集成电路塑封工艺的模流分析

陈昌太

安徽大华半导体科技有限公司（安徽合肥 230001)

1 引言

塑料封装（简称塑封）是指为了防止物理损伤或化学腐蚀，将芯片用环氧树脂模塑料（EMC）进行封装的注射成型工艺。环氧树脂模塑料、芯片和引线框架等多种材料成分的复杂性，以及高密度的I/O，给集成电路塑封工艺带来了许多挑战。由于环氧树脂模塑料在融化过程中的流动性（黏度）、与结构变形和树脂的聚合反应之间存在复杂的相互作用，早期的塑封模具设计采用的是传统的试错法，由半模试验来判断填充过程中的一致性，X-ray 判断金丝冲弯，晶芯偏移，有无分层的实际情况，根据实际生产情况，再修改树脂的配方，模具的浇口和排气槽等设计参数，这种事后验证的方法浪费大量的精力，甚至有可能会以失败告终。随着近些年固体动力学以及计算机仿真技术（CAE）的发展，出现了众多可以模拟环氧树脂熔融过程流动性的软体，例如：Moldex3D、MoldFlow。模流分析可以模拟塑封过程中常见的缺陷：填充不完全、气孔、晶芯偏移、金丝冲弯、塑封后翘曲等等，为塑封工艺的成熟、稳定发展提供了帮助[1～2]。

2 模型介绍

集成电路塑封的产品外形通常具有复杂的特征——拔模角度、芯片基岛、框架引脚等，准确的模型构造是模型分析中最关键的部分。模流分析包括：分析模型（见图1）和材料参数（见图2）。分析模型至少要包括塑封产品、流道、浇口、排气、芯片位置和金丝的三维特征（见图3）。材料参数要包括温度黏度曲线，热传导曲线，pvT曲线，密度和固化时间等。由于塑封产品的对称性（多料筒注塑），为简化节省建模和分析时间，可以用单个料筒的注塑过程作为仿真[3]。

图1 包含塑封体尺寸的分析模型

图2 材料参数

图3 金丝模型

3 模流分析

模流分析内容主要包括流动性分析和功能性分析，如图4所示，其中功能性分析是集成电路特有的分析功能。流动性分析主要从填充时间，填充速度，熔接线/面等结果来判断填充质量的好坏。

图5显示了某智能功率器件（IPM）产品在不同时刻流入型腔的树脂填充状态。可以明显看出流动过程中底层的流动速度大于顶层，出现了“反包覆”的现象，在熔合处极易导致气孔，导致外观不佳和电气性的降低。而对于QFN、BGA等单面塑封的产品则不存在此类现象。

图4 模流分析内容

图5 智能功率器件（IPM）产品树脂填充状态

由于芯片基岛以及金丝的影响，树脂在流动过程中需要绕过这些障碍，汇合到一起形成熔接线。熔接线的位置通常是塑封体结构薄弱点或是表面瑕疵。速度/压力切换时的结果表明的是从速度控制切换为压力控制时（见图6），在模具中沿流动路径的压强分布情况。理想情况下为保证完全填充，在填充结束时流动路径末端的压力应为零。使用该分析功能，可以确定注射压力可能过高的区域，尤其适用有低注射压力塑封要求的产品，例如FC、钽电容等[4]。

图6 基板类产品塑封过程速度/压力切换示意图

塑封后冷却产生的热应力会导致制品翘曲变形，程度严重的甚至会局部开裂。翘曲变形已成为评定注射成型质量的重要指标，越来越受到关注和重视，尤其在晶圆级和面板级的塑封工艺上（见图7）。翘曲可归因于以下几个因素：①由不同区域间的收缩率变化导致的收缩不均；②由模具的温度差异导致的冷却不均；③由材料特性的水平方向与垂直方向上的收缩量变化导致。

图7 基板类产品翘曲评价

金线冲弯分析是计算封装过程中，连接芯片和框架引脚的接合线的变形量。此计算可以避免封装过程中发生过渡的金线偏移，导致电气功能失效，通常以金丝偏移指数来衡量，金丝偏移指数等于金线最大偏移量除以金线长度（见图8）。主要受塑封料的黏度影响以及模具的浇口位置和尺寸[5]。

图8 IPM模流过程金线偏移指数

4 结论

本文主要通过注射成型过程的计算机模拟分析，得到环氧树脂的流动型和功能性的仿真，对仿真结果进行可视化评估。通过模流软件可以对填充过程中可能存在的未填充，晶芯偏移，翘曲等缺陷进行分析，检验注射模浇口、排气槽设计是否合理并优化生产工艺：合模压力、保压时间、注射成型速度[5]。通过对多个产品的模流分析，总结出适用于集成电路塑封模流分析的标准流程和评价策略，为塑封工艺从业人员提供参考。