CAE分析：IC封装模具上浇口对充填及金线偏移的影响

前言

随着集成电路(IC)封装产品需求量的日益提升，推动了电子封装产业的蓬勃发展。而电子制造技术的不断发展演进，在IC芯片「轻、薄、短、小、高功能」的要求下，亦使得封装技术不断推陈出新，以符合电子产品之需要并进而充分发挥其功能。IC封装的制程如下[1、2、3]：

晶圆研磨(Wafer Back Grinding)：将加工制造完成之晶圆(Wafer)，研磨至适当之厚度，以配合产品结构之需求。

晶圆切割(Wafer Saw)：将研磨后的晶圆，置放于粘着带(adhesive tape)上固定，称为芯片移置(Wafer Mount)，再用长方柱刀(Dicing Blade)切割成独立小片称为芯片(Die或Chip)。芯片正面用来黏贴进出电讯信号(I/O)，背面则用来作为和导线架(Leadframe)黏接。

黏晶(Die Attach)：通常用银胶或粘着带将晶片黏着于芯片背面端的晶垫(Paddle)上，然后再黏于导线架之上，将芯片固定住。导线架具有提供电力及传讯等目的。

焊线(Wire Bonding)：在芯片正面端黏上电讯信号I/O垫片(Pad)，再利用焊线(打线)技术将金线(Gold wire)连接I/O和导线架，连接之后电子讯号便得以传输。

芯片涂胶(Die Coating)：在芯片表面涂上一层硅胶，以防止芯片受封胶树脂内某种成分之干扰或机械∕热应力之影响，而造成间歇或永久性能力丧失。

封胶(Molding)：利用移转成形(Transfer Molding)产生塑料实体以保护IC芯片，此即为 IC封装(IC Package或IC Encapsulation)，而模穴会随着实体的大小或导线架脚数(Leadcounts)的不同而改变。封胶可以有效的保护及固定芯片，提供散热路径，并防止湿气和灰尘的入侵。

盖印(Marking)：在封装表面印上型号、序号或是公司名称，以利辨识。雷射打印(Laser Marking)为最常用的打印技术。

引线架清洗（Lead Finish）：保护引线架之引脚不受氧化、污染外，并可提供良好之焊接性。

去边与成型(Trim/Form)：切割封装成品多余的外引脚，完成产品所需外引脚的封装形态，此时的组件便可以安装于主板(Print WireBoard，简称为PWB)上了。

检测(Inspection)：当上述步骤都完成了之后，最后就是要将封装好的组件做检测，以防止有不良品。典型的检测包括拉力、剪力、温度、压力测试等。

IC元件大多利用移转成形(Transfer Molding)来进行封装(封胶)。所谓的移转成形就是先将要填充的热固性塑料(在此为环氧树酯，通称为EMC，Epoxy Molding Compound和其填充剂、硬化剂等)的晶粒先在预热箱中预热一段时间，等达到某一温度(约90℃)的时候，利用导螺杆加压传送，将已经是融熔状态的胶料射出，经流道(Runner)、浇口(Gate)，最后到达模穴(Cavity)，而充满整个模穴，待经过约170℃的模温加热胶化定形之后，即完成封装的封胶程序[2]、[4]。

转移成形制程的IC组件封装过程中，经常会发生短射、流动不平衡、包封、溢胶、毛边、翘曲、黏模、剥层、芯片倾斜或金线偏移(Wire Sweep)等问题[4]，而导致成品的失效，其中又以金线偏移为转移成型制程当中最主要的缺陷。

