半导体培训15：塑封（Molding）

撰写：李星

塑封工艺是半导体制造中保障芯片可靠性的关键环节。通过严格控制工艺参数、选用优质材料与设备，并结合自动化检测技术，可显著提升良率与产品性能。建议企业定期进行工艺优化（如通过DOE实验调整参数）并建立供应商质量管理体系，以应对新兴市场对成本与质量的双重挑战。

一、技术起源与发展

1.起源（1960s-1970s）

背景：早期半导体封装以陶瓷和金属外壳为主，成本高且无法满足大规模生产需求。

突破：1960年代环氧树脂（EpoxyMolding Compound, EMC）的工业化应用，解决了低成本、高可靠性的封装需求。

关键人物：美国陶氏化学（DowChemical）推出首款商用环氧塑封材料。

·1960年代：塑封技术首次应用于半导体保护，采用酚醛树脂材料，主要解决芯片防潮、防机械损伤问题。

·1970-1980年代：环氧树脂（EMC）逐步替代酚醛树脂，成为主流材料，具备低吸湿性、高耐热性和优异电绝缘性。

·1990年代后：伴随集成电路小型化需求，塑封工艺向高密度、薄型化发展，引入传递模塑（TransferMolding）技术。

2.发展历程

·1980s：自动化塑封设备（如注塑机）普及，推动半导体进入大规模量产。

·1990s：高密度塑封技术（如QFP、BGA）出现，应对芯片引脚数增加需求。

·1995年：日本住友电木推出首款低应力环氧塑封料（SUMIKON®EME），推动BGA封装普及。

·2000s：低应力、低CTE（热膨胀系数）材料开发，支持高功率器件（如IGBT）封装。3D封装技术兴起，塑封材料需适应垂直堆叠结构，开发高导热、低介电常数（LowDk/Df）配方。

·2020s：环保型无卤素EMC、3D封装塑封技术（如Fan-out、CoWoS）成为趋势。面向5G、AI芯片需求，扇出型封装（Fan-Out）、系统级封装（SiP）推动塑封工艺向多维集成发展。

