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bendy_2008 2010-10-25

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半導(dǎo)體封裝清模材料

在一般半導(dǎo)體器件所采用的轉(zhuǎn)移成型封裝過(guò)程中，清模是一項(xiàng)看似無(wú)關(guān)緊要，實(shí)際上是非常重要的工序。一方面，在連續(xù)成型作業(yè)中，來(lái)自于塑封料以及脫模劑的一部分成分在高溫（170℃～180℃）的作用下發(fā)生氧化，并且附著在模具表面，形成難以去除的污垢。如果沒(méi)有及時(shí)清除，不但會(huì)造成封裝時(shí)離型困難和封裝體外觀缺陷，而且會(huì)對(duì)模腔表面造成損壞。另一方面，每天例行清模過(guò)程所耗的少則1～2h，多則3h的時(shí)間，對(duì)于目前國(guó)內(nèi)大部分封裝測(cè)試廠而言，相對(duì)于訂單數(shù)量顯得捉襟見(jiàn)肘的產(chǎn)能來(lái)講，絕對(duì)是一個(gè)異常漫長(zhǎng)的過(guò)程。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外專(zhuān)業(yè)媒體對(duì)于封裝技術(shù)和封裝材料的專(zhuān)論很多，但專(zhuān)門(mén)論述清模工序和清模材料的文章卻極為鮮見(jiàn)，這未嘗不是一件憾事。因而，本文對(duì)目前封裝行業(yè)中所采用的清模材料的最新進(jìn)展作一總結(jié)，同時(shí)就其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)表筆者的一點(diǎn)陋見(jiàn)，如有疏漏之處，還望不吝賜教。

2 兩種主要的清模材料

2.1 三聚氰胺

三聚氰胺清模料，一般是比重為1.2～1.5的白色圓柱或條塊。同環(huán)氧樹(shù)脂塑封料相類(lèi)似，是一種熱固性材料，可以采用與之相同的塑封參數(shù)。其主要成分是：

①三聚氰胺甲醛樹(shù)脂。一般占重量百分比為60％～70％，構(gòu)成清模料的主題，具有很好的流動(dòng)性和一定的粘性。

②固化劑。一般占清模料3％～10％的重量，在濕度的作用下，同三聚氰胺甲醛樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng)。通過(guò)增減固化劑的含量，可以調(diào)節(jié)清模料的固化時(shí)間和流動(dòng)性。

③填料。占20％～40％的重量百分比。一般有兩種不同的填料成分：一種是有機(jī)填料，主要是纖維；另外一種為無(wú)機(jī)填料，一般是二氧化硅顆粒。由于三聚氰胺在固化后易碎，所以纖維填料的作用是增強(qiáng)固化后的強(qiáng)度，避免清模料破裂。而顆粒填料在注塑過(guò)程中，與模腔污垢產(chǎn)生刮擦和碰撞，起到研磨的作用。

在清模料中一般還有2％～10％的蠟和添加劑，分別起到離型和增強(qiáng)粘結(jié)的作用。

三聚氰胺模料的作用機(jī)理有三種：

①粘結(jié)作用。三聚氰胺在固化后可以緊緊粘住污垢，并在離型時(shí)將污垢從模具表面拉脫。

②研磨作用。在注塑過(guò)程中，顆粒填料在膠道和模腔內(nèi)流過(guò)，與污垢發(fā)生碰撞和刮擦，從而除去污垢，同時(shí)降低污垢與模具表面的附著力。 ③分解作用。部分清模料中所含的添加劑會(huì)滲透到污垢內(nèi)部，使污垢分解，或者降低污垢與模具表面的結(jié)合力，從而增強(qiáng)清模效果。

由于三聚氰胺甲醛樹(shù)脂原料便宜（一般每千克的成本為2.09～2.18美元），所以三聚氰胺的售價(jià)不高，一般在每千克9～12美元左右。也正是由于價(jià)格的原因，三聚氰胺成為封裝行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的清模材料。

