影响QFN引线框架可靠性的关键因素
夏浩
天水市应急救援服务中心
摘要：
引线框架作为塑封集成电路的重要材料，引线框架的结构设计和工艺控制对塑封器件的可靠性起到至关重要的作用。本文从方形扁平无引脚封装（QFN）蚀刻引线框架的结构设计、不同类型表面处理工艺、新型先镀后蚀工艺流程、抗氧化处理等方面阐述对引线框架可靠性的影响。
0 引言
引线框架作为塑封集成电路的重要材料，承载着芯片，连接外部线路板以传输电信号，并起到固定芯片的作用。因此引线框架通常需要具备良好的导电性、导热性和抗氧化性，适当的热膨胀系数，以及高强度。目前引线框架的制造工艺主要分为冷冲压和化学腐蚀两种，随后通过电镀工艺完成制造。此外，随着卷式先镀后蚀工艺的出现，使得引线框架的工艺更加多样化，能满足客户快速出样和大规模量产化的需求。近年来，随着半导体市场的快速增长，塑封市场需求强劲，方形扁平无引脚封装（QFN）产品可靠性要求也在逐步提升。而IC引线框架的设计和工艺水平对塑封器件的质量和可靠性存在显著影响，因此如何从引线框架的设计和工艺控制入手，来提高产品的可靠性显得尤为重要。本文将从QFN引线框架的结构设计、不同类型表面粗化技术、新型先镀后蚀工艺、抗氧化处理等方面浅析影响引线框架可靠性的各类因素，为提升产品可靠性提供有效建议。
1 提升可靠性的引线框架结构设计
引线框架和EMC之间的界面结构为机械粘接。如果水汽、钠氯离子和其他有害杂质（材料表面残留或工艺引入）共同作用，通过引线框架和塑封料之间的间隙侵入，在加热时会使塑封体受力膨胀，当膨胀内应力超过塑封体与框架、芯片的结合力时就会使塑封料与框架、芯片间产生微间隙，致使塑封体开裂，俗称“爆米花”现象[1-2]。因此，引线框架在设计阶段会引入一些特殊结构设计，来提高抗分层可靠性。如在DIP传统封装形式中会引入开孔和拐角形式设计，在QFP引线框架中会在PAD背部加入dimple设计。以QFN封装形式的引线框架为例，利用半腐蚀技术在背面形成嵌套结构（如图8所示）。为了解决QFN产品分层问题，除了以上常规设计外，在多引脚大尺寸的QFN引线框架设计中还可以引入更多设计（如图8所示），如异形引脚设计、在引脚末端加入锁料孔、在PAD周围设计条装锁料槽、在芯片粘接未覆盖的PAD正面加入X形半蚀刻塑料槽（如图1、图2所示）。
2 引线框架表面粗化技术对可靠性的提升
为提升框架表面与塑封料之间的结合力，通常会引入表面粗化处理，如微蚀刻、镀铜粗化、有机酸超粗化以及棕色氧化技术。微蚀刻工艺是指在电镀前对引线框架表面进行微腐蚀（图4），破坏原有铜带表面织构状的纹理特征（图3），来提升表面粗糙度。该工艺出现最早，溶液配方简单，主要以普通硫酸双氧水为主要成分，成本低。但该工艺药水稳定性不易控制，容易带入Cu2+离子，要频繁进行溶液更换和补充以保障质量一致性。电镀铜粗化技术[3]是使用五水合硫酸铜作为电镀液，在引线框架铜合金表面电镀生成一层粗糙致密的铜颗粒层（图5），使引线框架表面粗糙化，然后再进行预镀铜和局部镀银。铜面棕色氧化工艺是指在电镀完成后，通过化学方法在金属铜表面形成金属有机化合物，咬蚀表面形成均匀的表面粗糙度，该工艺使用的溶液配方技术目前在国内处于空白，成本高，可操作性差，并且容易形成棕色粉末，进而污染银镀层。而有机酸超粗化技术是以醋酸铜和氯化铵为主要成分配置的腐蚀液，通过晶界腐蚀原理腐蚀铜材表面并形成凹凸形状的粗化特征（图6），该工艺操作简单，成本可控，而且溶液稳定、易于管理，能满足MSL1级的要求。
3 先镀后蚀工艺对可靠性的影响
目前低端引线框架使用最广泛的工艺流程为冷冲压+卷式电镀，而QFN、DFN、QFP等中高端类型产品主要依赖化学蚀刻+片式机械电镀的工艺方式，该工艺目前较为成熟，国内目前已开始大规模使用。但该工艺的弊端为在电镀过程中无法完全阻隔电镀溶液和半蚀刻区域的接触，从而导致QFN电镀产品存在银背漏、侧漏等问题，在一定程度上制约着产品可靠性的提升。引线框架在封装过程中会经过多次烘烤，在产品表面形成Cu-Cu2O-CuO的氧化膜结构，Cu和Cu2O与塑封料的结合力均强于银镀层与塑封料的结合力，因此在引线框架设计过程中，通常采用环形镀银或者异形镀银的方式来尽可能地减少银镀层的覆盖面积，以此来提高可靠性。而通过使用卷式先镀后蚀工艺可以完全杜绝银侧漏和背漏的出现，该工艺流程不但大幅提升生产效率，还能彻底解决上述痛点问题。卷式先镀后蚀工艺的原理为：首先，通过覆盖一层感光干膜，并依次进行曝光、显影和电镀三道工序，在铜带表面完成电镀图形。接着，进行二次覆感光干膜，并经过曝光、显影和蚀刻三道工序，完成引线框架的成型。最后，通过切断工序，获得无银背漏和侧漏的成品。传统片式蚀刻机械电镀工艺存在银背漏和侧漏问题，如图7所示。卷式先镀后蚀工艺无银背漏和侧漏问题，如图8所示。
