电子封装技术(转注成形)

1、转注成形应用于电子封装技术 前言转注(compression)成形是从压缩成形改良而来，在转注成形里的加热是在模中加热再加工压缩，但是缺点在于胶温不均，以及加工时间太长，所以才有了转注成形的改良，转注(transfer)成形在成形品的尺寸精度、埋入物等可合理成形压缩成形法难成的物品，预先关闭模子，将预热的热硬化性成形材料投入材料室(pot)，加热软化，以柱塞加压，经竖浇口、横浇道，导入模中，在此加热一定时间而硬化，但后因射出成形法的实用化，逐渐被取代，现在只能应用在有限的地方，而这次我们专题的内容，主要着重在电子封装的封胶技术。随着IC产品需求量的日益提升，推动了电子构装产业的蓬勃发展。而电子

2、制造技术的不断发展演进，在IC芯片轻、薄、短、小、高功能的要求下 ，亦使得构装技术不断推陈出新，以符合电子产品之需要并进而充分发挥其功能。构装之目的主要有下列四种：（1）电力传送（2）讯号输送（3）热的去除（4）电路保护 IC构装依使用材料可分为陶瓷（ceramic）及塑料（plastic）两种，而目前商业应用上则以塑料构装为主。以塑料构装中打线接合为例，其步骤依序为晶 片切割（die saw）、黏晶（die mount / die bond）、焊线（wire bond）、封胶 （mold）、剪切/成形（trim / form）、印字（mark）、电镀（plating）及检验 （inspect

3、ion）等。以下依序对构装制程之各个步骤做一说明：芯片切割（Die Saw）芯片切割之目的为将前制程加工完成之晶圆上一颗颗之 晶粒（die）切割分离。欲进行芯片切割，首先必须进行晶圆黏片，而后再送至芯片切割机上进行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于胶带上，而框架的支撑避免了 胶带的皱折与晶粒之相互碰撞。黏晶（Die Dond）黏晶之目的乃将一颗颗之晶粒置于导线架上并以银胶（epoxy）黏着固定。黏晶完成后之导线架则经由传输设备送至弹匣（magazine）内，以送至下一制程进行焊线。焊线（Wire Bond）焊线乃是将晶粒上的接点以极细的金线（1850m） 连接到导线架之内引脚，进而藉此将IC晶

4、粒之电路讯号传输至外界。封胶（Mold）封胶之主要目的为防止湿气由外部侵入、以机械方式支 持导线、内部产生热量之去除及提供能够手持之形体。其过程为将导线架置于框架上并预热，再将框架置于压 模机上的构装模上，再以树脂充填并待硬化。剪切/成形（Trim /Form）剪切之目的为将导线架上构装完成之晶粒独立分开，并 把不需要的连接用材料及部份凸出之树脂切除（dejunk）。成形之目的则是将外引脚压成各种预先设计好之形状 ，以便于装置于电路版上使用。剪切与成形主要由一部冲压机配上多套不同制程之模具，加上进料及出料机构 所组成。印字（Mark）印字乃将字体印于构装完的胶体之上，其目的在于注明 商品之规格

5、及制造者等信息。检验（Inspection）芯片切割之目的为将前制程加工完成之晶圆上一颗颗之 检验之目的为确定构装完成之产品是否合于使用。其中项目包括诸如：外引脚之平整性、共面度、脚距、印字 是否清晰及胶体是否有损伤等的外观检验。目前用于构装之技术，大概有以下数种。分别为打线接合、卷带式自动接合、覆晶接合等技术，分述如下：打线接合（Wire Bonding）打线接合是最早亦为目前应用最广的技术，此技术首 先将晶片固定于导线架上，再以细金属线将芯片上的电路和导线架上的引脚相连接。而随着近年来其他技 术的兴起，打线接合技术正受到挑战，其市场占有比例亦正逐渐减少当中。但由于打线接合技术之简易性 及便

6、捷性，加上长久以来与之相配合之机具、设备及相关技术皆以十分成熟，因此短期内打线接合技术似乎仍不大容易为其他技术所淘汰。卷带式自动接合（Tape Automated Bonding, TAB）卷带式自动接合技术首先于1960年代由 通用电子（GE）提出。卷带式自动接合制程，即是将晶片与在高分子卷带上的 金属电路相连接。而高分子卷带之材料 则以polyimide为主，卷带上之金属层则以铜箔使用最多。卷带式自动接合具有 厚度薄、接脚间距小且能提供高输出/入接脚数等优点，十分适用于需要重量轻 、体积小之IC产品上。覆晶接合（Flip Chip）覆晶式接合为IBM于1960年代中首 先开发而成。其技术乃