二、主流塑封技术

按材料分类：

·环氧树脂塑封（EMC）：

·材料特性：高绝缘性、低吸湿性、优异的机械强度。

·应用场景：适用于QFP、BGA、SOP等封装形式。

·ABF（AjinomotoBuild-up Film）：

·特点：低CTE（12-15ppm/℃）、高介电常数，用于高密度封装（如CPU、GPU的中介层）。

·模压成型（TransferMolding）：

·优势：适合批量生产，成本低，适用于中低密度封装。

按技术分类：

1.标准塑封（GlobTop/Transfer Molding）

·特点：适用于QFP、SOIC等传统封装，成本低，良率稳定。

·材料：普通环氧树脂（CTE16-18 ppm/°C，玻璃化转变温度Tg≥ 140°C）。

2.模压成型（CompressionMolding）

·特点：高压（200-400bar）快速填充，用于大尺寸功率器件（如MOSFET）。

·材料：高流动性EMC（粘度50-200Pa·s）。

3.低压注塑（Low-PressureInjection）

·特点：低压（50-100bar）保护敏感器件（如MEMS、射频芯片）。

·材料：低应力EMC（CTE< 12 ppm/°C）。

·QFP（四方扁平封装）：适用于通用IC，需控制引脚间距（0.4-0.8mm）与塑封料流动性。

·BGA（球栅阵列）：底部植球，需优化塑封料导热性及与基板热膨胀系数匹配。

4.先进封装塑封

·WLCSP（晶圆级芯片尺寸封装）：直接在晶圆上塑封，要求超薄塑封层（<50μm）和零缺陷控制。

·FOWLP（扇出型晶圆级封装）：通过重布线层（RDL）实现高密度I/O，需高精度模具与低应力材料。

·SiP（系统级封装）：多芯片集成，需兼容不同工艺节点的异构集成，塑封料需具备电磁屏蔽功能。

·Fan-out封装：塑封层扩展芯片面积（如台积电InFO）。

·CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）：多芯片3D集成塑封（如英伟达H100）。

三、量产工序流程

晶圆切割→ 贴片（Die Attach）→ 引线键合（WireBonding）→ 塑封成型 → 后固化→ 去飞边 → 电镀 → 测试

·贴片：使用银胶或环氧树脂将芯片固定在引线框架，需控制胶量（±5%）与固化温度（150-170℃）。

·键合：金线/铜线连接芯片焊盘与引脚，工艺参数：温度（200-250℃）、压力（20-50g）、超声波功率（60-100kHz）。

·塑封成型：

o模具温度：170-180℃（环氧模塑料适用）。

o注塑压力：686-1372kPa（根据芯片尺寸调整）。

o固化时间：60-120秒（后固化需150-175℃烘烤2-4小时）。

1.前处理

·芯片贴装（DieBonder）：将晶圆切割后的芯片贴到引线框架（LeadFrame）或基板（Substrate）。

·金线键合（WireBonder）：连接芯片I/O与外部引脚（Al/Au线，键合压力50-150gf）。

2.塑封（Molding）

·模具设计：匹配封装类型（如QFN、BGA），模腔表面需防粘处理（如镀氟）。

·注塑参数：

o料筒温度：150-200°C（防止EMC热分解）

o模具温度：80-120°C（控制固化速度）

o注塑压力：200-800bar（根据芯片尺寸调整）

·脱模：冷却后机械脱模，避免芯片翘曲。

3.后固化（PostMold Curing）

·工艺：

o预固化：120°C× 30分钟（快速定型）

o主固化：160-180°C× 4-8小时（完全交联）

·目的：提升EMC机械强度（硬度Shore D 80-95）和耐热性（Tg≥ 150°C）。

4.后处理

·去飞边（De-flashing）：激光或机械去除多余树脂。

·表面处理：化学铜（ENIG）或有机可焊层（OSP）保护引脚。

·切割分选（Singulation）：V-Cut或激光切割分离单个器件。

四、关键工艺参数及优化

塑封成型（Molding）

核心步骤：将芯片和引线框架包裹在环氧模塑料（EMC,Epoxy Molding Compound）中。

工艺方法：

将EMC预加热至软化状态，注入模具中。

高温（170-180°C）高压（5-10MPa）下固化，形成保护外壳。

转移成型（TransferMolding）：

压缩成型（CompressionMolding）：适用于高密度或薄型封装。

气泡缺陷（BubbleDefect）

·原因：树脂脱模剂过多、注射压力不足、模具排气不良。

·对策：

·优化脱模剂用量（建议0.1-0.3%）。

·提高注射速度至60-80cm³/s，确保快速填充。

·检查模具排气孔（直径≥0.3mm）。

热膨胀失配（CTEMismatch）

·原因：芯片与基板CTE差异过大（如硅芯片CTE为2.6ppm/℃，环氧树脂40ppm/℃）。

·对策：

·选用低CTE材料（如ABF树脂，CTE≈12ppm/℃）。

·优化固化工艺，减少残余应力。

五、检测标准

1.外观检测

·标准：无气泡、裂纹、缺料（JESD479B）。

·设备：AOI（自动光学检测）、X-ray（内部缺陷分析）。

2.尺寸检测

·关键指标：塑封高度（±0.1mm）、引脚共面性（≤50μm）。

·工具：3D轮廓仪、卡尺。

3.电气性能

·测试：绝缘电阻（>1GΩ）、耐压（AC1000V/1min无击穿）。

4.可靠性测试

·标准：

o高温高湿（85°C/85%RH，1000小时）

o温度循环（-55°C~+125°C，1000次）

o焊接热冲击（260°C/10秒，10次）

·失效模式：分层（脱模剂残留）、银纹（应力集中）。

六、材料与设备供应商

1.EMC材料

o环氧模塑料（EMC）：主要供应商包括住友电木（SumitomoBakelite）、日立化学（HitachiChemical），含硅微粉、液晶环氧树脂等成分，要求低α射线、高导热。

