可靠性和穩定性是保障半導體產(chǎn)品順暢運行的關(guān)鍵因素。半導體器件的封裝必須注意避免受到物理、化學(xué)和熱損傷。因此，封裝材料必須具備一定的質(zhì)量要求。隨著(zhù)業(yè)界對半導體產(chǎn)品運行速度的要求不斷提高，封裝材料需要具備更優(yōu)異的電氣性能，比如具備低介電常數（Permittivity）1和介電損耗（Dielectric Loss）2的基板等。半導體存儲器以及CPU和GPU等邏輯芯片使用的材料還需具備良好的導熱性能，以便能夠高效散熱。顯而易見(jiàn)，確保封裝材料的先進(jìn)性以滿(mǎn)足行業(yè)需求是非常重要的。在接下來(lái)的兩篇文章中，我們將探討兩種主要封裝方法所用材料的特性。在本篇文章中，我們將介紹傳統封裝方法所使用的材料。

1介電常數（Permittivity）：指材料對外部電場(chǎng)的敏感度，或當電場(chǎng)施加到絕緣體上時(shí)，內部電荷的反應程度。

2介電損耗（Dielectric Loss）：電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中的電能轉換。

圖1展示了典型傳統封裝工藝中使用的各類(lèi)材料。在傳統封裝工藝中，作為原材料使用的有機復合材料包括六種：粘合劑（Adhesive）、基板（Substrate）、環(huán)氧樹(shù)脂模塑料（EMC）、引線(xiàn)框架（Leadframe）、引線(xiàn)和錫球（Solder Ball），其中后三種材料為金屬材料；輔助材料包括膠帶和助焊劑（Flux）3等。接下來(lái)，我們將詳細介紹這些尺寸較小但卻不可或缺的材料，并探討這些材料在傳統封裝工藝中的關(guān)鍵作用。

3助焊劑（Flux）：一種有助錫球附著(zhù)在銅表面的水溶性和油溶性溶劑。

引線(xiàn)框架用于實(shí)現封裝內部芯片與封裝外部印刷電路板（PCB）的電氣連接。通常，引線(xiàn)框架使用的金屬板由42號合金（Alloy 42）4或銅合金制成。在制作引線(xiàn)框架時(shí)，通常會(huì )采用刻蝕（Etching）和沖壓（Stamping）兩種工藝。使用刻蝕工藝制作引線(xiàn)框架時(shí)，首先要在金屬板上沿引線(xiàn)框架的圖案涂覆一層光刻膠（Photoresist），將其暴露在刻蝕劑（Etchant）5中，以便去除光刻膠未覆蓋的區域，這種方法通常適用于需要制作精細引線(xiàn)框架圖案的情況。使用沖壓工藝制作引線(xiàn)框架時(shí)，則需要在高速沖壓機上安裝級進(jìn)模（Progressive die）6。

442號合金（Alloy 42）：一種鐵基合金，其熱膨脹系數與硅相似。

5刻蝕劑（Etchant）：指在刻蝕過(guò)程中使用的化學(xué)溶液和氣體等具有腐蝕性的物質(zhì)的總稱(chēng)。

6級進(jìn)模（Progressive die）：一種模具技術(shù)，能夠將多道工序壓縮為一個(gè)連續工序。

與引線(xiàn)框架類(lèi)似，基板也用于實(shí)現封裝內部芯片與封裝外部印刷電路板之間的電氣連接。在球柵陣列封裝（BGA）中，基板是半導體芯片的一個(gè)重要組成部分，該封裝使用錫球來(lái)代替引線(xiàn)框架。圖2顯示的是經(jīng)過(guò)封裝工藝處理的基板結構側視圖。其中，錫球附著(zhù)于基板底部，而引線(xiàn)與基板頂部連接?；逯行奈恢糜擅麨椤靶景澹–ore）”的材料構成，這種材料通過(guò)將銅箔與浸漬（Impregnation）7過(guò)耐高溫雙馬來(lái)酰亞胺三嗪（BT）8樹(shù)脂的玻璃纖維粘合在一起制成。金屬引線(xiàn)在銅箔表面形成，之后在銅箔上涂覆阻焊劑，露出作為保護層的金屬焊盤(pán)。

7浸漬（Impregnation）：一種填充澆鑄過(guò)程中形成空隙的工藝，旨在降低電鍍過(guò)程中涂層失效的可能性。

8雙馬來(lái)酰亞胺三嗪（BT）：一種用于制造印刷電路板、由耐高溫雙馬來(lái)酰亞胺和三嗪反應制成的合成樹(shù)脂。

粘合劑有粘稠狀的液體形式，也有薄膜等固體形式。粘合劑主要由熱固性環(huán)氧基聚合物制成，用于將芯片粘接到引線(xiàn)框架或基板上，還可以在芯片堆疊過(guò)程中將多個(gè)芯片粘接在一起。粘合劑要想在測試過(guò)程中表現出較高的可靠性，必須具備高粘合力、低吸濕性、良好的機械性能和低離子雜質(zhì)含量等特質(zhì)。除此之外，為了確保工藝質(zhì)量，在高溫高壓粘合過(guò)程中，粘合劑必須表現出出色的流動(dòng)性以及能夠有效粘合界面的潤濕性。為了實(shí)現高強度的界面粘合力，還需要有效地抑制空隙（Voids）9的形成。這就需要優(yōu)化其流變特性，如粘度、觸變性（Thixotropy）10和硬化特性，以及芯片與引線(xiàn)框架或基板表面之間的強粘合力。

