Wire sweep investigation in TSSOP package manufacturing using high-temperature transfer molding

Введение

Современная микроэлектроника предъявляет жёсткие требования к надёжности, миниатюризации и стоимости корпусирования микросхем. Одним из наиболее распространённых и экономически выгодных методов является литьё под давлением термореактивных эпоксидных компаундов, которое позволяет одновременно корпусировать десятки кристаллов на общей выводной рамке. Корпуса типов TSSOP, SOIC, QFP, выпускаемые по этой технологии, широко применяются в потребительской электронике, автомобильной промышленности и телекоммуникационном оборудовании благодаря низкой себестоимости, высокой производительности и стабильности механических и электрических характеристик.

Однако в процессе высокотемпературного литья возникают нежелательные воздействия на микросварные соединения. Поток расплава эпоксидного компаунда, обладающего неньютоновскими свойствами, создаёт вязкую силу сопротивления, которая вызывает смещение проводников. Это явление может приводить к коротким замыканиям соседних проводников, разрыву соединений в зоне шарика или клина, а также к изменению паразитных индуктивностей и ёмкостей, что особенно критично для высокочастотных схем.

Технологический процесс группового изготовления корпусов типа TSSOP на выводной рамке методом высокотемпературного литья под давлением

Изготовление корпусов TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) на выводной рамке осуществляется на линиях, включающих машины приклейки кристаллов, проволочной разварки, литья под давлением, удаления литников, а также рубки и формовки выводов [1].

Процесс изготовления корпусов типа TSSOP начинается с подготовки компонентов к сборочным операциям. Исходные медные выводные рамки (рисунок 1, а) проходят входной контроль геометрических размеров и чистоты поверхности. Перед установкой кристаллов рамки подвергаются плазменной очистке для удаления органических загрязнений и активации поверхности. Приклейка кристаллов производится автоматическим дозатором, наносящим токопроводящий или непроводящий полимерный клей на площадку рамки. Затем кристалл позиционируется по оптическим меткам, после чего клей отверждается в печи при температуре свыше 100℃. При использовании токопроводящего клея обеспечивается электрический контакт тыльной стороны кристалла с общей шиной заземления, что одновременно улучшает теплоотвод.

Далее выводная рамка с приклеенными кристаллами проходит операцию формирования микросварных соединений (рисунок 1, б). Стандартно микросварные соединения формируются типом шарик-клин (шарик на кристалле, клин на КП вывода рамки). На медную выводную рамку проводится разварка клином при помощи напыленного на контактную площадку серебра (на стадии изготовления выводной рамки). Шарик разваривается на контактную площадку кристалла, покрытую алюминием [2]. После формирования микросварных соединений мультизаготовка готова к процессу корпусирования методом литья под давлением.

а – выводная рамка корпусов TSSOP до проведения сборочных операций; б – выводная рамка корпусов TSSOP после операций приклейки и формирования микросварных соединений

Рисунок 1 – Модели выводной рамки TSSOP28 на различных стадиях изготовления

За один цикл литья корпусируются две выводные рамки изделий. Они размещаются на разогретой до 175℃ нижней пресс-форме в специальные гнезда по две стороны от центральных литников. После размещения выводных рамок, таблетки пресс-материала загружаются в центральные литники при помощи специальной оснастки. Далее пресс-форма смыкается, а плунжера, расположенные в центральных литниках, продавливают терморекативный формовочный компаунд по литниковой системе, в конце которой находится литниковый затвор, позволяющий контролировать подачу материала и получить однородную структуру пластика. После прохождения литникового затвора материал попадает в отливку корпуса. Заполненная материалом отливка выдерживается под давлением и температурой до отверждения органического термореактивного компаунда. После отверждения пресс-форма открывается, а изделие извлекается при помощи выталкивателей. Извлеченные выводные рамки соединяются отвердившемся материалом из литниковой системы (рисунок 2, а). Удаление литников производится на специальной машине с уникальной для каждого типа корпуса пресс-формой. Заключительной операцией изготовления является рубка и формовка выводной рамки. Стандартная машина для данной операции содержит три пресс-формы, одна для рубки выводной рамки и две для формовки выводов. Готовый корпус TSSOP28 показан на рисунке 2, б. Дальнейшие операции с изделием включают упаковку и нанесение покрытия под пайку контактов [3].

а – выводные рамки после корпусирования;
б – готовый корпус после рубки и формовки

Рисунок 2 – Модели корпуса TSSOP28 после проведения операции корпусирования методом литья под давлением

Моделирование смещения микросварных соединений в процессе корпусирования методом высокотемпературного литья под давлением

Смещение микросварных соединений (Wire Sweep) – это нежелательное перемещение или изгиб тонких проводов, соединяющих полупроводниковый кристалл с выводами корпуса микросхемы, которое происходит во время процесса корпусирования (заливки) компаундом. Расплавленный компаунд движется внутри полости формы с определенной скоростью и создает вязкую силу сопротивления (вязкое сопротивление — viscous drag force). Проводники, длина которых может достигать нескольких миллиметров при диаметре в 18-27 микрон, под воздействием этого потока могут отклоняться от своего исходного положения. Наиболее критичная зона смещения обычно находится в средней части проволочного вывода. Данная проблема наиболее критична для многовыводных микросхем, поскольку чем меньше расстояние между проводами (и меньше диаметр проволоки), тем выше риск их замыкания во время заливки. Wire Sweep обычно приводит к следующим дефектам микросхем:

