摘要：铜材料引线框架具有良好的导电导热性能，同时具备良好的机械性能和较低成本，但是由于框架和塑封料之间较差的粘结力在回流焊时容易造成封装体开裂。文章研究了铜框架氧化膜的特性，以及氧化膜对半导体封装的可靠性影响。根据试验，氧化膜会随着时间温度而增加，当氧气含量低于1%

失效分析赵工半导体工程师 2024年12月08日 10:04 北京

摘要：

铜材料引线框架具有良好的导电导热性能，同时具备良好的机械性能和较低成本，但是由于框架和塑封料之间较差的粘结力在回流焊时容易造成封装体开裂。文章研究了铜框架氧化膜的特性，以及氧化膜对半导体封装的可靠性影响。根据试验，氧化膜会随着时间温度而增加，当氧气含量低于1%时增加缓慢。当氧化膜的厚度超过20nm时，塑封料与氧化铜之间的结合力就会显著下降，同时交界面的分层也会加剧。最后针对氧化膜厚度受控的产品做回流焊测试，确认是否有开裂，结果表明与结合力测试相符。氧化膜的厚度需要低于42.5nm，可以提高在reflow时的抗开裂性能。

1 引言

在塑封电路经过回流焊后确保产品的可靠性同时防止产品开裂是一个巨大的挑战。导致开裂的最关键因素是各种材料之间结合面的分层控制。而EMC（环氧塑封料）与框架之间的结合力是其中最弱的，几乎所有的分层都出现在EMC和框架的结合面上，如图1所示。

在目前的塑封技术里两种材料被广泛用于框架的制造，一种是以铜为基材的各种合金，另外一种是以铁镍为基材的合金。相比铁镍合金，铜材料的合金具有更好的导电导热性以及较低的成本。由于这些优势使其广泛应用于大而薄的封装体上。然而相对于铁镍合金来说，铜合金的封装更加容易发生由于分层造成的开裂。而造成EMC与铜框架之间结合力低的原因是在封装的过程中铜框架上的氧化膜厚度的增加。因此对氧化层的分析对于改善封装体的可靠性至关重要。

在整个封装过程中框架会经过一系列的加温，而装片后的固化以及键合是造成塑封前框架氧化的关键工序。目前业界典型的装片胶固化在150℃~200℃，固化时间在0.5h~2h。而键合的温度在180℃~220℃之间，时间在20s~200s之间。本文为了试验氧化膜对于粘结力以及分层的影响，我们测量了不同温度和时间下铜框架的氧化层厚度，同时也研究了氧气浓度对于氧化层厚度增加的关系。

2 铜框架氧化膜的增长

2.1 温度与时间的影响

为了获得一个准确的氧化膜厚度增长率，我们测量了经过不同温度时间加热的框架。在试验中，框架在烘箱内的温度为120℃、150℃、200℃、270℃，时间范围为30min~120min。氧化膜的厚度采用阴极还原的方法测量。氧化膜厚度的增加可以表述为如下公式：

T [K]为绝对温度，R [J/K mol] 为气体常数。

图2 说明了在本次试验中氧化膜增长率的结果。

图3为从本次试验获得的阿雷尼乌斯图，虽然本次试验仅测量了三个数据，但还是显示了良好的线性。因此：

Kc=3.08×1022 exp（-1.83×105/RT）（3）

将公式（3）代入公式（1）后得到如下结果：

x3=3.08×1022t exp（-2.2×104/T）（4）

使用上述公式，我们估算出大多数装片胶固化时氧化膜的增加速度，如图4。

2.2 氧气含量的影响

氧气含量与氧化膜厚度的增长率关系如图5。

在此次实验中加热温度恒定在250℃。当氧气浓度低于1%时框架几乎没有氧化，当氧气含量超过5%时，框架氧化的速度与在大气中氧化的速度接近。根据这个结果，当进行装片胶固化时，为了减少框架的氧化，可以在烘箱内填充N2使氧气含量低于1%。

3 结合力测试

测试方法如图6，说明了如何测试EMC与氧化铜板之间的结合力。该测试使用2mm的EMC立方体作为测试标准块，使用此标准块塑封注塑在铜板上。铜板预先在高温下进行氧化，取得不同的氧化层厚度。在完成注塑后使用推力计进行测试。

图7表述了不同氧化膜厚度对应的推力值，当氧化膜厚度低于20nm时推力并没有随着氧化膜厚度的增加而显著降低，当氧化膜厚度超过20nm时我们发现推力会急剧下降。推力的下降在氧化膜厚度达到70nm时基本停止在1MPa。总体来看，推力的大小与氧化膜厚度成反比。因此控制氧化膜的厚度成为保证足够粘结力的关键因素。

根据氧化膜厚度的不同，我们发现两种不同的断裂模式。当氧化膜厚度低于20nm时，经过推力测试后仍然在铜板上能够发现EMC的残留。当氧化膜厚度大于20nm时，EMC的表面可以看到氧化膜的残留。

4 封装体的可靠性

4.1 方法和材料

本次试验针对LQFP64 1.4mm package评估不同氧化膜厚度产品的可靠性。试验条件如下：

Package: LQFP64 (1.4mm)；

Die size: 2.65mm×3.25mm；

Leadframe plating type: Double ring；

Epoxy: 8290；

Compound: 8240；

Assembly process flow: DA→Post DA cure→WB→MD→PT→MK→TF。

可靠性试验流程如图8。

4.2 结果以及讨论

表1表述了分层以及塑封体开裂的结果，在预处理前只有当氧化层大于42.5nm时才出现分层的状况，所有的样品均没有塑封体开裂。而经过预处理后当氧化层厚度小于42.5nm时分层状况没有变化，而大于42.5nm时分层状况随着氧化膜厚度的增加而恶化，同时出现了塑封体开裂的现象。

5 总结

通过一系列的试验得出了氧化膜增加与温度以及时间的关系，同时发现了氧气浓度与氧化膜的关系，当氧气含量低于1%时框架几乎不会出现氧化，这个发现有利于更好地控制后固化的氧气含量，以避免框架在后固化工序中的氧化。针对氧化膜厚度与EMC结合力的关系也进行了研究，氧化膜厚度越厚则结合力越低。最后针对LQFP64进行了封装体层面的可靠性与氧化膜厚度之间关系的研究，当氧化膜厚度低于42.5nm时产品是安全可靠的。

通过上述研究表明，为了达到JEDEC的可靠性标准，需要有效控制框架的氧化。而发展低温固化装片胶水以及采用低温键合技术将是控制氧化膜的关键。

原创吴建忠，王伦波等半导体封装工程师之家

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