集成電路塑封工藝的模流分析

陳昌太

安徽大華半導體科技有限公司（安徽合肥 230001)

1 引言

塑料封裝（簡稱塑封）是指為了防止物理損傷或化學腐蝕，將芯片用環氧樹脂模塑料（EMC）進行封裝的注射成型工藝。環氧樹脂模塑料、芯片和引線框架等多種材料成分的復雜性，以及高密度的I/O，給集成電路塑封工藝帶來了許多挑戰。由于環氧樹脂模塑料在融化過程中的流動性（黏度）、與結構變形和樹脂的聚合反應之間存在復雜的相互作用，早期的塑封模具設計采用的是傳統的試錯法，由半模試驗來判斷填充過程中的一致性，X-ray 判斷金絲沖彎，晶芯偏移，有無分層的實際情況，根據實際生產情況，再修改樹脂的配方，模具的澆口和排氣槽等設計參數，這種事后驗證的方法浪費大量的精力，甚至有可能會以失敗告終。隨著近些年固體動力學以及計算機仿真技術（CAE）的發展，出現了眾多可以模擬環氧樹脂熔融過程流動性的軟體，例如：Moldex3D、MoldFlow。模流分析可以模擬塑封過程中常見的缺陷：填充不完全、氣孔、晶芯偏移、金絲沖彎、塑封后翹曲等等，為塑封工藝的成熟、穩定發展提供了幫助[1～2]。

2 模型介紹

集成電路塑封的產品外形通常具有復雜的特征——拔模角度、芯片基島、框架引腳等，準確的模型構造是模型分析中最關鍵的部分。模流分析包括：分析模型（見圖1）和材料參數（見圖2）。分析模型至少要包括塑封產品、流道、澆口、排氣、芯片位置和金絲的三維特征（見圖3）。材料參數要包括溫度黏度曲線，熱傳導曲線，pvT曲線，密度和固化時間等。由于塑封產品的對稱性（多料筒注塑），為簡化節省建模和分析時間，可以用單個料筒的注塑過程作為仿真[3]。

圖1 包含塑封體尺寸的分析模型

圖2 材料參數

圖3 金絲模型

3 模流分析

模流分析內容主要包括流動性分析和功能性分析，如圖4所示，其中功能性分析是集成電路特有的分析功能。流動性分析主要從填充時間，填充速度，熔接線/面等結果來判斷填充質量的好壞。

圖5顯示了某智能功率器件（IPM）產品在不同時刻流入型腔的樹脂填充狀態。可以明顯看出流動過程中底層的流動速度大于頂層，出現了“反包覆”的現象，在熔合處極易導致氣孔，導致外觀不佳和電氣性的降低。而對于QFN、BGA等單面塑封的產品則不存在此類現象。

圖4 模流分析內容

圖5 智能功率器件（IPM）產品樹脂填充狀態

由于芯片基島以及金絲的影響，樹脂在流動過程中需要繞過這些障礙，匯合到一起形成熔接線。熔接線的位置通常是塑封體結構薄弱點或是表面瑕疵。速度/壓力切換時的結果表明的是從速度控制切換為壓力控制時（見圖6），在模具中沿流動路徑的壓強分布情況。理想情況下為保證完全填充，在填充結束時流動路徑末端的壓力應為零。使用該分析功能，可以確定注射壓力可能過高的區域，尤其適用有低注射壓力塑封要求的產品，例如FC、鉭電容等[4]。

圖6 基板類產品塑封過程速度/壓力切換示意圖

塑封后冷卻產生的熱應力會導致制品翹曲變形，程度嚴重的甚至會局部開裂。翹曲變形已成為評定注射成型質量的重要指標，越來越受到關注和重視，尤其在晶圓級和面板級的塑封工藝上（見圖7）。翹曲可歸因于以下幾個因素：①由不同區域間的收縮率變化導致的收縮不均；②由模具的溫度差異導致的冷卻不均；③由材料特性的水平方向與垂直方向上的收縮量變化導致。

圖7 基板類產品翹曲評價

金線沖彎分析是計算封裝過程中，連接芯片和框架引腳的接合線的變形量。此計算可以避免封裝過程中發生過渡的金線偏移，導致電氣功能失效，通常以金絲偏移指數來衡量，金絲偏移指數等于金線最大偏移量除以金線長度（見圖8）。主要受塑封料的黏度影響以及模具的澆口位置和尺寸[5]。

圖8 IPM模流過程金線偏移指數

4 結論

本文主要通過注射成型過程的計算機模擬分析，得到環氧樹脂的流動型和功能性的仿真，對仿真結果進行可視化評估。通過模流軟件可以對填充過程中可能存在的未填充，晶芯偏移，翹曲等缺陷進行分析，檢驗注射模澆口、排氣槽設計是否合理并優化生產工藝：合模壓力、保壓時間、注射成型速度[5]。通過對多個產品的模流分析，總結出適用于集成電路塑封模流分析的標準流程和評價策略，為塑封工藝從業人員提供參考。