o液态模塑料（LMC）：用于高密度封装，供应商如汉高（Henkel）。

·国际：信越化学（Shin-Etsu）、陶氏（Dow）、三菱化学（DIC）。

·国内：上海新阳（SNECMA）、东岳集团（Dongyue）。

·环保趋势：无卤素EMC（如信越PX系列）占比超60%。

oABF树脂：日立化成（日本）、松下（日本）、日立化成ABF-1000系列

o脱模剂：道康宁（美国）、信越化学（日本）、道康宁DC-1000硅基脱模剂

2.塑封设备

·塑封机：TOWA（日本、压缩模塑技术领先）、DISCO（日本）、耐科装备（中国）、BESI、ASMPacific。

·模具：Mycronic（瑞典）、SUSSMicroTec（德国）、SenmaySeiko、NeuDynamics，陶瓷模具用于高频器件。

·检测设备：SAM（超声扫描显微镜）用于空洞检测，供应商如Sonoscan、KLA（AOI）、Teradyne（测试系统）。

3.辅助材料

·脱模剂：BYK（德国）、迪高（Degussa）

·真空脱泡机：Branson、Sonics（超声波脱泡效率提升30%）

七、塑封模具

半导体molding塑封模具，是半导体塑封模具的一种，半导体molding塑封设备用的模具。主要应用于TO、SOP、SSOP、TSSOP、DIP、SOT、ESOT、SOD、QFN、SMA、SMB、SMC、SMBF、MBF、JA、TK、QFP、IPM、BGAPDFNOFP等塑封。适合各种半导体器件、芯片、ic、传感器、晶体管、二极管、三极管、LED、电子元器件等塑封。

半导体molding塑封模具主要封装形式如下：

TO系列:T0220/263/247/252/3P等；

SOP系列:SOP4/6/8/1 0/12/14/16/20/28等；

DIP系列:DIP4/8/14/16/18/23/24/25/29/40等；

SOT系列:SOT23/25/26/223/89等；

SOD系列:S0D123/323/523/723/923等；

QFN/BGAPDFNOFP/SMA/MBF/TSSOP系列等；

QFP/IPM系列等；

半导体器件、芯片、ic塑封等。

半导体molding塑封模具优势特点：

1.使用进口原材料，利用进口先进设备制造与检测；

2.按需定做，技术先进，模具精度高，性能稳定，模具使用寿命高，保证质量；

3.技术先进，负责安装调试及培训，永久提供优质服务，永久售后。

半导体molding塑封模具技术参数：

1.下注塑双油缸配合内置齿轮齿条驱动多注塑头设计；

2.CavityBar采用高速粉末钢材质，硬度HRC62-64;

3.表面真空涂层，寿命不低于30万模次;

4.腔体表面粗糙度可实现0.2um.max;

5.特殊产品可增加抽真空及内置抽芯机构设计；

6.根据不同引线框架尺寸，可实现每模8片/12片/16片产能最大化。

7.具体结合不同的产品和不同的技术要求进行定做。

芯片封装技术经历了好几代的变迁，从to、dip、sop、qfp、bga到csp再到mcm，封装形式由传统的单芯片封装向多芯片封装形式转变，封装形式的转变，导致封装模具应用技术不断提高，传统的单注胶头封装模已满足不了封装要求，模具结构由单缸模→多注胶头封装模具(mgp)→集成电路自动封装系统方向发展。

八、行业趋势与挑战

1.技术趋势

·材料：低CTE（

·设备：AI+机器视觉（缺陷检测良率提升至99.99%）。

·工艺：晶圆级塑封（WLP）降低成本30%。

2.挑战

·良率控制：气泡缺陷率需<50ppm（行业标杆）。

·环保法规：欧盟RoHS3.0要求溴含量<0.02%。

·成本压力：EMC材料成本占封装总成本40-50%。

八、要点总结

1.核心控制点：

·注塑压力与温度的平衡（避免欠注或过固化）。

·脱模剂残留控制（影响电镀层结合力）。

2.常见问题：

·气泡缺陷：增加真空脱泡时间（建议≥5分钟）。

·塑封开裂：优化固化曲线（阶梯升温法）。

3.安全规范：

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