目前生產(chǎn)三聚氰胺清模料的廠家很多，除Nippon Carbide這樣的化學(xué)品公司外，諸如長(zhǎng)春住工、韓國(guó)DONGJIN、三星第一毛紡、Cookson等塑封料廠商也生產(chǎn)三聚氰胺清模料。

2.2 清模膠片

傳統(tǒng)的清模方法，往往耗時(shí)很長(zhǎng)，同時(shí)也消耗大量的引線框架（或者紙質(zhì)框架）。為解決這個(gè)問(wèn)題，清模膠片逐漸為封裝廠所采用。

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對(duì)于清模膠片的組成成分，不同的廠商有不同的配方，但經(jīng)過(guò)筆者的調(diào)查，大體可以分為如下部分：

①清模膠片的主要成分是未硫化的順丁橡膠（BR）或者乙丙橡膠（EPR）、其重量百分比大約為50％～70％，在清模流程的溫度和壓力的作用下，橡膠開(kāi)始硫化，從而使污垢和橡膠成為一體，在離型的時(shí)候?qū)⑺コ?br>
同傳統(tǒng)的三聚氰胺清模料相比，由于橡膠的粘性要高于三聚氰胺，所以，清模膠片的清模效果要好于三聚氰胺。一般用三聚氰胺需要重復(fù)清模8～10次，而如果代之以清模膠片，清洗2～3次就足夠了。

②二氧化硅填料，其重量百分比大約為10％～30％。其重要作用是，增強(qiáng)橡膠的強(qiáng)度和抗撕裂性，同時(shí)在清模過(guò)程中受到擠壓以及擴(kuò)散時(shí)，對(duì)污垢起到研磨作用。

③硫化劑。

④催化劑和硫化促進(jìn)劑，以及一定數(shù)量的離型劑。

⑤在橡膠中可以加入具有特定親污垢官能團(tuán)的添加劑作為清潔助劑，從而使得橡膠與污垢可以更牢固地結(jié)合一起，達(dá)到更好的清模效果。日本的日東電工對(duì)這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利，因而，清潔助劑的技術(shù)并未得到廣泛采用。

⑥同時(shí)，某些清模膠片也采用一定的添加劑，可以分解底層污垢，達(dá)到更強(qiáng)的清模效果。如圖2所示，模具的污垢構(gòu)成分為兩層結(jié)構(gòu)，其中表層污垢主要是塑封料的組分，相對(duì)容易從模具上剝離出來(lái)；而底層污垢之中含有脫模劑（石蠟）以及塑封料在高溫下的部分碳化產(chǎn)物，同時(shí)夾雜了部分模具表面金屬鍍層的成分，因而，在底層污垢中無(wú)機(jī)物的含量較高，更難于去除。無(wú)論是三聚氰胺還是普通的清模膠條，都無(wú)法將底層污垢徹底去除。而某些特殊的添加劑可以滲透到底層污垢內(nèi)部，將污垢分解，同時(shí)降低污垢對(duì)于模腔表面的黏附力，從而將底層污垢從模具上剝離。這項(xiàng)技術(shù)也屬于專(zhuān)利，被日東電工所壟斷。

通過(guò)以上這些資料，可以總結(jié)出清模膠片的作用機(jī)理：

①物理粘結(jié)作用。通過(guò)橡膠的粘結(jié)作用，將污垢從模具表面拉除；

②化學(xué)粘結(jié)作用。通過(guò)親污垢官能團(tuán)（或者清?；鶊F(tuán)）完成污垢與橡膠的結(jié)合；

③機(jī)械研磨作用。通過(guò)二氧化硅填料在加壓后的運(yùn)動(dòng)，撞擊和研磨污垢；

④分解作用。分解污垢，達(dá)到清除底層污垢的目的。

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清模膠片的價(jià)格較因其制造廠商和品質(zhì)而異，一般為每千克20～70美元，現(xiàn)有的制造商包括：日東電工、JINYONGTECH、Keeper、SuperCleaning等，同時(shí)諸如Donjin、三星第一毛紡等三聚氰胺廠商也在發(fā)展清模膠片。

