引線框架貼膜工藝在QFN封裝制程中的應(yīng)用

鄭嘉瑞，肖君軍，周寬林，胡 金

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)電子與信息工程學(xué)院，廣東 深圳， 518055；2.深圳市聯(lián)得自動(dòng)化裝備股份有限公司，廣東 深圳，518109)

全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，以中芯國(guó)際為代表的晶圓制造廠的產(chǎn)線興建與擴(kuò)建，半導(dǎo)體封測(cè)行業(yè)持續(xù)發(fā)展，半導(dǎo)體封測(cè)裝備需求快速增長(zhǎng)，從2020年開(kāi)始，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大半導(dǎo)體裝備市場(chǎng)。半導(dǎo)體裝備作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上必不可少的一環(huán)，受到國(guó)家和各級(jí)地方政府部門(mén)的大力鼓勵(lì)和支持，國(guó)產(chǎn)替代趨勢(shì)給國(guó)產(chǎn)封測(cè)裝備進(jìn)一步發(fā)展提供機(jī)遇，解決好各個(gè)裝備的關(guān)鍵工藝和技術(shù)問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)封測(cè)裝備發(fā)展空間巨大。

半導(dǎo)體引線框架貼膜裝備應(yīng)用于QFN封裝制程中，在引線框架的背部貼膜是為了防止在進(jìn)行框架塑封時(shí)的塑封料透過(guò)溢出。

1 QFN封裝

由于半導(dǎo)體QFN封裝(Quad Flat No-leads Package)的良好電熱性能、高密度、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用在新型電子封裝領(lǐng)域快速發(fā)展。QFN是一種方形無(wú)引腳的表面貼裝的封裝形式，是目前中高端半導(dǎo)體集成電路封裝的主要封裝技術(shù)形式之一。常見(jiàn)的QFN封裝生產(chǎn)工藝流程如圖1所示[1-2]。

圖1 QFN封裝生產(chǎn)流程圖

2 QFN引線框架貼膜工藝

引線框架貼膜工藝是指QFN封裝在生產(chǎn)工藝中需要在引線框架固晶工藝(Die bonding)之前或焊線(Wire bonding)工藝之后，在QFN引線框架背部進(jìn)行貼膜工藝，以防止在進(jìn)行塑封(Molding)工藝時(shí)樹(shù)脂從框架鏤空縫隙中擠出、泄漏而造成溢料的問(wèn)題，從而造成封裝不良品產(chǎn)生。在這種半導(dǎo)體引線框架的貼膜工藝中，按順序的不同分為“前貼膜”和“后貼膜”2種工藝方式，也有稱前貼膜為預(yù)貼膜[3]。

常見(jiàn)的QFN引線框架和相應(yīng)的框架背部貼附膠膜，如圖2所示，這種膠膜（聚酰亞胺薄膜，英文為Polyimide Film）是一種呈黃色透明的半導(dǎo)體封裝電子材料，具有一定黏性、耐高溫、抗腐蝕等特性。QFN引線框架貼膜的工藝要求是將膠膜自動(dòng)平整地貼附在引線框架的背部表面，貼附完成后無(wú)肉眼可見(jiàn)的氣泡，貼附精度要求是±0.1～0.3 mm，是膠膜邊到引線框架邊的誤差范圍。

圖2 QFN引線框架和框架用膠膜

2.1 前貼膜工藝

前貼膜是在固晶之前對(duì)引線框架進(jìn)行貼膜的工藝，這種工藝大多是在半導(dǎo)體引線框架廠完成，完成貼膜后的框架出售給半導(dǎo)體封測(cè)廠使用，直接可以用于固晶工藝。這種貼膜工藝是用一種滾貼的方式完成，引線框架預(yù)先平放并由真空吸附固定在貼膜平臺(tái)上，貼膜模組從框架的短邊一側(cè)開(kāi)始，由貼膜滾輪逐步滾貼到另一側(cè)短邊，在貼附過(guò)程中可有效地控制貼附層氣泡的產(chǎn)生，完成整個(gè)貼附的工作[4]。

對(duì)于封測(cè)公司來(lái)說(shuō)，前貼膜工藝的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本降低，無(wú)貼膜工藝，不用購(gòu)買(mǎi)貼膜設(shè)備。其缺點(diǎn)表現(xiàn)在三個(gè)方面，一是貼膜表面有黏性，容易在固晶和焊線之前附著異物；其次是貼膜后的框架，由于膜的彈性焊線難度增大，容易導(dǎo)致焊線不良；還有就是貼膜容易產(chǎn)生褶皺，塑封時(shí)溢料風(fēng)險(xiǎn)高。

