Leadframe-pakkausprosessi: kattava tekninen yleiskatsaus
1. Johdanto
Johdinkehysten pakkaaminen edustaa perinteistä mutta jatkuvasti kehittyvää lähestymistapaa puolijohdekokoonpanoon. Johdinkehys toimii sekä mekaanisena tukirakenteena että sähköisenä liitäntävälineenä, ja se koostuu metallisesta kehyksestä, johon kuuluu sirualustan piirin kiinnittämistä varten ja johdinsormien kautta signaalin reititystä varten. Pakkausprosessi muuttaa paljaan puolijohdepiirin suojatuksi ja luotettavaksi komponentiksi, joka soveltuu pinta-asennukseen tai läpivientikokoonpanoon piirilevyillä.
Perusprosessi kattaa kuusi päätoimintoa: kiekkojen hiominen, kiekkojen sahaaminen, muotin kiinnitys, Lankaliitos, muovaus ja muotin jälkeinen käsittely (leikkaus, pinnoitus ja muovaus). Jokainen vaihe vaatii tarkkaa ohjausta tuotteen luotettavuuden ja saannon varmistamiseksi.
2. Kiekon valmistusvaihe
2.1 Hionta
Pakkausprosessi alkaa kiekkojen hiomisella, jossa kiekkojen paksuus pienenee lopullisten pakkausominaisuuksien mukaisiin mittoihin. Yhden sirun pakkauksissa kiekot hiotaan tyypillisesti 200–250 mikrometrin paksuisiksi. Pinotut pakkaukset vaativat vielä ohuempia kiekkoja useiden piirikerrosten sijoittamiseksi.
Taustahiomaprosessissa käytetään progressiivista lähestymistapaa: karkeahiominen poistaa irtomateriaalin suurella nopeudella, minkä jälkeen hienohionta mittatarkkuuden saavuttamiseksi ja lopuksi kiillotus pinnan mikrohalkeamien poistamiseksi. Pinnan karheus korreloi suoraan murtumisalttiuteen myöhemmän käsittelyn aikana – kiillotetuilla pinnoilla halkeamien etenemisriski pienenee merkittävästi.
Suojaava hiomanauha laminoidaan kiekon aktiiviseen pintaan ennen hiomista piirien vaurioiden estämiseksi. Hiomisen jälkeen kiinnitysteippi kiinnitetään kiekon takapuolelle, suojateippi poistetaan ja kiekko kiinnitetään rengaskehykseen käsittelyä varten.
2.2 Kiekkojen sahaus (kuutiointi)
Kiekkosahaus erottelee käsitellyn kiekon yksittäisiksi integroitujen piirien siruiksi. Terien kuutiointi, perinteinen menetelmä, käyttää timanttirakeilla kyllästettyä pyörivää terää leikkaamaan piirustuskaistoja pitkin. Piirustuskaistan leveyden on oltava terien toleranssien mukainen ja samalla on varmistettava riittävä tila, jotta viereiset laitteet eivät vahingoitu.
Yhä ohuemmille kiekoille on kehitetty vaihtoehtoisia lähestymistapoja. Laserleikkaus poistaa fyysiset kosketusvoimat ja vähentää rikkoutumisriskiä. Jauhaminen ennen kuutiointia (DBG) kääntää perinteisen järjestyksen: osittainen leikkaus tapahtuu ennen vastahiontaa, ja täydellinen erotus saavutetaan kiinnitysnauhan laajennuksella.
Kuutioinnin jälkeen muotit puhdistetaan deionisoidussa vedessä silikonipölyn ja sahausprosessin aikana kertyneen staattisen varauksen poistamiseksi.
3. Muottikiinnitysprosessi
Kiinnityslaite siirtää yksittäiset kipsit kiinnitysteipistä johdinrungon kipsilevyyn. Prosessi vaatii tarkkaa poimintaa ja kiinnittämistä sekä huolellista huomiota liiman valintaan ja levitykseen.