3 三聚氰胺和清模膠片的比較

三聚氰胺和清模膠片的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

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（1）清模能力

三聚氰胺的粘性要低于橡膠，所以需要反復(fù)清模數(shù)次才能相對(duì)徹底地清楚污垢。相反，清模膠片往往能夠2～3次就達(dá)到很好的清潔效果。

清模膠片的優(yōu)越性還在于其不但可以清潔模腔，同時(shí)也可以清潔模面和排氣口。雖然三聚氰胺也有條塊狀的產(chǎn)品，可以起到相似的作用，但后者由于容易碎裂，部分殘?jiān)鼤?huì)遺留在模腔內(nèi)形成二次污染，因而其應(yīng)用還不是十分廣泛。

然而，三聚氰胺的優(yōu)勢(shì)在于其良好的填充性能。由于采用同塑封相同的注塑方式，三聚氰胺可以充填每個(gè)模腔的每一個(gè)角落，而對(duì)于清模膠片而言，要達(dá)到能夠填充所有的角落，需要相當(dāng)?shù)呐挪寄z條的技巧，也是很有難度的。兩種材料都有其離型方面的局限性。三聚氰胺的局限性在于其固化后容易破裂，如果其組分中所含的離型劑的比例不太合理，固化的三聚氰胺殘?jiān)苋菀渍吃谀Ｇ簧希y于去除，造成二次污染，這也是其成分中加入纖維填料的原因。而清模膠片對(duì)于較深、較小的模腔，不但不容易填充，而且也會(huì)有破裂的問(wèn)題。

（2）清模時(shí)間

清模膠片的最大優(yōu)勢(shì)在于其清模時(shí)間短，其典型的固化時(shí)間是175℃，300s，重復(fù)清洗動(dòng)作2～4次。這樣整個(gè)清模時(shí)間耗時(shí)20～30min。而三聚氰胺典型的固化時(shí)間是175℃，300s，需要重復(fù)清洗動(dòng)作6～10次，再加上預(yù)熱時(shí)間，整個(gè)清模需要耗時(shí)2～3h。

（3）使用和儲(chǔ)存

清模膠片的保存溫度一般要低于5℃，這同環(huán)氧樹(shù)脂塑封料的儲(chǔ)存條件是一樣的。而三聚氰胺可以做到常溫下儲(chǔ)存，這給使用者帶來(lái)很大的方便。兩種材料在高溫下都會(huì)生活刺激性氣味，相比較而言，三聚氰胺的氣味更容易接受得多。

（4）成本

單就銷(xiāo)售來(lái)看，清模膠片的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三聚氰胺清模料。但是，三聚氰胺所需的清模次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于清模膠片，而且，餅料的三聚氰胺在使用的過(guò)程中往往需要消耗不少引線框架（也有的廠商為了降低成本，用紙質(zhì)框架來(lái)代替），清模膠片就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。所以，如果真正計(jì)算清模流程的直接成本，需要同時(shí)考慮到清模材料的單價(jià)和清模材料的消耗量，并加上輔助材料的成本。

清模直接成本＝清模材料的單價(jià)×清模材料的消耗量＋輔助材料成本（如框架）＝清模材料的單價(jià)×（清模次數(shù)×單次消耗清模材料的重量）＋輔助材料成本

就單次消耗清模材料的重量來(lái)看，清模膠片的比重要高于三聚氰胺，此外，為了清模之后順利地離型，所有供應(yīng)商都會(huì)建議使用清模膠片合模時(shí)，上下模之間保留至少1mm的間隙。這樣，同餅料的三聚氰胺相比，使用清模膠片需要多消耗模面之間1mm厚的部分。

