为分析封装及模塑过程参数对塑封IC翘曲的影响，本文先介绍塑料四边引线扁平封装（PQFP）使用的环氧模塑化合物（EMC）的热特性。并对不同模塑榈的聚合程度（DOC）热膨胀系数（CTE）、玻璃转变温度Tg、剪切模量G等，运用各种热分析技术进行测量。结合不同封装过程参数，运用三维有限元分析法进行封装翘曲预测；最后对塑料四边引线扁平封装（PQFP）IC翘曲的测量与预测值进行比较。 关键词：环氧模塑化合物；聚合程序；热膨胀系数；玻璃转变温度；剪切模量；翘曲预测；翘曲测量 中图分类号：305．94 文献标识码：A 随着电子产品轻、小型化的要求，IC封装趋于薄型、小型化。此时塑封IC因各封装材料(引线框架、芯片、粘接剂、模塑料)之间的热膨胀系数(CTE)不匹配更易产生局部热应力，而使封装产生表面翘曲。过度翘曲不仅使塑封后续制程如切筋／成形等难度加大，在成品塑封IC SMT组装时制程不良增高，并易产生芯片及封装裂纹等严重器件失效。 塑封器件的包封材料成分通常是电绝缘的塑料，用来保护芯片及管芯一框架组装件，其具有合适的机械强度、对封装部件的附着力、可制造性和抗环境化学腐蚀、绝缘性好、能与它交界的材料的热膨胀系数(CTE)相匹配、在使用的温度范围内具有较高的抗热和抗潮性。热固性包封料以环氧树脂为基础，或者在一些特定的用途下以有机硅聚合物为基础。 1环氧模塑化合物(EMC) 的热特性 选用SUMITOMO公司的环氧模塑化合物(EMC)为塑料四边引线扁平封装(PQFP)包封材料，在加热时间为90s时，制备160℃、165℃、170℃、175℃、180℃和185℃等六种不同模塑温度下的样品，运用各种热分析手段进行固化样品的材料特性测试。采用差分扫描量热法(DSC)进行填充模塑料聚合程度(DOC)的测定，分别运用热机械分析(TMA)和动力机械分析(DMA)对模塑料的热膨胀系数(CTE)和剪切模量G进行测量。 通常用DSC-2910差分扫描量热仪进行环氧模塑料(EMC)聚合程度(DOC)的测定，每种样品约5~10mg密封在DSC-2910的样品腔内，然后以升温速率为10℃／min，在-10℃~280℃温度范围内进行测试，通过监测反应残余热，进行聚合程度卢测量。聚合程度卢定义为： β=(△H0-△Hr)/ △H0 (1) 式中，△H0和△Hr分别为环氧模塑料样品的总反应热和反应残余热。 在差分扫描量热法(DSC)测定中，未固化环氧模塑料的总反应热为51.14J／g，在模塑时间确定时，模塑温度从160℃升高为185℃时，聚合程度卢的测定值从56％提高到96％。 玻璃转变温度Tg定义为热应变-温度曲线中，膨胀率随温度变化的拐点。图1为环氧模塑料聚合程度β随玻璃转变温度Tg变化的关系曲线图。 用TMA2940分析仪进行应变测量，样品尺寸5mm× 5mm×2mm、可伸缩探针、恒定测试力0．005N、温度范围10℃-280℃、升温速率恒为10℃／min，样品的线性热膨胀系数(CTE)α定义为： α=(1/L0)*(△L/△T)(2) 式中，Lo，
△L，△T分别代表初始长度、长度变化量及温度变化量。 一般情况下，应变量-温度曲线图中，膨胀率是曲线的斜率，玻璃转变温度Tg是低温热膨胀系数（α1）与高温橡胶似的区域的热膨胀系数(α2)的交叉点。玻璃转变温度要把玻璃态温度区与无定型聚脂材料的胶化温区分别开，玻璃转变温度成为聚合物材料整个粘弹性对所施加应变响应的一种象征，它取决于应变速率、应变程度及加热速率。图2描述了α1＼α2与玻璃转变温度Tg的关系曲线。从图中可知αl、α2均随Tg升高而减小。 在动力机械分析(DMA)中，模塑样品切成大约50mm×l2mm×l．7mm，使用RMS-800动态分析仪，在动态频率／温度扫描模式下测试。扫描频率为0．1弧度／秒~100弧度／秒，温度范围85℃~220℃，温度递增量为15℃，在试验中，施加应变量为0．