半導體封裝新視界：環(huán)氧樹脂塑封與灌封工藝全解析
前言
環(huán)氧樹脂，作為一類分子結構中蘊含環(huán)氧基團的高分子化合物，其固化后的環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的耐熱性、較高的機械強度、電氣絕緣性、可靠性和力學性能及較小的收縮率、耐化學性，加入固化劑后又有較好的加工性和可操作性。
一、環(huán)氧樹脂的組成結構
環(huán)氧樹脂分子主要由環(huán)氧基團和其它功能性基團構成，其中環(huán)氧基團是其特征基團。樹脂分子中通常含有兩個以上環(huán)氧基團。
步入半導體封裝技術的核心領域，注膠工藝與塑封工藝作為兩大主流工藝路線，各自展現(xiàn)出了獨特的性能優(yōu)勢與適用范圍，為不同需求的半導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鍵的工序之一。它的作用是將芯片、焊線、框架(內部)及基島包封起來，對芯片、焊線起到保護作用。防止機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受熱軟化并變成液態(tài)，液態(tài)環(huán)氧樹脂由注塑機構所產生的壓力注入到含有框架的模具型腔中，然后進行固化保壓和固化，形成特定的形狀，將芯片和焊線進行定型包裹。
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（預熱）
模具下方的的Heating Element開始對模具進行預熱。通過加熱可以確保模具達到適合Injection molding的溫度，使得后續(xù)樹脂能更好地填充模具。
3. Clamp（合模）
當模具溫度達到預設溫度后，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）將預熱后的液態(tài)環(huán)氧樹脂注入模具內。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，需要通過加熱進一步固化，使其從半固態(tài)變?yōu)閳怨痰谋Ｗo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塑封膠對設備的影響
全自動塑封封裝設備，噸位小、安裝模具空間小、主要應用產品封裝，設備自身成本高，保養(yǎng)費用高。在使用塑封設備封裝過程中，設備故障往往具有突發(fā)性，且大多數(shù)故障（95%～100%）發(fā)生在生產運行中，僅有少數(shù)（5%～15%）在設備運行前顯現(xiàn)。這種突發(fā)性故障對生產的影響極大。
芯片封裝模具是芯片生產不可或缺的一環(huán)，它能夠對電路的性能、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，半導體塑封模具主要分為無機模具和有機模具兩大類。
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，導致封裝材料與芯片、基島、導電膠或框架之間產生分層或開裂。這種分層或開裂會對設備造成磨損，特別是在設備運行過程中，摩擦和振動會加劇這種磨損，影響設備的正常運行和使用壽命。同時因為腐蝕會使設備出現(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)氧塑封料與半導體封裝技術是保證芯片功能穩(wěn)定實現(xiàn)的關鍵材料，極大地影響了半導體器件的質量。其中會在封裝過程中會由于應力過高而出現(xiàn)與芯片、基島、導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濟損失。
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計不同、塑封工藝差異以及塑封產品結構設計（包括引線框架結構）的不同，會導致塑封中出現(xiàn)塑封體填充、引線框架結構引起的填充等，從而降低產品良率和產品氣密性，影響產品散熱。
目前半導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鍵因素主要包括：封裝材料的質量、生產工藝的成熟度、設備狀態(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流程中，對芯片的合格率產生重要影響。
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，使其充分填充后進行固化，形成一個密閉的保護層。這個保護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。
自動化灌封設備可以根據(jù)電子元器件的形狀和尺寸自動調整封裝材料的注入量，實現(xiàn)高效、灌封。這種方法適用于大批量生產，可以提高生產效率和產品質量。其工藝包括：產品預熱、原料脫泡預攪拌等預處理、腔體抽真空、真空度達到設定值時按預設的工藝注入膠水。
準備產品 ? 預加熱 ? 灌封膠預處理 ? 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、設備和模具成本高及保養(yǎng)費用高等。
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，自動調整封裝材料的注入量，從而實現(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擔。同時，設備具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，減少了設備故障的發(fā)生，也降低了設備的維護需求。
四、環(huán)氧樹脂真空注膠工藝和塑封工藝的對比
4.1、半導體模塊的分類
半導體模塊可以分為單管模塊、半橋模塊、全橋模塊等等。這些結構和封裝技術對于電控系統(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上的區(qū)別。
4.2半橋和全橋封裝工藝對比
國內除了比亞迪、蔚來和小米外，北汽、長安、賽力斯、長城等車企也在主驅中導入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、塑封轉模等關鍵技術，不僅可實現(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30萬次的功率循環(huán)能力。去年5月，蔚來與安森美達成合作，采購其VE-TracTM Direct SiC功率模塊，該模塊搭載了**代SiC MOSFET技術，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開始轉向SiC半橋模塊。
但是將塑封半橋封裝技術應用于SiC半橋模塊時仍面臨著一系列技術挑戰(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，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上也存在差異，主要涉及到散熱方式、封裝結構、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行更復雜的設計和優(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)與塑封功率半導體的其他測試經驗對比，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成了潛在威脅。
環(huán)氧樹脂具備較高的導熱率，其粘度通常在10~20WmPa.s，導熱膠含有大量的帶磨損性的填料，以經典的導熱填料氧化鋁為例，它的莫氏硬度高達9.0，這一硬度遠超包括高碳鋼在內的絕大多數(shù)高硬度金屬。因此，膠體中這些堅硬的導熱填料會劇烈對設備造成嚴重的磨蝕，進而引發(fā)點膠泵的漏膠與精度問題。
為了攻克這些技術難題，我們的技術團隊憑借20多年積累的豐富經驗，對環(huán)氧樹脂注膠工藝進行了深入的研究和實踐。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欣音達三段式真空注膠設備，并配備了高精度螺桿泵（轉子采用莫氏硬度9.4的Si3N4氮化硅，定子選用高耐磨的NBR橡膠）實現(xiàn)螺桿泵3年免維護，有效地解決了泵的漏膠和精度問題，并實現(xiàn)了精準控制。
同時，我們對工藝流程進行了優(yōu)化和升級。成功降低了固化過程中的收縮率，顯著提升了固化產品的尺寸穩(wěn)定性與機械強度。同時有效避免了氣泡的產生。固化后的產品表面光滑平整，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出高達2000個產品，合格率高達99.99%。極大地提升了生產效率，并顯著縮短了生產周期。這一系統(tǒng)特別的適合大規(guī)模的生產和應用場景。為我們的生產流程帶來了改變。
六、結語：
綜上所述，封裝技術領域內，塑封與注膠作為兩種截然不同的封裝工藝，塑封技術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)氧樹脂注膠在實際生產中更容易實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的工藝性。因為不需要由不同封裝產品定制不同注塑模具，可以低成本高可靠性實現(xiàn)一臺注膠設備適應多種封裝產品。相對塑封工藝，注膠工藝在設備上的投入成本更低，設備可靠性更高和可維護性成本更低。一臺可靠的注膠設備和配套的基礎工藝就可以實現(xiàn)多種封裝產品的99.99%以上的生產良率。同等級產品而言，塑封工藝需要較高的設備成本投入，因為要保證及其的壓力/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%。
綜合考慮功率半導體本身的功能性差異，設計結構的差異等方面，塑封工藝和注膠工藝各有千秋，并不能相互取代。比如無邊框設計時可能使用塑封工藝更佳。
或許在不遠的將來，出現(xiàn)功率模塊，開關控制器，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)定性的電子封裝領域，離不開其高品質的硬件設備和技術，更離不開成熟的工藝和可靠的性能。
