CN102412166B

CN102412166B - 一种半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法

Info

Publication number: CN102412166B
Application number: CN2011103096430A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: WUXI SHIYI ELECTRIC POWER MACHINERY EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: WUXI SHIYI ELECTRIC POWER MACHINERY EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: CN102412166A

Abstract

本发明公开了一种半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于包括以下步骤，步骤a：对待处理材料表面均匀施用少量助粘剂溶液，使之附着在需要加强的表面；步骤b：助粘剂溶液中的溶剂常温挥发风干，或者通过烘烤的方式烘干，挥发后的助粘剂活性成分涂层厚度控制在纳米级厚度，助粘剂活性成分涂层和待处理材料需加强的表面形成化学键合；步骤c：进行后道塑封工序，已经与待处理材料表面形成化学键合的纳米级厚度的助粘剂活性成分另一侧的官能团与塑封过程中使用的环氧树脂形成化学键合。其能够一定程度上提高芯片封装中多个关键界面的结合强度，防止工艺过程中分层、开裂；降低潮气等级数。

Description

一种半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片领域，尤其涉及半导体芯片封装技术领域。

背景技术

通常的半导体封装流程为：芯片圆片切割；芯片键合在引线框架或者基板上；导线键合，使芯片和外部电路连接导通；环氧树脂包覆芯片，芯片座，导线及导线连接的引线框架的内部引脚或基板上的焊垫；分割成单颗及外部引脚成型。

环氧树脂包封的主要作用是给其内部的芯片，导线及导线连接提供机械支撑，散热，电气绝缘，抵抗潮气或酸碱引起的腐蚀。环氧包封体是一个多种材料交叉的综合体，存在环氧和多种材料的结合界面，如果界面的结合强度不够，在恶劣情况下就会分层，产品的可靠性下降。

特别是20世纪80年代以来，随着表面贴装技术的广泛应用，一种比较严重的失效模式就是封装体在客户端进行表面贴装SMT时，芯片封装体从界面处开裂，界面处的导线键合受到分离应力作用容易开路而导致产品失效，界面处的芯片建立了与外界的潮气通路，其失效机理就是由于有些工序中温度比较高，界面所吸收的潮气在高温下体积迅速膨胀，产生的应力高于界面的结合力导致的开裂。为此JEDEC固态技术协会公布了针对SMD器件的潮气敏感度标准，对此给了明确的潮气敏感度定义、实验方法、等级划分。

自从20世纪80年代以来，如何提高潮气敏感度的工作就没有停止过。以住友电木(Sumitomo Bakelite)，日东电工(Nitto Denko)为代表的环氧树脂供应商通过配方调整，但是配方的调整要顾及到成型，冲线，脱模性，而脱模性和粘结性相矛盾，因而产生的效果有限，他们通常以满足JSTD020D的MSL3的标准为目标。并把耐潮气等级作为产品的核心竞争力之一，例如标称MSL2的环氧树脂比MSL3的价格要高50％以上，标称MSL2在实际使用过程中，由于封装体的差别，有一些经过实际测量后并不能达到MSL2。

以ASM为代表的引线框架供应商进行的框架材料表面粗化处理的研究，由于粗化作用于框架表面，其主要的有效部分是作用在框架和环氧树脂的界面，对于芯片及导线不起作用，通常框架为了适应导线键合的要求，对引脚焊垫做了镀银或镀镍处理，粗化的效果在镀层的表面往往达不到如同基材的效果，而此处的界面分层通常对产品的寿命起到置关重要的作用，另外就是处理过的框架成本增加较普通的框架增长对整个封装成本的影响很大。