1％，不同频率和温度下的剪切模量G可测量得到。 2塑封翘曲有限元分析 有限元模型法是将一个结构分离成若干个独立的规则的形状单元，并在空间用边界模型来定义每一个，就可求解整体结构的位移和应力问题。每个单元足够小，以致于假定它在任意方向上的变形都是线性的。单元越小越密可以减小线性位移这个假设的误差，但却大大增加了计算机的运算时间，因此，实践中通常在应力和应变变化梯度大的区域增加单元的密度，其它位置用的单元就较稀。 运用有限元模型法研究塑封PQFP翘曲时，选用160PinPQFP。分析包括两部分，模塑料填充模拟和热应力分析。前者可用商用
软件C-MOLD，来模拟聚合程度-温度曲线，后者可通过将封装体从不同的模塑温度(160-185℃)冷却至室温(25℃)，使用有限元分析软件ABAQUS，进行模塑过程参数对封装翘曲影响的三维有限元分析。 在分析中，模具脱模时产生的变形可忽略，从几何角度考虑，PQFP有限元分析模型共有2900个节点和2430个单元，PQFP详细描述如表1。 封装时，各组成材料的机械特性列于表2，以供参考 3 翘曲预测 本文中，翘曲量定义为在封装体角上与中心之间偏离水平面的偏差。下面将分析封装用引线框架材料和模塑过程参数对封装翘曲的影响。 引线框架是模塑封装的骨架。通过将大片的金属条带冲制或用化学刻蚀而制成，它首先作为组装过程的支撑件，然后经过包封成为封装整体的一部分。对不同引线框架材料对封装翘曲的形成进行试验，铜引线框架比A42(42％镍，58％铁)引线框架产生翘曲相对较小，由于A42引线框架和硅芯片材料的热膨胀系数(CTE)远小于模塑料(EMC)(见表2)故封装时芯片焊盘的下凹使封装体下部分收缩小于上部分，封装体呈现下陷变形(即上表面收缩大于下表面)。另一方面，铜与模塑料(EMC)的热膨胀系数(CTE)比较接近，使用铜引线框架封装时，在冷却过程中，只有管芯的收缩量相对较小，这使得封装体中心比周围隆起较大，其整体封装翘曲相对较小。 4模塑过程参数的影响 采用A42引线框架，对不同模塑温度和模塑时间对翘曲形成的差异进行试验，图3(a)和(b)为塑封IC翘曲量曲线图，
其中(a)为粘弹性EMC模型(b)为弹性EMC模型。 从图中可知，对确定的玻璃转变温度Tg(或聚合程度)，在较低模塑温度、较长模塑时间时，翘曲相对较小。 5翘曲测量 用MITUTOYOBHN-715测量设备进行PQFP翘曲测量。测量时使用可编程接触探针、25点栅格模式，并将封装体角上的数据用来作为参考面，在175℃，90S模塑工艺下模塑完成后，冷却至25℃，来测量翘曲量。表3为测量数据，其值为负偏离，即塑封PQFP为下陷翘曲，样品11*、17#、18#测量结果为正值，此3个数据被剔除。翘曲测量值为5.0μm~74．0μm，平均值为34．96μm，标准偏差为15．63μm。测量结果分布范围太大可能是选择参考面时出错所致，因为在角上附近有一些标志，误差可能是接触探针落于标志之内所致，可通过更密的栅格模式，或更好的连续扫描测量模式，来克服此类误差。 表面翘曲预测值在175℃，90S模塑工艺，冷却至25℃时，其粘弹性EMC模型和弹性EMC模型分别为35.19mm和21.26mm，见图3(a)、(b)，与测量平均值34．96mm相比，误差分别为0．66％和39．17％，粘弹性EMC模型的表面翘曲预测值更接近于测量值。 6结论 通过对模塑料(EMC)的热特性分析及运用三维有限元模型对塑封PQFP表面翘曲的预测，得出塑封PQFP表面翘曲取决于模塑过程的温度、时间及模塑料聚合程度。为减小塑封PQFP表面翘曲，通常选用较低温度、较长时间或较高温度、较短时间的工艺参数。经过对翘曲测量值与预测值的比较，粘弹性EMC模型对塑封PQFP表面翘曲的预测要相对准确。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议