傳統(tǒng)封裝方法所用材料的特性

可靠性和穩(wěn)定性是保障半導(dǎo)體產(chǎn)品順暢運(yùn)行的關(guān)鍵因素。半導(dǎo)體器件的封裝必須注意避免受到物理、化學(xué)和熱損傷。因此，封裝材料必須具備一定的質(zhì)量要求。隨著業(yè)界對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品運(yùn)行速度的要求不斷提高，封裝材料需要具備更優(yōu)異的電氣性能，比如具備低介電常數(shù)（Permittivity）1和介電損耗（Dielectric Loss）2的基板等。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器以及CPU和GPU等邏輯芯片使用的材料還需具備良好的導(dǎo)熱性能，以便能夠高效散熱。顯而易見，確保封裝材料的先進(jìn)性以滿足行業(yè)需求是非常重要的。在接下來的兩篇文章中，我們將探討兩種主要封裝方法所用材料的特性。在本篇文章中，我們將介紹傳統(tǒng)封裝方法所使用的材料。

1介電常數(shù)（Permittivity）：指材料對(duì)外部電場的敏感度，或當(dāng)電場施加到絕緣體上時(shí)，內(nèi)部電荷的反應(yīng)程度。

2介電損耗（Dielectric Loss）：電介質(zhì)在交變電場中的電能轉(zhuǎn)換。

封裝原材料及輔助材料

封裝材料大致可分為原材料和輔助材料。原材料是構(gòu)成封裝本身的一部分，直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。而輔助材料則不屬于產(chǎn)品的本身構(gòu)成部分，它們僅在封裝過程中使用，隨后將被移除。

▲圖1: 傳統(tǒng)封裝工藝中不同階段使用的材料(? HANOL出版社)

圖1展示了典型傳統(tǒng)封裝工藝中使用的各類材料。在傳統(tǒng)封裝工藝中，作為原材料使用的有機(jī)復(fù)合材料包括六種：粘合劑（Adhesive）、基板（Substrate）、環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）、引線框架（Leadframe）、引線和錫球（Solder Ball），其中后三種材料為金屬材料；輔助材料包括膠帶和助焊劑（Flux）3等。接下來，我們將詳細(xì)介紹這些尺寸較小但卻不可或缺的材料，并探討這些材料在傳統(tǒng)封裝工藝中的關(guān)鍵作用。

3助焊劑（Flux）：一種有助錫球附著在銅表面的水溶性和油溶性溶劑。

引線框架

用于內(nèi)部電氣連接的金屬合金

引線框架用于實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)部芯片與封裝外部印刷電路板（PCB）的電氣連接。通常，引線框架使用的金屬板由42號(hào)合金（Alloy 42）4或銅合金制成。在制作引線框架時(shí)，通常會(huì)采用刻蝕（Etching）和沖壓（Stamping）兩種工藝。使用刻蝕工藝制作引線框架時(shí)，首先要在金屬板上沿引線框架的圖案涂覆一層光刻膠（Photoresist），將其暴露在刻蝕劑（Etchant）5中，以便去除光刻膠未覆蓋的區(qū)域，這種方法通常適用于需要制作精細(xì)引線框架圖案的情況。使用沖壓工藝制作引線框架時(shí)，則需要在高速?zèng)_壓機(jī)上安裝級(jí)進(jìn)模（Progressive die）6。

442號(hào)合金（Alloy 42）：一種鐵基合金，其熱膨脹系數(shù)與硅相似。

5刻蝕劑（Etchant）：指在刻蝕過程中使用的化學(xué)溶液和氣體等具有腐蝕性的物質(zhì)的總稱。

6級(jí)進(jìn)模（Progressive die）：一種模具技術(shù)，能夠?qū)⒍嗟拦ば驂嚎s為一個(gè)連續(xù)工序。

基板

制作基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件所使用的銅、玻璃纖維等材料

▲圖2: 經(jīng)過封裝工藝處理的基板側(cè)視圖(? HANOL出版社)

