郎小虎，樊 兵，閆偉文，王宏智

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無引腳封裝）是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興的表面貼裝芯片封裝技術(shù)。其內(nèi)部引腳與焊盤之間的導(dǎo)電路徑短，自感系數(shù)以及封裝體內(nèi)布線電阻很低，所以能夠提供卓越的電性能，此外，通過外露的引線框架焊盤提供了出色的散熱性能。

近年來，由于QFN 封裝具有良好的電和熱性能，再之體積小、質(zhì)量輕，逐漸成為便攜式電子器件封裝發(fā)展的趨勢(shì)，其應(yīng)用正在快速增長(zhǎng)。隨著封裝元件的小型化進(jìn)程不斷加快，QFN 封裝芯片尺寸和邊緣加工精度要求越來越嚴(yán)格，對(duì)QFN 的切割方法和切割效率也提出了更高的要求。但是不論加工方法如何改變，能否有效抑制加工過程中銅材料毛刺的發(fā)生，并最大限度地提高生產(chǎn)率已成為QFN 芯片切割加工時(shí)的關(guān)鍵因素。

1 QFN 封裝結(jié)構(gòu)

QFN 芯片制造工藝類似晶圓制造，前期是在整片方形基板上制作了多片QFN 芯片且均勻分布排列在一起，然后再將單個(gè)QFN 芯片切割分離出來，其中單個(gè)QFN 獨(dú)立芯片，外觀為方形，大小接近于CSP，元件底部具有與底面水平的焊端，中央有一個(gè)大面積裸露焊端用于導(dǎo)熱，圍繞大焊端的四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的I/O 焊端，如圖1 所示。其中I/O 焊端有兩種類型：一種只裸露出元件底部的一面，其他部分被封裝在元件內(nèi)；另一種焊端有裸露在元件的側(cè)面部分。

圖1 QFN 封裝料條及芯片

2 QFN 芯片傳統(tǒng)分離技術(shù)

目前的QFN 單個(gè)產(chǎn)品的分離方式主要有兩種：一種是采用傳統(tǒng)的銑床進(jìn)行加工，由于銑床加工質(zhì)量差，成品率低，已被淘汰；第二種是沖壓式QFN ( punch type QFN），是通過剪床設(shè)備以沖壓的方式將QFN 剪除剝離，其示意圖如圖2 所示。

圖2 剪床加工示意圖

沖壓式QFN 加工時(shí)不同的產(chǎn)品需對(duì)應(yīng)相應(yīng)的模具，加工時(shí)每顆QFN 芯片需對(duì)準(zhǔn)模具上相應(yīng)的位置，然后以沖壓的方式將QFN 芯片剝離，因此沖壓式QFN 對(duì)模具的要求比較高，不同尺寸的產(chǎn)品需要開專用的模具。對(duì)于I/O 焊端裸露在元件側(cè)面部分的QFN 芯片，沖壓式加工則體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)，如圖3 所示，沖壓式QFN 分別使用30°和5°的壓刀切出的銅材料截面，橫截面清晰而光滑。

圖3 沖壓式加工銅材料截面圖

3 QFN 砂輪切割技術(shù)

由于傳統(tǒng)的QFN 切割分離技術(shù)，加工精度不高，切割效果一致性差，生產(chǎn)效率低下，像沖壓式QFN 還需要開發(fā)專用的模具，這就需要增加額外的模具開發(fā)成本。隨著QFN 封裝應(yīng)用快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)分離技術(shù)越來越無法滿足新生產(chǎn)需求，因而迫切需要新的加工方式來替代。本文介紹一種新型QFN 砂輪切割技術(shù)，采用類似加工晶圓的切割設(shè)備，目前在硅集成電路，發(fā)光二極管，鈮酸鋰，壓電陶瓷，砷化鎵等材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

3.1 砂輪切割機(jī)工作原理

砂輪切割機(jī)是通過安裝在機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的高速空氣靜壓主軸帶動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速20 000～50 000 r/min)，對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行強(qiáng)力切削加工，綜合了水氣電、精密機(jī)械傳動(dòng)、傳感器及自動(dòng)化控制等技術(shù)的精密設(shè)備。

圖4 顯示砂輪切割機(jī)刀體部實(shí)體圖，其中空氣主軸是砂輪切割機(jī)的核心部件，空氣靜壓支承無磨擦、無磨損，并且精度高、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)性能可靠，可以獲得平穩(wěn)高速的線速度，而且高轉(zhuǎn)速可以使超薄的刀片具有較高的剛性來實(shí)現(xiàn)切割。

圖4 砂輪切割機(jī)刀體部結(jié)構(gòu)

3.2 砂輪刀片

砂輪刀片是以金剛砂磨料為原料，用金屬粉、樹脂粉等結(jié)合劑，制成的中央有通孔的圓形固結(jié)磨具，其外形如圖5 所示。

圖5 砂輪刀片

圖6 是在高倍顯微鏡下刀片的微觀視圖，從圖中可以看出，突起的一個(gè)個(gè)小的顆粒即是金剛砂，該砂輪刀片具有強(qiáng)度高、耐熱性能好、切削鋒利、磨削效率高、磨削過程中不易發(fā)熱和堵塞、熱膨脹量小的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于普通磨具難于加工的低鐵含量的金屬及非金屬硬脆材料。