等离子处理也是一种较为常见的处理方法，通过等离子气体冲击塑封前的产品获得清洁，活化的表面，通常对清洁表面的浅层污染物或氧化较为有效，但是产生能增加粘结效果的活性基团功能比较弱，而且由于空气中存在一些油气等污染物，其效果会随处理后放置的时间衰减，通常不能超过12小时。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其能够一定程度上提高芯片封装中多个关键界面的结合强度，防止工艺过程中分层、开裂；降低潮气等级数；延长产品使用寿命；解决处理后的保存时间问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其中包括以下步骤，步骤a：对待处理材料表面均匀施用少量助粘剂溶液，使之附着在需要加强的表面；步骤b：助粘剂溶液中的溶剂常温挥发风干，或者通过烘烤的方式烘干，挥发后的助粘剂活性成分涂层厚度控制在纳米级厚度，助粘剂活性成分涂层和待处理材料需加强的表面形成化学键合；步骤c：进行后道塑封工序，已经与待处理材料表面形成化学键合的纳米级厚度的助粘剂活性成分另一侧的官能团与塑封过程中使用的环氧树脂形成化学键合。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中，对待处理的的材料表面施用了助粘剂溶液，溶剂为有机溶剂，溶质为助粘活性物。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中，助粘剂溶液通过微喷涂设备以非接触方式喷涂在待处理材料需要加强的表面上。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中，进行助粘处理时使用的助粘剂活性成分是钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤b中，微喷涂形成的液体涂层可以采用常温挥发的方式，挥发的时间为5分钟到72小时，或采用加热烘烤的方式以加快纳米级涂层的形成，烘烤的温度为60度到150度，烘烤的时间为5到60分钟。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中助粘剂溶液，溶剂含量为95％-99.9％，活性偶联剂含量为0.1％-5％，然后用微喷涂设备均匀喷涂在待处理材料表面，溶液的使用量为5ml/m²-100ml/m²，溶剂挥发后存留的活性纳米级厚度的助粘剂活性成分的厚度为5-100nm。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a的助粘剂溶液中，有机溶剂含量为97％-99.7％，助粘剂活性成分含量为0.3％-3％。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中，助粘剂溶液均匀喷涂在待处理材料表面，溶剂挥发后存留的助粘剂活性成分涂层的厚度为20-60nm。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中助粘处理的区域有引线框架内部引脚、引线框架芯片焊垫、连接导线、芯片，或其中某一个部分进行处理。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中助粘处理的区域有PCB基板封装区域，连接导线，芯片，或对其中某一部分进行处理。

作为本发明所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤a中助粘剂溶液的活性成分是三异硬脂酸基钛酸异丙酯或3-氨丙基硅三醇，或乙烯基三甲氧基硅烷。

目前所普遍使用的塑封前等离子处理流程，其粘结力加强的效果仅仅体现在抵抗后续工艺，如，电镀，切筋成型，切割中的应力，而不能达到降低潮气等级的效果；而且存放的时间有限，一般为12小时以内。导线框架的表面粗化，其只提供导线框架和环氧树脂的界面加强，不改善芯片和导线的与环氧树脂的结合界面。而且导线框架的费用要占到整个封装体成本的50％以上，其价格的增加，对产品整体成本影响大。

本发明，首先利用微喷涂设备将助粘剂以非接触方式喷涂在需要加强的界面上，自然风干或者加热烘干，在待塑封的界面形成稳定且牢固的偶联剂结合涂层；塑封后，偶联剂的另一组活性基团和环氧树脂形成交联，最终达到所需的高强度结合界面。

采用本发明有益的技术效果包括：引线框架，PCB基板，芯片，导线和环氧树脂的界面都得到加强，加强的效果既体现在保证工艺中无分层，又体现在提高可靠性等级上。由于微喷涂工艺中使用的材料用量很低，本身成本很低，降低了封装总体的质量成本。

其一能够提高环氧树脂等包覆材料与引线框架、PCB基板、芯片、导线所形成的多个关键界面的结合强度，防止工艺过程中的机械或热应力导致的分层、开裂的出现，避免工艺过程中不必要的全检和次品；其二能够降低产品的潮气等级数，消除产品在客户端使用时潜在的缺陷，避免相关的客户投诉，产品召回，赔偿；避免由于高潮气等级数高所需的工艺控制成本及防潮包装费用；使封装体达到工业，汽车等对产品耐潮湿，耐高温要求苛刻的客户要求；其三能够延长产品的使用寿命一倍以上，提高产品的市场竞争力；其四能够解决像等离子处理后的存放时效问题，高达一个月的存放时间使之更具有工艺上实用性，同时整体上降低了成本。