與引線框架類似，基板也用于實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)部芯片與封裝外部印刷電路板之間的電氣連接。在球柵陣列封裝（BGA）中，基板是半導(dǎo)體芯片的一個(gè)重要組成部分，該封裝使用錫球來代替引線框架。圖2顯示的是經(jīng)過封裝工藝處理的基板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。其中，錫球附著于基板底部，而引線與基板頂部連接?；?a target="_blank">中心位置由名為“芯板（Core）”的材料構(gòu)成，這種材料通過將銅箔與浸漬（Impregnation）7過耐高溫雙馬來酰亞胺三嗪（BT）8樹脂的玻璃纖維粘合在一起制成。金屬引線在銅箔表面形成，之后在銅箔上涂覆阻焊劑，露出作為保護(hù)層的金屬焊盤。

7浸漬（Impregnation）：一種填充澆鑄過程中形成空隙的工藝，旨在降低電鍍過程中涂層失效的可能性。

8雙馬來酰亞胺三嗪（BT）：一種用于制造印刷電路板、由耐高溫雙馬來酰亞胺和三嗪反應(yīng)制成的合成樹脂。

粘合劑

用于粘合關(guān)鍵部件的環(huán)氧基聚合物

粘合劑有粘稠狀的液體形式，也有薄膜等固體形式。粘合劑主要由熱固性環(huán)氧基聚合物制成，用于將芯片粘接到引線框架或基板上，還可以在芯片堆疊過程中將多個(gè)芯片粘接在一起。粘合劑要想在測試過程中表現(xiàn)出較高的可靠性，必須具備高粘合力、低吸濕性、良好的機(jī)械性能和低離子雜質(zhì)含量等特質(zhì)。除此之外，為了確保工藝質(zhì)量，在高溫高壓粘合過程中，粘合劑必須表現(xiàn)出出色的流動(dòng)性以及能夠有效粘合界面的潤濕性。為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的界面粘合力，還需要有效地抑制空隙（Voids）9的形成。這就需要優(yōu)化其流變特性，如粘度、觸變性（Thixotropy）10和硬化特性，以及芯片與引線框架或基板表面之間的強(qiáng)粘合力。

9空隙（Voids）：材料內(nèi)部形成的空洞或氣孔，是在材料制造或熱處理過程中出現(xiàn)的一種缺陷。

10觸變性（Thixotropy）：液體物質(zhì)的一種受到剪切力作用后粘度改變的特性。在受到剪切力作用，如攪拌等，液體物質(zhì)粘度降低；在未受到剪切力作用時(shí)，液體物質(zhì)粘度增加。

液體粘合劑包括環(huán)氧樹脂粘合劑和硅膠粘合劑。固體粘合劑包括用于引線框架的芯片上引線（LOC）膠帶、在堆疊相同尺寸芯片時(shí)用于隔離各個(gè)芯片的間隔膠帶、以及用于芯片堆疊或?qū)⑿酒B接到基板的晶片黏結(jié)薄膜（DAF）。晶片黏結(jié)薄膜可以用于晶圓背面，因此也被稱為晶圓背面迭片覆膜（WBL）。

環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）

具有保護(hù)和散熱作用的熱固性聚合物

環(huán)氧樹脂模塑料是半導(dǎo)體封裝過程中使用的一種膠囊封裝材料（Encapsulant）11，由無機(jī)硅石和熱固性環(huán)氧聚合物復(fù)合而成，受熱后可形成三維粘合結(jié)構(gòu)。由于包覆在芯片外部，因此環(huán)氧樹脂模塑料必須具備保護(hù)芯片免受外部物理和化學(xué)損傷，并且能夠有效散發(fā)芯片運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量的功能。此外，環(huán)氧樹脂模塑料還須具備易于模塑的特性，以滿足不同封裝形狀的需求。同時(shí)，由于需要與基板和芯片等其他封裝材料連接，因此環(huán)氧樹脂模塑料必須達(dá)到能夠與這些材料緊密粘合的效果，以確保封裝的可靠性。

