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SOT23塑封体裂纹研究及改进对策

2020-11-20 240 上传者：管理员

摘要：SOT系列产品塑封体裂纹是半导体封装工艺中常见的失效模式之一,尤其是SOT23塑封体裂纹。由于塑封体裂纹的多样性及隐蔽性,极大地影响产品成品率,造成质量隐患。通过分析导致裂纹产生的原因,并进行相关试验验证,最终提出一套行之有效的方法以解决SOT23塑封体裂纹问题。

关键词：
SOT23
半导体封装工艺
塑封体
封装
裂纹
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1、引言

SOT系列塑封体裂纹是封装过程中造成产品失效的一个重要因素，对产品质量造成极大的影响。其中SOT23产品采用多排封装及弯角成型设计，且本体尺寸很小，其封装产品由整片分离成型至单颗后才易于发现其塑封体裂纹，这无疑给生产异常的排查带来了极大的风险与挑战，极易产生不良品流转至客户端造成客户投诉的问题[1,2,3]。

塑封体裂纹是由多种因素引起的，涉及到材料、工艺、设备等多个方面，是一个综合的反映。在实际生产中，通常采用严格控制各生产工序的作业流程、加大检测力度以及调整设备的装备精度来克服裂纹问题的产生。但对于实际生产过程中的裂纹改善还是达不到要求[4,5,6]。本文通过深入分析裂纹产生的机理及原因，从材料、工艺等方面进行试验验证，确立了切实可行的整体裂纹改善方案。

通过对裂纹的分类统计，确立如下思路进行分析与改进：（1）深入分析失效机理，提出导致失效的可能原因；（2）设计试验验证，总结异常产生因素，开展试验；（3）增大样本监测量，进行连续性作业确认；（4）对试验结果进一步优化与验证，得到最终的整体改善方案。

2、裂纹分类统计

对当日12批次SOT23-3产品，每批次随机称取约500颗进行全检，可观察到裂纹形状一般呈“一”字状，引脚处裂纹从引脚与塑封料的结合面向外延伸，单只引脚两侧也可能会各出现一条裂纹。进一步来看，裂纹发生位置及时间段有一定的规律，对裂纹发生位置及时段进行统计以分析可能引起裂纹的原因。

裂纹发生位置比例见表1，样本量6000颗，单只引脚侧裂纹数113颗，两只引脚侧裂纹数98颗，引脚处总裂纹比例达3.51%。裂纹主要集中于引脚处，在进浇口、排气槽处及其他位置仅有少量产生。

表1裂纹发生位置比例

不同生产时段的裂纹数如表2所示。生产清模后持续作业24h，随着生产模次的增多，裂纹数量呈现增多趋势。

表2不同生产时间段裂纹数

3、失效机理研究及原因分析

3.1 失效机理研究

封装失效往往是过应力和磨损导致，失效载荷包括机械载荷、热载荷、化学载荷、电载荷等，而塑封体裂纹的产生往往是机械载荷作用，即塑封体应力（包括热应力、外部作用力）过大引起的。塑封过程的各个阶段都可能会受到应力作用，如开模、脱模、切筋成型等多个过程。

从脱模角度分析，脱模过程中顶杆顶住框架完成脱模，如图1所示。由于本体尺寸小，需要塑封体与型腔壁有足够的润滑，也需要有足够的拔模斜度以尽可能减少脱模剥离作用。若顶杆不平，顶出过程中会呈现类似跷跷板的现象，使塑封体与型腔壁产生较大的摩擦力，如图2所示。脱模过程中剪切摩擦作用力极易造成塑封体裂纹的产生。连续生产至一定模次，塑封体与型腔壁润滑不够以及型腔内脏污也极易产生应力，影响脱模。

图1正常开模时器件状态

图2顶杆不平开模时器件状态

图3切筋示意图

从塑封料角度分析，塑封料包裹框架、芯片、引线等材料以达到芯片保护、防止水汽入侵的目的。但塑封芯片内部结合面两侧材料的热膨胀系数不同，例如芯片-塑封料结合面、引脚-塑封料结合面。当其受热膨胀后，产生内应力，界面发生轻微分层，形成了少量细裂纹，局部纹理继续扩大，导致塑封体裂纹。塑封过程中本体内应力与各种外力叠加作用，超过塑封料自身的密着力，会导致内裂纹或分层。所以塑封材料密着提升及应力降低也是一个重点。

从切筋成型角度分析，将整条框架分割成单颗、引脚成型的过程中，刀具冲切作用于引脚处。如图3所示，上下模刀在引脚上的冲击力，有一部分会随引脚弯角作用到塑封体上。若切筋模具中有异物（引脚、边框、塑封体残渣及其他异物），模具设计、装配精度等存在缺陷，势必会助推裂纹的产生。

