文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述塑封工藝。

概述

塑封是微電子封裝中的核心環(huán)節(jié)，主要作用是保護(hù)封裝內(nèi)部的焊線、芯片、布線及其他組件免受外界熱量、水分、濕氣和機(jī)械沖擊的損害，同時(shí)增強(qiáng)封裝的機(jī)械強(qiáng)度，便于后續(xù)貼片操作。按封裝材料劃分，電子封裝可分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三類。其中，塑料封裝因工藝簡(jiǎn)便、成本低廉，占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)份額，且這一占比仍在持續(xù)上升。在集成電路塑料封裝中，環(huán)氧模塑料是最常用的材料，在塑封材料中的占比超95%。

塑料按特性可分為熱塑性與熱固性兩類。熱塑性塑料的樹脂分子呈線性或支鏈狀結(jié)構(gòu)，受熱時(shí)會(huì)軟化熔融，可塑造成特定形狀，冷卻后保持形態(tài)，再次加熱仍能軟化熔融，可重復(fù)加工，成型過程通常僅涉及物理變化。

熱固性塑料則是通過加熱實(shí)現(xiàn)固化的聚合物材料，成型時(shí)同時(shí)伴隨物理與化學(xué)變化。這類材料在較低溫度下會(huì)熔融，具備良好流動(dòng)性；注入模具后，在模具的溫度和壓力作用下發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，長(zhǎng)鏈分子轉(zhuǎn)化為密集的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終固化成型。冷卻后，即便再次加熱也不會(huì)軟化，溫度過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)碳化分解。

塑料成型技術(shù)多樣，包括轉(zhuǎn)移成型（又稱壓注成型、傳遞模塑）、壓縮成型（又稱模壓成型）和注塑成型等，其中轉(zhuǎn)移成型與壓縮成型在微電子封裝中應(yīng)用最為廣泛。

注塑成型是常見的塑料成型工藝，具有勞動(dòng)強(qiáng)度小、成型周期短、產(chǎn)品質(zhì)量佳、模具使用壽命長(zhǎng)、操作安全等優(yōu)勢(shì)。但在微電子封裝領(lǐng)域，由于引線框架在注塑模具中不易固定，且環(huán)氧模塑料采用該工藝難度較高，目前尚未投入實(shí)際應(yīng)用。

轉(zhuǎn)移成型技術(shù)整合了注塑成型與壓縮成型的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)有獨(dú)立的加料室。模塑料在加料室內(nèi)受熱熔化后，在低壓作用下通過澆注系統(tǒng)快速注入已加熱的閉合模具型腔，隨后在型腔內(nèi)經(jīng)保溫保壓完成固化。其工藝流程如下：①將引線框架定位放入下模具；②合上上模具；③加入環(huán)氧模塑料（這類材料通常儲(chǔ)存在冷庫，使用前需在室溫下回溫）；④進(jìn)行預(yù)加熱；⑤通過活塞加壓，將模塑料壓入型腔；⑥保溫保壓，完成固化成型；⑦活塞撤離；⑧打開上模具；⑨取出成型樣品。

轉(zhuǎn)移成型具有壓注時(shí)間短、成型快速、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，適合加工薄壁、壁厚不均、含細(xì)薄金屬嵌件、帶深孔及形狀復(fù)雜的塑件，尤其適用于電子元器件的塑封。經(jīng)其塑封的元器件精度高、尺寸穩(wěn)定，無氣孔和縮孔，且電性能、耐濕性良好，是微電子封裝中應(yīng)用最廣的成型技術(shù)。不過，該技術(shù)也存在不足：一是模塑料利用率僅約70%；二是填充料分布不夠均勻；三是樹脂流動(dòng)可能對(duì)芯片和焊線產(chǎn)生應(yīng)力；四是在薄包封上蓋及大面積襯底封裝時(shí)，可能出現(xiàn)封裝不充分的問題。