11膠囊封裝材料（Encapsulant）：由熱固性聚合物組成，可形成三維結(jié)構(gòu)，并在外部加熱作用下硬化。其作用是保護(hù)內(nèi)部器件免受高溫、潮濕和撞擊的影響。

▲圖3: 不同類型的環(huán)氧樹脂模塑料

圖3展示了不同類型的環(huán)氧樹脂模塑料及其相應(yīng)的工藝。片狀環(huán)氧樹脂模塑料主要用于傳遞模塑法，粉狀環(huán)氧樹脂模塑料通常用于壓縮模塑或大尺寸晶圓模塑法。而液狀環(huán)氧樹脂模塑料則被用于模塑一些難以模制的晶圓。近年來，薄膜型環(huán)氧樹脂模塑料在扇出型晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP）和大尺寸面板級(jí)封裝（PLP）中得到廣泛應(yīng)用。此外，還有用于模塑底部填充（MUF）的環(huán)氧樹脂模塑料，模塑底部填充是指在倒片封裝過程中同時(shí)進(jìn)行底部填充與模塑的工藝。

焊錫

從錫到無鉛合金，用于機(jī)械和電氣連接

焊錫是一種熔點(diǎn)較低的金屬，這種特性使其廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的電氣和機(jī)械連接。在半導(dǎo)體封裝中，焊錫被用于連接封裝和印刷電路板；在倒片封裝中，焊錫被用于連接芯片和基板。在連接封裝和印刷電路板時(shí)，通常采用錫球的形式，尺寸從30微米到760微米不等。如今，隨著電氣性能的不斷提升，連接封裝和印刷電路板之間所需的引腳數(shù)量也在增加，這也間接導(dǎo)致了錫球尺寸被要求不斷縮小。

制作錫球時(shí)需要保證其合金成分的均勻性，否則會(huì)對(duì)跌落沖擊或溫度循環(huán)測試的可靠性造成影響。同時(shí)，錫球還必須具有良好的抗氧化性，因?yàn)樵谠牧现苽溥^程中或回流焊過程中，氧化物的過度堆積可能導(dǎo)致錫球出現(xiàn)粘合效果不佳或脫落的問題，也就是所謂的“不沾錫（Non-wetting）”問題，因此，在焊接過程中需要使用助焊劑來清除其表面的氧化膜聚集，在回流焊過程中則需要使用氮?dú)鈦硇纬啥栊詺夥眨员苊獯祟悊栴}的產(chǎn)生。除此之外，焊接過程中還需要避免出現(xiàn)空隙，否則可能導(dǎo)致焊錫量不足，降低焊點(diǎn)可靠性。錫球的尺寸也至關(guān)重要，大小均勻的錫球有助于提高工藝效率。最后，錫球表面必須潔凈無污染，以防止枝蔓晶體（Dendrite）12生長，上述這些現(xiàn)象都會(huì)增加故障率，降低焊點(diǎn)可靠性。

12枝蔓晶體（Dendrite）：一種具有樹枝狀形態(tài)的晶體，是自然界中常見的一種分形現(xiàn)象。

此前，錫球通常由錫合金（鉛錫合金）制成，因具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。然而在被發(fā)現(xiàn)鉛對(duì)人體健康具有潛在危害后，鉛的使用開始受到歐盟RoHS指令13等環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)格監(jiān)管，因此目前主要采用鉛含量不超過百萬分之700ppm或更低含量的無鉛焊錫。

13RoHS指令：歐盟出臺(tái)的《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》（RoHS），旨在通過使用更安全的替代品，來替換電子電氣設(shè)備中的有害物質(zhì)，以保護(hù)環(huán)境和人類健康。

膠帶

用于永久和臨時(shí)鍵合的壓敏膠（PSA）

本節(jié)將重點(diǎn)介紹兩種類型的膠帶。第一種是用于將固體表面與同質(zhì)或異質(zhì)表面進(jìn)行永久粘合的膠帶。另一種是臨時(shí)粘合膠帶，如切割膠帶（Dicing tape）和背面研磨保護(hù)膠帶（Back grinding tape），它們可以通過內(nèi)聚力和彈性來實(shí)現(xiàn)粘合或清除作用，這些膠帶所使用的材料被稱為壓敏膠。