附图说明

图1为引线框架类芯片封装俯视示意图。

图2为引线框架类芯片封装侧面示意图。

图3为PCB基板类芯片封装侧面示意图。

图4为助粘剂涂层厚度与界面剥离力(粘结力)的对照表(0、5、20、60、100nm，0指无助粘涂层)。

图5为助粘剂的用量与效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图，其中包括：1.引线框架外部引脚；2.环氧树脂；3.引线框架内部引脚；4.引线框架的芯片焊垫；5.连接导线；6.芯片与框架粘合剂；7.芯片；8散热片。9.芯片键合胶；10.PCB基板。

实施例1：对引线框架类产品实施处理。

产品在实施塑封前，对其需要加强的部位涂附上助粘剂，其主要成分钛酸酯偶联剂，三异硬脂酸基钛酸异丙酯，分子式为

其中烷氧基和金属，硅芯片表面形成化学键，其中的“-O-”和聚合物发生交联，助粘剂的溶剂含量为95％-99.9％，活性偶联剂含量为0.1％-5％，助粘剂使用量为5ml/m²-100ml/m²，溶剂挥发后存留的活性纳米层的厚度在5-100nm之间。助粘剂的用量与效果的关系示意如图，参见图4和图5.

可以采用自然风干的方式，时间5分钟到72小时，或者烘箱烘烤60-150摄氏，时间5到60分钟，使其和涂附的部位的材料表面形成化学键交联。烘干后，大气环境下可以存放达到96小时，无尘氮气柜存放时间可以达到1个月。

采用实施例1处理后的产品，潮气等级为JEDEC MSL1，达到非潮气敏感性要求，无需防潮包装，可以在室温条件下存放的有效期为1年。普通流程的产品，潮气等级为JEDEC MSL3，需要使用防潮包装，包装前需要烘烤以去除潮气，真空包装，真空袋需要放置潮气检测卡，开封后必须在168小时内用完。

采用实施例1处理后的产品，MSL1测试后界面处无分层，无电性能失效，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受600次循环界面处无分层。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受300次循环界面处无分层。

处理后的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受1500次循环，无导线剥离或断开。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受600次循环无导线剥离或断开。

实施例2：对引线框架类产品实施处理。

助粘剂的溶剂含量为97％-99.7％，活性偶联剂含量为0.3％-3％，助粘剂助粘剂的主要成分为硅烷偶联剂，乙烯基三甲氧基硅烷，使用量为5ml/m²-100ml/m²，溶剂挥发后存留的活性纳米层的厚度在20-60nm之间。助粘剂的用量与效果的关系示意如图，参见图4和图5.

采用本实施例处理后的产品，潮气等级为JEDEC MSL1，达到非潮气敏感性要求，无需防潮包装，可以在室温条件下存放的有效期为1年。普通流程的产品，潮气等级为JEDEC MSL3，需要使用防潮包装，包装前需要烘烤以去除潮气，真空包装，真空袋需要放置潮气检测卡，开封后必须在168小时内用完。

采用本实施例处理后的产品，MSL1测试后界面处无分层，无电性能失效，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受500次循环界面处无分层。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受300次循环界面处无分层。

处理后的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受1200次循环，无导线剥离或断开。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受600次循环无导线剥离或断开。

实施例3：对PCB类产品实施处理。

产品在实施塑封前，对其需要加强的部位涂附上助粘剂，其主要成分为硅烷偶联剂，3-氨丙基硅三醇，分子式为

其中“-OH”羟基官能团和无机材料(金属，硅芯片)的表面形成化学键，“-NH2”胺基官能团和环氧树脂发生反应形成化学键，助粘剂的溶剂含量为95％-99.9％，活性偶联剂含量为0.1-5％，助粘剂使用量为5ml/m²-100ml/m²，溶剂挥发后存留的活性纳米层的厚度在5-100nm之间。助粘剂的用量与效果的关系示意如图，参见图4和图5.

