文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了芯片封裝中的塑封工藝。

所謂塑封，是指將構(gòu)成電子元器件或集成電路的各部件按規(guī)范要求進(jìn)行合理布置、組裝與連接，并通過(guò)隔離技術(shù)使其免受水分、塵埃及有害氣體的侵蝕，同時(shí)具備減緩振動(dòng)、防止外來(lái)?yè)p傷以及穩(wěn)定元器件參數(shù)的作用。塑封料通過(guò)流動(dòng)包覆的方式，將完成內(nèi)互聯(lián)的裸芯片半成品進(jìn)行包封，使其與外界環(huán)境隔絕，固化后形成保護(hù)性封裝體，為后續(xù)電子組裝提供可加工的標(biāo)準(zhǔn)化電子個(gè)體。通常而言，封裝工藝多以塑封環(huán)節(jié)為核心代表。

塑封工藝過(guò)程解析

塑封工藝主要包含以下步驟：

合模：將預(yù)處理后的芯片框架精準(zhǔn)固定于模具型腔，通過(guò)閉合模具形成密封的封裝空間。

塑封料加壓流動(dòng)：在500-1000PSI的壓力作用下，將預(yù)熱至80-90℃的塑封料壓入模具型腔，使其充分填充芯片及引腳間隙。

塑封料固化：將模具溫度升至175℃，塑封料在此溫度下發(fā)生不可逆的交聯(lián)反應(yīng)，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，完成封裝體的固化成型。

脫模：待模具冷卻后開(kāi)啟，取出已完成封裝的電子元件。

高性能塑封料的特性與組成

性能優(yōu)良的塑封料需具備多重關(guān)鍵性能：較低的介電常數(shù)與介電損耗因子（降低介電常數(shù)可縮小信號(hào)線路間距，進(jìn)而提升運(yùn)行速度）、較高的耐熱性、導(dǎo)熱性與絕緣性、優(yōu)異的力學(xué)性能、阻燃性以及與硅等元器件相匹配的可調(diào)熱線脹系數(shù)，同時(shí)還需擁有良好的化學(xué)穩(wěn)定性與機(jī)械性能。常見(jiàn)的塑封料主要由環(huán)氧樹(shù)脂、填料及其他微量添加劑組成。

1. 環(huán)氧樹(shù)脂：其成分之前介紹裝片的文章中所提及的環(huán)氧樹(shù)脂一致，作為塑封料的基體，提供化學(xué)交聯(lián)骨架。

2. 填料：填料在塑封料中占比較大，不同類(lèi)型的填料對(duì)封裝的散熱性與絕緣性影響顯著，主要包括SiO?、Si?N?、Al?O?和AIN等。填料需具備熱膨脹系數(shù)低、絕緣性能優(yōu)良的特點(diǎn)，能夠提高塑封體的硬度、耐熱性、耐磨性與力學(xué)強(qiáng)度，降低固化物內(nèi)應(yīng)力，防止開(kāi)裂變形，并降低機(jī)電產(chǎn)品的溫升。

Si?N?填料：不僅適用于塑封填料，也可用于封裝基板。納米氮化硅具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性能，同時(shí)具備良好的力學(xué)性能與優(yōu)異的介電性能，主要應(yīng)用于集成度較高的芯片、光電子和光學(xué)器件，可有效降低線膨脹系數(shù)、熱應(yīng)力、吸水性和成型收縮率，提升力學(xué)性能、熱導(dǎo)率、阻燃性和熱形變溫度，增強(qiáng)耐磨性。

Al?O?填料：具有較高硬度，耐化學(xué)腐蝕，適用于高壓環(huán)境，能降低固化收縮率，提高塑封體的導(dǎo)熱性、硬度和強(qiáng)度等性能，但添加量過(guò)多時(shí)，在固化過(guò)程中易形成應(yīng)力集中。

AIN填料：導(dǎo)熱性極為優(yōu)異，可達(dá)150-300W/(m·K)，是SiO?的百倍、Al?O?的5倍，同時(shí)具備優(yōu)良的電性能與機(jī)械性能。

