（RB）

图5　折叠正向焊接（FFB）

反向焊接虽然可以形成低的线弧，但是种球形成了大的焊球，使得焊线间距受到限制。折叠正向焊接方法是继反向焊接之后开发的用于低线弧的焊接方法，如图5所示。

低线弧不仅能够满足塑封体厚度更薄的要求，还能减少塑封时的冲丝以及线弧的摆动（wiresweep），对增加封装可靠性有一定的帮助。
3.3 等离子清洗

提高焊接可靠性的一个重要方法是使用等离子清洗。等离子清洗除能清洁掉芯片及引线框架表面的沾污和氧化物之外，还能激活表面，使结合面更加牢固。等离子清洗需要保证气体在产品各个表面均匀的流动，因此需要使用有孔料盒，如图6所示。

图6　等离子清洗使用的料盒

等离子清洗的几个关键影响因素有：

（1）气体成分。等离子清洗使用的气体一般为氩气、氧气和氢气，也可以使用混合气体。氩气和氧气用来清洗有机残留，氢气用来清洗氧化物。

（2）料盒和产品排布。清洗效果的一致性是很重要的，有利于获得封装组装工艺的高质量控制 [3]。对于射频型等离子清洗机而言，应该让料盒的排布顺应气体的流向，让气体均匀流通在料盒的各个位置。

（3）功率和时间。对不同厂家制造的等离子清洗机以及不同类型的产品，都要通过DOE实验方法，找出最合适的设定范围。

（4）评定方法。最直观的评定等离子清洗效果的方法是滴水试验，通过观察界面角来判定亲水性，如图7。

图7　浸湿示意图

浸湿角在20°~40°之间是合适状态，16h后浸湿角会大于40°。因此，等离子清洗后的延迟时间建议为8h。

评估等离子清洗效果的另一方法为比较PpK或CpK，这也是使用等离子清洗的最终目标。为了获得稳定的高质量控制，我们做了PpK的比较试验，结果证明，等离子清洗能够在一定程度上提高产品的质量稳定性。试验内容如下：

试验设备：EUROPLASMA；气体：Ar+H2（氩气+氢气）；线径：30μm金线；焊球直径：82.5μm；等离子清洗机RF功率：300W；清洗时间：180s。

表1　等离子清洗前后样品焊球推力测试结果比较

由此可见，等离子清洗对金线的结合力有一定程度的提高，同时也提高了品质稳定性。

4 塑封

影响塑封效果的主要因素有以下几个方面。

4.1 模具和框架设计

前文中提到一些加强框架与塑封料之间结合力的设计方法，当需要用到大面积的基岛时，就需要考虑用到加强型的设计；同时，接近塑封体边缘的部分也是脆弱点，也需要一些加强结合力的方法。

框架和塑封模具之间关系密切，它们互补互足，设计模具时需要综合考量框架、内部芯片摆放位置、