因應新興市場需求的封裝成形技術
Louis Rector, Kok-soo Goh, Shawn Liang, The Electronics Group of Henkel
應用在封裝製程已超過30年，在半導體封裝尺寸持續微小化與立法要求無鉛製程及使用環保材料的需求下，環氧樹脂塑封材料(Epoxy Molding Compounds)已有許多重大的突破。環氧樹脂塑封材料可提高產能及提供優於使用傳統金屬或陶瓷封裝方式所達到的成本－績效比(Cost-performance)，因此首次出現在1960年代末時，即獲得工業界的青睞。
環氧樹脂塑封材料用來保護半導體元件在製作及組裝過程中不受到外在環境的影響，且可以增加元件的使用壽命。由於可提供保護及增加機械強度，塑封材料已被廣泛應用於電子元件的封裝，包括電晶體、電容器、傳統引腳封裝(Leaded Package)-如小型塑封積體電路(Small Outline Integrated Circuits，SOICs)或是四方形扁平薄型封裝(Thin Quad Flat Packs，TQFPs)、非對稱封裝(Asymmetric Packages)-如球狀陣封裝(BGAs)與晶片級封裝(CSPs)、四方形扁平無引腳封裝(Quad Flat No-lead，QFN)及新興的封裝技術-如系統級封裝(System-in-Packages，SIPs)、堆疊式封裝(Package-On-Packages，POPs)及晶片堆疊封裝(Stacked-Die Packages)等。塑封材料的配方通常依不同的應用來設計，如某種特定的封裝型式或針對封裝製程中的特殊應用，如僅有部分區域流動、元件的幾何形狀及其他來自客戶端的需求等。
對大量生產而言，藉由轉注成形(Transfer Molding)的封裝方式具有最佳的成本-績效比。在轉注成形製程中，以人工或自動送料方式將導線架(Leadframes)或薄板陣列送入模具的凹槽後，模具閉合並施以高壓夾持。預熱(軟化)的粒狀封裝塑封材料藉由注入器送入凹槽中，熱固型材料將填滿整個凹槽中，經過烘烤後即完成元件封裝，如圖一所示。
由於塑封材料具特定用途，因此有許多重要的材料特性指標來評估其封裝的效果，包括塑封材料的熱膨脹係數(CTE)、玻璃轉移溫度(Tg)、室溫及高溫係數、熔膠粘度(Melt Viscosity)對時間與溫度的相關性、附著特性(對導線架、金屬層、BT薄板及晶粒保護層等)、水氣吸收速度、翹曲控制(Warpage Control)及金屬引線彎曲表現等。另外必須注意封裝用材料包括粘晶層及底部填充的材料，都會影響塑封材料的穩定性，所以需適當的選用材料組合。
封裝材料的相容性
由於塑封材料會直接影響封裝製程中其他材料的表現，為確保元件可長期的正常運作，了解相關材料間的反應及其在製程中與使用時的變化是很重要的。所有SMT元件中，占了60%以上的小型塑封積體電路(SOICs)，如圖二及二a，即具有嚴格的可靠度要求，其所使用的塑封材料必須至少通過JEDEC等級2的260℃標準，最好是可達到JEDEC等級1的260℃標準。然而高效能的黏晶材料搭配某塑封材料，其在量產時若無法相容，此種材料組合可能無法達到預期的JEDEC表現，因此元件在經過高溫回流(Reflow)製程後可能已損壞。材料不匹配造成的破壞主要源自於應力及附著性，常見的破壞如粘晶在膠層處的剝離、焊墊(Pad)頂層或是晶片頂層(塑封材料與晶片保護層間)的剝離等。事先評估各種材料的組合，搭配特定的晶片封裝及相關的製程，最佳化的組合是可達到的，因此可以避免因材料不匹配造成的破壞。
在整合型封裝中，如系統級封裝SiPs，材料間的相容性及塑封材料的功能特性變成更為重要，塑封材料會與各種不同的材料接觸，包括粘晶材料、底部填充劑、焊料/助焊劑、薄板、阻焊劑及各種金屬層等，此外，塑封材料常需填入被動元件底部，有許多可能未知的材料間反應，如圖四所示。對系統級封裝而言，塑封材料應具備以下特性:具有好的引線彎曲表現，特別是對長且直徑小至20微米的細引線;可附著於許多表面如晶片頂面、防焊漆層及各種基板;具有優越的流動性以確保元件周圍及底部有良好的包覆性;少的翹曲量。要符合以上的要求是不容易的，不過藉由封裝的測試可以找到最佳的材料組合，在量產前就可以驗證塑封材料的相容性。
翹曲控制
對陣列封裝及新興的堆疊式封裝(PoP)而言，其中一個重要的要求是在整個切割及電路板堆疊過程中，晶片封裝需維持一定的平坦度。有許多因素均會影響封裝的翹曲度，主要的因子如封裝底部的幾何形狀、機械強度及塑封材料的特性等。
塑封材料常被用來控制陣列及單一元件封裝的最終翹曲量。在塑封材料烘烤過程中，由於網狀纖維的聚合物會收縮，封裝件會被連結在一起，因此無法自由的伸張或收縮。由於化學上的收縮及封裝元件熱膨脹係數的差異，元件可能發生向下翹曲(像「哭的嘴形」)或是向上翹曲(像「笑的嘴形」)。在陣列式封裝中，如球狀陣封裝BGAs與四方形扁平無引腳封裝QFNs，如果封裝件不平坦，晶片切割時將會發生問題且元件將不適於最終PCB電路板上的組裝。相同的情況，在堆疊式封裝應用上，封裝件亦須保持完全的平坦。如果有一封裝件是向上翹曲，而另一封裝件是向下翹曲，嘗試要堆疊在一起時，因為中間的焊點無法相接觸，封裝將會發生問題。
新的材料技術解決了這些問題。縱使封裝件經歷了多次高溫的回流製程及迅速回到室溫的環境，新一代的塑封材料提供了最佳的翹曲控制。藉由調配塑封材料的主要成分如樹脂、硬化劑、填充劑、催化劑及脫模劑，塑封材料的特性如熱膨脹係數、玻璃轉移溫度及收縮比例都可以被控制以保持封裝時的平坦度。
新世代的封裝技術
解決了塑封材料因高溫製程產生的問題及發展不會造成翹曲的塑封材料可說是工業界的里程碑。不過，更有效率及更高產能製程的需求仍持續驅使塑封材料的發展。例如，汽車電子元件的製造廠正嘗試以成形模組的方式，基本上就像一個非常大的系統級封裝，來取代傳統的灌注及封裝製程。在電子元件成形技術上更是快速發展中，新式的封裝方法，如壓縮成形(Compression Molding)。把微粒狀的塑封材料在壓模前先塗佈/沉積在物件上、液態成形(Liquid Molding)-使用低黏滯係數的液態封裝材料等，均可改善引線彎曲的表現及提升高密度元件的良率。
無庸置疑的，塑封材料改變了電子製造產業，提高了產能、提供元件更優異的保護及更長的壽命。新的製程挑戰，如無鉛製程，舊的塑封材料已達到極限，促使了新材料的研發，以確保塑封材料可承受無鉛製程的溫度且滿足現今新式的封裝製程。藉著與材料供應商的合作，其負責設計與測試塑封材料與現有封裝材料間的相容性及在封裝製程中的表現，封裝業者可放心的在低成本下獲得高良率的產能。
圖二：SOIC的內部結構。(a)封裝前及封裝後的SOIC。
圖三：SOIC的橫截面顯示在許多不同的地方都會發生剝離。