镍框架与环氧树脂之间的粘接力改善研究

李玉 黄彩清 刘天德

摘 要：利用模封机对不同镀层的框架材料和环氧树脂进行注塑，然后利用粘接力测试仪对框架和环氧树脂之前的粘接力进行了分析，发现镍、金和镍钯银金的镀层材料中，镍镀层的粘接力最小，通过改性的方式可以增大镍层与环氧树脂之间的粘接力，将改性后的镍框架组装成产品后，发现可靠性前后产品的分层失效问题可以得到解决。

关键词：粘接力;环氧树脂;镍框架;改性

中图分类号：TQ323.5       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-0051-05

Study of adhesion between frame and molding compound

LI Yu，HUANG Caiqing，LIU Tiande

（Shenzhen STS Microelectronics Co.，Ltd.，Shenzhen 518038，Guangdong China）

Abstract：In this paper，the frame materials and epoxy resin of different coatings were injection molded by the adhesion machine，then the adhesive force of the frame and epoxy resin were analyzed by the adhesive force tester.It was found that the bonding force of nickel coating was the least among the coating materials of nickel，gold and nickel，palladium，silver and gold，while the bonding force of nickel coating could be improved after surface treatment，and the layered of failure of the product before and after the reliability could be solved when assembling nickel frame into products.

Key words：adhesion force;frame;epoxy resin

芯片封装是电子元器件生产过程中的关键工序，可以保护电路芯片免受外界环境的影响。根据电子元器件对潮湿环境的耐受程度可以将其分为不同的湿度敏感等级，敏感等级越高，在温度30℃和60%相对湿度条件下的车间使用寿命越短，常见的失效模式有分层、线腐蚀和芯片污染损伤等。

根据封装材料的不同，封装种类可以分为金属封装、陶瓷封装、金属-陶瓷封装和塑料封装。根据封装气密性的不同，分为气密性和非气密性封装，气密封装主要为腔体封装，封装材料为陶瓷和金属，非气密性封装主要以模塑料包覆IC的方式进行封装，也就是塑料封装。塑料封装具有的导热率低、热膨胀系数大和易吸潮等特点会降低器件的可靠性[1]，不过由于塑料封装的成本廉洁、工艺简单，被广泛应用于电子工业[2]，而其中环氧塑料占了塑料封装的90%以上，已经成为半导体工业发展的重要支柱。由于塑封器件所使用的塑封料为聚合物材料，聚合物作为一种长链大分子结构具有疏松多孔的特性[3]，当其处于潮湿的环境中时，易于吸收环境中的湿气[4]，湿气对塑封器件的可靠性有着十分重要的影响，湿应力集中是造成塑封件分层失效现象的重要原因之一[5]。随着新材料的产生，塑封器件的可靠性不断提升，塑料件中添加的填充剂，有效的减少了应力，延缓湿气和增强导热力[6]。塑料元器件被广泛称为湿度敏感器件（MSDs），为了确保潮湿敏感电子元器件具有更好的车间使用寿命，芯片封装的气密性尤为重要。

在半导体行业，主要参照J-STD-020对电子元器件成品进行可靠性评估定义湿度敏感等级，但关于如何通过合理的方法对原材料进行评估以提高封装气密性的研究较少。本文主要通过自主设计的手动模封机，将环氧树脂直接模封到引线框架，模拟半导体封装过程，并评估不同的塑封材料与不同的框架材料之间的结合力，找到适合提高镍涂覆框架与塑封料结合力的有效方法，并分析了相关机理。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

模封机TMM90C;推力机Dage-4000;三维显微镜OLS41;聚焦离子束XEIA3;高温箱;恒温恒湿箱;回流焊。

1.2 测试原理

我们用模封机对环氧树脂进行熔融后再模封操作，取供应商注塑好的成品，放在夹具上，在设备上设置一定的温度，使环氧塑料达到一定的熔融温度，对环氧塑料以一定的形状再次固化在特定的框架材料上，测试其后成型的模封体上表面的直径、粘附面积、高度和其推力的数值，从而来判定不同类型的环氧塑料和不同的引线框架之间的粘附性能。粘接力的试验如图1所示。

用模封机对样品进行操作的时候，应用到如下的公式：

F=π4×D2×P

式中：F为理论输出力;D为模封机内气缸的内径;P为操作的压力。根据气缸的内径、弹性系数、载荷的力和设置气压的大小，可以得到在一定的气压下，传达给物品的力满足如下线性方程。通过设置的压力的数值，可以计算对应的力的大小。模封机的工作原理如图2所示。

