用于薄型陣列QNF及BGA覆膜式封裝模具技術探討

陳昌太

（安徽大華半導體科技有限公司，安徽合肥230001）

1 現狀

QFN、BGA封裝產品主要應用于電腦CPU、手機芯片、人工智能處理器等中高端芯片封裝領域。區別于傳統的引腳式封裝，QFN和BGA屬于表面貼裝式、高密度表面封裝技術，單位面積內芯片密度更高，如可以使計算機中的DRAM內存在體積不變的情況下內存容量提高2～3倍；引腳短抗干擾能力更強，可靠性也大幅提高，寄生參數減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高；芯片面積與封裝面積之比接近1∶1的理想情況，因此QFN、BGA封裝有更加快速、有效的散熱途徑，適合超大規模集成電路的芯片封裝。相較傳統的TSOP、LQFP封裝，體積更小、重量更輕，加上杰出的電性能和散熱性，更適用于便攜小型電子設備的高密度印刷電路板上，是未來半導體封裝的主流。

隨著我國智能制造2025的推進，對集成電路芯片的需求越來越高，目前我國高端芯片主要依靠進口，很容易被西方國家“卡脖子”。有鑒于此，國家出臺相關政策大力支持高端集成電路芯片的研發、設計及制造，而高端芯片的封裝，主流采用QFN、BGA的封裝形式。目前我國QFN、BGA的封裝系統及模具主要依賴于進口，國內以大華半導體為代表的封裝設備制造商已在研發用于薄型QFN、BGA封裝的全自動封裝系統及模具，本文根據薄型QFN、BGA的覆膜式封裝模具的研發經歷，淺談薄型QFN、BGA覆膜式封裝模具結構特點及設計要點。

QFN、BGA厚 度 在0.5mm以 上 ，如QFN0.55、QFN0.75、QFN1.0等，通常采用1～4個小BLOCK形式封裝，塑封體膠體較厚，強度較高，封裝后變形相對較小，可以采用常規結構的塑封模具進行封裝，少數的國內模具制造商已可以設計生產。但對于薄型QFN、BGA系列0.5mm厚度以下的產品，且采用1個大BLOCK形式封裝，如QFN0.45、QFN0.37、柔性基板BGA等，目前很少有廠家可以設計制造此類封裝模具。因膠體厚度越薄，單個基板只有一個型腔，對成型的工藝參數要求也越高；膠體厚度太薄，無法設計產品型腔頂桿，因容易將產品頂開裂；1個大BLOCK體積較大，難以快速排氣；基板厚度一致性較差時等不利因素，采用常規結構的模具封裝時，就會出現塑封體開裂，充填不滿，溢膠等產品缺陷，如圖1所示。這時就需要增加輔助抽真空，加快充填時的排氣，以及使用覆膜封裝進行輔助脫模，從而解決傳統封裝無法解決的上述缺陷問題，如圖2所示。

圖1 常規厚度QFN無覆膜式封裝缺陷（頂桿缺損及注不足）

圖2 薄型陣列覆膜式封裝的QFN產品

2 覆膜式封裝模具技術要點

一種薄型QFN、BGA覆膜式封裝模具，包括模架、模盒、注射部件、真空回路部件。模架包括上模架和下模架，模具有上、下模盒組成。上下模架采用抽屜式設計，方便上、下模盒的更換和安裝，上模架吊裝在壓機上臺面，下模架安裝在壓機下臺面。壓機下臺面的上下移動，實現模具的開閉。封裝產品時，合模前在上、下模盒中間放置一層耐高溫導電薄膜，導電薄膜通過滾輪機構，由伺服電機進行等張力控制，實現覆膜收卷和放卷，完成廢膜的收集和新模的放置。上模盒型腔表面周邊設計多個均勻排布的吸附孔，通過系統提供的真空，使薄膜平整附著在上模型腔內。模具每開合一次，薄膜就往前移動一個模盒長度，換上新膜，如此循環。生產時，引線框架是放置在下模模面，由模面上的定位針與引線框架上的定位孔定位保證擺放位置，下模盒成型鑲件表面也設計多個均勻的真空吸附孔，當引線框架準確落位后，通過真空吸附保證框架平整。薄型QFN、BGA封裝，型腔設計在上模，型腔深度不超過0.4mm，個別品種深度只有約0.2mm，型腔內不設置脫模頂桿，設置脫模頂針易使產品開裂和分層。覆膜式封裝模具在壓機上使用狀態如圖3所示。