當(dāng)然，在估算并比較清模直接成本時(shí)，最大的變動(dòng)因素是清模材料的用量，由于很大部分的清模膠片消耗在模面之間，而根據(jù)模具的設(shè)計(jì)不同，清模片的使用效率也是有很大差別的，例如，對(duì)于MAP－BGA而言，模腔幾乎占據(jù)了整個(gè)模面的面積，所以清模片的使用效率自然是最高的，一般而言，封裝體的厚度越大，模腔設(shè)計(jì)越密集，清模片的使用效率就越高。然而，不同的清模片由于清模效果不同，其所需的清模次數(shù)也有很大的差異。

根據(jù)不同模具廠商提供的數(shù)據(jù)，筆者估算了各種封裝形式相對(duì)應(yīng)兩種清模材料消耗量的比例關(guān)系。具體見(jiàn)表2。

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再綜合考慮單價(jià)差異和輔助材料的消耗，可以看出，對(duì)于SOP、LQFP、QFN、TO等封裝形式，兩種方案的清模成本相差不多；對(duì)于BGA、DIP、QFP等較大的封裝而言，如果模具設(shè)計(jì)合理，使用清模膠片甚至是更為節(jié)省的方案；但是對(duì)于體積較小的分立器件和TSSOP/SSOP，使用三聚氰胺是比較經(jīng)濟(jì)的方案。

4 國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體封裝業(yè)清模材料應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體封裝行業(yè)對(duì)清模材料的總需求量大約是每月38×103kg，其中約有32×103kg為三聚氰胺，另外的5×103kg多是清模膠片。

從圖3中可以看出，SOP/QFP的廠商似乎對(duì)清模膠片的接受程度很高，可能是考慮到清模膠片的清模成本較低且利于提高產(chǎn)能的緣故。 DIP和分立器件的廠商還是以三聚氰胺作為首選，相信是由于產(chǎn)品的利潤(rùn)不高，而且對(duì)于清模效果的要求不是太嚴(yán)格，所以無(wú)法接受清模膠片的高價(jià)格。

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對(duì)于BGA和T/LQFP而言，由于國(guó)內(nèi)總體的產(chǎn)量還不是很多，所以兩種清模料的用量都不大，而光電器件和智能卡產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)更是方興未艾。這些產(chǎn)品對(duì)于清模膠片的接受程度較高。由于智能卡產(chǎn)品為避免昂貴的框架材料消耗，更是將清模膠片作為主要的材料。

5 清模材料的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 綠色封裝對(duì)于清模材料的挑戰(zhàn)

綠色封裝的環(huán)保要求引發(fā)了環(huán)氧樹(shù)脂塑封料的更新?lián)Q代，在舊有塑封料中所廣泛采用的Sb2O3阻燃劑被金屬氧化物或者其他方案所替代，而由于無(wú)鉛焊接所產(chǎn)生的更高的耐潮氣性（MSL）要求使得樹(shù)脂材料也隨之變化。不論眾多的塑封料廠家所開(kāi)發(fā)的綠色塑封料組成如何，我們都可以發(fā)現(xiàn)這樣的趨勢(shì)：①為了引入更高的填料含量，更低黏度的樹(shù)脂材料被采用；②為防止更嚴(yán)苛溫濕試驗(yàn)中的分層，塑封料的粘接性能不斷加強(qiáng)。

無(wú)論是以上哪種改變，對(duì)于封裝廠而言，塑封料的粘性增強(qiáng)了，因此引發(fā)的粘模問(wèn)題也接踵而來(lái)。不少綠色封裝業(yè)者抱怨原本800～900個(gè)shots清模一次，變成了每400個(gè)shots清模一次。