发生金线偏移的原因有1.封装过程中，融胶填充时对金线的拖曳力(Drag Force)，2.气泡的移动，3.导线架变形(Leadframe Deformation)，4.充填物的碰撞，5.过保压/太晚保压(Over Packing/Late Packing)。而最主要且常见的因素是融胶填充时对金线的拖曳力；充填阶段若模穴内融胶黏度(Viscosity)过大或流速过快，则金线偏移量也会随之增大。若偏移量过大将使得相邻金线相互接触、接点断裂或金线与芯片相接触，而造成IC成品短路及损坏[2]。当IC组件朝向高密度与薄型组件的趋势发展时，金线偏移问题的解决更为重要；此现象尤其对于高脚数及薄型的封装体而言为极严重之缺陷[2]。随着IC薄化和多脚化的趋势，此问题更显的重要，是一个急需要克服的难题。

从文献中探讨金线偏移问题，Nguyen[6]使用2维模流分析软件C-MOLD来仿真流场，计算出充填过程中金线所受的流动阻力，更针对金线的排列、模穴位置等因素做仿真求出变形量。Tay等人[7]利用有限元素法来仿真计算2-D金线的流速分布及所受到的负载。Nguyen[8]利用能量法推导出拋物线形的金线受流动阻力作用时，金线产生变形的变形方程式。Nguyen与Lim[9]使用14条金线来进行金线偏移实验，并针对不同的模穴几何形状、金线结构(如半径、长度和位置等)、金线材料(性质)作金线偏移作分析。Tay等人[10]假设流场是Creeping Flow，用流阻力公式计算阻力，再使用有限元素法计算金线偏移量。更针对不同尺寸的金线作模拟，以获得其与金线偏移的关系。

CIMP(Cornell Injection Molding Program)曾作一系列的金线偏移研究[11-16]，Han和Wang[14]利用二维的数值分析模式，仿真流体在圆柱形的金线周围流动，并假设金线介于两无限长的模壁之间，以计算作用于金在线的拖曳力；并提出三个步骤的金线偏移分析流程－整体流场分析、局部流场分析(计算拖曳力)以及结构分析(计算金线偏移量)。Han和Wang[16]对一模多穴的封装进行模流分析，得知流道平衡、金线的外形和高度对偏移的影响。Wu和Tay[17]应用边界积分法模拟26条金线的三维金线偏移。Chai和Zohar[18]针对打线密度、模穴高度、流率和浇口大小进行研究。裴[19]使用模流软件(C-MOLD和Moldex3D)，曾[2]运用模流软件(MOLD-FLOW)，刘[5]使用模流软体(MPI,Moldflow Plastics Insight)，吴[20]使用二维模流软件Moldex来对IC封装进行模流模拟，再用金线变形分析软件(ANSYS)来进行金线的偏移量，文中多针对加工条件、金线形状讨论，故本文将针对浇口位置和大小形状对金线偏移量作探讨。

本文的IC封装成品，以绘图软件(Pro-E或Rhino)及有限元素网格软件(Inpack或Rhino)建立成品的网格，配合模流分析软件（Moldex3D-RIM）、金线偏移分析软件（InPack）和结构分析软件（ANSYS），共同组成一套完整的IC芯片封装及金线偏移之计算机辅助绘图及设计(CAD/CAE)的分析解决系统，来仿真分析IC封装模具上材料充填及金线受力偏移的情形。

理论分析

IC封装过程造成的金线偏移主因是熔融的热固性塑料(EMC和其填充剂、硬化剂等胶料)充满模穴时,因流速和黏度太大,对金线造成的拖曳力过大而偏移。

Moldex3D-RIM模流分析中溶融塑料的三维流动支配方程式[21,22]，包括:

质量守恒的连续方程式(Continuity Equation).

案例分析

1.产品介绍

本文采用QFP金线接脚的，其成品如图1、2所示，包含金线、芯片、导线架及封装体。分析成品模型之尺寸如图3所示，封装体之长宽为19.7mm×13.7mm，上下厚度各为1.3mm，芯片厚度为0.3mm，芯片之长宽尺寸均为2.5mm，导线架厚度为0.15mm。

图1.(a)封胶前成品，(b)封胶后成品照片

图2.成品简图[2]

图3.产品尺寸图(单位：mm)[Rhino]

