Prasad Nevrekar, Dan Crowley / MRSI

對微小間距的先進IC封裝而言，一種改變轉移鑄模(transfer molding)封裝的可行性方法已被接受。由一個LPD幫浦所驅動的雙反應室(dual chamber)提供了連續式的分配(continuous dispensing)，並增大了機台的使用率。

半導體積體電路打線接合(wire-bonding)最後是用封膠的技術來封裝的，一般來說是使用轉移鑄模。因為在多種封裝的技術中，鑄模有著低成本的方法，因此在數以千計的IC產品中，鑄模為大多數製造的方式。然而液態封膠(liquid encapsulant)的使用，無論在硬式(rigid)或軟式(flexible)基板上，都獲得先進IC封裝技術的接受。這些應用包括球柵陣列(BGA)中的dam-and-fill應用，晶片尺寸封裝(CSP)以及晶片陣列封裝(chip array package)。當市場朝向微小間距內連線時雙線上封裝(dual in-line package)及針柵陣列(pin grid array)→無引腳陶瓷晶片載體(leadless ceramic chip carrier)及塑膠引腳晶片載體(plastic leaded chip carrier)→小型化IC 及四邊扁平封裝(quad flat package)→BGA及CSP，提供產品生產能力及封裝的機台，便愈來愈有挑戰性。先進的IC封裝(高I/O端─高速─高效能)也更能達成更好的成本效益(每個I/O端少於美金一分錢)。影響成本的其中一個因素，便是封裝的整體效能及封裝的機台。機台的自動化、靈活度、精準度及業主的持有成本都是決定其可行性及能否成功引入新技術的關鍵因素。

#P#鑄模的限制
轉移鑄模在大量及低成本的封膠技術中已行之多年，也因此在多種元件，如記憶元件(動態隨機存取記憶體，靜態隨機存取記憶體，唯讀記憶體，可抹式且可程式化唯讀記憶體及快閃記憶體)和邏輯元件上，皆連立起相當穩定的製程。然而，對少量且高成本的元件，例如微處理器(microprocessor)及特殊應用IC(ASIC)，由於其束數量較小之故，利用分配式封膠技術似乎是個可行的選擇。而鑄模在下列方面有其限制：
(1)批次/批量大小(batch/lot size)：對少量的業者而言，轉移鑄模不能提供連續式線上分配製程(continuous in-line dispense process)而不能做大批量(batch volume)的製造。
(2)設計的改變：由於元件的設計日新月異且迅速，轉移鑄模對少量 生產時，在經濟效益上比起分配式封裝缺乏彈性與經濟性。
(3)產品之生命週期：對多數的產品來說，產品之生命週期大都少於 12個月。隨著產品設計的快速變化及產品生命週期，轉移鑄模跟著而來的是因為訂作的鑄模，燃燒爐(combustion kits)及鑄模的再磨光處理(refurbishing)所造成的成本提高。
(4)倒線(wire sweep)問題：分配式封膠(單一個體連續式製程)也許 不會比轉移鑄模多個體(multiple part)，批次製程(batch processing))來得快速，然而對鑄模製程相當敏感(sensitive)的特殊應用，尤其是對微小間距打線接合的元件而言，它卻提供了明顯的優點。在硬式有機BGA封裝上，對於微小內連線(interconnect wires)更會因為環氧樹脂在鑄模過程中的熔化流動而造成倒線的現。這會造成線路短路而使得隨後的封裝失效。適當的設計環氧樹脂(epoxy)材料可使得環氧樹脂流動於兩線間空隙約8～10mil(千分之一英吋)時也不會造成倒線。分配器(dispenser)可藉由配置不同的填充程序，來控制環氧樹脂流動的方向─一種是在金屬導線周圍流動，另外一種是在晶片上流動。

#P#市場及技術的導向
隨著晶片整合以驚人的比例增加時，市場正面臨處理微小間距內連線(fine-pitch interconnects)的挑戰。雖然有些人對覆晶接合(flip chip)封裝為晶片連上電路板的終極方法的這種說法存疑，專家們一致認為打線接合(wire-bonding)至少在未來十年內仍居於主要的地位。只要打線接合保有其主要的地位，鑄模或液態封膠便須被關注。
現今的晶片對基板內連線(chip-to-substrate interconnection)技術可廣泛的分類為三個部分：
(1a)當維持可接受的切割晶片尺寸(die size)，利用微小間距打線接合來處理高I/O端數(I/O count)。在BGA硬式或軟式之有機基板封裝時，分配性封裝是一種更可行的選擇。
(1b)專家同意打線接合仍將是未來十年內的主流大量，低I/O數導線架的封裝上，轉移鑄模是比較可被接受的方式。
(2a)對非常高I/O數功能而言(例如，高密度內連線) ，因為太多內部連線以平列式排列，打線接合便不適用，取而代之的是覆晶接合(flip chip)的封裝方法。在BGA硬式或軟式之有機基板封裝時，對晶片與基板間縫隙的填充是採取分配式的方法。
(2b)對較低的I/O數，電路板上覆晶接合(DCA)而言，由於最後產品成形大小及重量的要求，形成因子的貢獻度(form-factor contribution)便趨於嚴格。晶片與基板間縫隙的填充是採取分配式的方法。
(3)在BGA封裝及封膠的卷帶自動接合(TAB)；分配性封裝也許是個可行的方法。
新的技術也漸漸的浮現，例如用兩個IC以數種配置而上下接合的堆疊晶片便是一例。利用打線接合或打線接合與覆晶接合之組合方式，可達成晶片對基板的內連接。有些方法現已用於生產線上。