9空隙（Voids）：材料內部形成的空洞或氣孔，是在材料制造或熱處理過(guò)程中出現的一種缺陷。

10觸變性（Thixotropy）：液體物質(zhì)的一種受到剪切力作用后粘度改變的特性。在受到剪切力作用，如攪拌等，液體物質(zhì)粘度降低；在未受到剪切力作用時(shí)，液體物質(zhì)粘度增加。

液體粘合劑包括環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑和硅膠粘合劑。固體粘合劑包括用于引線(xiàn)框架的芯片上引線(xiàn)（LOC）膠帶、在堆疊相同尺寸芯片時(shí)用于隔離各個(gè)芯片的間隔膠帶、以及用于芯片堆疊或將芯片連接到基板的晶片黏結薄膜（DAF）。晶片黏結薄膜可以用于晶圓背面，因此也被稱(chēng)為晶圓背面迭片覆膜（WBL）。

環(huán)氧樹(shù)脂模塑料是半導體封裝過(guò)程中使用的一種膠囊封裝材料（Encapsulant）11，由無(wú)機硅石和熱固性環(huán)氧聚合物復合而成，受熱后可形成三維粘合結構。由于包覆在芯片外部，因此環(huán)氧樹(shù)脂模塑料必須具備保護芯片免受外部物理和化學(xué)損傷，并且能夠有效散發(fā)芯片運行時(shí)產(chǎn)生的熱量的功能。此外，環(huán)氧樹(shù)脂模塑料還須具備易于模塑的特性，以滿(mǎn)足不同封裝形狀的需求。同時(shí)，由于需要與基板和芯片等其他封裝材料連接，因此環(huán)氧樹(shù)脂模塑料必須達到能夠與這些材料緊密粘合的效果，以確保封裝的可靠性。

11膠囊封裝材料（Encapsulant）：由熱固性聚合物組成，可形成三維結構，并在外部加熱作用下硬化。其作用是保護內部器件免受高溫、潮濕和撞擊的影響。

圖3展示了不同類(lèi)型的環(huán)氧樹(shù)脂模塑料及其相應的工藝。片狀環(huán)氧樹(shù)脂模塑料主要用于傳遞模塑法，粉狀環(huán)氧樹(shù)脂模塑料通常用于壓縮模塑或大尺寸晶圓模塑法。而液狀環(huán)氧樹(shù)脂模塑料則被用于模塑一些難以模制的晶圓。近年來(lái)，薄膜型環(huán)氧樹(shù)脂模塑料在扇出型晶圓級芯片封裝（WLCSP）和大尺寸面板級封裝（PLP）中得到廣泛應用。此外，還有用于模塑底部填充（MUF）的環(huán)氧樹(shù)脂模塑料，模塑底部填充是指在倒片封裝過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行底部填充與模塑的工藝。

焊錫是一種熔點(diǎn)較低的金屬，這種特性使其廣泛用于各種結構的電氣和機械連接。在半導體封裝中，焊錫被用于連接封裝和印刷電路板；在倒片封裝中，焊錫被用于連接芯片和基板。在連接封裝和印刷電路板時(shí)，通常采用錫球的形式，尺寸從30微米到760微米不等。如今，隨著(zhù)電氣性能的不斷提升，連接封裝和印刷電路板之間所需的引腳數量也在增加，這也間接導致了錫球尺寸被要求不斷縮小。

制作錫球時(shí)需要保證其合金成分的均勻性，否則會(huì )對跌落沖擊或溫度循環(huán)測試的可靠性造成影響。同時(shí)，錫球還必須具有良好的抗氧化性，因為在原材料制備過(guò)程中或回流焊過(guò)程中，氧化物的過(guò)度堆積可能導致錫球出現粘合效果不佳或脫落的問(wèn)題，也就是所謂的“不沾錫（Non-wetting）”問(wèn)題，因此，在焊接過(guò)程中需要使用助焊劑來(lái)清除其表面的氧化膜聚集，在回流焊過(guò)程中則需要使用氮氣來(lái)形成惰性氣氛，以避免此類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生。除此之外，焊接過(guò)程中還需要避免出現空隙，否則可能導致焊錫量不足，降低焊點(diǎn)可靠性。錫球的尺寸也至關(guān)重要，大小均勻的錫球有助于提高工藝效率。最后，錫球表面必須潔凈無(wú)污染，以防止枝蔓晶體（Dendrite）12生長(cháng)，上述這些現象都會(huì )增加故障率，降低焊點(diǎn)可靠性。

