半導(dǎo)體封裝新視界：環(huán)氧樹脂塑封與灌封工藝全解析

前言

環(huán)氧樹脂，作為一類分子結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物，其固化后的環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的耐熱性、較高的機(jī)械強(qiáng)度、電氣絕緣性、可靠性和力學(xué)性能及較小的收縮率、耐化學(xué)性，加入固化劑后又有較好的加工性和可操作性。

一、環(huán)氧樹脂的組成結(jié)構(gòu)

環(huán)氧樹脂分子主要由環(huán)氧基團(tuán)和其它功能性基團(tuán)構(gòu)成，其中環(huán)氧基團(tuán)是其特征基團(tuán)。樹脂分子中通常含有兩個以上環(huán)氧基團(tuán)。
 

步入半導(dǎo)體封裝技術(shù)的核心領(lǐng)域，注膠工藝與塑封工藝作為兩大主流工藝路線，各自展現(xiàn)出了獨(dú)特的性能優(yōu)勢與適用范圍，為不同需求的半導(dǎo)體器件提供了定制化的封裝解決方案。接下來，我們將對這兩種工藝進(jìn)行全面解析。

二、環(huán)氧樹脂塑封工藝

2.1塑封工藝

注塑工藝也稱為塑封工藝，塑封是功率器件封裝中關(guān)鍵的工序之一。它的作用是將芯片、焊線、框架(內(nèi)部)及基島包封起來，對芯片、焊線起到保護(hù)作用。防止機(jī)械外力損傷芯片以及防止芯片和焊線受潮。其主要原理是固體環(huán)氧樹脂塑封料在注塑筒內(nèi)受熱軟化并變成液態(tài)，液態(tài)環(huán)氧樹脂由注塑機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力注入到含有框架的模具型腔中，然后進(jìn)行固化保壓和固化，形成特定的形狀，將芯片和焊線進(jìn)行定型包裹。

半橋模塊塑封

2.2塑封工藝流程

1. Loading

將待封裝的芯片（Die）和引線框架（Lead Frame）裝入模具的模腔（Cavity）中。

2. Preheat（預(yù)熱）

模具下方的的Heating Element開始對模具進(jìn)行預(yù)熱。通過加熱可以確保模具達(dá)到適合Injection molding的溫度，使得后續(xù)樹脂能更好地填充模具。

3. Clamp（合模）

當(dāng)模具溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，模具上下兩部分合模加壓，將模具牢牢夾緊。

4. Load and Transfer（裝載和材料轉(zhuǎn)移）

環(huán)氧樹脂被放置在模具外的容器中（Pot）。然后，在一定的壓力作用下，通過澆口（Gate Insert）將預(yù)熱后的液態(tài)環(huán)氧樹脂注入模具內(nèi)。流動的環(huán)氧樹脂完全包裹芯片和引線框架，填充整個模腔。

5. Cure（固化）

環(huán)氧樹脂被注入模具后，需要通過加熱進(jìn)一步固化，使其從半固態(tài)變?yōu)閳?jiān)固的保護(hù)外殼。

6. Demold（脫模）

固化后，模具被打開，完成塑封的器件從模具中取出。

7. Degate

后一步是去除塑封體周邊多余的環(huán)氧樹脂，比如：毛邊或澆口。

塑封工藝流程圖

2.3塑封膠對設(shè)備的影響

全自動塑封封裝設(shè)備，噸位小、安裝模具空間小、主要應(yīng)用產(chǎn)品封裝，設(shè)備自身成本高，保養(yǎng)費(fèi)用高。在使用塑封設(shè)備封裝過程中，設(shè)備故障往往具有突發(fā)性，且大多數(shù)故障（95%～100%）發(fā)生在生產(chǎn)運(yùn)行中，僅有少數(shù)（5%～15%）在設(shè)備運(yùn)行前顯現(xiàn)。這種突發(fā)性故障對生產(chǎn)的影響極大。