就清模材料業(yè)者而言，盡管對(duì)材料的需求會(huì)因?yàn)榍迥４螖?shù)的增加而升高。但他們也有苦惱，因?yàn)榍迥２牧喜粌H需要解決如何能夠有效地將粘結(jié)在模具表面的塑封料清干凈的問(wèn)題，還面對(duì)著減少清模時(shí)間從而提高了封裝廠產(chǎn)能的問(wèn)題。

5.2 其他清洗技術(shù)的進(jìn)步

除了本文主要講述的兩種清模材料以外，其他的清模方法也在改進(jìn)當(dāng)中。

（1）傳統(tǒng)的化學(xué)清洗可能會(huì)變的更加方便

在模具翻新中歷來(lái)采用NaOH溶液乳化法或者N甲苯基吡咯烷、氨丙醇等溶劑加熱溶解法。但是如果在日常制程中采用，則要不斷拆裝模具，同時(shí)化學(xué)方法會(huì)進(jìn)入雜質(zhì)離子，造成產(chǎn)品電性能的失效。但仍然有業(yè)者開(kāi)始研究噴洗的方式，畢竟化學(xué)清洗的效果還是頗吸引人的。

（2）機(jī)械清洗方法的改進(jìn)

某些設(shè)備制造商對(duì)在普通注塑模具噴砂清洗方法進(jìn)行改進(jìn)，力圖使之可以適用于半導(dǎo)體封裝模具。同時(shí)，ASA也在不遺余力的推銷(xiāo)它的激光清洗機(jī)。如果可以不拆除模具操作的話，無(wú)論是三聚氰胺、橡膠片還是化學(xué)清洗相比，機(jī)械清洗的方法都算得上是很高效的。更何況，在提倡環(huán)保的今天，機(jī)械或者激光清洗更避免了資源的浪費(fèi)和化學(xué)品產(chǎn)生的污染。當(dāng)然，這也需要封裝廠更多的固定投入。

5.3 清模材料需求的預(yù)測(cè)

化學(xué)清洗和機(jī)械清洗都還不太成熟，或無(wú)法方便地使用。所以，無(wú)論是由綠色封裝的增長(zhǎng)所引發(fā)，還是受中國(guó)半導(dǎo)體封裝行業(yè)超過(guò)20％的年增長(zhǎng)率所帶動(dòng)，清模材料的需求都將會(huì)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

根據(jù)筆者預(yù)測(cè)，SOP和QFP綠色環(huán)氧樹(shù)脂的采用以及非綠色要求產(chǎn)品產(chǎn)量的高速增長(zhǎng)，將會(huì)拉動(dòng)清模膠片年增長(zhǎng)率到40％左右。而LQFP、QFN、BGA所用的清模料中，清模膠片將逐漸成為主角，但因?yàn)檫@些產(chǎn)品的基數(shù)不大，所以對(duì)清模膠片的增量影響有限。

同時(shí)，雖然清模材料總體需求將呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但總體增量并不會(huì)在三聚氰胺清模料上得到太多體現(xiàn)，預(yù)計(jì)三年內(nèi)，三聚氰胺將保持3％左右的年增長(zhǎng)率。之后，隨著競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的逐漸成熟，對(duì)三聚氰胺的需求甚至?xí)霈F(xiàn)下滑的趨勢(shì)。

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6 結(jié)論

本文所主要論述的兩種清模材料在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，將保持在半導(dǎo)體封裝模具清洗市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。而如何提高清模效果和生產(chǎn)效率，同時(shí)降低封裝廠的成本，將是清模材料的長(zhǎng)期任務(wù)。

而對(duì)于橡膠清模片這個(gè)新貴而言，要真正占據(jù)主導(dǎo)地位，還需要繼續(xù)進(jìn)行自身的完善，針對(duì)小模腔的填充問(wèn)題提出更好的解決方案，同時(shí)降低成本。但無(wú)論如何，對(duì)于提高封裝廠的生產(chǎn)效率而言，它具有先天的優(yōu)勢(shì)。

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