浅谈引线框架对IC封装分层的影响

孙亚丽，周朝峰，赵 萍

（天水华天科技股份有限公司，甘肃 天水 741000）

浅谈引线框架对IC封装分层的影响

孙亚丽，周朝峰，赵 萍

（天水华天科技股份有限公司，甘肃 天水 741000）

引线框架是集成电路封装中必不可少的材料，它作为集成电路的芯片载体，起到了和外部导通连接的作用，因此要求引线框架具有优良的导电性能、导热性能以及机械性能，还要求具有抗氧化性、抗腐蚀性及高可靠性；在集成电路封装过程中，塑封器件极易发生分层，严重影响IC器件的可靠性。分析了引线框架对封装可靠性的影响以及一些提高封装质量的方法。

封装；引线框架；分层；可靠性

IC封装中往往都要使用多种不同热膨胀系数的材料，由于材料间的热膨胀系数的差异及制造和使用过程中的温度波动，使得各种材料及界面都将承受不同的热应力，严重时会导致IC封装产品的功能失效［1］。所以分析和优化材料在封装和使用过程中产生应力对IC封装成品的质量提升有重要的意义，本文主要就引线框架对IC封装分层的影响进行分析和探讨。

1 引线框架的组成及其作用

引线框架是模塑封装的骨架，它主要由两部分组成：框架基岛和引脚。其中框架基岛在封装过程中为IC芯片提供机械支撑作用（如图1）。

图1 IC封装体内部结构

引线框架通常都是由合金材料制成，加工方法一般为冲压法和蚀刻法。普通的引线框架是由铜合金材料和铁镍合金（也称合金42，一般情况下镍的含量为42%，铁的含量为58%）组成。

2 分层的定义和机理

在电子封装中，分层是指封装完成后的IC器件内部各界面之间发生了微小的剥离或气隙，主要发生的区域包括树脂与芯片界面、树脂与焊线界面、封装树脂与引线框架界面、芯片与装片胶界面、装片胶与引线框架界面或以上交叉界面等（如图2所示）［2］。塑料封装产品内部分层其实是一种很普遍的现象，IC产品功能与应用不同，对产品分层引起的可靠性要求也各不相同。

图2 IC封装分层扫描图及切片图

3 封装材料对产品分层的影响

导致分层的因素很多，从环氧树脂的角度来说，一般认为框架、环氧树脂与器件内部其它材料间的热匹配差异，是导致IC封装体内部分层的主要原因，严重时还会导致环氧树脂或芯片出现裂纹（如图3所示）。

图3 塑封体裂纹

3.1 引线框架材料的热膨胀系数（CET）

在IC封装体中，不同材料的热匹配特性（即：热膨胀系数（CET））也是不同的，硅的CET是（2.3～2.6）×10-6，而环氧树脂的CET为（16～20）×10-6。由以上数据可看出，硅的CET和环氧塑封料的CET数值相差较大，CET失配就会造成IC封装体分层甚至于开裂。因此，为了降低由CET失配所引起的热应力，通常行业内更倾向于选择铜合金作为框架材料。

3.3 引线框架结构设计

在封装过程中，引线框架的结构设计也会直接影响IC封装的分层表现。所以，在引线框架的结构设计过程中，需要考虑以下几个设计因素：

3.3.1 引线框架基岛的特征设计

在绝大部分引线框架的整个结构中，框架基岛是表面积最大的部分（FLIP CHLIP、COL或LOC产品因无实质性基岛，故不在此讨论）。框架基岛面积大，对用于非E-PAD（基岛露底封装）的框架，其与塑封材料的粘结性是不利的，为增强与塑封料的粘结性，在引线框架设计时，会在基岛背面设计钉孔，为了保证增加钉孔后框架基岛的平面度，通常钉孔分布为点阵式，常用到的钉孔单点设计为夹角为90°的倒梯形，深度约为0.020 mm（如图4所示）。在塑封时，液态树脂会进入到钉孔内，树脂固化后，会与金属形成紧密结合力，相比而言，钉孔设计框架封装后的结合力约为1.5倍无钉空设计，实际跟踪也说明了这一点。同时也为了锁紧塑封胶体，在此类产品的基岛背面四周会设计一道凹槽，同时在基岛边沿加一个段差，达到阻胶及锁胶的使用，常用到的为三角形及四边形凹槽（如图5所示）。

图4 基岛背面常用钉孔（Dimples）

图5 四边形凹槽

塑料封装集成电路是非气密性封装器件，且因为模塑料膨胀系数大，在注模成型冷却过程或器件使用环境的温差较大时，有些在框架与塑封料的结合面出现微小的间隙，即分层。严重的会出现“爆米花效应”［1］使IC功能失效。为了减少器件中潮气，除使用吸水低的封装材料，封装后对器件抽真空包装，贮存和使用需要做好防潮管控之外，在框架基岛做“U形槽”、“V形槽”、“回形槽”以及引线框架基岛二台等结构设计（如图6），可有效地防止水汽的浸入，增强可靠性。