2.网格模型

目前利用InPack作网格，网格总数190,976个。

3.浇口设计

本次专题主要分析是改变浇口位置及形式来探讨对充填及金线偏移的影响，设计三组不同的浇口位置如图4所示，及两组不同的浇口形式如图5、6所示，浇口设计的CAE分析案例有四种如表1所示。

图4.三种不同浇口位置案例

图5.浇口形式1[InPack]

图6.浇口形式2[InPack]

4.金线设计

此IC共有68支金线接脚的QFP产品，封装体内之产品图和金线分布情形及金线编号如图7所示，金线线径25μm，金线尺寸如图8及表2所示。

图7.金线编号[InPack]，分析结果编号2、19、36、53的金线偏移量偏大

图8.金线尺寸[InPack]

5.使用材料

封胶体利用EMC-1材料填充，材料性质参考Moldex3D材料檔，金线性质如表3所示。

6.加工条件

首先在InPack做预先条件分析(Pre-Conditioning)，计算出预热14秒时塑料的温度及转化率的关系。室温下料温为25℃、预热器模温为170℃，计算出预热后平均料温约为121℃。

Moldex3D加工条件设定如表4所示。

7.CAD/CAE分析步骤

绘出产品图：利用Pro-E或Rhino绘出封胶体、金线、导线架和芯片图

预先条件分析(Precondition Analysis):利用InPack或Rhino作网格处理、浇口和流道设计、金线摆设、以及用InPack作预热模拟，计算出在浇口塑料的温度和转化率。

整体流场分析(Global Flow Analysis):使用Moldex3D-RIM来模拟塑料充填过程，求得塑料的压力、温度、及转化率分布情形。

局部流场分析(Local Flow Analysis):

将Moldex3D所计算出各金线附近塑料的速度及黏度值，汇入InPack里，计算出熔胶对金线的黏滞拖曳力，再转换成ANSYS檔。

结构分析(Structure Analysis):

将InPack汇出的檔，汇入ANSYS做分析，以计算出金线偏移量。

结果与讨论

这次分析中我们用同样的加工条件、网格模型及塑料材料，以不同浇口位置和形式来进行IC封装的充填分析，探讨对金线偏移量的影响。

经由Moldex3D-RIM模流分析得到熔融热固性塑料的填充结果如下:

1.流动波前(Advancing Melt Front)

（1）进浇口在1的位置(Run1):

a.如图9所示上下模的流动波前在15及38％时尚未平衡。

b.上下模的流动波前在58％(金线和芯片区处)和97％时已平衡(如图10)。

c.充填末端位于成品的右方（如图10黑色圈所示），此位置应考虑有逃气孔的设计，以免胶料无法填满。原始设计的流动长度较长。

图9.Run1流动波前15~38％，上下模流动波前不平衡[Moldex3D]

图10.Run1流动波前58~97％上下模流动波前已平衡[Moldex3D]

（2）进浇口在2的位置(Run2):

a.上下模流动波前在18％和60％(已过芯片-金线区)处均未平衡，故易造成晶垫位移和线-晶短路。晶垫位移乃因上下模流动波前不平衡，在芯片处上下压力不同所形成。而晶垫位移太大就形成线-晶短路。上下模流动波前过了金线区才平衡(如图12所示)，流动长度较原始设计短。

b.包封区有2处(如图11圆圈所示)，乃因上下模流动波前不平衡造成。c.充填末端位于成品的右方(如图12黑色圈所

示)。

图11.Run2流动波前18％~60％上下模波前不平衡[Moldex3D]

图12.Run2流动波前70~97％[Moldex3D]

（3）进浇处在3的位置(Run3):

a.上下模流动波前从头到尾都不平衡(如13、14图所示)易造成晶垫位移和线-晶短路，流动长度最短。

b.包封区有3处(如14图圆圈所示)。

c.充填末端位于成品的右方(如14图黑圈所示)。

图13.Run3流动波前30~73％[Moldex3D]

图14.Run3流动波前80~95％[Moldex3D]

