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摘要：本研究深入探讨了引线框架集成电路塑封过程中的分层问题，这一问题直接影响产品的品质和可靠性。文章综合分析了导致塑料分层的主要因素，包括材料热膨胀系数不匹配、湿气渗透、内应力增加以及封装过程中的不当操作。研究重点在于通过材料工程优化减少内应力，并提出了改进策略：优化防氧化措施、提高塑封层的防湿性能、优化塑封参数以及选择合适的塑封材料。这些策略有助于提高封装层与器件其他部分的粘接力，有效预防分层，从而保障电子器件的长期可靠性和性能稳定性。本研究对于提高封装工艺的科学性和制造商改善产品质量具有重要的实际意义。

关键词：塑封器件；分层；可靠性

中图分类号： 文献标志码： 文章编号：20230595

中文引用格式：马勉之，任雄阳，冯后清. 塑封器件分层问题的研究和分析[J]. 电子与封装，

英文引用格式：MA Mianzhi， REN Xiongyang， FENG Houqing. Research and Analysis of the Delamination Problem of Plastic Sealing Devices [J]. Electronics & Packaging，

1引言

在现代塑料封装行业中，由于采用的参数和材料差异，内应力问题变得尤为关键。这些内应力常导致不同材料间粘接表面的脱落或剥离，这不仅妨碍了设备的正常运作，还对其工作寿命带来负面影响。这主要是由于材料属性的差异所致，尤其是在受到水分和温度影响时更为明显。针对这些问题，二次等离子体清洗（Re-plasma）技术的应用在塑料封装行业中变得日益重要，行业普遍在塑封（MD）过程之前采用等离子体清洗技术，以提升材料间的粘合性和降低内应力。不仅显著提高了清洁效果，而且有效减少了由材料差异引起的分层现象，提升产品的稳定性和延长其使用寿命。

2塑封器件分层问题分析

2.1  引线框架氧化对分层的影响

引线框架在封装材料中具有关键地位，其职责不仅包括固定芯片、保护内部元件和分配信号，还扮演着散热通道的重要角色。铜是引线框架的主要材料，其高亲氧性使其容易在封装过程中与氧气发生反应，从而形成氧化物。在封装过程的不同阶段中，引线框架会发生氧化，在粘片后每个加热烘烤阶段，由于升高的温度，氧化反应更容易发生。在引线焊合过程中，尽管存在氮气流的保护，但仍然有部分引线框架可能会发生氧化。为了确保良好的粘结效果，在注塑成型之前对引线框架进行加热，但由于缺乏保护环境，这一过程容易导致严重的氧化问题。氧化过程中，铜的表面形成了氧化亚铜（Cu2O），它是通过氧化还原反应形成的不稳定氧化膜。随着时间的推移，这一膜会在氧气的作用下进一步转化为更加稳定的氧化铜（CuO）。相关模拟实验也证实了引线框架在不同处理条件下的氧化程度。这些发现具有高度的理论性和科学价值，如表2-1所示：

通过这些数据，可以看出在不同的处理条件下，氧化亚铜和氧化铜的形成程度是不同的。这些氧化膜的形成是导致胶接工艺中脱粘和开裂的重要因素，尤其是在引线框预热阶段。

2.2  湿气破坏

当湿气通过两种不同的途径渗透至芯片表面时，它在芯片表面形成一层导电水膜。这一过程还伴随着塑封料中的Na+和Cl-离子的移动，这些离子在电位差的作用下加速了芯片表面布线的电化学腐蚀，最终导致电路内引线的断路[2]。随着电路集成度的不断提升，布线变得更加密集且线径更细，这使得布线腐蚀对器件寿命的影响更加明显。特别是在分立器件的生产过程中，电镀环节至关重要。电镀液中含有大量的离子，这些离子一旦渗透到塑封料内部，极易导致芯片表面的腐蚀，甚至可能引起分层现象。当空气中的湿气通过不同途径到达芯片表面时，这些湿气在芯片表面形成的导电水膜会吸附塑封料中的Na+和Cl-离子。这些离子的存在，在电位差的作用下，加速了芯片表面布线的电化学腐蚀过程，进而引发电路内引线的断路。相关原理在表2-2中有详细说明。