芯片封裝模具是芯片生產(chǎn)不可或缺的一環(huán)，它能夠?qū)﹄娐返男阅?、穩(wěn)定性起到重要的作用。不同的芯片需要不同類型的封裝模具。根據(jù)不同的封裝材料和制作工藝，半導(dǎo)體塑封模具主要分為無機(jī)模具和有機(jī)模具兩大類。

由于塑封芯片主要使用的是環(huán)氧樹脂，這種膠在未固化時通常有較高腐蝕性，在高溫高濕環(huán)境下容易發(fā)生膨脹和收縮，導(dǎo)致封裝材料與芯片、基島、導(dǎo)電膠或框架之間產(chǎn)生分層或開裂。這種分層或開裂會對設(shè)備造成磨損，特別是在設(shè)備運(yùn)行過程中，摩擦和振動會加劇這種磨損，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。同時因?yàn)?/span>腐蝕會使設(shè)備出現(xiàn)漏洞、裂紋等問題。

2.4 塑封中會出現(xiàn)的問題

1、分層、開裂問題

環(huán)氧塑封料與半導(dǎo)體封裝技術(shù)是保證芯片功能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵材料，極大地影響了半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。其中會在封裝過程中會由于應(yīng)力過高而出現(xiàn)與芯片、基島、導(dǎo)電膠或者框架分層或開裂，離子含量過高而使得芯片電性能失效等情況。其中，困擾半導(dǎo)體行業(yè)的一個重大難題之一就是分層問題，其真正的根本原因很難確定，有時會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

分層問題

開裂問題

2、封裝填充問題

塑封料性能參數(shù)的差異、塑封模具注膠口位置和流道設(shè)計不同、塑封工藝差異以及塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計（包括引線框架結(jié)構(gòu)）的不同，會導(dǎo)致塑封中出現(xiàn)塑封體填充、引線框架結(jié)構(gòu)引起的填充等，從而降低產(chǎn)品良率和產(chǎn)品氣密性，影響產(chǎn)品散熱。

目前半導(dǎo)體塑封芯片的合格率普遍低于90%的水平。影響這一合格率的關(guān)鍵因素主要包括：封裝材料的質(zhì)量、生產(chǎn)工藝的成熟度、設(shè)備狀態(tài)的穩(wěn)定性以及人為操作的規(guī)范性。這些因素共同作用于生產(chǎn)流程中，對芯片的合格率產(chǎn)生重要影響。

三、環(huán)氧樹脂真空注膠工藝介紹

灌封工藝是通過將液態(tài)的封裝材料注入到電子元器件的外殼與底座之間的空隙中，使其充分填充后進(jìn)行固化，形成一個密閉的保護(hù)層。這個保護(hù)層可以有效隔絕外界環(huán)境對電子元器件的影響，同時也可以提供一定的散熱效果，降低電子元器件的工作溫度。

自動化灌封設(shè)備可以根據(jù)電子元器件的形狀和尺寸自動調(diào)整封裝材料的注入量，實(shí)現(xiàn)高效、灌封。這種方法適用于大批量生產(chǎn)，可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。其工藝包括：產(chǎn)品預(yù)熱、原料脫泡預(yù)攪拌等預(yù)處理、腔體抽真空、真空度達(dá)到設(shè)定值時按預(yù)設(shè)的工藝注入膠水。

準(zhǔn)備產(chǎn)品 ? 預(yù)加熱 ? 灌封膠預(yù)處理 ? 真空灌封 ? 固化等工序。

真空注膠工藝原理視頻

因此，這兩種封裝工藝各有其獨(dú)特之處。相比之下，塑封工藝流程更為繁瑣，在整個操作過程中對人員綜合能力要求較高，在操作過程中容易出現(xiàn)一些突發(fā)性問題，如：封裝方式、尺寸差異、故障率高、設(shè)備和模具成本高及保養(yǎng)費(fèi)用高等。

