轉注成形應用於電子封裝技術 前言 轉注(compression)成形是從壓縮成形改良而來，在轉注成形裡的加熱是在模中加熱再加工壓縮，但是缺點在於膠溫不均，以及加工時間太長，所以才有了轉注成形的改良，轉注(transfer)成形在成形品的尺寸精度、埋入物等可合理成形壓縮成形法難成的物品，預先關閉模子，將預熱的熱硬化性成形材料投入材料室(pot)，加熱軟化，以柱塞加壓，經豎澆口、橫澆道，導入模中，在此加熱一定時間而硬化，但後因射出成形法的實用化，逐漸被取代，現在只能應用在有限的地方，而這次我們專題的內容，主要著重在電子封裝的封膠技術。 隨著IC產品需求量的日益提昇，推動了電子構裝產業的蓬勃發展。而電子製造技術的不斷發展演進，在IC晶片「輕、薄、短、小、高功能」的要求下 ，亦使得構裝技術不斷推陳出新，以符合電子產品之需要並進而充分發揮其功能。構裝之目的主要有下列四種： （1）電力傳送 （2）訊號輸送 （3）熱的去除 （4）電路保護 IC構裝依使用材料可分為陶瓷（ceramic）及塑膠（plastic）兩種，而目前商業應用上則以塑膠構裝為主。以塑膠構裝中打線接合為例，其步驟依序為晶 片切割（die saw）、黏晶（die mount / die bond）、銲線（wire bond）、封膠 （mold）、剪切/成形（trim / form）、印字（mark）、電鍍（plating）及檢驗 （inspection）等。以下依序對構裝製程之各個步驟做一說明： 晶片切割（Die Saw） 晶片切割之目的為將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之 晶粒（die）切割分離。欲進行晶片切割，首先必須進行晶圓黏片，而後再送至晶片切割機上進行切割。切割完後之晶粒井然有序排列於膠帶上，而框架的支撐避免了 膠帶的皺摺與晶粒之相互碰撞。 黏晶（Die Dond） 黏晶之目的乃將一顆顆之晶粒置於導線架上並以銀膠 （epoxy）黏著固定。黏晶完成後之導線架則經由傳輸設備送至彈匣（magazine）內，以送至下一製程進行銲線。
銲線（Wire Bond） 銲線乃是將晶粒上的接點以極細的金線（18〜50μm） 連接到導線架之內引腳，進而藉此將IC晶粒之電路訊號傳輸至外界。 封膠（Mold） 封膠之主要目的為防止濕氣由外部侵入、以機械方式支 持導線、內部產生熱量之去除及提供能夠手持之形體。其過程為將導線架置於框架上並預熱，再將框架置於壓 模機上的構裝模上，再以樹脂充填並待硬化。 剪切/成形（Trim /Form） 剪切之目的為將導線架上構裝完成之晶粒獨立分開，並 把不需要的連接用材料及部份凸出之樹脂切除（dejunk）。成形之目的則是將外引腳壓成各種預先設計好之形狀 ，以便於裝置於電路版上使用。剪切與成形主要由一部衝壓機配上多套不同製程之模具，加上進料及出料機構 所組成。 印字（Mark） 印字乃將字體印於構裝完的膠體之上，其目的在於註明 商品之規格及製造者等資訊。 檢驗（Inspection） 晶片切割之目的為將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之 檢驗之目的為確定構裝完成之產品是否合於使用。其中項目包括諸如：外引腳之平整性、共面度、腳距、印字 是否清晰及膠體是否有損傷等的外觀檢驗。 目前用於構裝之技術，大概有以下數種。分別為「打線接合」、「捲帶式自動接合」、「覆晶接合」等技術，分述如下： 打線接合（Wire Bonding） 打線接合是最早亦為目前應用最廣的技術，此技術首 先將晶片固定於導線架上，再以細金屬線將晶片上的電路和導線架上的引腳相連接。而隨著近年來其他技 術的興起，打線接合技術正受到挑戰，其市場佔有比例亦正逐漸減少當中。但由於打線接合技術之簡易性 及便捷性，加上長久以來與之相配合之機具、設備及相關技術皆以十分成熟，因此短期內打線接合技術似 乎仍不大容易為其他技術所淘汰。