采用本实施例处理后的产品，潮气等级达到JEDEC MSL1，达到非潮气敏感性要求，无需防潮包装，可以在室温条件下存放的有效期为1年。普通流程的产品，潮气等级为JEDEC MSL3或高于MSL3，属于高潮气敏感性器件，需要使用防潮包装，包装前需要烘烤以去除潮气，真空包装，真空袋需要放置潮气检测卡，开封后必须在168小时内用完。

采用本实施例处理后的产品，MSL1测试后无分层，无电性能失效，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受400次循环无分层。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受200次循环无分层。

处理后的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受1200次循环，无导线脱离或断开。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受600次循环无导线剥离或断开。

实施例4：对PCB类产品实施处理。

产品在实施塑封前，对其需要加强的部位涂附上助粘剂，助粘剂的主要成分为硅烷偶联剂，乙烯基三甲氧基硅烷，溶剂含量为97％-99.7％，活性偶联剂含量为0.3-3％，助粘剂使用量为5ml/m²-100ml/m²，溶剂挥发后存留的活性纳米层的厚度在20-60nm之间。助粘剂的用量与效果的关系示意如图，参见图4和图5.

采用本实施例处理后的产品，潮气等级达到JEDEC MSL1，达到非潮气敏感性要求，无需防潮包装，可以在室温条件下存放的有效期为1年。普通流程的产品，潮气等级为JEDEC MSL3或高于MSL3，属于高潮气敏感性器件，需要使用防潮包装，包装前包装前需要烘烤以去除潮气，真空包装，真空袋需要放置潮气检测卡，开封后必须在168小时内用完。

处理后的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，可以耐受1000次循环，无导线脱离或断开。普通流程的产品，冷热循环，-65摄氏度至150摄氏度，只可以耐受600次循环无导线剥离或断开。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤a：对待处理材料表面均匀施用少量助粘剂溶液，使之附着在需要加强的表面；步骤b：助粘剂溶液中的溶剂常温挥发风干，或者通过烘烤的方式烘干，挥发后的助粘剂活性成分涂层厚度控制在纳米级厚度，助粘剂活性成分涂层和待处理材料需加强的表面形成化学键合；步骤c：进行后道塑封工序，已经与待处理材料表面形成化学键合的纳米级厚度的助粘剂活性成分另一侧的官能团与塑封过程中使用的环氧树脂形成化学键合；所述步骤a中助粘剂溶液，溶剂含量为95％-99.9％，活性偶联剂含量为0.1％-5％，然后用微喷涂设备均匀喷涂在待处理材料表面，溶液的使用量为5ml/m²-100ml/m²，溶剂挥发后存留的活性纳米级厚度的助粘剂活性成分的厚度为5-100nm。

2.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a中，对待处理的的材料表面施用了助粘剂溶液，溶剂为有机溶剂，溶质为助粘活性物。

3.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a中，助粘剂溶液通过微喷涂设备以非接触方式喷涂在待处理材料需要加强的表面上。

4.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a中，进行助粘处理时使用的助粘剂活性成分是钛酸酯偶联剂R1-O-Ti-(O-X1-R2-Y)n或硅烷偶联剂(R1-O)2-Si-R2-Y。

5.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤b中，微喷涂形成的液体涂层可以采用常温挥发的方式，挥发的时间为5分钟到72小时，或采用加热烘烤的方式以加快纳米级涂层的形成，烘烤的温度为60度到150度，烘烤的时间为5到60分钟。

6.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a的助粘剂溶液中，有机溶剂含量为97％-99.7％，助粘剂活性成分含量为0.3％-3％。

7.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a中，助粘剂溶液均匀喷涂在待处理材料表面，溶剂挥发后存留的助粘剂活性成分涂层的厚度为20-60nm。

8.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于所述步骤a中助粘处理的区域有引线框架内部引脚、引线框架芯片焊垫、连接导线、芯片，或其中某一个部分进行处理。

9.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a中助粘处理的区域有PCB基板封装区域，连接导线，芯片，或对其中某一部分进行处理。

10.根据权利要求1所述的半导体封装在塑封前的表面纳米膜处理方法，其特征在于：所述步骤a中助粘剂溶液的活性成分是三异硬脂酸基钛酸异丙酯或3-氨丙基硅三醇，或乙烯基三甲氧基硅烷。