Liima-aineet voidaan jakaa kahteen luokkaan: nestemäisiin liimoihin ja kiinteisiin kalvoihin. Nestemäiset liimat, kuten orgaaninen hopeatäytteinen epoksi, annostellaan sirualustalle ennen sirun asettamista. Kiinteät liimat, jotka tunnetaan nimellä sirukiinnityskalvot (DAF) tai kiekon takapuolen laminointikalvot, ovat erityisen edullisia pinottujen sirujen kokoonpanoissa. DAF laminoidaan kiekon takapuolelle hiomisen jälkeen ja paloitellaan kiekon mukana, mikä mahdollistaa sirun ja liiman samanaikaisen siirron.
Jotta sirun ja sirualustan välinen ohminen kontakti varmistetaan, sirun pohjapinta voidaan metalloida, kun taas sirualustan pintaan levitetään johtavaa liimaa. Kiinnitysteipin tarttuvuusominaisuudet optimoidaan altistamalla se ultraviolettisäteilylle ennen sirun poimimista, mikä heikentää sidosta riittävästi sirun siistiä poistamista varten ja säilyttää samalla riittävän lujuuden sahauksen aikana.
4. Johtimien liimaus: Sähköinen yhteenliitäntä
Lankaliitos muodostaa sähköiset yhteydet sirujen liitoskohtien ja johdinrungon johdinpuikkojen välille. Kultalanka on vallitseva erinomaisen sähkönjohtavuutensa ja sitkeytensä ansiosta.
Lankojen liittämisjärjestys noudattaa tarkkaa, automatisoitua menettelyä:
Vapaan ilmapallon (FAB) muodostuminenKapillaarista lähtevä lankapää sulatetaan elektronisella liekinpoistolla (EFO), jolloin pintajännityksen avulla muodostuu pallomainen pallo.
Pallon liimausFAB puristetaan suulakkeen liitostyynylle muodostaen ensimmäisen sidoksen.
Silmukan muodostuminenKapillaari liikkuu kohti lyijysormea ja antaa ulos lankaa luodakseen halutun silmukkaprofiilin.
Ompeleiden liimausLanka puristetaan lyijysormea vasten toisen sidoksen muodostamiseksi.
Hännän muodostuminenLanka vedetään taakse ja katkaistaan seuraavaa sidosta varten.
Tämä sarja toistuu jokaiselle liitokselle. Liiman laatu varmistetaan silmämääräisellä tarkastuksella, vetokokeella ja leikkauskokeella.
5. Muovaus: Kapselointi ja suojaus
Muovaus kapseloi kootun johdinrungon, suojaten sirua ja liitosjohtimia mekaanisilta vaurioilta ja ympäristön epäpuhtauksilta. Epoksimuovausyhdiste (EMC) toimii ensisijaisena kapselointimateriaalina.
Siirtomuovausprosessissa johdinkehyskokoonpano asetetaan muottipesään ja sulaa muovausmassaa ruiskutetaan paineen alaisena. Tärkeitä huomioitavia asioita ovat:
Homeen välähdysten ehkäisyMuottimassan vuoto johdinrungon aukkojen läpi aiheuttaa juotospurseita – ohuita hartsiulokkeita, jotka häiritsevät seuraavia juotostoimenpiteitä. Aukkojen täyttäminen eristysmateriaalilla (esim. juotteenestoepoksilla) ennen muovausta estää tehokkaasti juotospurseiden muodostumisen.
Passiivisten komponenttien integrointiEdistyneissä toteutuksissa passiiviset komponentit voidaan sijoittaa erillisten sirualustojen väliin tai johdinsormien päälle ennen muovausta, jolloin nämä komponentit integroidaan pakkaukseen. Kun yhdistetään ei-vierekkäisiä johdinsormia, voidaan käyttää virtakiskoa liitännän helpottamiseksi.