3.3.2 引线框架内引脚的特征设计

在框架设计内引脚时，也要充分考虑到塑封时及塑封后内引脚在后续作业及使用中的稳定性要求。通常会在内引脚的区域设计通孔，也叫封装孔或叫锁胶孔（在内引脚面积许可的情况下增加）（如图7），并且在内引脚封装线向内约0.25 mm（不同内脚设计此值有所不同）附近设计锁胶槽，为更好地达到锁胶要求，此种锁胶槽常规在正背面均有设计。通孔及锁胶槽作用主要为两点：（1）有效增加框架与塑封胶的粘结力；（2）减少或阻隔因框架与塑封胶结合面出现间隙后，外界的水汽对IC内部的影响。

图6 框架基岛特性设计

如图7所示，在塑封过程中，液态树脂会穿过设计通孔，在引线框架不同面形成“工”形锁定，该结构能够使引线框架被固态树脂完全包裹并锁定，数据表明，其结合力约是无通孔设计的3倍，由于该结构能够在不同材质间形成很好的结合度，故目前该设计被广泛应用在有引线框架的封装系列中。类似的设计，是在内引脚封装线向内约0.25 mm（不同内脚设计此值有所不同）附近设计锁胶槽（如图8、图9），也能很好地达到锁胶效果，其原理类似基岛背面的钉孔设计。

图7 通孔设计图

图8 锁胶槽

图9 在框架内引脚正背面的锁胶槽

3.3.3 引线框架的表面处理

引线框架材质为铜合金材料，为了增加环氧树脂和引线框架有良好的结合面，对引线框架的表面进行棕色氧化粗化处理（如图10），高粗糙度可增加表面积可改善机械结合力，铜表面氧化物可促进化学键合，使环氧树脂和引线框架结合力更好。

图10 棕化氧化处理之后框架表面结构

在IC封装焊线材料一般为金线、铜线、以及其他合金焊线，而框架底材为铜合金（含铜量＞90%），焊线的硬度远小于框架底材硬度，若直接焊接其焊点结合性会较差，故在框架上要求焊线区域做电镀处理，基于硬度、成本及传导性考量，镀材一般为纯银。而环氧树脂对银的粘接力低于对铜的粘接，因此在引线框架设计过程中尽量减少镀银层的面积，常用的引线框架焊盘镀银方式主要有点镀、单环镀、双环镀等方式。如图11所示。

图11 引线框架焊盘镀银方式

对于产品的可靠性及成本来讲，设计引线框架的电镀方式，通常是单环镀银或双环镀银。器件仍旧能持续有效地输出设计功能。最终达到IC封装质量保证的目的。

4 结 论

提高塑封器件的可靠性是一项系统工程，其取决于固有设计、制造过程、材料选用及工作条件等。对IC封装来说，分层对器件的功能影响是致命的，但是由于器件中不同材料的特性（主要是：热膨胀系数CET）差异无法平衡，通过框架设计及表面处理，增加材料之间的结合性能，能使不同材料接触面间不容易产生脱离，以此提升产品抗分层能力，使得即使在内外部热冲击下，IC封装

［1］蔺兴江，张宏杰，张易勒.浅谈IC封装材料对产品分层的影响及改善［J］.电子工业专用设备，2013，42（12）：1-6.

［2］许海渐，陈洪芳，朱锦辉，等.塑料封装集成电路分层浅析及改善研究［J］.电子与封装，2012，12（10）：3-6.

Briefly Discussing the Effect of Lead Frame to IC Packaging Delamination

SUN Yali，ZHOU Chaofeng，ZHAO Ping
（Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China）

The lead frame is essential material for integrated circuit packaging，as carrier of integrated circuit chip，that played an important role with external conduction connection，so lead frame has excellent electric conductivity，thermal conductivity and mechanical properties，also has the oxidation resistance，corrosion resistance and high reliability.In the process of integrated circuit packaging，the product easily occurred delamination，seriously affecting the reliability of IC device.In this paper，briefly analyzed the effect of lead frame to the packaging reliability and some methods to improve the quality of packaging.

Assembly；Lead frame；Delamination；Reliability

TN405.97

A

1004-4507（2015）12-0028-04

孙亚丽（1984-），女，甘肃省陇南人，毕业于甘肃机电职业技术学院，工程师，现主要从事集成电路封装引线框架设计工作。

2015-10-21