與轉(zhuǎn)移成型不同，壓縮成型的加料室與型腔是一體的。模塑料直接放入已加熱至成型溫度的敞開型腔中，塑化與固化過程均在型腔內(nèi)完成。但塑料粉末可能干擾合模定位銷及用于孔成型的金屬嵌件位置，導(dǎo)致塑件精度不足，影響產(chǎn)品質(zhì)量，且成型效率較低，因此早期塑封多采用轉(zhuǎn)移成型工藝。

隨著封裝厚度逐漸變薄，以及大尺寸襯底封裝、大面積扇出式晶圓級(jí)封裝等新工藝的發(fā)展，轉(zhuǎn)移成型的缺陷愈發(fā)明顯，已難以滿足需求。而壓縮成型能很好地解決這些問題，在薄型封裝、低翹曲封裝、大尺寸襯底封裝及大面積扇出式晶圓級(jí)封裝中得到了有效應(yīng)用。關(guān)于轉(zhuǎn)移成型與壓縮成型在微電子封裝中的差異，可參考相關(guān)對(duì)比表。

壓縮成型的工藝流程如下：①打開上下模具，將基板定位在上模具，通過真空吸附將分離膜貼合到下模具表面，并在膜上放置模塑料粉末；②合上上下模具，對(duì)模塑料進(jìn)行預(yù)加熱；③下模具活動(dòng)部分上移，模塑料在垂直壓力作用下流動(dòng)；④模塑料填滿型腔，并在溫度與壓力作用下固化。

塑封后續(xù)步驟

塑封工序完成后，還需進(jìn)行后續(xù)的固化處理。具體操作是將塑封后的樣品放入烤箱，在170-180℃的溫度下烘烤8小時(shí)，以此確保環(huán)氧模塑料充分固化，同時(shí)消除塑封過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

經(jīng)過模塑處理后，封裝表面會(huì)殘留溢出的模塑料，且烘烤后的引線框架表面可能出現(xiàn)氧化層，這些都需要清除干凈，以便后續(xù)的電鍍工序順利進(jìn)行。傳統(tǒng)的去溢料方法包括機(jī)械噴砂（分干法和濕法）、堿性電解法以及化學(xué)浸泡結(jié)合高壓水噴射法。隨著激光加工技術(shù)在微電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，全自動(dòng)激光去溢料技術(shù)逐漸發(fā)展起來，該技術(shù)具有清理徹底、效率大幅提升的優(yōu)勢(shì)。

為提升引線框架引腳的可焊性與導(dǎo)電性，同時(shí)抵御潮濕、高溫等外界不利環(huán)境的影響，塑封完成后的引線框架需通過電鍍或浸錫工藝，在引腳上覆蓋一層薄薄的保護(hù)性金屬層，目前以電鍍工藝為主。電鍍主要有含鉛和無鉛兩種類型，早期多采用含鉛電鍍，出于環(huán)保要求，現(xiàn)在主流為無鉛電鍍，即使用高純度錫鍍層或錫銀鍍層。電鍍過程在流水線式的電鍍槽中進(jìn)行：先在專門的上料臺(tái)放置引線框架，隨后框架被傳送至裝有電鍍液的電鍍槽，作為陰極浸入其中，金屬離子在獲得電子后沉積到引腳上完成電鍍，最后送至下料臺(tái)取出。

電鍍完成后，還需進(jìn)行退火處理，通常是在145-155℃的溫度下保持2小時(shí)。這一步的作用是讓無鉛鍍層在高溫烘烤后，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整來抑制鍍層中晶須的生長(zhǎng)。晶須是指在長(zhǎng)期潮濕或溫度變化的環(huán)境中，從材料表面生長(zhǎng)出的須狀晶體，可能導(dǎo)致產(chǎn)品引腳短路，而無鉛鍍層中較易出現(xiàn)晶須，存在短路風(fēng)險(xiǎn)。

要理解錫須，先明確晶須的定義：晶須是一種發(fā)絲狀晶體，能從固體表面自然生長(zhǎng)，又稱“固有晶須”。多種金屬表面會(huì)生長(zhǎng)晶須，常見的有錫、鎘、鋅、銻、銦等，錫鉛合金上也可能出現(xiàn)，但概率較低；而鉛、鐵、銀、金、鎳等金屬表面則很少出現(xiàn)。一般來說，晶須現(xiàn)象更易發(fā)生在質(zhì)地較軟、延展性好的材料上，尤其是低熔點(diǎn)金屬。