• Короткое замыкание. Наблюдается при сильном изгибе проволочных соединений, ведущем к соприкосновению соседних проводников.
• Разрыв соединения. В некоторых случаях воздействие на микросварные соединения настолько велико, что приводит к разрыву проволочного соединения или отрыву от контактной площадки.
• Ухудшение электрических характеристик. Даже без прямого контакта изменение формы и взаимного расположения проводников меняет их взаимную индуктивность и полное сопротивление, что может негативно влиять на стабильность работы устройства, особенно на высоких частотах [4, 5]

Математическое моделирование проводилось методом конечных элементов в САПР Moldex3D. Подготовка трехмерной модели осуществлялось в САПР Компас-3D с дальнейшим экспортом в Rhinoceros для создания конечно-элементной сетки [6]. При генерации сетки среднее количество конечных элементов в виде тетраэдров для расчетной модели составляет 1,2 миллиона при среднем размере стороны элемента 0,05 мм. Микросварные соединения задаются траекторией, диаметр проволоки вводится программно на этапе создания сетки. Места соединения проволоки с рамкой и кристаллом считаются нерушимыми. Температура литья задана равной 175 ℃.

Процесс заполнения отливки моделировался на основе стандартных законов гидродинамики и законов отверждения термореактивных полимерных материалов [7, 8, 9]. Эпоксидный формовочный компаунд в расплавленном состоянии является неньютоновской жидкостью, меняющей свою вязкость под действием силы (в зависимости от температуры), вызывая явление сдвигового разжижения.

Пресс-материал для моделирования представлен неньютоновской жидкостью, основным компонентом которого является наполнитель в виде сферического кварца. Основными характеристиками эпоксидного формовочного компаунда для моделирования процесса растекания в пресс-форме являются вязкость материала (абсолютная) и кинетика отверждения. Используемые при моделировании параметры пресс-материала приведены на рисунке 3 [10].

а – функция абсолютной вязкости (viscosity);

б – функция кинетики отверждения (curing kinetics)

Рисунок 3 – Параметры пресс-материала для моделирования

По результатам моделирования, время заполнения корпуса TSSOP28 эпоксидным компаундом составляет 7 секунд (рисунок 4). Поток расплава продвигается от угла корпуса, где располагается литник, к противоположному концу отливки. В процессе заполнения корпуса термореактивный пресс-материал постепенно отверждается, теряя свою текучесть. Также текучесть на входе в отливку, после прохождения литникового затвора, выше за счет увеличения скорости сдвига при прохождении сужения русла, что приводит к эффекту сдвигового разжижения. Сказанное выше оказывает значительное влияние на смещение микросварных соединений в зависимости от их расположения. На рисунке 5 показана эпюра смещения микросварных соединений потоком расплава. Микросварные соединения в начале отливки у литника (слева на рисунке) смещаются в несколько раз меньше, чем в конце отливки.

а – заполнение на 2-й секунде процесса; б – заполнение на 5-й секунде процесса;
в – полное заполнение на 7-й секунде

Рисунок 4 – Процесс заполнения корпуса TSSOP28
эпоксидным формовочным компаундом

а – золото; б – медь; в – алюминий

Рисунок 5 – Смещение микросварных соединений различных материалов
потоком расплава

Моделирование смещения микросварных соединений проводилось для трех материалов проволоки: золота, меди и алюминия. По результатам моделирования, максимальное смещение для золой проволоки составляет 3,95*10^-4 мм, для медной 3,45*10^-4 мм и 9,59*10^-4 для алюминиевой. Значения смещения для материалов золота и меди отличаются незначительно, в отличие от алюминия.

Выявлена зависимость между жесткостью материала проволоки микросварного соединения и смещением микросварных соединений потоком расплава. С увеличением жесткости понижается смещение микросварных соединений, что делает медь более предпочтительной для использования в данной технологии. Однако медь обладает значительным недостатком в сравнении с золотом, который заключается в ее высоком окислении, что усложняет технологический процесс изготовления изделий с применением данного материала.

Заключение

Основной из проблем группового корпусирования микросхем методом литья под давлением является смещение, разрыв и пересечение микросварных соединений потоком расплава. По результатам моделирования выявлена зависимость между смещением микросварных соединений и жесткостью материала используемой проволоки, с увеличением которой снижается смещение проводников. Вследствие чего, предпочтительным материалом для использования в микросхемах, корпусируемых методом литья под давлением, является медь. В отличие от золота, она обладает более высокой жёсткостью, что положительно влияет на снижение смещения при контакте с текучей средой, однако различие в смещении не столь критичны по сравнению с алюминием, для которого смещение в два раза больше. Значительным недостатком меди в сравнении с золотом является высокая степень окисления, что вызывает трудности при сборочных операциях, ведущего к удорожанию оснащения производства.