Power QFN器件封装中第二焊点脱落问题及改进的研究

摘要

PQFN（Power Quad Flat No Lead）封装器件是基于方形平面无管角（QFN，Quad Flat No Lead）封装器件开发的方形平面无管角大功率开关器件,它由混合信号技术将普通模拟电路、高速 CMOS电路及高电压功率驱动电路组合封装在一个器件内的一种功率开关器件。主要应用在高功率的汽车电子设备，工业和商业领域中。PQFN封装器件主要的失效模式有功率芯片断裂、铝线导致的芯片损伤、金球脱落、金线第二焊点脱落等问题。
　　在可靠性实验之后，封装半导体普遍存在第一焊点和第二焊点脱落问题，对于第一焊点相关问题，在国内外有很多研究文献报道，而对于第二焊点的脱落问题则研究报道较少。因所出现问题涉及封装材料、加工环境、加工条件等多种因素及其彼此相互影响，第二焊点脱落作为半导体PQFN器件封装可靠性中普遍存在的问题已成为影响整个器件封装质量的关键，所涉及的技术及相关理论研究具有非常重要的实际意义和推动封装技术进展的学术意义。本论文通过以PQFN封装器件中SOBA类产品为研究实例，对第二焊点脱落问题及改进方法进行了系统研究。
　　论文首先对应用中失效后的PQFN器件SOBA产品进行了电学性能分析，得到是金线第二焊点脱落或断裂导致了器件失效的原因。失效分析结果显示第二焊点区域的框架表面之间出现分层和污染情况，而分层和污染是能够导致金线第二焊点脱落的可能原因，进而采用有限元模型分析和现代仪器分析对出现的第二焊点分层和污染进行了研究分析。
　　论文研究了封装所用塑封胶与框架表面分层的机理，并通过为SOBA产品的单个器件和客户应用建立有限元模型分析了第二焊点区域的分层与第二焊点脱落或断裂的关系。同时，采用次级离子质谱分析、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱和傅氏转换红外线光谱分析等手段研究了SOBA产品的第二焊点区域的污染，并对所用原材料也做了分析。最终，在SOBA产品的第二焊点区域发现了导致第二焊点区域分层和污染的聚二甲硅氧烷，而且在所用胶带中也发现了同样的成分。
　　论文采用改进型的胶带及增加等离子清洗工艺以解决封装产品中的第二焊点分层和污染问题；通过为SOBA产品的单个器件建立有限元模型，选择相对应力较小的区域，做为第二焊点位置来降低分层的机率；同时采用安全焊接方式来提高封装产品第二焊点的性能，通过了可靠性试验。最终，从技术和理论上解决了封装半导体在应用之中出现的第二焊点脱落和断裂问题，为进一步提高半导体器件封装的可靠性奠定实验和理论基础，并具有普遍的适用性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1半导体封装技术的发展概况

1.2研究课题的提出及其意义

第二章 PQFN SOBA产品失效模式分析

2.1 PQFN SOBA产品失效分析

2.2 PQFN SOBA 产品的问题追溯

2.3本章小结

第三章 PQFN SOBA产品第二焊点区域产生分层的机理分析

3.1 PQFN SOBA产品塑封胶与框架粘接的机理分析

3.2热应力对PQFN SOBA产品Pin24第二焊点分层的影响

3.3本章小结

第四章 PQFN SOBA产品第二焊点区域分层原因分析

4.1 PQFN SOBA 产品的框架分析

4.2 PQFN SOBA产品的A Tape分析

4.3 PQFN SOBA产品的塑封胶分析

4.4 本章小结

第五章 PQFN SOBA产品第二焊点避免产生分层现象的改进研究

5.1 PQFN SOBA产品A Tape改进

5.2等离子清洗的改进

5.3本章小结

第六章 PQFN SOBA产品第二焊点改进

6.1 PQFN SOBA 产品第二焊点位置改进

6.2 PQFN SOBA产品第二焊点参数优化

6.3 PQFN SOBA产品第二焊点焊接方式改进

6.4本章小结

第七章 改进后的SOBA产品可靠性试验和评估

7.1改进后的SOBA产品可靠性的电性测试

7.2改进后的SOBA产品可靠性分层检测和机械性测试

7.3本章小结

结论

附表

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