12枝蔓晶體（Dendrite）：一種具有樹(shù)枝狀形態(tài)的晶體，是自然界中常見(jiàn)的一種分形現象。

此前，錫球通常由錫合金（鉛錫合金）制成，因具有良好的機械性能和導電性。然而在被發(fā)現鉛對人體健康具有潛在危害后，鉛的使用開(kāi)始受到歐盟RoHS指令13等環(huán)境保護法規的嚴格監管，因此目前主要采用鉛含量不超過(guò)百萬(wàn)分之700ppm或更低含量的無(wú)鉛焊錫。

13RoHS指令：歐盟出臺的《關(guān)于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》（RoHS），旨在通過(guò)使用更安全的替代品，來(lái)替換電子電氣設備中的有害物質(zhì)，以保護環(huán)境和人類(lèi)健康。

本節將重點(diǎn)介紹兩種類(lèi)型的膠帶。第一種是用于將固體表面與同質(zhì)或異質(zhì)表面進(jìn)行永久粘合的膠帶。另一種是臨時(shí)粘合膠帶，如切割膠帶（Dicing tape）和背面研磨保護膠帶（Back grinding tape），它們可以通過(guò)內聚力和彈性來(lái)實(shí)現粘合或清除作用，這些膠帶所使用的材料被稱(chēng)為壓敏膠。

背面研磨保護膠帶貼在晶圓正面，作用是在背面研磨過(guò)程中保護晶圓上的器件。在背面研磨過(guò)程結束后，須將這些膠帶清除，以避免在晶圓表面留下粘合劑殘留物。

切割膠帶也被稱(chēng)為承載薄膜（Mounting tape），用于將晶圓穩固地固定在貼片環(huán)架上，以確保在晶圓切割過(guò)程中晶圓上的芯片不會(huì )脫落，因此，晶圓切割過(guò)程中使用的切割膠帶必須具備良好的粘合力，也必須易于脫粘。由于壓敏膠會(huì )對紫外線(xiàn)產(chǎn)生反應，因此在移除芯片之前，需要通過(guò)紫外線(xiàn)照射來(lái)處理切割膠帶，這樣可以減弱粘合力，便于移除芯片。過(guò)去，晶圓在經(jīng)過(guò)背面研磨后會(huì )直接貼附在切割膠帶上；然而，隨著(zhù)晶圓背面迭片覆膜作為芯片粘合劑的廣泛使用，如今，晶圓在經(jīng)過(guò)背面研磨后，會(huì )貼附在晶圓背面迭片覆膜和切割膠帶相結合處的膠帶上。

在芯片的電氣連接中，用于連接芯片與基板、芯片與引線(xiàn)框架、或芯片與芯片的連接引線(xiàn)，通常由高純度金制成。金具有出色的延展性，既可以加工成極薄的片材，又可以拉伸成細線(xiàn)，這些特性都非常有助于布線(xiàn)過(guò)程的開(kāi)展。此外，金具有良好的抗氧化性，因此相應可靠性也得到提升，同時(shí)卓越的導電性能又賦予其良好的電氣特性。然而，由于金價(jià)較高，制造成本也相對較高，因此在布線(xiàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì )使用較細的金絲，一旦拉伸過(guò)度便容易發(fā)生斷裂，這也限制了金絲的使用。為了解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)始將銀等其他金屬與金混合制成合金，同時(shí)也會(huì )使用鍍金銀、銅、鍍鈀銅、鍍金鈀銅等金屬材料。

目前，銅絲正在逐漸替代金絲，這是因為銅的可鍛性和延展性?xún)H略遜于金絲，同樣具備良好的導電性能，但卻具備明顯的成本優(yōu)勢。然而，由于銅易氧化，銅絲可能會(huì )在布線(xiàn)過(guò)程中或之后被氧化，所以與金絲布線(xiàn)不同的是，銅絲布線(xiàn)的設備采用密封模式且內部充滿(mǎn)氮氣，以防止暴露在空氣中的銅絲被氧化。

封裝和測試完成后，半導體產(chǎn)品會(huì )被運送給客戶(hù)。半導體產(chǎn)品包裝通常采用卷帶（T&R）包裝和托盤(pán)（Tray）包裝兩種形式。卷帶包裝是指將產(chǎn)品封裝放在帶有“口袋”的膠帶上，“口袋”的尺寸需與產(chǎn)品封裝尺寸一致，具體操作是將膠帶卷起形成一個(gè)卷軸，再將卷軸打包并發(fā)送給客戶(hù)。托盤(pán)包裝指將產(chǎn)品封裝放入一個(gè)專(zhuān)用托盤(pán)，然后將多個(gè)托盤(pán)堆疊起來(lái)，打包裝運。