2 结果与分析

不同类型框架的粘接力測试结果如图3所示。

由图3可知，当选择同一种环氧塑料在不同的4种框架材料：纯铜框架、表面镀有镍的框架、表面镀有镍钯银金的预镀类框架（PPF）和表面镀有金的框架上进行试验，结果发现：PPF框架的粘接力最大，镍框架的粘接力最小。

不同模封体和引线框架的推力测试结果如图4所示。

由图4可知，由于环氧树脂的种类组成不同，当有的环氧树脂是用原材料R1进行合成时，此类环氧树脂称之为R1;当有的环氧树脂是用原材料R2进行合成时，此类环氧树脂称之为R2;以此类推。选择3种不同的环氧塑料R1、环氧塑料R2和环氧塑料R3进行试验。

当选用环氧塑料R1、R2和R3并分别在表面镀有镍的框架、表面镀有镍钯金的PPF框架和表面镀有金的框架上进行试验，发现尽管原材料的类型不同，但镍框架的粘接力依然是最小的。

不同引线框架的粗糙度结果如图5所示。

由图5可知，由于粘接力的大小与粘接界面的处理、材料的性能、粘接面积等密切相关。本文试验时，注塑的接触面积是一样的，对与环氧树脂进行注塑的3种框架材料进行表面粗糙度的研究发现，粘接力强的，粗糙度的数值比较大，这个可能与引线框架本身的处理和金属材料的性能有关。

表面改性原理如图6所示。

镀镍框架的生产成本比PPF和镀银的框架的生产成本低，优先对镀镍的框架进行改性研究。

有研究表明采用氩气、氧气或者氢气的混合气体做为气体源，可以有效清除框架表面的脏污、氧化层或薄的保护膜[7-10]。把表面镀有镍的引线框架放在通有氧气的真空的环境中，当对样品的表面进行清洁后，加入改性剂，打开样品表面金属的稳定的化学键，然后在框架基材的表面引入羟基的结构，实现对样品的改性处理。在本试验中，选择170 s和250 s不同的改性时间进行评估，改性剂与引线框架表面的羟基进行连接，从而在框架材料的表面形成一层薄的有机薄膜，框架与改性剂的粘接过程是一个复杂的物理和化学的过程，框架表面的结构状态和胶粘剂的性质与粘接力有直接的关系，粘接力的来源是多方面的，有化学键力、分子间作用力或范德华力、机械作用力。粘接强度主要来自分子间的作用力，机械作用力并不产生粘附力的因素，而是增加粘接效果的一种方法。

可靠性前后的推力结果如图7所示。

对产品进行改性处理以后，模拟生产的过程进行高、低温可靠性试验，并试验可靠性前后环氧树脂与框架之前的粘接力是否有提升。经过试验可以得到，改性后，镍的框架与环氧树脂之间的粘接力比未改性的提升了3～5倍。经过可靠性试验之后，170 s的推力比可靠性试验前的高;而随着时间的延长，320 s的推力比可靠性试验之前的低。

当对不同的引线框架进行试验，镍在没有经过处理的时候，与框架的粘接力很小;当经等离子体170 s的前处理后，粘接力增大。对镍经170 s处理的样品进行剖面分析，可以发现在镍的表面，已经有一层改性后的厚度大致为26～34 nm的改性层。而正是由于这改性层，增强了模封体与框架材料之间的粘接力。处理后的镍框架的内容结构如图8所示。

为了验证产品是否能有明显的提升，用改性过后的镍框架和其他原材料加工成3种不同的产品，然后对产品进行可靠性试验。首先把产品放入干燥箱中干燥24 h，温度为125 ℃，以去除塑封料内的湿气;之后把样品立即放入恒温恒湿箱中进行吸潮实验，在温度为85 ℃、相对湿度为85%条件下进行测试，时间168 h。最后在温度260 ℃的条件下进行回流焊3次，对未进行可靠性的产品和进行可靠性试验后的产品进行超声扫描测试。超声波扫描是评估产品内部是否有分层的有效评估方法，通过图像对比度可以辨别材料内部声阻差异、确定缺陷形状和尺寸、确定缺陷方位[11-12]。测试结果如表1所示。

由表1可知，改性前产品有比较高的失效率;而改性后，失效率明显下降，说明改性后的产品粘接力有很大程度的提升。

3 结语

本文利用粘接力测试仪对框架和环氧树脂之前的粘接力进行研究，从引线框架的材料和化学处理等整个过程进行了分析。并与可靠性评估相结合，针对不同的材料进行了全面的评估，发现镍、金和镍钯银金的镀层材料中，镍镀层的粘接力最小，通过表面改性的方式可以增大镍表面的粘接力，并发现在改性的框架里，能观察到在镍层和环氧树脂之间明显的改性层，镍框架表面的粘接力得到很大程度的提高，产品的分层失效可以得到较大的改善。

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