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封装工艺(Encapsulation Process)——一种密封包装方式

By 2021年03月25日 No Comments

“封装工艺(Encapsulation Process)”用于进行包装密封,是指用某种材料包裹半导体芯片以保护其免受外部环境影响,这一步骤同时也是为保护物件所具有的“轻、薄、短、小”特征而设计。封装工艺(Encapsulation Process) 大体上可分为密封法(Hermetic)和模塑法(Molding):密封法(Hermetic)指附接陶瓷板或金属盖板进行密封;模塑法(Molding)指先熔化再固化塑料环氧材料(Epoxy)进行密封。在这两种方法中, 目前很少使用密封法(Hermetic),而多采用使用环氧树脂模塑料的模塑法(Molding)。就用树脂填充半导体的方法而言,模塑工艺可以再分为传递模塑和压缩模塑。今天我们先简单了解一下封装工艺(Encapsulation Process),随后再深入了解模塑法。

※封装、密封、气封等词语具有类似含义。本文中,封装所指的范畴更大,而密封仅限于模塑。

1. 采用胶囊密封材料(Encapsulant)进行包装密封(package Encapsulation)

图1. 密封法(Hermetic)和模塑法(Molding)的比较

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采用陶瓷或金属来密封包装具有经久耐用的优点。因此,这种方法主要应用于特殊领域的设备,如国防和医疗保健等。典型的产品类型包括CPU、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,简称EPROM、非易失半导体存储芯片)和电力晶体管(用于电力行业的大功率输出晶体管)。

密封法可靠性极高,但价格昂贵。因而大多采用使用环氧树脂模塑料的模塑法。随着塑料原料中水分和内部空隙等缺陷的不断改善,塑料的应用范围正在迅速扩大。就EPROM而言,几乎在所有情况下都采用塑料材料进行密封,并且大多数的包装都采用塑料材料,包括动态随机存取存储器(DRAM)、中央处理器(CPU)和NAND闪存。

为了便于理解,此处简单解释一下,密封法类似于将在工厂预先生产的混凝土板贴到建筑物外墙的方法,而模塑法类似于在施工现场制作模板并浇筑混凝土的方法。虽然模塑法灵活性提高了,但是相比于密封法,其造成混凝土中出现孔隙的可能性更高。

2. 模塑材料:环氧树脂模塑料(Epoxy Molding Compound,简称EMC)

环氧树脂模塑料(Epoxy Molding Compound,简称EMC)作为一种塑料,是半导体后端工艺所需的基本功能材料之一。EMC主要原料为树脂基材料,其余成份为填料(Filer)和硬化剂。粉末状环氧树脂熔化后,在175℃溶解成凝胶状态时,粘度会变小。当温度降低后,环氧树脂固化,粘度与温度成反比增加。当温度进一步降低时,环氧树脂与周围的印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)、引线框(Lead Frame)、导线、晶片等牢固粘结,成为硬度非常高的材料。这种材料叫做热固性环氧树脂。重要的一点是,材料固化后,当半导体投入使用时,若温度波动,EMC能够随着芯片一同膨胀和收缩。另外,此类材料便于向外散热,这一点也很重要。因此,可以说此类混合材料的性质决定了EMC的可靠性。

3. 模塑(Molding)工艺类型

图2. 模塑(Molding)工艺:传递模塑(Transfer Molding)和压缩模塑(Compression Molding)

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模塑(Mold)就是把一件东西做成某种形状。当进行半导体模塑(Molding)时,会将EMC熔化并注入空腔(Cavity)。负责成型的工具是模塑的关键,即模塑板。模塑法包括传递模塑法(Transfer Molding)(旧方法)、真空模塑法(Compression Molding)(改进后的方法,可弥补传递成型缺点)和压缩模塑(朝下垂直面向晶片)。

3-1.传递模塑(Transfer Molding)

图3. 传递模塑(Transfer Molding)

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传递模塑法采用树脂,属于早期的模塑方法。在这种方法中,将环氧树脂熔化为凝胶状态,然后强制施加一定的压力(Plunging)(倾倒),使其流过多个狭窄的路径。随着芯片越来越小,层次越来越多,引线键合结构(Wire Bonding)变得越来越复杂,环氧树脂在模塑过程中不能均匀铺开,导致成型不完整或空隙(Prosity)(或孔隙)增加。换句话说,环氧树脂的速度控制变得更加困难。

为了解决这个问题,当移动环氧树脂通过一条狭窄的路径时,一种能形成真空并将其从另一侧拉出的方法来控制环氧树脂的速度被采用。此外,人们正在尝试各种方法来减少空隙,以确保环氧树脂能够均匀铺开。

3-2.压缩模塑(Compression Molding)

图4. 压缩模塑(Compression Molding)

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随着芯片层数的增加(多芯片封装,Multi Chip Package, 简称MCP)和引线键合变得更加复杂,传递模塑法的局限性逐渐显露出来。尤其是,为了降低成本,载体(印刷电路板或引线框架)的尺寸变大,因此传递模塑变得更加困难。与此同时,由于环氧树脂难以穿透复杂的结构并进一步铺开,因此需要一种新的模塑方法。

压缩模塑法是一种能够克服传递模塑法局限性的新方法。采用这一方法时,EMC被放入模具中,然后再进行熔化。采用压缩模塑法时,不需要将环氧树脂转移到很远的地方。这种模塑方法需要将晶片垂直向下放置在凝胶状环氧树脂上。从而减少了诸如空隙和延伸现象等缺陷,并且通过减少不必要的环氧树脂的使用而有益于环境。

在使用环氧树脂进行半导体模塑时,传递模塑法和压缩模塑法被同时采用。由于压缩模塑法具有缺陷检测、成本低廉和环境影响小等优点,因此更受供应商青睐。随着客户对产品扁平化和轻薄化的需求不断增加,预计压缩模塑法将在未来得到更积极的应用。


陈锺文半导体专栏作家

韩国忠北半导体高等学校老师

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