捲帶式自動接合（Tape Automated Bonding, TAB） 捲帶式自動接合技術首先於1960年代由 通用電子（GE）提出。捲帶式自動接合製程，即是將晶片與在高分子捲帶上的 金屬電路相連接。而高分子捲帶之材料 則以polyimide為主，捲帶上之金屬層則以銅箔使用最多。捲帶式自動接合具有 厚度薄、接腳間距小且能提供高輸出/入接腳數等優點，十分適用於需要重量輕 、體積小之IC產品上。 覆晶接合（Flip Chip） 覆晶式接合為IBM於1960年代中首 先開發而成。其技術乃於晶粒之金 屬墊上生成銲料凸塊，而於基版上生成與晶粒銲料凸塊相對應之接點 ，接著將翻轉之晶粒對準基版上之 接點將所有點接合。覆晶接合具有最短連接長度、最佳電器特性、最高輸出/入接點密度，且能縮小IC尺寸，增加單位晶圓產能，已被看好為未來極 具潛力之構裝方式。 (圖：transfer成形法的原理) 封膠是將打線(wire bonding)後之電子構裝半成品，以金屬、玻璃、陶瓷或樹脂等材料加封於晶片元件外部。其主要之功用在於： 1. 保護晶片，防止刮傷。 2. 阻絕濕氣、粉塵、污物等進入晶片，避免腐蝕發生。 3. 提供機械性強度，支持導線架(leadframe)。 4. 有效地將內部產生的熱排出。 一般而言，陶瓷或金屬封裝有極佳的緻密性，可防止水氣入侵而具有較高的信賴度，適於在惡劣環境下使用。但其製程較不易自動化，製造週期(cycle time)長，成本高，亦不符合輕、薄、短、小的包裝體趨勢。因此除了特殊用途外，大多已被塑膠封裝(plastic package)取代；因此一般所謂封膠(encapsulation)即專指此
一塑膠封裝製程，或稱為封膠。 電子構裝之封膠方式大致分成點膠式(glob)和壓模式(molding)，前者用於Chip on Board或BGA等產品，適用於少量、多樣化之彈性生產線，而壓模責備廣泛地應用於各類封膠之大量生產。本文即針對壓模式封膠製程和材料做探討。 壓模膠(molding compound) 封膠用的壓模膠分為熱固性(thermosetting)及熱塑性(thermoplastic)兩種。熱塑性膠因為熔點較低，可能在銲錫時氧化，固甚少用於電子封裝之封膠；熱固性塑膠一般都以環氧塑膠(epoxy resin)為主要原料，在電子構裝封膠時，所採用的樹之要求如下： 1. 成型性佳，成型週期短。 2. 低黏滯性。 3. 脫模性佳，但對導線架黏著性要好。 4. 抗燃性及耐熱性。 5. 高強度。 6. 長期保存性。 7. 耐腐蝕性。 8. 低應力。 單純的樹脂並不能滿足上述之各項要求，因此均加上填充劑、硬化劑等，因此一般稱為壓模複合膠(molding compound)，簡稱壓模膠。壓模膠主宰了積體電路元件的可靠度與信賴度，因此對於所使用壓模膠之組成及各組成之功能，應做詳盡了解。表1是加模膠的主要成分與其功能。
壓模膠之特性及其測量方法 (一) 熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion,CTE,α) 1.定義： 在一定溫度範圍內，壓模膠單位長度的變化量與溫度呈線性關係，即溫度每升高1°C，單位長度的伸長量即為熱膨脹係數(CTE)。大多數的壓模膠在轉脆溫度(T)有較低的CTE，稱α，而在T以上則有一較高的α，一般α大g1g22約等於3α。 1量測方法： (1) 樣本：壓模成立方體或圓柱體。 (2) 儀器：熱機分析儀(thermal mechanical analyzer,TMA) (3) 升溫方式：以5°C/min之速度由室溫開始加溫。 (4) 計算公式：