錫的晶須簡(jiǎn)稱錫須，呈單晶體結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)電性。其形狀多為直狀、扭曲溝狀或交叉狀，有時(shí)為中空結(jié)構(gòu)，外表面帶有溝槽。錫須直徑可達(dá)10微米，長(zhǎng)度甚至能超過9毫米，可承載10毫安的電流，電流過大時(shí)通常會(huì)被燒斷。

錫須的生長(zhǎng)速率通常在每年0.03-0.9毫米之間，在特定條件下可能加快100倍以上。其生長(zhǎng)速率受多種復(fù)雜因素影響，包括鍍層的電鍍化學(xué)過程、鍍層厚度、基體材料、晶粒結(jié)構(gòu)以及儲(chǔ)存環(huán)境等。錫須多從電鍍層開始生長(zhǎng)，且存在較長(zhǎng)的潛伏期，從幾天到數(shù)月甚至數(shù)年不等，因此其可能帶來的危害難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

一般而言，錫須產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn)：一是錫與銅之間發(fā)生相互擴(kuò)散，形成金屬化合物，導(dǎo)致錫層內(nèi)壓應(yīng)力急劇增加，促使錫原子沿晶體邊界擴(kuò)散，進(jìn)而形成錫須；二是電鍍后鍍層存在殘余應(yīng)力，引發(fā)錫須生長(zhǎng)。

抑制錫須生長(zhǎng)的方法主要有以下幾種：一是采用電鍍霧錫，通過改變晶體結(jié)構(gòu)來減小應(yīng)力；二是在150℃下烘烤2小時(shí)進(jìn)行退火處理（實(shí)驗(yàn)表明，溫度高于90℃時(shí)，錫須會(huì)停止生長(zhǎng)）；三是在Enthone FST浸錫工藝中添加少量有機(jī)金屬添加劑，以限制錫銅金屬互化物的生成；四是在錫與銅之間添加一層阻擋層，如鎳層；五是在錫中添加鉛曾是抑制錫須的有效方法，但因鉛不環(huán)保，需從其他角度尋找解決方案；六是添加1%-2%的黃金，也能有效抑制錫須生長(zhǎng)。

切筋成型包含切筋與成型兩道工序。其中，切筋是將整片引線框架分割為獨(dú)立單元的過程；成型則是對(duì)已分割的單元進(jìn)行引腳加工，使其形成工藝所需的形狀，之后放入料管或料盤中。簡(jiǎn)單來說，切筋成型工藝就是先把原本的大塊引線框架切割成若干小分塊，再對(duì)這些小分塊進(jìn)行處理，讓引腳達(dá)到規(guī)定形態(tài)。這兩道工序有時(shí)會(huì)同步完成，有時(shí)也會(huì)分開進(jìn)行。部分企業(yè)會(huì)先進(jìn)行切筋，接著完成上錫，再開展成型工藝，通過這種方式減少引腳截面未鍍上焊錫的面積。

作為電子封裝產(chǎn)業(yè)的分支技術(shù)，IC切筋成型技術(shù)在產(chǎn)業(yè)近年來的快速擴(kuò)張推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了迅猛發(fā)展。隨著封裝形式從DIP、SOP、QFP逐步向CSP等演進(jìn)，其與電路板的連接方式、引腳數(shù)量都發(fā)生了顯著變化，這對(duì)切筋成型的工藝標(biāo)準(zhǔn)提出了越來越高的要求。

激光打碼是利用激光束在封裝的正面或背面標(biāo)注標(biāo)識(shí)，這些標(biāo)識(shí)包含國家、制造商、器件代碼、生產(chǎn)批次等信息，便于產(chǎn)品的使用與追溯。

完成打碼后，需對(duì)成品電路的外觀進(jìn)行檢查，合格產(chǎn)品將按照包裝規(guī)范進(jìn)行包裝，包裝方式包括料管、料盤、卷帶盤等。