IC 封裝模材表面沾黏特性之研究(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

IC 封裝模材表面沾黏特性之研究(I)

中

華

民

國 92 年 8 月 28 日

計畫編號：NSC 91-2212-E-006-081 執行期限：91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 主持人：李輝煌 國立成功大學工程科學系 計畫參與人員：黃聖杰 國立成功大學機械系 一 、 中 英 文 摘 要 關鍵詞：黏著效應 在電子構裝製程中，封膠材料在熟化成型過程中會與模具表面產生黏著的現 象，稱為黏著效應（Adhesive Effects），而黏著效應會影響到脫模作業過程，進 而可能會造成封膠失敗、生產良率降低與可靠度不佳等結果。在不影響現有模具 設計前提下，如何藉由適當表面處理製程及鍍膜選擇，來有效改善封裝生產線產 能，是目前產業界及研究單位所重視的主題。 本計畫在第一年已發展出一套有效量測電子構裝黏著力的量測技術，利用資 料擷取系統配合適當的機構，可以正確且有效的量測封裝材料與金屬模具表面的 界面黏著力量。下一步，就將此量測技術進行製程參數與界面科學之研究，發展 重點包括： 第二年：針對影響 IC 封裝模具與塑料膠體間黏著力之重要製程參數可控制 因子，進行因子效應的研究。我們將考慮各因子對黏著力的因子效應、因子與表 面處理之交互作用等工作事項，進而得知各製程參數控制因子對黏著效應的關 係。 第三年：在電子封裝生產線上，一般 IC 封膠模具在完成約五百到六百次的 封膠程序後，會因為黏著效應，而使得模具表面殘留硬化膠體與一些殘留物質。 因此我們將利用自行發展的量測技術，配合膠體且搭配 IC 構裝製程中的製程參 數來進行連續實驗，進行界面科學的研究，對模具表面進行一連串的表面分析， 並且觀察黏著力量的趨勢，希望可以找出黏著效應發生的原因，確實掌握清模時 機，甚至解決黏模問題。

Keyword: EMC, Mold Adhesion Force

In IC packaging, when epoxy molding compound (EMC) is filling the mold cavity and cured in the mold, adhesion occurs in the interface between EMC and mold surface. Too large an adhesion force can damage an IC and lower the yield rate. However, there was no report showing how to measure the mold adhesion force. In this project, we will use three years to develop an automatic EMC adhesion force measurement technologies. In the first year, a methodology for measuring EMC adhesion force test had been developed, and it can measure adhesion force between mold surface and EMC. Specific areas in the future for development are:

Second year:

By measuring the adhesion force, we can judge how much does a specific type of surface treatment help in reducing the amount of mold adhesion force. In this project, we also study the IC encapsulation mold adhesion force using Taguchi’s parameter design method. By using Taguchi’s method, we can determine what parameters are important for reducing the magnitude of adhesion force between EMC and mold surface.

Third year:

In IC encapsulation process, some residue substance will adhere to the mold surface after 500 to 600 shots. Using the EMC adhesion force test technology, one can measure the adhesion force between mold surface and EMC continuously. By

recording the adhesion force and analyzing the mold surface, we can understand more about what happened and key issues for mold adhesive effects in IC encapsulation process. 二 、 計 畫 緣 由 與 目 的 在電子封裝生產線上，一般 IC 封膠模具在完成約五百到六百次的封膠程序 後，常需要花費約 3~4 小時的時間來清理模具，因為黏模效應所殘留在模具表面 的硬化膠體與模具表面的殘留物質需加以清除。不乾淨的模具會影響封膠結果造 成封膠失敗，使得 IC 產品良率大大的降低。黏模力效應過大時，對封膠製程所 造成的不良結果有下列三點： 1.封裝成品在頂出時，需要較大的頂出力量才能退模，因此可能造成產品在頂出 時發生變形或破裂。 2.易使硬化的殘屑殘留在模具表面，影響產品良率。 3.造成清模次數過於頻繁，大大的降低生產效率。 封裝材料與模具的黏模問題一直是構裝業者及待解決的難題，尤其是在完成 封膠程序後，封裝材料因為黏模效應的影響，而造成硬化的封膠殘屑留在模具 內，極可能對下一次的封裝程序造成損害，因而產生封膠不良如斷線(breaking) 或短射(short shot)等現象。且 IC 產品在模穴內完成封膠程序後，成品需要利用頂 出機構完成退模的動作，而黏模效應將會阻礙封膠成品的退模過程，因此有效的 降低黏模力(adhesion)將是 IC 封膠重要的課題。 到目前為止，一般所知道有效降低封裝材料與模具表面黏模效應的方法有下 列三種。一種是在模具表面加上特殊處理，如在金屬模具進行表面鍍層處理或改 變模具表面性質，以改善模具與封裝材料的界面特性而達到減低黏模效應的效