2.2 后貼膜工藝

后貼膜是在焊線之后對(duì)引線框架進(jìn)行貼膜的工藝，這種工藝是在半導(dǎo)體封測(cè)公司完成。為了提升貼膜質(zhì)量減少異物等影響，在貼膜之前還要對(duì)引線框架進(jìn)行等離子清洗。后貼膜工藝流程是：QFN膠膜先被貼膜組件拉伸并且被貼膜真空平臺(tái)吸附住，搬運(yùn)模組的上料機(jī)械手夾住引線框架，從正上方下降到貼膜位置，引線框架和薄膜面對(duì)面加壓貼附，完成貼膜動(dòng)作，完成貼膜后的引線框架被搬送到加溫烤箱區(qū)域，等待加熱若干秒完成貼膜工藝(加熱工藝時(shí)間依據(jù)不同的生產(chǎn)要求可以調(diào)整)[5]。

這種貼膜工藝的優(yōu)點(diǎn)：由于是后貼膜，對(duì)工廠本身的固晶和焊線工藝幾乎沒(méi)有影響；同時(shí)克服了前貼膜工藝的缺點(diǎn)。對(duì)封測(cè)公司而言，缺點(diǎn)是設(shè)備投入成本增高。

3 前貼膜和后貼膜裝備對(duì)比

根據(jù)前、后貼膜工藝的不同，貼膜裝備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成也不同。前貼膜或者前后兼容貼膜裝備的貼膜方式主要是以滾貼為主，引線框架的芯片焊線面朝下。而后貼膜則是采用硬對(duì)硬式的正上方框架對(duì)準(zhǔn)膜進(jìn)行下壓貼膜，先貼膜，再烘烤貼膜后的框架，引線框架正面朝上。目前主要半導(dǎo)體QFN貼膜裝備公司的產(chǎn)品性能指標(biāo)如表1所示。

表1 半導(dǎo)體QFN貼膜裝備公司產(chǎn)品性能指標(biāo)

4 引線框架貼膜裝備

QFN封裝是一種較為成熟的封裝形式，所用的貼附膠膜、以及前貼膜和后貼膜裝備主要以中國(guó)香港ASM公司、韓國(guó)Hanmi公司和日本I-PEX公司的產(chǎn)品為主。

針對(duì)前貼膜工藝，目前主要是引線框架生產(chǎn)公司，江陰新基和深圳聯(lián)得公司推出的貼膜設(shè)備替代了進(jìn)口設(shè)備；針對(duì)后貼膜工藝，應(yīng)用場(chǎng)景是半導(dǎo)體QFN封測(cè)公司，深圳聯(lián)得也推出了相應(yīng)的后貼膜設(shè)備，貼膜前采用機(jī)器視覺(jué)對(duì)位，實(shí)現(xiàn)高精度后貼膜的工藝要求，貼膜精度可達(dá)到±0.1 mm。對(duì)貼膜裝備的工藝要求是引線框架表面與膜之間是不能有氣泡，尤其是框架的引腳處，存在氣泡極易在塑封工藝時(shí)造成封裝溢料[6]。

5 貼膜應(yīng)用及趨勢(shì)

QFN封裝的貼膜工藝主要是為了解決溢料問(wèn)題，但是也帶來(lái)了一些其他問(wèn)題?？蚣鼙巢康馁N膜需要在做完塑封工藝后撕掉，撕膜后給引線框架表面造成的膠狀物殘留、撕膜斷裂等現(xiàn)象，而且給QFN封裝生產(chǎn)制程造成了不少麻煩，針對(duì)這些問(wèn)題，可采取選用合適的貼膜材料、采用專門(mén)的撕膜機(jī)等作為對(duì)應(yīng)的解決方案。

半導(dǎo)體QFN封裝貼膜工藝是封裝生產(chǎn)過(guò)程中必要的環(huán)節(jié)，不同公司根據(jù)自身的生產(chǎn)成本、產(chǎn)品特性等選擇了不同的貼膜工藝。近年來(lái)，QFN引線框架膠膜價(jià)格的持續(xù)增長(zhǎng)，甚至超過(guò)了一條框架的價(jià)格，加上焊線機(jī)上對(duì)銅線工藝的廣泛采用，后貼膜工藝的工藝優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，促使新建的封測(cè)廠開(kāi)始傾向采用后貼膜工藝。例如，寧波甬矽電子QFN封裝全部采用的是后貼膜工藝。在一些新的半導(dǎo)體封裝制程中，也出現(xiàn)了一些需要在特殊的小框架背部預(yù)先貼膠膜的工藝。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，QFN封裝已經(jīng)成為應(yīng)用最廣、增長(zhǎng)最快的主流半導(dǎo)體封裝形式之一，擴(kuò)建和增建封裝生產(chǎn)線眾多，對(duì)QFN封裝工藝及其裝備的探討也日漸增多。本文探討了貼膜工藝及裝備，全面闡述了2種不同的貼膜方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)引線框架貼膜裝備及其趨勢(shì)也進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，有利于加深半導(dǎo)體QFN封裝的貼膜工藝了解以及促進(jìn)QFN封裝生產(chǎn)質(zhì)量更好的提升和完善。