而自動化灌封工藝則展現(xiàn)出了其顯著的優(yōu)勢。它能夠根據(jù)電子元器件的具體形狀和尺寸，自動調(diào)整封裝材料的注入量，從而實(shí)現(xiàn)高效且**的灌封作業(yè)。工藝不僅操作更為簡便，而且更加智能化，大大減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)。同時，設(shè)備具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，減少了設(shè)備故障的發(fā)生，也降低了設(shè)備的維護(hù)需求。

四、環(huán)氧樹脂真空注膠工藝和塑封工藝的對比

4.1、半導(dǎo)體模塊的分類

半導(dǎo)體模塊可以分為單管模塊、半橋模塊、全橋模塊等等。這些結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)對于電控系統(tǒng)的效率和性能有著直接影響。下面我們主要來對比一下SiC半橋模塊和HPD全橋模塊在封裝技術(shù)上的區(qū)別。

4.2半橋和全橋封裝工藝對比

國內(nèi)除了比亞迪、蔚來和小米外，北汽、長安、賽力斯、長城等車企也在主驅(qū)中導(dǎo)入SiC半橋模塊。市面上的SiC半橋模塊采用的是半橋塑封工藝，封裝通常由芯片、絕緣基板、散熱基板、鍵合材料、密封劑和外殼等組成。方式則更靈活，配合銀燒結(jié)、塑封轉(zhuǎn)模等關(guān)鍵技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)更均勻的電流密度分布，而且熱容熱阻和雜散電感等方面表現(xiàn)也更好。

12月23日，蔚來發(fā)布的新的旗艦車型ET9，該車型搭載了1200V SiC功率模塊，采取半橋塑封工藝，功率模塊密度1315kW/L，擁有高達(dá)30萬次的功率循環(huán)能力。去年5月，蔚來與安森美達(dá)成合作，采購其VE-TracTM Direct SiC功率模塊，該模塊搭載了**代SiC MOSFET技術(shù)，采用HPD封裝形式。也就是說，蔚來此前的SiC車型主要采用HPD模塊，而從ET9開始轉(zhuǎn)向SiC半橋模塊。

但是將塑封半橋封裝技術(shù)應(yīng)用于SiC半橋模塊時仍面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，包括寄生參數(shù)、模塊散熱和電磁干擾，封裝可能會產(chǎn)生裂縫或分層、填充等問題。

目前，商用的車規(guī)級SiC功率模塊多采用基于硅器件的傳統(tǒng)模塊注膠封裝技術(shù)，HPD全橋模塊由多個單管、二極管等元件封裝在一起形成，三相全橋HPD（High Power Device）模塊仍是主流，作為新能源汽車上車規(guī)級IGBT功率模塊*成熟的封裝形式。

SiC半橋模塊和全橋模塊在封裝技術(shù)上也存在差異，主要涉及到散熱方式、封裝結(jié)構(gòu)、工藝和成本等方面。HPD全橋模塊則可能需要在散熱和功率處理方面進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計和優(yōu)化，以確保高效、可靠的性能表現(xiàn)。而半橋模塊則可能在成本和體積上更具優(yōu)勢，適合對成本敏感的應(yīng)用場景。

XX品牌注膠分析報告

根據(jù)以上注膠環(huán)氧樹脂的測試數(shù)據(jù)與塑封功率半導(dǎo)體的其他測試經(jīng)驗(yàn)對比，兩種封裝方式的材料本身在功率循環(huán)與溫度循環(huán)性能方面均表現(xiàn)出色。

IGBT模塊類別

五、環(huán)氧樹脂注膠工藝面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

環(huán)氧樹脂注膠工藝并非無懈可擊，環(huán)氧注膠后可能面臨的氣泡問題、電線故障、較大的固化收縮率，以及IGBT模塊在溫度沖擊下易出現(xiàn)的開裂、脫離與形變等挑戰(zhàn)，均對封裝效果與長期可靠性構(gòu)成了潛在威脅。