7、于晶粒之金 属垫上生成焊料凸块，而于基版上生成与晶粒焊料凸块相对应之接点 ，接着将翻转之晶粒对准基版上之 接点将所有点接合。覆晶接合具有最短连接长度、最佳电器特性、最高输出/入接点密度，且能缩小IC尺寸，增加单位晶圆产能，已被看好为未来极 具潜力之构装方式。(图：transfer成形法的原理)封胶是将打线(wire bonding)后之电子构装半成品，以金属、玻璃、陶瓷或树脂等材料加封于芯片组件外部。其主要之功用在于：1. 保护芯片，防止刮伤。2. 阻绝湿气、粉尘、污物等进入芯片，避免腐蚀发生。3. 提供机械性强度，支持导线架(leadframe)。4. 有效地将内部产生的热排出。一般而言，陶

8、瓷或金属封装有极佳的致密性，可防止水气入侵而具有较高的信赖度，适于在恶劣环境下使用。但其制程较不易自动化，制造周期(cycle time)长，成本高，亦不符合轻、薄、短、小的包装体趋势。因此除了特殊用途外，大多已被塑料封装(plastic package)取代；因此一般所谓封胶(encapsulation)即专指此一塑料封装制程，或称为封胶。电子构装之封胶方式大致分成点胶式(glob)和压模式(molding)，前者用于Chip on Board或BGA等产品，适用于少量、多样化之弹性生产线，而压模责备广泛地应用于各类封胶之大量生产。本文即针对压模式封胶制程和材料做探讨。 压模胶(moldin

9、g compound)封胶用的压模胶分为热固性(thermosetting)及热塑性(thermoplastic)两种。热塑性胶因为熔点较低，可能在焊锡时氧化，固甚少用于电子封装之封胶；热固性塑料一般都以环氧塑料(epoxy resin)为主要原料，在电子构装封胶时，所采用的树之要求如下：1. 成型性佳，成型周期短。2. 低黏滞性。3. 脱模性佳，但对导线架黏着性要好。4. 抗燃性及耐热性。5. 高强度。6. 长期保存性。7. 耐腐蚀性。8. 低应力。单纯的树脂并不能满足上述之各项要求，因此均加上填充剂、硬化剂等，因此一般称为压模复合胶(molding compound)，简称压模胶。压模胶主

10、宰了集成电路组件的可靠度与信赖度，因此对于所使用压模胶之组成及各组成之功能，应做详尽了解。表1是加模胶的主要成分与其功能。压模胶之特性及其测量方法(一) 热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE,)1.定义：在一定温度范围内，压模胶单位长度的变化量与温度呈线性关系，即温度每升高1°C，单位长度的伸长量即为热膨胀系数(CTE)。大多数的压模胶在转脆温度(Tg)有较低的CTE，称1，而在Tg以上则有一较高的2，一般2大约等于31。量测方法：(1) 样本：压模成立方体或圆柱体。(2) 仪器：热机分析仪(thermal mechanical ana

11、lyzer,TMA)(3) 升温方式：以5°C/min之速度由室温开始加温。(4) 计算公式：图一(二) 转脆温度(glass transition temperature, Tg)1.定义：物体在某一温度以上，会由玻璃态(glassy state)改变至橡胶态(rubber state)，此温度即为转脆温度(Tg)。对胶联聚合物而言，在Tg以上由于自由活动的聚合分子键增加，其杨氏系数(Youngs modules)，会明显地降低，CTE则显著升高，其他各种物理性质如介电常数等亦有所变化。2.量测方式：与CTE之方式相同。如图1中Tg大约为175°C。(1和2斜率的交点)，

12、Tg为一约略值。(三) 涡旋流动长度(spiral flow)1. 定义：将类似蚊香形状且有刻度的模子(如图2)，安装于压模机上。在一定温度和压力下，将测试材料熔融后挤入沟内做成蚊香状成型品。以涡旋状蚊香的全长，即压模胶在定温定压下，硬化前能流动的距离，用以表示流动的特性。2.量测方式：EMMI(Epoxy Molding Material Institute)I-66规定其量测条件如下：(1) 样品：粉状胶模18g。(2) 模温：350°F±2°F(176°C±1°C)。(3) 挤胶压力：1000psi±25psi。图二(

13、四) 胶化时间(gel time)1.定义：模胶由开始变成熔融可流动状态至不能流动固化所需的时间。2.量测方式：将样品置于Ram follower之模具内，由仪器上挤胶之Torque之大小决定。Torque0时表示可流动开始，Torque急遽增大时表示开始固化，此两点之时间间距即为gel time。另一种手动之量测方式，将0.5g胶粉至于热板上，热板温度为170°C±1°C，以耐热棒将胶粉轻轻揉压成直径约22.5公分之圆形区域，直到其开始固化，感觉推不动了，则由胶粉至入热板起至开始固化所需的时间为gel tine，然手动测试误差较大，且所量测之时间比仪器量测约多费