圖6 砂輪刀片微觀視圖

對(duì)于切割設(shè)備，砂輪刀片是切割動(dòng)作的執(zhí)行體，在刃口暴露的金剛砂使刀刃呈鋸齒狀，在切割過程中，金剛砂磨料顆粒會(huì)不斷地被磨損、剝落和更新，以保證刃口鋒利。在一般的半導(dǎo)體封裝元件進(jìn)行切割加工時(shí)，通常使用的是電鑄磨輪刀片。但是針對(duì)QFN 封裝元件加工時(shí)，由于電鑄類型磨輪刀片在半徑方向上的消耗量比側(cè)面少，導(dǎo)致其側(cè)面形狀相對(duì)單薄，切割出來的產(chǎn)品側(cè)面品質(zhì)會(huì)隨著刀片的磨損逐漸下滑，使用一段時(shí)間后，更會(huì)引起芯片形狀變形等問題，如圖7 所示，明顯側(cè)面毛刺過多，導(dǎo)致產(chǎn)品廢片。所以在砂輪刀片的選取上首先要充分了解切割對(duì)象的特性，然后確定相應(yīng)的磨具參數(shù)，最終通過實(shí)驗(yàn)確定刀具類型。

圖7 QFN 廢片側(cè)面截面圖

3.3 銅去除過程形變特點(diǎn)

由于金屬材料具有較好的延展性，是指在外力作用下，受到拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力時(shí)，變形但是不破裂，銅材料在這方面表現(xiàn)的尤為出色，這一良好的特性在切割加工時(shí)卻是帶來麻煩，因?yàn)殂~在切割過程中經(jīng)歷塑性變形，截面從屈服開始到達(dá)最大承載能力然后斷裂，材料在變形和斷裂之間，會(huì)存留大量的毛刺如圖7 所示。

通常情況下，金屬的去除方式一般都是以剪切切屑形成方式去除，包括劃擦和切屑的形成，在塑性變形時(shí)，塑性區(qū)域產(chǎn)生在磨粒的前下方，經(jīng)磨粒擴(kuò)大而形成剪切區(qū)，產(chǎn)生切屑而去除材料。我們?cè)O(shè)想在銅去除過程中材料直接斷裂，其去除形變方式如圖8 所示，只要能夠保證切割過程中金剛砂磨料顆粒鋒利度，就可以減少拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力產(chǎn)生銅料不斷裂不破裂現(xiàn)象，從而減少毛刺的發(fā)生。

圖8 銅芯材料去除形變示意圖

4 切割工藝實(shí)驗(yàn)

綜上所述，我們從銅本身延展性強(qiáng)的特性出發(fā)，同時(shí)展開對(duì)砂輪刀片磨粒及粘合劑的分析，然后通過一定量的工藝切割實(shí)驗(yàn)，總結(jié)不同的磨粒和粘合劑的切割刀對(duì)切割質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)中平臺(tái)采用北京中電科電子裝備有限公司200 mm（8 英寸）HP-803 精密雙軸自動(dòng)劃片機(jī)，裝備自主研發(fā)的空氣靜壓主軸，一切實(shí)驗(yàn)均在萬級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的凈化實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，切割條件如表1 所示。

表1 切割條件

4.1 銅芯截面

切割實(shí)驗(yàn)中，分別采用金屬和樹脂類型的軟刀片，通過一定量切割實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出一些規(guī)律，并選取了一些具有代表性的圖片作為結(jié)論依據(jù)，如圖所示，圖9 是金屬型刀片切割產(chǎn)品側(cè)視圖，圖10 是樹脂型刀片切割產(chǎn)品側(cè)視圖。

由切割圖片可以看出，金屬刀片切割質(zhì)量一致性較差：邊緣X，Y 向毛刺較大，超過30 μm，而且側(cè)面存在銅碎屑?xì)埩?，將相鄰的銅芯連接起來，造成廢片；而樹脂刀片切割質(zhì)量邊緣整體一致性較好：X，Y 向毛刺控制較好，小于25 μm，側(cè)面銅的截面清晰光滑，無碎屑?xì)埩簟?/p>

圖9 金屬型刀片切割產(chǎn)品的側(cè)視圖

圖10 樹脂型刀片切割產(chǎn)品的側(cè)視圖

4.2 毛刺檢測(cè)

對(duì)于側(cè)面銅材料毛刺的定義標(biāo)準(zhǔn)，我們通過檢測(cè)X 向和Z 向毛刺拉升距離來衡量大小，如圖11所示，客戶一般要求兩個(gè)方向小于40 μm 即可。

圖11 側(cè)面銅毛刺衡量參數(shù)

通過實(shí)驗(yàn)，我們隨機(jī)抽取了樣片進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。毛刺大小在14～24 μm，完全滿足行業(yè)要求。

表2 銅毛刺采樣值

5 結(jié) 論

對(duì)比傳統(tǒng)的沖壓式QFN，切割加工方式簡(jiǎn)化了沖壓式模具設(shè)計(jì)加工流程，而且砂輪切割機(jī)自動(dòng)化程度高，人機(jī)交互友好，生產(chǎn)效率提高了10倍以上，并且切割質(zhì)量一致性好，能夠有效地抑制銅材料特有毛刺的發(fā)生。雖然切割式加工方式優(yōu)點(diǎn)諸多，但要提高切割效率，仍然需要在切割工藝上進(jìn)行更深入的研究。

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