塑封工艺中的不良现象分析

2012-03-19董海青

微处理机 2012年6期

郝菊，董海青

(1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032;2.南京信息职业技术学院，南京 210046)

1 引言

信息技术飞速发展推动着电子产品向多功能、高性能、高可靠、便携化及低成本等方向发展，而满足这些要求的基础与核心乃是IC的应用，特别是LSI和VLSI。但是，IC芯片要经过合适的封装，才能达到所要求的电、热、光、机械等性能，满足使用要求;同时，封装也对芯片起到保护作用，使其可以长期可靠的工作。

封装应用越来越广泛，不仅包括半导体集成电路芯片的封装，也包括光电器件、传感器等，而且技术水平与技术难度越来越大。封装的成品率直接影响着器件的性能与成本，在塑料封装过程中，塑封被称之为塑封工艺，是封装中关键的一道工序，其工艺参数的设定与控制、材料的性能以及周围环境对封装成品率都有很大的影响，提高良品率就要很好的把握这些影响因素。

2 塑封工艺简介

塑封工艺就是把引线键合好的芯片和引线框架用树脂封装起来，使它与外界的各种物理及化学变化等因素隔离开来，使芯片和金线不受外界的影响和破坏，因而性能稳定，寿命长，携带和使用也方便。

在塑封工艺中有很多因素会对产品的性能和良品率产生影响，例如环境因素、各种原辅材料等。在塑封工艺中生产线内的温湿度和洁净度对产品的性能会有很大的影响，温度不当和湿度过大会引起封装好的产品在使用时产生开裂现象。洁净度不够会对产品的电气性能产生不良影响。因此在生产中，要严格控制好生产线内的各种环境因素，通常塑封工艺环境的要求为温度23±5℃，环境湿度55±15%RH，洁净度不低于100000 级(0.5μm)。塑封工艺中会用到一些原辅料如引线键合好的引线框架、塑封材料、清洁或设备故障维修时调试使用的引线框架、橡皮状的提高脱模性的材料、橡皮状的清洁材料、将长期使用的模具内的污染物和粘着物去除的清洁材料、模具清洁后使用的提高脱模的材料等。

引线键合好的引线框架和塑封材料是塑封工艺的两种原材料，它们的性能在很大程度上决定着封装的质量。所以在实际生产中要根据实际需要选择合适的原材料。用来成型的模具(模具)在生产中经过一定的周期就会有污染，这些污染会引起很多不良，因此在生产中有严格的清洁管理。模具的清洁要用专用清洁材料，而且如何清洁也是很重要的，根据材料的不同清洁周期有所不同，选择适宜的清洁材料会使清洁效果明显提升。

3 塑封工艺中常见不良品的分析与对策

由于各种因素的影响，在塑封工艺的实际生产中有许多不良产品，这些不良品又有不同的形式，如不完全、气孔、错位、泄露和线性不良等。

3.1 不完全填充及其对策

不完全填充现象主要有两种情况:一种是有趋向性的不完全填充，主要是由于封装工艺与塑封材料的性能参数不匹配造成的;一种是随机性的不完全填充，主要是由于模具温度不适、清洁不当、塑封材料中不溶性杂质太大、模具进料口太小等原因，引起模具浇口堵塞而造成的。

(1)由于模具温度过高，或者说封装工艺与塑封材料的性能参数不匹配而引起的有趋向性的未充填。预热后的塑封材料在高温下反应速度加快，致使塑封材料的胶化时间相对变短，流动性变差，在型腔还未完全充满时，塑封材料的黏度便会急剧上升，流动阻力也变大，以至于未能得到良好的填充，从而形成有趋向性的未填充。对于这种有趋向性的未填充主要是由于塑封材料流动性不充分而引起的，可以采用提高塑封材料的预热温度，使其均匀受热;增加注塑压力和速度，使塑封材料的流速加快;降低模具温度，以减缓反应速度，相对延长塑封材料的胶化时间，从而达到充分填充的效果。

(2)由于模具浇口堵塞，致使塑封材料无法有效注入，以及由于模具清洁不当造成排气孔堵塞，也会引起未填充，而且这种未填充在模具中的位置也是毫无规律的。特别是在小型封装中，由于浇口、排气口相对较小，所以最容易引起堵塞而产生未填充现象。对于这种未填充，可以用工具清除堵塞物，并涂上少量的脱模剂，并且在每模封装后，都要用气枪和刷子将料筒和模具上的塑封材料固化料清除干净。

(3)虽然封装工艺与塑封材料的性能参数匹配良好，但是由于保管不当或者过期，致使塑封材料的流动性下降，黏度太大或者胶化时间太短，均会引起填充不良。其解决办法主要是选择具有合适黏度和胶化时间的塑封材料，并按照塑封材料的储存和使用要求妥善保管。

(4)由于塑封材料用量不够而引起的未填充，这种情况一般出现在更换塑封材料、封装类型或者更换模具的时候，其解决办法也比较简单，只要选择与封装类型和模具相匹配的塑封材料用量，即可解决，但是用量不宜过多或者过少。

3.2 封装成形气孔及其对策

在封装成形的过程中，气孔也是常见的缺陷。根据气孔在塑封体上产生的部位可以分为内部气孔和外部气孔，而外部气孔又可以分为顶端气孔和浇口气孔。气孔不仅严重影响塑封体的外观，而且直接影响塑封器件的可靠性，尤其是内部气孔更应重视。严格来说，气孔无法完全消除，只能多方面采取措施来改善，把气孔缺陷控制在良品范围之内。