综合来看，封装过程中应考虑克服脱模不畅造成的剪切摩擦，提升塑封料密着及降低塑封料内应力，降低切筋成型时对塑封体的剥离力，进而从材料、制程工艺及设备等多方面进行改善，以期达到解决裂纹异常的目的。

3.2 失效原因分析

通过对SOT23塑封体裂纹失效机理的分析，针对脱模、塑封料、切筋成型等关键点，采用鱼骨图从“人”、“机”、“料”、“法”4个方面进一步对可能导致裂纹的原因进行总结，如图4所示。可以看出，造成裂纹的原因涉及多个因素。按照鱼骨图分析的原因要点，对各种原因进行了详细论述，同时列出了相应的调试说明，如表3所示。针对某些原因点可进行相应的初步调试以克服其带来的不利影响。

图4裂纹分析鱼骨图

通过鱼骨图及列表分析，整理了可能导致塑封体裂纹的原因及调试方向，进一步将原因进行分类，以便进行后续关键性验证，如表4所示。

表3原因分析及调试说明

表4进一步的原因归类整理

4、试验

4.1 试验方案设计

为了进一步验证试验关键点，其他类项目做试验调试后，不纳入因素对比。从增强脱模性、增强塑封料密着及降低塑封料应力、调试切筋设备刀具3个方面安排验证试验。利用MINITAB软件做三因子两水平的部分因子试验，试验安排如表5所示。

表5验证试验安排

为了保证试验数据准确可靠，依据试验安排，连续进行4个清模周期，并以1个周期为1组进行试验。对每一周期6批次产品，每批次随机称取约5000颗进行全检，并对相关信息进行整理，得到裂纹数，如表6所示。

表6各组调试试验裂纹数

从表6数据来看，虽然仍未能完全解决裂纹问题，但增强脱模性、增强塑封料密着及降低塑封料应力、调试切筋设备刀具等措施确实都能明显改善裂纹问题。基于表6数据，利用MINITAB软件生成Pareto图以分析因子设计（3种大类因素）在整个裂纹异常产生中的占比，如图5所示。

图5裂纹产生效应的Pareto图

通过MINITAB软件进行因子分析3种大类因素在裂纹异常产生中的占比，切筋成型为裂纹产生主因，脱模性次之，塑封料密着力及应力占比最少。

通过初步试验设计，改善方向更加明确。同时，试验中进行一系列调试保证产品脱模顺畅度[7,8,9]，在保证塑封产品脱模方面已无再进一步调试的空间。后续试验均采取彻底清模后封装一定量假片来重点分析改善塑封料密着及应力、调试切筋刀具的影响，以彻底解决裂纹问题。

4.2 试验方案开展

SOT23产品切筋成型前引脚已有镀层，为避免镀层破坏，刀具冲切时无法完全压死引脚再冲切成型分离。因此先将改善重点放在塑封料密着力及应力上，使其具有较强的粘结强度与较小的内应力。在前期试验中，均使用塑封料EMC-5加强版，其密着力低于EMC-8，应力高于EMC-8。接下来的试验使用在密着力及应力表现上更优于EMC-5加强版的塑封料EMC-8。彻底清洁后，使用EMC-8封装假片3模，共计13824颗，进行显微镜全检，均未产生裂纹。

为进一步加严确认，找到各制程的失效临界点，安排连续作业确认。为保证试验准确度，彻底清润模，并将切筋成型刀具更换为整组全新刀具，确定安装调试无异常后，进行连续作业试验。使用塑封料EMC-8进行连续封装，每间隔200模次封装1模次假片，每模次16条假片，进行显微镜全检。统计裂纹比例如表7所示。结果显示，EMC-8塑封料直至800模次出现少量裂纹。客户端线上采用24h清模周期，作业模次约600模。可以看出，EMC-8600模次无裂纹产生，完全可以满足使用需求。

接着，对切筋成型冲击次数是否满足需求进行确认。A公司切筋成型刀具采用F10材质，使用周期为10万次。每间隔一万次抽取5000颗进行显微镜裂纹检查，裂纹数统计如表8所示。可以看出，厂家刀具寿命设计冲切次数为10万次，直到测试到13万次时，仍无塑封体表面裂纹产生。但对冲切产品引脚处进行观察发现，冲切11万次左右时引脚出现明显毛边，如图6所示。说明此刻切筋刀具开始出现异常。总而言之，A公司设定的切筋成型刀具冲切10万次的使用寿命是完全可行的。