圖一 (二) 轉脆溫度(glass transition temperature, T) g1.定義： 物體在某一溫度以上，會由玻璃態(glassy state)改變至橡膠態(rubber state)，此溫度即為轉脆溫度(T)。對膠聯聚合物而言，在T以上由於自由活動的聚合gg分子鍵增加，其楊氏係數(Young’s modules)，會明顯地降低，CTE則顯著升高，其他各種物理性質如介電常數等亦有所變化。 2.量測方式： 與CTE之方式相同。如圖1中T大約為175°C。(α和α斜率的交點)，g12T為一約略值。 g(三) 渦旋流動長度(spiral flow) 1. 定義： 將類似蚊香形狀且有刻度的模子(如圖2)，安裝於壓模機上。在一定溫度和壓力下，將測試材料熔融後擠入溝內做成蚊香狀成型品。以渦旋狀蚊香的全長，即壓模膠在定溫定壓下，硬化前能流動的距離，用以表示流動的特性。 2.量測方式： EMMI(Epoxy Molding Material Institute)I-66規定其量測條件如下： (1) 樣品：粉狀膠模18g。 (2) 模溫：350°F±2°F(176°C±1°C)。 (3) 擠膠壓力：1000psi±25psi。 圖二 (四) 膠化時間(gel time) 1.定義： 模膠由開始變成熔融可流動狀態至不能流動固化所需的時間。
2.量測方式： 將樣品置於Ram follower之模具內，由儀器上擠膠之Torque之大小決定。Torque≒0時表示可流動開始，Torque急遽增大時表示開始固化，此兩點之時間間距即為gel time。 另一種手動之量測方式，將膠粉至於熱板上，熱板溫度為170°C±1°C，以耐熱棒將膠粉輕輕揉壓成直徑約2~公分之圓形區域，直到其開始固化，感覺推不動了，則由膠粉至入熱板起至開始固化所需的時間為gel tine，然手動測試誤差較大，且所量測之時間比儀器量測約多費時5秒。 (五) 熔化黏度(melt viscosity) 1. 定義： 黏度(viscosity)是指流體流動的阻力。模膠的黏度並非定值，會隨時間、溫度而變，壓模膠再剛投入時為固態，在模面上時，隨著受熱時間增加，開始變成熔融狀，黏度降低；繼續受熱即開始固化，黏度升高，即為著名的臉盆式曲線(basin curve) 2.量測方式： 以一特殊之黏度測試機，求取單位時間之應力，單位為poise，一般牛頓流體之黏度均為常數，但壓模膠呈現非牛頓流體，其黏度曲線如圖3所示。 3.臉盆式曲線： 一般擠膠選在黏度較低處較為恰當，如圖中之AB或CD段，溫度較高時，曲線下降較快，谷底範圍亦較低溫時小，然後迅速硬化。 圖三 (六) 介電常數 1.定義： 一材料受單位電壓下，單位體積所能儲存之靜電能量稱為介電常數，介電常數愈小，其電絕緣性愈佳。介電常數易受頻率、溫度及溼度影響，其變化遠比其初始值重要，因此產品的密閉性影響極大，若有空隙，除了提供濕氣的通路易造成腐蝕外，在受到電壓時，空隙將行程電場集中現象，引起內部放電，
導致絕緣破壞。 (七) 溢膠長度 1.溢膠是因樹脂由模面和導線架間之空隙滲出於壓合線外，如圖4所示。溢膠會使導線架電鍍不良，當溢膠成透明狀，厚度小於吋，稱為溢脂(resin bleed)。 2.溢膠性質之量測：利用圖5所示之模具，將膠由中央灌入，視能滲入溝槽之深度而決定其溢膠特性。 圖四 圖五 (八) 其他特性 壓模膠尚有其他許多特性，如離子不純物含量、防火性、熱傳導性等，但因較難測得且較難掌控，不予贅述。 (九) 壓模膠成分對模膠特性之影響 主要成分 增加該成分對壓模膠特性影響 NovoLac Type EpoxyT↑,gel time↓,熱穩定性↑, 抗濕氣性↑,成本↑ Resin g雙酚A系Resin T↓,gel time↑, 熱穩定性↓, 抗濕氣性↓, 成本↓,彈性較佳 g酚系硬化劑T↑,gel time↓,α↓,熱穩定性↑, 抗濕氣性↑ g酸酐類硬化劑 ↑,gel time↑,α↓,適用於高溫,高電壓 ggel time↓,催化劑之選用為壓模膠廠商之最高機密，必須使壓模膠催化劑 在25°C不致引起明顯反應，且在170°C時能快速反應。 