引起气孔缺陷的因素很多，主要表现在以下几个方面:①封装材料方面，主要包括塑封材料的胶化时间、黏度、流动性、挥发物含量、水分含量、空气含量、料饼密度、料饼直径与料间直径不相匹配等;②模具方面，与料筒的形状、型腔的形状和排列、浇口和排气口的形状与位置等有关;③封装工艺方面，主要与预热温度、模具温度、注塑速度、注塑压力、注塑时间等有关。

(1)顶端气孔的形成主要有两种情况，一种是由于各种因素使塑封材料黏度急剧上升，致使注塑压力无法有效传递到顶端，以至于顶端残留的气体无法排出而造成气孔缺陷;一种是塑封材料的流动速度太慢，以至于型腔没有完全充满就开始发生固化交联反应，这样也会形成气孔缺陷。解决这种缺陷最有效的方法就是增加注塑速度，适当调整预热温度也会有些改善。

(2)浇口气孔产生的主要原因是塑封材料在模具中的流动速度太快，当型腔充满时，还有部分残余气体未能及时排出，而此时排气口已经被溢出料堵塞，最后残留气体在注塑压力的作用下，往往会被压缩而留在浇口附近。解决这种气孔缺陷的有效方法就是减慢注塑速度，适当降低预热温度，以使塑封材料在模具中的流动速度减缓;同时为了促进挥发性物质的逸出，可以适当提高模具温度。

(3)内部气孔的形成原因主要是由于模具表面的温度过高，使型腔表面的塑封材料过快或者过早发生固化反应，加上较快的注塑速度使得排气口部位充满，以至于内部的部分气体无法克服表面的固化层而留在内部形成气孔。这种气孔缺陷一般多发生在大体积电路封装中，而且多出现在浇口端和中间位置。要有效降低这种气孔的发生率，首先要适当降低模具温度，其次可以考虑适当提高注塑压力，但是过分增加压力会引起冲丝、溢料等其他缺陷，因此要综合考虑采用比较适当的压力。

3.3 错位及其对策

错位就是封装好的封装体上下左右与中心线的距离超过一定的尺寸。错位是塑封工艺最常见的不良，它会导致剪切成型工程的中模具损坏。

错位主要是由于模具上的基准模块磨损，定位销缺失，模具上下左右错位，温度异常等因素导致的。当发现材料错位时首先要观察错位现象，对于由基准模块磨损，定位销缺失引起的错位只要将其更换补全即可。如果是模具上下左右错位引起的需将模具重新定位。模具温度异常引起的错位有两种情况:一是由于上下模具温差大导致，把模具温度调节至标准范围内就可以了;二是由于材料预热时间不足导致材料在高温下瞬间变形不一致而引起，此情况一般把预热时间加长即可，但同时要注意预热时间过长会导致其他不良的产生，因此要综合考虑选用合适的预热时间。

3.4 封装溢料及其对策

在封装成形的过程中，溢料又是一个常见的缺陷形式，而这种缺陷本身对封装产品的性能没有影响，只会影响后来的可焊性和外观。

溢料产生的原因可以从两个方面来考虑，一是材料方面，树脂黏度过低、填料粒度分布不合理等都会引起泄露的发生，在黏度的允许范围内，可以选择黏度较大的树脂，并调整填料的粒度分布，提高填充量，这样可以从塑封材料的自身上提高其抗溢料性能;二是封装工艺方面，注塑压力过大，合模压力过低，同样可以引起溢料的产生，可以通过适当降低注塑压力和提高合模压力，来改善这一缺陷。由于塑封模长期使用后表面磨损或基座不平整，致使合模后的间隙较大，也会造成溢料。而生产中见到的严重溢料现象往往都是这种原因引起的，因此要将模具定期进行电镀，调整基座的平整度，来解决这种溢料缺陷。

3.5 线性不良

线性不良现象用肉眼是观察不到的，只有通过X－RAY才能确认。线性不良对产品的电器性能会产生严重影响，常见的线性不良有线弯曲、线下垂、线短路、引线开路等。在塑封工艺中线性不良可以说是最麻烦的不良。因为它涉及的方面多，很难一下子找到成因。但总的来说线性不良的成因可以分为三大方面:

(1)由于机械方面引起的，此种原因造成的不良主要是设备的装料部分在抓取材料时由于相互部件之间配合不好引起的，对此要仔细观察抓材料时的运动情况，找出具体原因加以解决。

(2)由于成型参数不当引起的，会引起线性不良的成型参数主要有温度，注塑速度及压力，温度影响塑封材料的流动性因此会对材料中的金线产生影响，温度过高过低都不利于材料的封装成型;由于塑封材料的流动性是越来越差的，因此注塑速度过快一般可能会导致浇口处金线出现线性不良，而注塑速度过慢则一般会导致顶端的金线出现线性不良。因此可以通过对材料不良现象的分析初步判断不良的产生原因。

(3)由于原辅材料引起的，这里主要是塑封材料，因为塑封材料的性能对产品有很大影响，塑封材料的优劣决定其流动性和粘结性，因此选用适宜的塑封材料可以减少不良的产生。

当然线性不良的成因是复杂的，只有通过认真的观察分析，全面考虑再加上反复实验才能很好地解决它。