2.3  塑封参数对分层的影响

在成型工艺中，将成型温度设定在略高于塑料玻璃化转变点Tg的水平，即在160至180摄氏度之间，可以获得较理想的熔体流动状态[3]。然而，若模温过高，塑封料会过快硬化，导致胶封内部应力增加，进而降低胶封与框体间的粘附力。此外，硬化速度过快还可能妨碍冲模的充分进行。反之，如果模具温度过低，塑料密封材料的流动性变差，导致模内充填不足[4]，从而降低密封圈的力学强度。在整个过程中，确保铸型各部位的温度分布均匀至关重要，以避免塑料密封材料硬化不均，进而影响设备的力学性能稳定性。相关的详细数据和说明见表2-3。

2.4  塑封材料对分层的影响

水分可通过包裹在塑料密封层内的密封材料或渗透到塑料密封材料与金属框架之间的微小缝隙中，进入晶片内部。这一过程导致晶片表层形成了一层导电水膜，并携带了塑封料中的Na+和Cl-离子。在电势差的作用下，这些离子促进了铝导线的电化学腐蚀，最终可能导致内部导线的短路故障。此外，塑料密封材料与芯片、金属框架等材料之间的线性膨胀系数不匹配对设备的密封性能产生了显著的影响。由于塑料密封材料的热膨胀系数（20-26E-6/℃）远高于芯片和框架（-16E-6/℃），因此，在注塑成形过程中，这种不匹配可能导致焊线脱落，甚至导致封装层与框架之间的粘结界面分离，从而损害了器件的完整性。

3改善塑封器件分层的对策

3.1  优化氧化防护措施

在电子封装过程中，特别是在芯片粘贴后的烘烤、压焊前的预热以及引线键合时的加热环节，引线框架的氧化问题成为一个显著的挑战。这种氧化不仅改变了引线框架的物理性质，还可能对塑封料的粘接强度产生负面影响。在后续的回流焊工艺中[5]，这可能导致分层和裂纹的问题。因此，采用多方位的工艺改进和材料选择以最小化氧化风险变得至关重要。

关键的改进措施包括优化预热和烘烤工艺。在这些步骤中，引入保护性气体，比如增加氮气流量，以形成减少氧气接触的环境是非常有效的。作为一种惰性气体，氮气可以有效隔离氧气，预防铜材料表面的氧化，同时需要控制加热温度和时间。在芯片粘贴后的烘烤环节，通过增加氮气流量，将工作环境的氧气浓度显著降低[7]，这已被证明能有效减少引线框架的氧化，并提高封装后电路板在高温和高湿环境下的性能稳定性。

材料选择方面选择更强抗氧化性能的材料和涂层，如采用镍或金涂层的铜引线框架可以提供额外的保护层，减缓氧化速率[6]，目前工厂已经在量产使用。此外，选择在高温下具有更好稳定性的合金材料也是一个有效的方案，这些合金在高温下的氧化速率较慢，提供了更好的防护[8]。

通过这些综合措施，不仅显著降低了引线框架在封装过程中的氧化风险，而且提高了最终产品的可靠性和性能。

3.2  提升塑封层整体的防湿性能

加强封装层的密封性能是至关重要的，使用密封性更佳的塑封材料也是有效防止湿气渗透的方法[9]，采用渗透率较低的树脂材料可以明显减缓湿气穿过封装层的速度。

在电镀过程中，使用低离子含量的电镀液也是一项重要策略。高离子含量的电镀液可能导致封装材料吸收更多湿气，增加了封装层与芯片或引线框架间的分层风险。优化电镀溶液的成分能显著减少湿气和有害化学物质的渗透，从而提高封装的可靠性[10]。

考虑在塑封过程中引入疏水性材料，这类材料能有效排斥湿气，增加湿气与封装层接触的能量障碍。疏水性纳米涂层的应用能在封装表面形成一层保护屏障，阻隔湿气的直接接触。

在封装制程中，维持一个干燥且洁净的环境能大幅度降低湿气的存在。在生产设施中安装高效的除湿系统，并对环境湿度进行实时监控与调控，是确保封装质量的重要措施。如表3-1所示，这些措施能显著提升封装层的整体密封性能，确保最终产品的可靠性和性能。