塑封料流動(dòng)性及其影響因素

塑封料的流動(dòng)性與其中固體顆粒的含量密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，固體顆粒含量越少，黏度越低，流動(dòng)性相應(yīng)越好，塑封料也更易流入封裝型腔。在塑封或預(yù)熱過(guò)程中，初始階段塑封料中的大部分成分尚未軟化，主要呈固態(tài)。隨著溫度升高，成分逐漸變?yōu)橐簯B(tài)參與反應(yīng)，固體顆粒減少。但由于反應(yīng)不可逆，液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)后，顆粒不再變回液態(tài)，因此塑封料中始終存在固體，并隨著反應(yīng)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)臨界點(diǎn)后固體顆粒增多，導(dǎo)致塑封料的流動(dòng)性呈現(xiàn)先變好后變差的趨勢(shì)。通常情況下，塑封料的流動(dòng)性應(yīng)保持在24in以上。影響塑封料流動(dòng)性的主要因素包括塑封料的預(yù)熱程度、金型溫度、型腔傳導(dǎo)壓力和速度等。其反應(yīng)狀態(tài)如下圖。

玻璃化狀態(tài)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，塑封料在金型中的流動(dòng)時(shí)間越久，越有利于型腔填充。其中，溫度是影響玻璃化狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的關(guān)鍵因素，溫度越高，反應(yīng)速度越快，玻璃化狀態(tài)持續(xù)時(shí)間越短。在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過(guò)控制塑封溫度與預(yù)熱溫度，有效調(diào)整玻璃化狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。此外，塑封料的密度在生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)對(duì)其實(shí)際流動(dòng)性及玻璃化狀態(tài)持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生影響。

塑封料的存儲(chǔ)與使用規(guī)范

由于塑封料在常溫下會(huì)發(fā)生緩慢固化反應(yīng)，且溫度越高反應(yīng)速度越快，同時(shí)水分對(duì)塑封成型質(zhì)量影響顯著，因此需盡量減少塑封料中的水分含量。塑封料應(yīng)存儲(chǔ)于5℃以下的干燥環(huán)境中，在此條件下有效期為6個(gè)月至1年。使用前，塑封料需經(jīng)歷升溫過(guò)程。由于其存儲(chǔ)于5℃以下的冷藏室，與外界使用環(huán)境溫差較大，空氣中的水分遇冷會(huì)在塑封料表面凝聚形成水珠，即“結(jié)露”現(xiàn)象。塑封料結(jié)構(gòu)為顆粒狀混合物，吸濕性能強(qiáng)，水分易被吸入內(nèi)部。在塑封時(shí)，水分遇170℃左右的高溫會(huì)迅速汽化，在塑封料中形成氣泡，導(dǎo)致空洞、溢料等不良問(wèn)題。為避免此類(lèi)現(xiàn)象，需將塑封料在密封狀態(tài)下于常溫放置24h，使其逐漸達(dá)到常溫，該過(guò)程稱(chēng)為醒料時(shí)間（Aging Time），以防止使用時(shí)結(jié)露。常溫下塑封料的固化反應(yīng)需控制使用期限，通常規(guī)定升溫結(jié)束后一定時(shí)間內(nèi)使用完畢。未用完的塑封料可密封后與未開(kāi)封的一同重新冷藏，再次使用需冷藏24h后按正常方法使用，且有效期為24h，僅可重新使用一次。

塑封常見(jiàn)不良現(xiàn)象及原因

塑封過(guò)程中常見(jiàn)的不良現(xiàn)象主要有以下幾種：

1. 封裝體成型不完整：主要原因包括氣道堵塞、金型內(nèi)有異物、塑封料注射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。

2. 封裝體破裂/芯片露出/裂紋：多由封裝體受外力撞擊、框架變形等因素引起。

3. 封裝體上下或左右錯(cuò)位：可能是由于上下金型前后左右錯(cuò)位、框架在金型上定位不準(zhǔn)、上下金型前后左右溫差過(guò)大等原因?qū)е隆?/p>

4. 封裝體上有小氣泡：塑封料質(zhì)量問(wèn)題、成型參數(shù)不正確、模具壓力不夠、氣道堵塞等均可能引發(fā)該現(xiàn)象。

5. 塑封溢飛邊（FLASH）：引腳上出現(xiàn)塑封薄膜或封裝體上有薄飛邊，主要原因包括引腳變形導(dǎo)致尺寸偏差、塑封金型磨損、密封性不佳、成型壓力不足、塑封料流動(dòng)性過(guò)高等。