表7塑封连续作业的裂纹比例

表8刀具在不同冲切次数下裂纹的产生情况

图6SOT23产品切筋成型引脚毛边

初步总结来看，通过连续性作业确认，封装过程中保证产品良好的脱模性，切筋成型刀具正确安装及确立正确的刀具使用寿命，选用密着力更高、应力更低的塑封料，可以有效改善SOT23产品的裂纹问题。

4.3 试验方案验证与再优化

从试验来看，匹配塑封料本身的高结合性与低应力是解决塑封体表面裂纹的有效方法，现进行塑封产品的超声波扫描来进一步确认其效果。整片封装产品后固化后进行分层扫描，扫描结果如图7所示。经过切筋成型后，随机抽取22颗进行分层扫描，扫描结果如图8所示。从分层扫描结果来看，整片产品无分层，单颗产品有一定比例的分层，说明通过各类调整改善可以保证SOT23产品表面未呈现出明显裂纹，但在切筋成型过程中，刀具对引脚的冲切力在一定程度上转移到塑封体内部，内部裂纹扩大导致了塑封体分层，引起可靠性失效。同时，这也进一步佐证了MINITAB软件的分析结果，切筋成型是导致裂纹的主因。所以计划进一步从切筋成型设备着手进行探究，以便能更彻底地解决塑封体内部裂纹问题。

图7整片产品分层扫描图

图8单颗产品分层扫描图

客户端切筋成型设备下模结构如图9所示。图中(1)部分为单颗分离槽，(2)部分为切筋成型，(3)部分为去除浇口、溢胶及排气槽。为探讨刀具冲切对塑封体造成的影响，侧重于分析(2)部分。封装产品在(2)部分完成单颗成型分离，一次性完成，刀具每次切4颗，对塑封体的作用力很大。为尽可能降低刀具冲切力，针对客户端切筋成型设备的(2)部分进行改造，将切筋成型分步完成，以便尽可能减缓刀具冲切对塑封体的影响。切筋成型设备改造后下模，如图10所示。通过改造，将原设备一次性完成的动作分为4个部分完成。第一道预切刀切除连筋，第二道预切刀切除边框，进行预切，第三道刀具成型，呈现所需的脚型，第四道刀具切单颗，而且第三道刀具采用错位分布，再次尽可能减少刀具冲击对塑封体的剥离。

图9客户端切筋成型设备下模

图10改造后的切筋成型下模

图11切筋成型设备改造后的单颗产品分层扫描图

再次封装产品进行后固化，切筋成型，随机抽取22颗单颗产品进行扫描，分层扫描如图11所示。单颗产品扫描无分层，证明经多步切筋成型在分层方面的改善十分明显。

4.4 试验方案最终确认

按照试验开展与优化得出的结论以及生产作业操作流程，进行SOT23封装产品的可靠性升级考核确认。

使用EMC-8塑封料连续作业600模次时，随机抽取1模产品至切筋成型站，选用多次切筋成型刀具冲切10万模次附近时进行冲切，随机抽取22颗进行后固化分层扫描。分层扫描结果显示无分层出现，见图12。

图12后固化分层扫描图

进一步按照MSL1级考核条件，考核封装产品分层可靠性表现，考核流程如图13所示。EMC-8封装的SOT23产品经过MSL1考核后的分层表现如图14所示。从扫描结果来看，MSL后0分层，表现极佳，可见减缓切筋成型刀具对塑封体的冲击是材料满足高可靠性要求的关键。

图13MSL1考核流程图

图14MSL1后分层扫描图

通过匹配具有高密着力及低应力的塑封料，在彻底清模的条件下，塑封连续作业管控在600模次，切筋成型刀具保证冲切10万模次内，并且采用多步冲切减缓冲切力对塑封体的影响，不仅有效解决了塑封体表面裂纹，同时也解决了塑封体内部裂纹，使其具有很好的可靠性，极大提升了生产效率。因此如何充分考虑塑封材料、制程、设备的合理搭配，对开发高可靠性封装新材料至关重要。

5、结论

通过对SOT23塑封体裂纹进行整体分析及梳理，发现裂纹的产生是基于多方面因素引起的。在SOT23产品裂纹异常分析中，得出切筋成型刀具是导致该产品产生裂纹异常的主因，其次各因素的交互叠加效应进一步促进了异常结果的输出。通过工艺的改进及严格的作业管理彻底解决了裂纹问题，同时为SOT23高可靠性封装新材料的开发中如何更好地搭配塑封料、制程工艺及设备提供了一些思路。

今后在进行制程改善、良率提升等其他方面的工艺改进时，也可以参照本次工艺改善及提升思路，首先找出可能因素，再对各因素进行分析归类及删减，最后优化提升。同时，要善于应用多种分析手法及模拟分析软件，在诸多因素中梳理出主次，以便更好地采取有效的应对方案。

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