環(huán)氧樹脂具備較高的導(dǎo)熱率，其粘度通常在10~20WmPa.s，導(dǎo)熱膠含有大量的帶磨損性的填料，以經(jīng)典的導(dǎo)熱填料氧化鋁為例，它的莫氏硬度高達(dá)9.0，這一硬度遠(yuǎn)超包括高碳鋼在內(nèi)的絕大多數(shù)高硬度金屬。因此，膠體中這些堅(jiān)硬的導(dǎo)熱填料會劇烈對設(shè)備造成嚴(yán)重的磨蝕，進(jìn)而引發(fā)點(diǎn)膠泵的漏膠與精度問題。

為了攻克這些技術(shù)難題，我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)憑借20多年積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，對環(huán)氧樹脂注膠工藝進(jìn)行了深入的研究和實(shí)踐。以IGBT模塊為例說明，基于對環(huán)氧樹脂膠水的特性研發(fā)核心組件，我們采用了XETAR欣音達(dá)三段式真空注膠設(shè)備，并配備了高精度螺桿泵（轉(zhuǎn)子采用莫氏硬度9.4的Si3N4氮化硅，定子選用高耐磨的NBR橡膠）實(shí)現(xiàn)螺桿泵3年免維護(hù)，有效地解決了泵的漏膠和精度問題，并實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。

同時，我們對工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化和升級。成功降低了固化過程中的收縮率，顯著提升了固化產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度。同時有效避免了氣泡的產(chǎn)生。固化后的產(chǎn)品表面光滑平整，未出現(xiàn)開裂、脫離或形變等任何問題。

XETAR欣音達(dá)環(huán)氧樹脂注膠工藝視頻

此外，使用該系統(tǒng)和優(yōu)化后的工藝每天能高效產(chǎn)出高達(dá)2000個產(chǎn)品，合格率高達(dá)99.99%。極大地提升了生產(chǎn)效率，并顯著縮短了生產(chǎn)周期。這一系統(tǒng)特別的適合大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用場景。為我們的生產(chǎn)流程帶來了改變。

六、結(jié)語：

綜上所述，封裝技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，塑封與注膠作為兩種截然不同的封裝工藝，塑封技術(shù)的成熟度將會直接影響塑封器件的使用壽命，SiC半橋模塊在封裝技術(shù)和工藝上仍面臨很大的挑戰(zhàn)。而注膠工藝則更加成熟、可靠，目前HPD全橋模塊注膠工藝仍是IGBT功率模塊成熟的封裝形式。

從目前的工藝模式上看，環(huán)氧樹脂注膠在實(shí)際生產(chǎn)中更容易實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的工藝性。因?yàn)椴恍枰刹煌庋b產(chǎn)品定制不同注塑模具，可以低成本高可靠性實(shí)現(xiàn)一臺注膠設(shè)備適應(yīng)多種封裝產(chǎn)品。相對塑封工藝，注膠工藝在設(shè)備上的投入成本更低，設(shè)備可靠性更高和可維護(hù)性成本更低。一臺可靠的注膠設(shè)備和配套的基礎(chǔ)工藝就可以實(shí)現(xiàn)多種封裝產(chǎn)品的99.99%以上的生產(chǎn)良率。同等級產(chǎn)品而言，塑封工藝需要較高的設(shè)備成本投入，因?yàn)橐ＷC及其的壓力/注塑量/時間/溫度等控制，對塑封料本身的容錯率較低，因此目前塑封工藝的成品良率還是低于90%。

綜合考慮功率半導(dǎo)體本身的功能性差異，設(shè)計結(jié)構(gòu)的差異等方面，塑封工藝和注膠工藝各有千秋，并不能相互取代。比如無邊框設(shè)計時可能使用塑封工藝更佳。

或許在不遠(yuǎn)的將來，出現(xiàn)功率模塊，開關(guān)控制器，PCB等多功能合成模塊時，注膠工藝將能體現(xiàn)出的優(yōu)勢。

在追求高效能與穩(wěn)定性的電子封裝領(lǐng)域，離不開其高品質(zhì)的硬件設(shè)備和技術(shù)，更離不開成熟的工藝和可靠的性能。