引線框架貼膜工藝在QFN封裝制程中的應用

鄭嘉瑞，肖君軍，周寬林，胡 金

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

全球半導體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及我國半導體產(chǎn)業(yè)的進步，以中芯國際為代表的晶圓制造廠的產(chǎn)線興建與擴建，半導體封測行業(yè)持續(xù)發(fā)展，半導體封測裝備需求快速增長，從2020年開始，我國已經(jīng)成為全球最大半導體裝備市場。半導體裝備作為半導體產(chǎn)業(yè)鏈上必不可少的一環(huán)，受到國家和各級地方政府部門的大力鼓勵和支持，國產(chǎn)替代趨勢給國產(chǎn)封測裝備進一步發(fā)展提供機遇，解決好各個裝備的關鍵工藝和技術問題，國產(chǎn)封測裝備發(fā)展空間巨大。

半導體引線框架貼膜裝備應用于QFN封裝制程中，在引線框架的背部貼膜是為了防止在進行框架塑封時的塑封料透過溢出。

1 QFN封裝

由于半導體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，其應用在新型電子封裝領域快速發(fā)展。QFN是一種方形無引腳的表面貼裝的封裝形式，是目前中高端半導體集成電路封裝的主要封裝技術形式之一。常見的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引線框架背部進行貼膜工藝，以防止在進行塑封(Molding)工藝時樹脂從框架鏤空縫隙中擠出、泄漏而造成溢料的問題，從而造成封裝不良品產(chǎn)生。在這種半導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，也有稱前貼膜為預貼膜[3]。

常見的QFN引線框架和相應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平整地貼附在引線框架的背部表面，貼附完成后無肉眼可見的氣泡，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引線框架進行貼膜的工藝，這種工藝大多是在半導體引線框架廠完成，完成貼膜后的框架出售給半導體封測廠使用，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，引線框架預先平放并由真空吸附固定在貼膜平臺上，貼膜模組從框架的短邊一側(cè)開始，由貼膜滾輪逐步滾貼到另一側(cè)短邊，在貼附過程中可有效地控制貼附層氣泡的產(chǎn)生，完成整個貼附的工作[4]。

對于封測公司來說，前貼膜工藝的優(yōu)點是設備成本降低，無貼膜工藝，不用購買貼膜設備。其缺點表現(xiàn)在三個方面，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，容易導致焊線不良；還有就是貼膜容易產(chǎn)生褶皺，塑封時溢料風險高。

2.2 后貼膜工藝

后貼膜是在焊線之后對引線框架進行貼膜的工藝，這種工藝是在半導體封測公司完成。為了提升貼膜質(zhì)量減少異物等影響，在貼膜之前還要對引線框架進行等離子清洗。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吸附住，搬運模組的上料機械手夾住引線框架，從正上方下降到貼膜位置，引線框架和薄膜面對面加壓貼附，完成貼膜動作，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：由于是后貼膜，對工廠本身的固晶和焊線工藝幾乎沒有影響；同時克服了前貼膜工藝的缺點。對封測公司而言，缺點是設備投入成本增高。

3 前貼膜和后貼膜裝備對比

根據(jù)前、后貼膜工藝的不同，貼膜裝備的設計結(jié)構組成也不同。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硬式的正上方框架對準膜進行下壓貼膜，先貼膜，再烘烤貼膜后的框架，引線框架正面朝上。目前主要半導體QFN貼膜裝備公司的產(chǎn)品性能指標如表1所示。

表1 半導體QFN貼膜裝備公司產(chǎn)品性能指標

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香港ASM公司、韓國Hanmi公司和日本I-PEX公司的產(chǎn)品為主。

針對前貼膜工藝，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備替代了進口設備；針對后貼膜工藝，應用場景是半導體QFN封測公司，深圳聯(lián)得也推出了相應的后貼膜設備，貼膜前采用機器視覺對位，實現(xiàn)高精度后貼膜的工藝要求，貼膜精度可達到±0.1 mm。對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造成封裝溢料[6]。

5 貼膜應用及趨勢

QFN封裝的貼膜工藝主要是為了解決溢料問題，但是也帶來了一些其他問題。框架背部的貼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，針對這些問題，可采取選用合適的貼膜材料、采用專門的撕膜機等作為對應的解決方案。

半導體QFN封裝貼膜工藝是封裝生產(chǎn)過程中必要的環(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，QFN引線框架膠膜價格的持續(xù)增長，甚至超過了一條框架的價格，加上焊線機上對銅線工藝的廣泛采用，后貼膜工藝的工藝優(yōu)勢和價格優(yōu)勢逐漸凸顯，促使新建的封測廠開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先貼膠膜的工藝。

6 結(jié)束語

近年來，QFN封裝已經(jīng)成為應用最廣、增長最快的主流半導體封裝形式之一，擴建和增建封裝生產(chǎn)線眾多，對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，對國內(nèi)引線框架貼膜裝備及其趨勢也進行了簡要分析，有利于加深半導體QFN封裝的貼膜工藝了解以及促進QFN封裝生產(chǎn)質(zhì)量更好的提升和完善。