半導(dǎo)體封裝工藝之模塑工藝類型

“封裝工藝(Encapsulation Process)”用于進(jìn)行包裝密封，是指用某種材料包裹半導(dǎo)體芯片以保護(hù)其免受外部環(huán)境影響，這一步驟同時(shí)也是為保護(hù)物件所具有的“輕、薄、短、小”特征而設(shè)計(jì)。封裝工藝(Encapsulation Process) 大體上可分為密封法(Hermetic)和模塑法(Molding)：密封法(Hermetic)指附接陶瓷板或金屬蓋板進(jìn)行密封；模塑法(Molding)指先熔化再固化塑料環(huán)氧材料(Epoxy)進(jìn)行密封。在這兩種方法中, 目前很少使用密封法(Hermetic)，而多采用使用環(huán)氧樹(shù)脂模塑料的模塑法(Molding)。就用樹(shù)脂填充半導(dǎo)體的方法而言，模塑工藝可以再分為傳遞模塑和壓縮模塑。今天我們先簡(jiǎn)單了解一下封裝工藝(Encapsulation Process)，隨后再深入了解模塑法。

※封裝、密封、氣封等詞語(yǔ)具有類似含義。本文中，封裝所指的范疇更大，而密封僅限于模塑。

1. 采用膠囊密封材料(Encapsulant)進(jìn)行包裝密封(package Encapsulation)

圖1. 密封法(Hermetic)和模塑法(Molding)的比較

采用陶瓷或金屬來(lái)密封包裝具有經(jīng)久耐用的優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方法主要應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的設(shè)備，如國(guó)防和醫(yī)療保健等。典型的產(chǎn)品類型包括CPU、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(Erasable Programmable Read Only Memory，簡(jiǎn)稱EPROM、非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片)和電力晶體管(用于電力行業(yè)的大功率輸出晶體管)。

密封法可靠性極高，但價(jià)格昂貴。因而大多采用使用環(huán)氧樹(shù)脂模塑料的模塑法。隨著塑料原料中水分和內(nèi)部空隙等缺陷的不斷改善，塑料的應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大。就EPROM而言，幾乎在所有情況下都采用塑料材料進(jìn)行密封，并且大多數(shù)的包裝都采用塑料材料，包括動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、中央處理器(CPU)和NAND閃存。

為了便于理解，此處簡(jiǎn)單解釋一下，密封法類似于將在工廠預(yù)先生產(chǎn)的混凝土板貼到建筑物外墻的方法，而模塑法類似于在施工現(xiàn)場(chǎng)制作模板并澆筑混凝土的方法。雖然模塑法靈活性提高了，但是相比于密封法，其造成混凝土中出現(xiàn)孔隙的可能性更高。

2. 模塑材料：環(huán)氧樹(shù)脂模塑料(Epoxy Molding Compound，簡(jiǎn)稱EMC)

環(huán)氧樹(shù)脂模塑料(Epoxy Molding Compound，簡(jiǎn)稱EMC)作為一種塑料，是半導(dǎo)體后端工藝所需的基本功能材料之一。EMC主要原料為樹(shù)脂基材料，其余成份為填料(Filler)和硬化劑。粉末狀環(huán)氧樹(shù)脂熔化后，在175℃溶解成凝膠狀態(tài)時(shí)，粘度會(huì)變小。當(dāng)溫度降低后，環(huán)氧樹(shù)脂固化，粘度與溫度成反比增加。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂與周圍的印刷電路板(Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱PCB)、引線框(Lead Frame)、導(dǎo)線、晶片等牢固粘結(jié)，成為硬度非常高的材料。這種材料叫做熱固性環(huán)氧樹(shù)脂。重要的一點(diǎn)是，材料固化后，當(dāng)半導(dǎo)體投入使用時(shí)，若溫度波動(dòng)，EMC能夠隨著芯片一同膨脹和收縮。另外，此類材料便于向外散熱，這一點(diǎn)也很重要。因此，可以說(shuō)此類混合材料的性質(zhì)決定了EMC的可靠性。

3. 模塑(Molding)工藝類型

圖2. 模塑(Molding)工藝：傳遞模塑(Transfer Molding)和壓縮模塑(Compression Molding)

模塑(Mold)就是把一件東西做成某種形狀。當(dāng)進(jìn)行半導(dǎo)體模塑(Molding)時(shí)，會(huì)將EMC熔化并注入空腔(Cavity)。負(fù)責(zé)成型的工具是模塑的關(guān)鍵，即模塑板。模塑法包括傳遞模塑法(Transfer Molding)(舊方法)、真空模塑法(Compression Molding)(改進(jìn)后的方法，可彌補(bǔ)傳遞成型缺點(diǎn))和壓縮模塑(朝下垂直面向晶片)。

3-1．傳遞模塑(Transfer Molding)

圖3. 傳遞模塑(Transfer Molding)

傳遞模塑法采用樹(shù)脂，屬于早期的模塑方法。在這種方法中，將環(huán)氧樹(shù)脂熔化為凝膠狀態(tài)，然后強(qiáng)制施加一定的壓力(Plunging)(傾倒)，使其流過(guò)多個(gè)狹窄的路徑。隨著芯片越來(lái)越小，層次越來(lái)越多，引線鍵合結(jié)構(gòu)(Wire Bonding)變得越來(lái)越復(fù)雜，環(huán)氧樹(shù)脂在模塑過(guò)程中不能均勻鋪開(kāi)，導(dǎo)致成型不完整或空隙(Prosity)(或孔隙)增加。換句話說(shuō)，環(huán)氧樹(shù)脂的速度控制變得更加困難。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)移動(dòng)環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)一條狹窄的路徑時(shí)，一種能形成真空并將其從另一側(cè)拉出的方法來(lái)控制環(huán)氧樹(shù)脂的速度被采用。此外，人們正在嘗試各種方法來(lái)減少空隙，以確保環(huán)氧樹(shù)脂能夠均勻鋪開(kāi)。

3-2．壓縮模塑(Compression Molding)

圖4. 壓縮模塑(Compression Molding)

隨著芯片層數(shù)的增加(多芯片封裝，Multi Chip Package, 簡(jiǎn)稱MCP)和引線鍵合變得更加復(fù)雜，傳遞模塑法的局限性逐漸顯露出來(lái)。尤其是，為了降低成本，載體(印刷電路板或引線框架)的尺寸變大，因此傳遞模塑變得更加困難。與此同時(shí)，由于環(huán)氧樹(shù)脂難以穿透復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步鋪開(kāi)，因此需要一種新的模塑方法。

壓縮模塑法是一種能夠克服傳遞模塑法局限性的新方法。采用這一方法時(shí)，EMC被放入模具中，然后再進(jìn)行熔化。采用壓縮模塑法時(shí)，不需要將環(huán)氧樹(shù)脂轉(zhuǎn)移到很遠(yuǎn)的地方。這種模塑方法需要將晶片垂直向下放置在凝膠狀環(huán)氧樹(shù)脂上。從而減少了諸如空隙和延伸現(xiàn)象等缺陷，并且通過(guò)減少不必要的環(huán)氧樹(shù)脂的使用而有益于環(huán)境。

在使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行半導(dǎo)體模塑時(shí)，傳遞模塑法和壓縮模塑法被同時(shí)采用。由于壓縮模塑法具有缺陷檢測(cè)、成本低廉和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此更受供應(yīng)商青睞。隨著客戶對(duì)產(chǎn)品扁平化和輕薄化的需求不斷增加，預(yù)計(jì)壓縮模塑法將在未來(lái)得到更積極的應(yīng)用。