#P#傳統的技術：鑄模(molding)
鑄模以低成本的封裝方式用於機械和環保的IC已有數十年之久(圖一)。在現今將近九成的IC封裝採用轉移鑄模的製程。大多數鑲在金屬導線架上，其他的則是鑲在硬式或軟式的有機基板上。其步驟包括將打線完的半成品之導線架置於模具上再置於鑄模上。輸送道或擠膠活塞(plunger)將預熱好之環氧樹脂膠粒擠入其中。整個預熱及環氧樹脂轉換之製程循環約100～120秒。鑄模製程的產量是隨著將半成品放入鑄模之剝離器(strip)的數目而定。舉例來說，具有四個剝離模具的產量會比有兩個剝離模具的快上兩倍。而剝離模具數量的選擇與幾個因素有關，例如顧客的生產設定方式，產品的混合生產及產能的多寡。
#f#圖一：基本之分配式及鑄模製程。
#f#圖二：雙腔LPD幫浦。

優點：
*產量隨著剝離模具的增加而呈現線性的增加。(可裝二至八個剝離模具)。
*當使用兩個或四個剝離模具時，不會有倒線的問題。
*短的製程循環(預熱及轉換的時間約120秒)，且與批次大小無關。

缺點：
*每一模具所需的擠膠活塞(輸送道)數目太多(愈多的剝離器便需愈多的活塞)。
*愈多的剝離模具會需要愈多個活塞，而會使環氧樹脂熔化後進入模具內所需運輸的路線增長，而使倒線的情況更嚴重。
*批次製程。
*高的資本成本(約$400,000到$1,000,000)。
*高的消耗材成本(consumable cost)(兩個剝離模具約$40,000至$50,000)。
*每年重做模具的成本高(模具成本的30%，每年$12,000到$15,000)。
*大的樓板面積(footprint)(25到30平方呎)。
*大量的材料廢棄物。
*高的維護費用。

#P#傳統技術：分配式製程(dispensing)
傳統的分配式高分子聚合物材料是用旋轉式幫浦或單腔(single chamber)線性正置換(linear positive displacement, LPD)幫浦。它們在做高產量的應用時會有其限制性，例如IC的封膠(平列式CSP封膠，BGA dam-and-fill式或空穴填充(cavity fill))，板狀封膠(board encapsulation)，覆晶底部填充及晶塊被覆(die coating)。由於近來這些材料化學性的發展，須分開個別設定幫浦來滿足分配這些材料，尤其在IC封膠上更是明顯。這些幫浦分類不同材料的頻率相當高。每一次的分類及隨後的重量/體積調整，往往須花上幾分鐘，因此限制了這些幫浦達到高產量的能力。

#P#分配式的新方位
對分配式應用的最後結果，無外乎是符合客戶的需求及了解多項參數之間的依賴性，其中包括了材料分配的數量，材料的流變學(rheology)(如黏滯度，填充力等)，針尖大小及速度，和線寬。對現今的產品而言，幫浦須準確地，精確地在材料流動態時，送出液態環氧物微量的分配。
旋轉式幫浦通常使用在對分配式液體量的精準度不嚴格要求及無須高流速時使用。在BGA dam-and-fill的應用中，利用高黏滯度及高趨流性(thixotropy)便是一例。足夠堅固的幫浦可來處理非常高黏滯度的液體。在這種例子中，上百個螺絲釘及主體將使用在此一例子當中。對低或非常低黏滯度的液體而言，避免外洩的閥門(valve)將會需要被使用。這些幫浦也可使用在少量的高黏度材料須高速的分配時，例如點狀的分配式，旋轉式幫浦有著低成本，易操作，易維護的優點，且結構的複雜度比線性幫浦來得低。反之，缺點如測定體積的精準度低，低的流速，並且對非常低黏滯度的液體來說，有較高產生外洩的可能性。
LPD幫浦是用在須精準測定體積時或高流速需要時。它也可使用在大範圍之流體黏滯度時。這些昂貴且複雜結構之幫浦，根據不同個別的設計而提高了維修保養的難度。
一種雙腔的LPD幫浦是另一種新的發明，它提供了大量製造生產的優點。它可用於大量(3,000毫克)，高速(大於每秒300毫克)的生產，也可用於須要高準確定(>99%的標準差(3s))及精確重複性之特殊應用上，例如在BGA dam-and-fill, BGA空穴填充，晶片陣列及在硬式有機基板的CSP封膠等的IC封膠業中。
這種幫浦的設計可提供連續式的分配，就像材料在任何時間可在它所在之點使用。也因此，這種分配是不會停止，直到原料用完為止。無論材料的黏滯性如何，它兩個相對應的反應腔可精確的輸送事先計畫的量之材料。它的分配與補充是同步的；當一個反應腔在對外分配時，另一個就在補充。反觀，在傳統的單一反應腔的LPD幫浦必須在每一次分配取用後立即的利用一段時間再填充。
可替換式反應腔之尺寸對特定的應用產品提供了許多彈性的空間。這些反應室只須要做約少於十分鐘週期性清理的保養即可。
對分配式液態環氧樹脂的製程控制不是件簡單的工作。因為許多材料的流變學變化之特性會影響到整個製程。例如材料黏滯性隨時間的改變而不同便是一例。幫浦須藉由關閉迴路控制回饋來確定真正分配的量是否與之前所設計的相符合。在圖三～五中顯示出幫浦性能之表現及利用雙腔LPD幫浦對典型填充封膠的製程能力。
#F#圖三：幫浦表現出來之數據。
#F#圖四：對微小線寬先進封裝之分配式vs鑄模式。