圖3 薄型陣列QFN、BGA覆膜式封裝模具開模狀態

技術要求：

（1）上真空圍板通過鉸鏈與上模板固定，側面設置限位連桿，在完全落下時，只能開合一定角度，在開模狀態時更換上模盒，避免真空圍板垂下時碰到下模面，防止碰傷模面，但開合角度要滿足上模盒的拆卸。

（2）下真空圍板通過鉸鏈與下模板固定，側面設置限位連桿，在完全抬起時，只能開合一定角度，并設有自鎖擋塊。在開模狀態時更換下模盒，真空圍板抬起時不會碰到上模面，以免碰傷模面。但開合角度要滿足下模盒的拆卸。

（3）下模模面開設0.003～0.006mm真空避讓空間，避讓空間與外部開設0.03～0.05mm深的排氣槽，因薄型QFN、BGA引線框架背面有貼膜固定芯片，此結構可避免合模時引線框架下面殘留空氣，導致因引線框架合模不平產生的溢料。

（4）上成型鑲件設有環形氣槽，環形氣槽彼此連通，進氣口設置在環形氣槽底部的中央，保證氣流均勻，防止抽真空時氣流不均，產生覆膜變形，阻礙樹脂流動。上真空圍板表面安裝密封圈，合模時上下真空圍板把整個模具包含在內，形成一個密閉的真空罩，保證高真要求。

（5）下成型鑲件下面設有調節墊片，可根據不同的引線框架或基板厚度，更換不同的墊片，調節引線框架或基板的預壓量。在下成型鑲件調節墊片下方，設置有調節彈簧，用來自動微調引線框架或基板自身厚度的差異，保證合模時引線框架表面或基板表面壓力均勻，防止產品溢膠。根據產品要求，基板類的抗壓強度在520MPa。

3 應用創新

（1）下成型鑲件設計真空負壓吸附孔，兩個下成型鑲件通過兩個獨立的真空回路控制，保證不互相干涉，確保真空效果。

（2）薄型QFN、BGA覆膜式封裝模具的腔體尺寸大，樹脂面積較大、厚度薄，封裝產品收縮變形大。可把上模模腔下的支撐柱設計成高低尺寸分布，提高塑封后產品的平整性，降低應力存在。

（3）上模型腔的注膠口側設置儲料井，末端設置冷料穴，樹脂多選用小直徑樹脂餅，便于樹脂吸熱熔融，提高產品有效區的封裝密實性。上模型腔深度較淺，型腔內不設置頂針脫模，使用材料為耐高溫、具有自身潤滑的UV膜輔助封裝，塑封后通過系統對薄膜的牽引讓產品自動脫模，薄膜與整個上成型鑲件表面附著，接觸面積大，樹脂不與上模型腔面直接接觸，所以產品脫模順暢，模具也不需要進行洗模，即可隨時滿足生產需要，即節省生產成本，也提高了生產效率。

（4）通常常規模具，鑲件型腔是與樹脂直接接觸，長期使用，模面會臟，脫模性就不好，所以常規產品，生產到300模左右時，需要用洗模膠條對模面進行清潔，清潔一次通常會花費一個多小時和數千元的洗模膠條成本。而覆膜模具可以完全避開這一缺陷，這對于薄型QFN、BGA這類的封裝產品，具有更大的優勢，而在QFN、BGA中，產品總厚小于0.5mm薄型陣列芯片，若采用常規封裝方式，質量是完全不能滿足。

4 總結

薄型陣列QFN、BGA覆膜式封裝模具可以滿足高端芯片薄型封裝，覆膜式封裝模具結構簡單，便于清理和維護，成型腔體無成型頂針，脫模順暢，不需要清洗模具，因樹脂不和鑲件直接接觸，也大幅提高了模具的使用壽命、生產效率、降低了生產成本，是未來高端芯片封裝主流形式。