抗燃性↑,但會破壞金線銲線至晶片上之鋁墊(pad)所形成之Au-Al抗燃劑 金屬間化合物(Intermetallic)。 耦合劑 抗濕氣性↑,增加附著力，改善電氣特性，增加撓曲強度。 •降低CTE 填充劑(一般用Fused Silica•減少內應力 較Crystalline Silica更佳)。•散熱更佳 Fused Silica是Crystalline •增加黏滯係數(黏度) Silica加熱至2000°C左右而•模具較易磨耗 得。 •增加線弧缺點 •較易損傷銲線
擠膠壓模 圖六 一般壓模機多為油壓式，如圖6所示，傳統之模具只有一個投膠口(pot)，但新是自動之機器已改良成多投膠口(multi-pot)的設計。壓模過程如圖7所示： 1.將打線完半成品之導線架置於模面，此時之擠膠桿已上升至頂端(擠膠桿有上推式跟下壓式兩種)，另在多投膠口設計之機器大多在此時將導線架與壓模膠粒(molding compound pellets)一同投入模穴中預熱。 2.閉合模具。 3.將膠粒投入，一般膠粒會先在預熱機上預熱後再投入，在多投膠口設計則此時為預熱時間。 4.適當預熱後，膠粒達到最佳黏度時，開始擠膠。 5. 膠狀壓模膠注入膠道(runner)，再由注膠口(gate)填入模穴(cavity)。 6. 在模內烘烤硬化後開模。 7. 頂針(ejector pin)頂起成型品。 8. 將成型品取出，折去擠膠桿和澆道上形成之廢膠。 9. 清刷模面再由步驟1開始。
壓模問題的克服 不 良 現 象 原 因 改 正 措 施 1.未灌滿 a.擠膠壓力太低 增加之 b.擠膠速度太慢 增加之 c.氣孔/澆注口阻塞 以鋼刷/棒去除或洗模 d.模溫過高/低 調整之 e.模膠預熱過長/短 調整之 f.模具太髒 清潔之 g.膠粒太小 增加膠粒重量或檢視膠粒是否破損 h.擠膠不順 擠膠桿或頭磨損則需更換之，否則應調整其與模具 之垂直度 2.空洞/氣泡 a.模溫不當 調整之 b.擠膠壓力太低 增加之 c.擠膠太快 降低之 d.模具不潔 清潔之 e.膠粒吸水過多(置 換新膠
於室溫過久) f.預熱不足/太久 調整之 g.壓實不足 調整擠壓位置 3.崩角(chip) a.模具黏模 清潔或以銅針除去 b.溫度不均勻 調整之 c.受到機械力撞擊 檢查是否有任何機構碰到 4.溢膠 a.模面不潔而造成合清潔之 模不平衡 b.合模壓力太低 增加之或檢查油壓是否漏油 c.擠膠壓力太大 減少之 d.模溫不均勻 調整之 f.底座受傷 檢查該批底座 5.錯位 a.模具導桿磨損 更換之 b.因模具導角磨損或更換之 歪斜導致底座置放 不正 c.底座材料不對 更換之 6.線弧歪 a.擠膠速度不對 調整之 b.預熱不當 調整之 c.模溫不當 調整之 d.線弧過高或緊線 通知打線人員改正 e.模膠吸濕過多 更換之 7.黏模 a.模上烘烤不足 延長之 b.模溫過低 調整之 c.洗模後未用脫模膠確實遵循洗模方式 潤滑 8.導線架拱形 a.烘烤不足 延長之 b.底座預熱溫度太低增加之 c.底座預熱時間太短延長之 封膠技術的未來發展方向 從大型積體電路(LSI)進入到超大型積體電路(ULSI)時代，不但晶片的高密度化與細微化急速進步，包裝體的特性要求也日見嚴格，封膠技術和封膠材料要求也有多樣化的趨勢。特別是腳數增加的包裝體快速成長，晶片趨向大型化，產品走向小型化、薄型化，壓模樹脂膠也因應此趨勢而朝向提高轉脆溫度，降低膨脹
係數，即低應力發展。除此之外，預期今後為滿足BGA包裝體的要求，提高樹脂與基材印刷電路板間的黏著力和導熱性，也是樹脂膠模之發展趨勢。 參考文獻 網路資源、電子月刊第五卷第七期