4 引线框架抗氧化处理对可靠性的影响
引线框架的电镀工艺流程主要为：除油-酸洗-预镀铜-预浸银-选择性镀银-脱银-抗氧化处理-防扩散处理-烘干。最后的抗氧化工艺和防扩散处理工艺的稳定性一直被认为和引线框架的可靠性存在重要关系。电镀工序完成后，引线框架要进行铜剥落和防银胶扩散测试，这两项测试是衡量可靠性的关键测试指标。
关于引线框架铜剥落（copper peeling）问题，行业内一直认为是产品抗氧化性能偏弱，导致在240℃烘烤过程中产品表面生成较厚的Cu2O和CuO氧化层，从而发生剥落现象。国内外文献多关注关于引线框架铜合金的氧化机理问题，上海交大沈宏[4]、Soon-Jin ChO[5]等研究了引线框架铜合金的氧化机理，建立了氧化层的结构模型，研究了氧化层的抗剥落性能，文中指出常规引线框架用铜合金在280℃以上的高温才能发生剥落。而实际情况中的剥落物质色泽（240℃）与280℃下剥落的物质存在明显差异，分别为亮黄色和深褐色。孙江燕[6]等人研究了铜抗变色剂对引线框架和塑封料结合力的影响，研究指出抗变色剂主要用于抑制200℃~240℃内氧化膜的生长。笔者于2017年在国内某引线框架厂工作期间，查阅大量文献后发现，文献中的理论无法解释此异常，并且文章中的试验过程均采用除油和酸洗的铜合金原材料，和实际生产过程中电镀后的引线框架条件相去甚远。研究发现，导致引线框架铜剥落的原因，并非抗氧化处理异常而在烘烤测试中生成了较厚的铜氧化膜。实际上，问题在于用于引线框架表面处理的抗氧化溶液。这种溶液中Cu5苯类化合物含量过高，导致在铜合金表面形成了一层较厚的金属-有机保护薄膜。在塑封的各工序加热过程中，这层薄膜未能完全挥发，留下较多有机残留物。由于这些残留的有机保护薄膜与铜的结合力很差，因此在烘烤过程中会老化，并连带极少量铜氧化物一同被剥落。试验过程中，在正常的电镀过程中配比不同浓度成分的抗变色处理溶液，并进行铜剥落测试。当溶液中的有机物含量Cu5提升，而随着Ag+离子含量降低，铜剥落发生的趋势会愈发明显。而使用上述文献中的方法，对仅仅使用预处理（碱洗和酸洗）的铜带直接进行240℃铜剥落测试，重复多次试验不会发生任何铜剥落现象。存在铜剥落异常的产品塑封后，在回流焊过程中会有分层风险，拆开失效塑封器件后，通常会在分层位置发现塑封料上面粘有铜残留物质，一般会被误认为是铜氧化层连带塑封料一同发生起裂分层模式（图9）。除了上述失效模式外，在塑封过程中，由于表面铜抗氧化保护层未完全挥发，表面残留的有机保护膜易脱落，从而导致塑封料粘连此类物质一同剥落产生分层失效（图10）。为解决此问题，通常采用10mL/L的Cu5和15g/L的Ag+溶液配比，并对溶液进行恒温管控，每日定期使用滴定方法和UV分光光度计定时测定溶液中的Ag+和Cu5含量，对溶液补充和更换以保证溶液浓度在控制范围内波动。不同浓度配比的铜保护液铜剥落测试对比如表1所示。
5 总结
QFN引线框架结构设计中，可以通过增加PAD条锁料槽，引脚增加锁料孔，PAD周围增加X形半蚀刻槽来提升抗分层性能；不同粗化技术存在不同的优缺点，目前有机酸超粗化工艺存在成本低、稳定性好、粗化质量一致性优秀等特点，正在成为新型表面粗化工艺；先镀后蚀工艺的出现，极大提升了蚀刻引线框架的生产效率，同时从原理层面杜绝了QFN蚀刻引线框架背漏银和侧漏银的产生，提升了产品的可靠性；引线框架的表面抗氧化工艺使用不当，反而会使产品产生铜剥落风险，应在保障产品测试合格的情况下，对溶液浓度进行稳定性监控，通常采用10mL/L的Cu5和15g/L的Ag+溶液配比，来保障产品的可靠性。