Lämpötilan säätöMuottionteloita pidetään korotetuissa lämpötiloissa, jotta varmistetaan yhdisteen asianmukainen virtaus ja kovettuminen.
Muovauksen jälkeen komponentit käyvät läpi muotinjälkeisen kovetuksen (päästön) polymeroitumisen loppuun saattamiseksi ja täydellisten materiaaliominaisuuksien saavuttamiseksi.
6. Muotin jälkeinen käsittely
6.1 Leikkaus
Patotangot – johdinsormia yhdistävät metalliset poikkipalkit – katkaistaan yksittäisten johtimien sähköistä eristämistä varten. Tämä leikkaustoiminto erottaa johdinrungon matriisin erillisiksi pakkausyksiköiksi.
6.2 Juotospinnoitus
Johdinkehysten pinnat puhdistetaan, aktivoidaan ja pinnoitetaan lyijyttömällä mattatinalla juotettavuuden parantamiseksi piirilevyn kokoonpanon aikana. Pinnoituksen jälkeinen karkaisuvaihe estää viiksikarvojen muodostumisen, joka on puhtaaseen tinaan liittyvä vikaantumismekanismi.
6.3 Muovaaminen
Johdot taivutetaan mekaanisesti lopulliseen muotoonsa, joka soveltuu pinta-asennukseen tai läpivientikokoonpanoon. Muovausoperaatioihin voi sisältyä myös erottelu – yksittäisten pakkausten erottaminen johdinkehyksestä.
7. Edistyneet Leadframe-pakettivaihtoehdot
7.1 Leadframe-pohjainen BGA (LFBGA)
Leadframe-pohjainen Palloruudukkomatriisipakettis käyttävät kaksikerroksista lyijytöntä johdinkehysrakennetta. Ylemmän kerroksen kuulat on yhdistetty alemman kerroksen uhri-kontaktialustoihin johtimien kautta. Sirun kiinnittämisen, johtojen liittämisen ja muovauksen jälkeen uhri-kontaktialustan poistetaan puolietsausprosessilla, jolloin kuulat paljastuvat ja juotoskuulien tarkka sijoittelu säilyy ilman juotosmaskia. Tämä lähestymistapa estää juotteen leviämisen uudelleensulatuksen aikana ja parantaa liitoksen luotettavuutta.
7.2 Usean suulakkeen integrointi
Johdinkehysten suunnittelun edistysaskeleet mahdollistavat useita Puolijohdesirus ja komposiittifunktionaaliset ryhmät yhdessä paketissa, mikä lisää integrointitiheyttä säilyttäen samalla kustannusedut.
8. Laadunvalvonnan näkökohdat
Prosessinvalvonta on olennaista koko pakkausprosessin ajan:
Kuolan valmisteluStaattisen varauksen poisto deionisoidulla vedellä puhdistetulla vedellä
Joukkovelkakirjojen eheysSäännöllinen veto- ja leikkauskoe
Homeen välähdyksen havaitseminenSilmämääräinen tarkastus ja poistomenettelyt
Johdinrungon puhtausYlimääräisen muovausmassan mekaaninen tai kemiallinen puhdistus
9. Johtopäätös
Johdinkehysten kotelointi on edelleen puolijohdekokoonpanon perustavanlaatuinen teknologia, joka tasapainottaa kustannustehokkuutta ja luotettavaa suorituskykyä erilaisissa sovelluksissa. Prosessi – hionnasta muovaukseen – vaatii materiaalien, laitteiden ja prosessiparametrien huolellista hallintaa korkean saannon ja tuotteen luotettavuuden saavuttamiseksi. Uudet variantit, kuten johdinkehyspohjaiset BGA-pakettiosoittavat tämän kypsän teknologian jatkuvan kehityksen, jossa se sopeutuu kasvaviin integraatio- ja suorituskykyvaatimuksiin säilyttäen samalla johdinrunkopohjaisen kokoonpanon taloudelliset edut.