4）进浇处在2的位置(Run4):

改变浇口形式，上下模流动波前跟变更设计的Run2差不多，故易造成晶垫位移和线-晶短路。

2.压力分析

由压力分析比较，这四组的最大射压分别为0.033、0.032、0.029和0.027Mpa，其压力差异不大，流动长度Run1＞Run2＞Run3，Run1流动长度较长所以压力会比较大些，而Run4跟Run2差在浇口的形式，Run4的浇口截面积比Run2大，故浇口压力比Run2的低。

3.温度分布

由温度结果如图15所示，浇口附近的塑料材料温度皆较低，故塑料填满时，浇口附近的料才刚填充，被模具加热时间较短，故温度较低，相对其黏度也较大。Run3的浇口最接近金线处，故其黏度也最大，对金线的拖曳力也相对最大。

图15.Run1温度分布[Moldex3D]

4.转化率分布

由转化率结果如图16所示，由图看到浇口附近的料在填满时才刚填入，被模具加热时间短，故转化率也最低。而流动波前末端，被模具加热时间最久，温度最高，转化率也最高。这四组的结果最大转化率分别是15.548％、15.550％、15.531％及15.566％差异不大，除了Run3的流动长度较短，分布跟其他三组有些许的不同，但转化率的影响在于时间，故改变浇口位置及形式，对转化率没有甚么影响。

图16.Run1转化率分布[Moldex3D]

5.金线偏移分布

经由图17~21看出，其中第2、19、36和53条金线的偏移量偏大，即在芯片的角落处。此处金线和封装材料融胶流动波前方向一致，其正向压力造成的黏滞拖曳力是整组中最大的，显示金线偏移量随位置而异，在芯片的角落处，金线偏移量明显较大。

图17.Run1金线偏移分布[InPack]

图18.Run2金线偏移分布[InPack]

图19.Run3金线偏移分布[InPack]图

20.Run4金线偏移分布[InPack]

图21.四组分析的金线偏移结果图

由金线偏移结果图21和表5~7所示，得到Run1这组塑料充填到金线时黏度最小，所以造成的金线偏移量为四组中最小的一组；Run2跟Run4的浇口位置是一样的，塑料充填到金线时黏度大致一样，因Run4的浇口截面积比较大，压力较低，所以金线偏移量比Run2小；Run3这组塑料充填到金线时，因浇口接近金线，温度最低，黏度最高，由Lamb’s Model公式知，Run3雷诺数小，造成拖曳系数及拖曳力最大，所以造成的金线偏移量也最大。故最大值发生在Run3，接近浇口的芯片角落处的金线中点位置。

结论

从以上的分析结果来看，改变浇口位置及形式经由分析，结果发现位置不佳时如Run3，上下模流动波前不平衡，易造成包封、晶垫位移和晶片-金线间短路等缺陷。

造成金线偏移最主要的原因是塑料接触到金线的拖曳力。在芯片的角落处，金线偏移量明显较大，因其正向压力造成的黏滞拖曳力是整组中最大。充填时熔胶温度越低，黏度越大，拖曳力就大，偏移量就会越大。故浇口离芯片的角落越近如Run3，金线偏移量越大，最大的金线偏移就发生在浇口离芯片角落处近的金线中点位置。建议浇口选择离金线区域较远处如Run1，这样塑料充填到金线时黏度才不会大，金线偏移就会比较小。

参考文献

1. 陈碧森,<精密塑料模具设计讲义> , (亚东技 术学院机械工程系, 2003)。

2. 曾永裕, , (国立 成功大学机械工程研究所，硕士论文, 2003)。

3. < 电 子 塑 胶 封 装 之 简 介 > ， http://plastic.me.ntu.edu.tw/lab/％A6h％B4C％ C5％E9％ADpB5e97/r2/introduction.htm。

4. 许嘉 翔， < 微电 子组件塑 胶封装概 论 >,http://www.coretech.com.tw,davidhsu@coretec h.com.tw，1998。

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