背面研磨保護(hù)膠帶貼在晶圓正面，作用是在背面研磨過程中保護(hù)晶圓上的器件。在背面研磨過程結(jié)束后，須將這些膠帶清除，以避免在晶圓表面留下粘合劑殘留物。

切割膠帶也被稱為承載薄膜（Mounting tape），用于將晶圓穩(wěn)固地固定在貼片環(huán)架上，以確保在晶圓切割過程中晶圓上的芯片不會(huì)脫落，因此，晶圓切割過程中使用的切割膠帶必須具備良好的粘合力，也必須易于脫粘。由于壓敏膠會(huì)對(duì)紫外線產(chǎn)生反應(yīng)，因此在移除芯片之前，需要通過紫外線照射來處理切割膠帶，這樣可以減弱粘合力，便于移除芯片。過去，晶圓在經(jīng)過背面研磨后會(huì)直接貼附在切割膠帶上；然而，隨著晶圓背面迭片覆膜作為芯片粘合劑的廣泛使用，如今，晶圓在經(jīng)過背面研磨后，會(huì)貼附在晶圓背面迭片覆膜和切割膠帶相結(jié)合處的膠帶上。

引線

從金絲到銅絲，用于電氣芯片連接

在芯片的電氣連接中，用于連接芯片與基板、芯片與引線框架、或芯片與芯片的連接引線，通常由高純度金制成。金具有出色的延展性，既可以加工成極薄的片材，又可以拉伸成細(xì)線，這些特性都非常有助于布線過程的開展。此外，金具有良好的抗氧化性，因此相應(yīng)可靠性也得到提升，同時(shí)卓越的導(dǎo)電性能又賦予其良好的電氣特性。然而，由于金價(jià)較高，制造成本也相對(duì)較高，因此在布線過程中有時(shí)會(huì)使用較細(xì)的金絲，一旦拉伸過度便容易發(fā)生斷裂，這也限制了金絲的使用。為了解決這一問題，人們開始將銀等其他金屬與金混合制成合金，同時(shí)也會(huì)使用鍍金銀、銅、鍍鈀銅、鍍金鈀銅等金屬材料。

目前，銅絲正在逐漸替代金絲，這是因?yàn)殂~的可鍛性和延展性僅略遜于金絲，同樣具備良好的導(dǎo)電性能，但卻具備明顯的成本優(yōu)勢。然而，由于銅易氧化，銅絲可能會(huì)在布線過程中或之后被氧化，所以與金絲布線不同的是，銅絲布線的設(shè)備采用密封模式且內(nèi)部充滿氮?dú)?，以防止暴露在空氣中的銅絲被氧化。

包裝材料

裝運(yùn)過程中的卷帶包裝

封裝和測試完成后，半導(dǎo)體產(chǎn)品會(huì)被運(yùn)送給客戶。半導(dǎo)體產(chǎn)品包裝通常采用卷帶（T&R）包裝和托盤（Tray）包裝兩種形式。卷帶包裝是指將產(chǎn)品封裝放在帶有“口袋”的膠帶上，“口袋”的尺寸需與產(chǎn)品封裝尺寸一致，具體操作是將膠帶卷起形成一個(gè)卷軸，再將卷軸打包并發(fā)送給客戶。托盤包裝指將產(chǎn)品封裝放入一個(gè)專用托盤，然后將多個(gè)托盤堆疊起來，打包裝運(yùn)。

晶圓級(jí)封裝材料的展望

在詳細(xì)介紹傳統(tǒng)封裝中各個(gè)工藝流程所使用的材料后，我們將在下一篇文章中重點(diǎn)探討晶圓級(jí)封裝所使用的材料。除了介紹這些材料的組成成分外，還將探索這些材料在確保半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量和耐用性方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。