14、时5秒。(五) 熔化黏度(melt viscosity)1. 定义：黏度(viscosity)是指流体流动的阻力。模胶的黏度并非定值，会随时间、温度而变，压模胶再刚投入时为固态，在模面上时，随着受热时间增加，开始变成熔融状，黏度降低；继续受热即开始固化，黏度升高，即为著名的脸盆式曲线(basin curve)2.量测方式：以一特殊之黏度测试机，求取单位时间之应力，单位为poise，一般牛顿流体之黏度均为常数，但压模胶呈现非牛顿流体，其黏度曲线如图3所示。3.脸盆式曲线：一般挤胶选在黏度较低处较为恰当，如图中之AB或CD段，温度较高时，曲线下降较快，谷底范围亦较低温时小，然后迅速硬化。图三(六)

15、 介电常数1.定义：一材料受单位电压下，单位体积所能储存之静电能量称为介电常数，介电常数愈小，其电绝缘性愈佳。介电常数易受频率、温度及湿度影响，其变化远比其初始值重要，因此产品的密闭性影响极大，若有空隙，除了提供湿气的通路易造成腐蚀外，在受到电压时，空隙将行程电场集中现象，引起内部放电，导致绝缘破坏。(七) 溢胶长度1.溢胶是因树脂由模面和导线架间之空隙渗出于压合线外，如图4所示。溢胶会使导线架电镀不良，当溢胶成透明状，厚度小于0.001吋，称为溢脂(resin bleed)。2.溢胶性质之量测：利用图5所示之模具，将胶由中央灌入，视能渗入沟槽之深度而决定其溢胶特性。 图四 图五(八) 其他特

16、性压模胶尚有其他许多特性，如离子不纯物含量、防火性、热传导性等，但因较难测得且较难掌控，不予赘述。(九) 压模胶成分对模胶特性之影响 主要成分NovoLac Type Epoxy Resin 增加该成分对压模胶特性影响 Tg,gel time,热稳定性, 抗湿气性,成本双酚A系g,gel time, 热稳定性, 抗湿气性, 成本,弹性较佳 酚系硬化剂酸酐类硬化剂催化剂 Tg,gel time,热稳定性, 抗湿气性 Tg,gel time,适用于高温,高电压 gel time,催化剂之选用为压模胶厂商之最高机密，必须使压模胶在25°C不致引起明显反应，且在170°C时能快速反

17、应。抗燃性,但会破坏金线焊线至芯片上之铝垫(pad)所形成之Au-Al金属间化合物(Intermetallic)。抗湿气性,增加附着力，改善电气特性，增加挠曲强度。降低CTE填充剂(一般用Fused Silica减少内应力较Crystalline Silica更佳)。散热更佳Fused Silica是Crystalline 增加黏滞系数(黏度)Silica加热至2000°C左右而模具较易磨耗得。 增加线弧缺点较易损伤焊线 抗燃剂 耦合剂挤胶压模图六一般压模机多为油压式，如图6所示，传统之模具只有一个投胶口(pot)，但新是自动之机器已改良成多投胶口(multi-pot)的设计。压模过

18、程如图7所示：1.将打线完半成品之导线架置于模面，此时之挤胶杆已上升至顶端(挤胶杆有上推式跟下压式两种)，另在多投胶口设计之机器大多在此时将导线架与压模胶粒(molding compound pellets)一同投入模穴中预热。2.闭合模具。3.将胶粒投入，一般胶粒会先在预热机上预热后再投入，在多投胶口设计则此时为预热时间。4.适当预热后，胶粒达到最佳黏度时，开始挤胶。5. 胶状压模胶注入胶道(runner)，再由注胶口(gate)填入模穴(cavity)。6. 在模内烘烤硬化后开模。7. 顶针(ejector pin)顶起成型品。8. 将成型品取出，折去挤胶杆和浇道上形成之废胶。9. 清刷模面再由步骤1开始。压模问题的克服 不 良 现 象 原 因 改 正 措 施增加之增加之以钢刷/棒去除或洗模调整之调整之清洁之增加胶粒重量或检视胶粒是否破损挤胶杆或头磨损则需更换之，否则应调整其与模具之垂直度调整之增加之降低之清洁之换新胶 1.未灌满挤胶压力太低 b.挤胶速度太慢 c.气孔/浇注口阻塞 d.模温过高/低 e.模胶预热过长/短 f.模具太脏 g.胶粒太小 h.挤胶不顺 2.空洞/气泡模温不当 b.挤胶压力太低 c.挤胶