通过这些环境控制措施，可以从根源上减少湿气对封装过程的影响。对于已经封装的器件，在存储和运输过程中也需要严格控制湿度条件。使用干燥剂和密封包装可以在器件的后期处理中继续保护它们免受湿气的影响[10]。对于特别敏感的器件，还可以考虑使用氮气填充包装，以进一步隔绝湿气。

3.3  优化塑封参数以防止电子器件分层

在电子器件制造过程中，塑封步骤对于设备的可靠性和寿命至关重要。在此过程中，特别是模具温度的精确控制对于防止分层现象具有至关重要的影响。模具温度直接影响着塑封材料的流动性、固化行为以及其与器件其他部分的粘接强度。高温可能导致塑封材料过度流动，导致空洞或引入不必要的应力；而低温则可能导致塑封材料未完全固化，降低了粘接强度。为了实现最佳封装效果，模具温度应被精确地控制在略高于塑封材料的玻璃化转变温度（Tg）的水平。这可以确保塑封材料在模具内均匀流动并充分固化，从而形成无内部应力的均匀封装层。

3.4  优化塑封材料选择以防止电子器件的分层

塑封分层问题通常源于内应力，这种内应力主要是由塑封材料与器件内其他材料在温度变化中热膨胀系数（CTE）不匹配引起的。热膨胀系数是材料在温度变化时体积膨胀或收缩的特性。当封装的不同材料热膨胀系数不一致时，温度变化会导致不同的膨胀或收缩速率，从而在材料间产生内应力。若这些内应力管理不当，最终可能导致封装层与芯片或引线框架之间的粘合界面发生分层。

设计阶段需考虑材料的选择，选用与芯片及引线框架材料线膨胀系数相匹配的封装材料是减少温差引起内应力的有效方法。当器件在不同温度下工作时，匹配的膨胀系数可确保所有材料以相似比率膨胀和收缩，最小化热应力引起的分层风险。除匹配热膨胀系数外，确保塑封层与金属框架良好粘接也是防止分层的关键，这要求在封装工艺中使用粘接能力强的塑封料，并严格控制条件，如温度、压力和固化时间。塑封工艺中也需考虑封装材料的固化过程，包括精确控制固化温度和时间，对于保障封装材料的机械性能和与其他材料的兼容性至关重要。

通过选择与器件其他部分热膨胀系数相匹配的封装材料，并确保材料间良好粘接，可显著降低因温度变化引起的内应力，有效预防分层，保障电子器件长期可靠性和性能稳定性。

4 结论

本文研究了塑封器件封装过程中常见的分层问题，以及这些问题对产品质量和可靠性的影响。文章探讨了导致分层的各种原因，包括材料的不匹配、湿气和热应力造成的损害，以及封装过程中的不当操作。研究的目标是通过科学的实验方法，系统性评估不同塑封材料的性能，揭示材料属性与分层现象之间的内在联系，并提出相应的解决策略。例如优化防氧化措施、提高塑封层的防湿性能、优化塑封参数以防止器件分层，以及选择适当的塑封材料以减少内应力并提高封装层的粘接强度。

最终，文章总结了研究成果，并强调这些成果如何助力制造商改善产品质量，提升器件在极端环境下的性能和可靠性，为电子制造业的发展提供科学依据。通过详细的分析和提出的解决方案，为塑封器件分层问题的研究提供了深刻的洞见，对电子封装行业的进步具有重要的实际意义。

参考文献：

[1]田健，廖登华，李永梅等.双层基板塑封器件的声扫检查方法研究[J].电子与封装，2023，23（04）：23-27.

[2]马清桃，王伯淳，王瑞崧.塑封器件分层检测不合格原因探讨[J].电子与封装，2019，19（10）：13-16+48.

[3]杨秀伦，张鹏.塑封分立器件的分层问题之我见[J].数字通信世界，2018（06）：273-274.

[4]吴晓亮，周雪薇，方圆.塑封器件分层失效实例分析[J].电子与封装，2015，15（10）：4-7+19.

[5]刘培生，卢颖，杨龙龙等.塑封器件芯片与塑封料界面分层的研究[J].电子元件与材料，2015，34（09）：54-58.

作者简介：

马勉之（1971—），男，陕西（省）西安（市）人，毕业于电子科技大学，主要研究方向为集成电路封装、测试技术与运营管理。