果；第二種是在封裝材料中添加脫模劑，而達到減低黏模效應的效果；第三種方 法則是以改變頂出梢(ejector pin)位置的方式，以減低黏模效應在頂出過程中對 IC 產品作用力量不均衡所造成的破壞。三種方法中以第一種方法比較具未來性，也 是比較根本的辦法。但是目前標準量測 IC 中使用的環氧樹酯(epoxy molding compound)對不同模材黏模力的方法付之厥如，使我們無法有系統且科學化的得 知那一種處理是最有效的模材表面處理方法。因此，需要開發一套有效、精確又 能針對在不同條件下黏模力量的量測設備，以得到在封裝過程中模具表面性質與 各種製程參數對黏模效應的相關資訊。讓封裝製程人員能進一步改善製程的參 數，以提高生產的效率及產品良率。 所以本計畫研究目的在於針對產業界對 IC 封裝材料與金屬模具表面的界面 在封膠的過程中，因黏模效應而引起產品不良率問題，開發一套精確的自動化量 測黏模力量實驗設備，以期能對封裝材料與金屬模具表面的界面黏著力量進行連 續式量測。並對於影響黏模力的製程參數因子(Controllable Factors)，模具表面處 理方式、模具表面平均粗度、成型模穴環境溫度、膠餅充填壓力等因素，以田口 式實驗計畫法(taguchi methods)進行因子效應(Factor Effects)研究。另外對於製程 中模具表面的清理，希望藉由發展此套自動化的黏模量測設備，經實驗驗證以確 實掌握清模時機，進而增加產能，減少黏模效應所產生不良影響。 三 、 結 果 與 討 論 本計畫在第一年度已經完成此電子構裝黏著力量測機構的設計。其系統量測 機構的設計與整套量測系統包含下列幾項： l 模 壓 機 單 元 此套量測設備是採用一般傳統的立式模壓機為基本架構，但是其將原本的油 壓系統改為氣壓系統（合模力系統為增壓氣油壓缸其餘皆為氣壓系統），如附圖 （一）所示。 F 圖 （ 二 ） 系 統 示 意 圖 黏著界面面積 模穴 PLUNGER POT SPECIMEN SLIDE F1 合模力(增壓氣油壓 缸φ80×ST150) F2灌膠力(氣壓缸 150 80×ST φ )

l 模 具 單 元

模具單元的設計在本實驗設備中是相當重要的一環，整個單元包含模穴的幾 何形狀、Plunger 與 Pot 的配合尺寸精度以及加溫系統。

（A）模具幾何形狀

其模穴的幾何形狀我們稱之為排氣心型模組（Vent core mold），如圖（三） 所示，其設計的理念是為了避免封膠材料在成形區模穴中流動時在黏著界面上形 成包風（Air trap），進而影響黏著界面的實際量測面積，因此其設計成環狀傘形 流動區域，當在灌膠的過程中，自然將模穴中的空氣排除到環狀傘形區域末端， 而不會在黏著界面上形成包風而影響實驗結果。 圖 （ 三 ） 模 穴 形 狀 -排 氣 心 型 模 組 （B）Plunger 與 Pot 的配合尺寸精度 Plunger 與 Pot 的配合尺寸精度有關於灌膠壓力的穩定性，兩者配合過於緊 迫可能造成 Plunger 無法作動，亦可能相互磨擦損壞。如果配合太過於鬆散，則 可能在 Plunger 與 Pot 之間造成滲膠的現象。有鑑於此，本實驗設備是參照日本 TOWA 公司所設計之配合尺寸公差，並尋求台灣專業製造廠提供 KNOW-HOW 所製而成。在組裝時要特別注意的是，Plunger 在組裝後，其根部應是保持鬆動 的，理由是如此才能形成 Plunger 與 Pot 在灌膠的反覆動作中可產生自動對心的 功能，避免因為太多拘束而產生相互卡死的情況出現。 （C）模具溫度控制系統 本實驗設備所使用的溫度控制系統包含熱電偶(Thermocouple)與加熱器及 PID溫度控制器。以熱電偶精確的測量實驗環境實際溫度；利用高功率加熱器提 供實驗過程所需的熱量與提高實驗溫度；配合PID溫度控制器精確的控制實驗環 境溫度與維持在固定的數值，使實驗能在穩定的溫度環境下進行，避免實驗過程 中因為黏著界面成形環境溫度的不穩定，而使黏著界面的性質量測結果發生誤 差。 l 進料、下料機構

本設備之進料、下料機構總共要利用五個氣壓缸的動作配合，其機構的裝配 如圖（四）所示。 圖 （ 四 ） 進 料 、 下 料 機 構 裝 置 圖 l 控 制 系 統 本實驗設備的動作時序是利用可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱 PLC 來控制，其動作的流程如附圖（五）所示。 l 檢知裝置 檢知裝置包括灌膠壓力的檢知、模溫的檢知、預熱時間控制檢知以及膠體固 化時間的檢知，以上皆為本實驗主要的製程控制參數之一，為證實實驗數據的可 靠度，其檢知精度如下： (A)灌膠壓力檢知裝置

灌膠壓力檢知是採用 SMC-ISE40 數位壓力開關(Digital Pressure Switch)，其 精確度為 0.01kgf/cm2_。 (B) 模溫的檢知 在模具單元我們已經描述模具溫度的控制模式，利用高功率加熱器提供實驗 過程所需的熱量；配合 PID 溫度控制器精確的控制溫度，其感測溫度控制精度 為±20C。 (C) 膠餅預熱時間以及固化時間控制 以 PLC 精準控制時間，並結合人機介面操控，如附圖（五）所示。 氣壓缸 真空吸管 下料吸盤 模穴 線性滑軌 氣壓缸 氣壓缸 供料筒 夾料機器手臂 溫度控制及顯示

圖（五） 人機介面

l 資 料 擷 取 系 統 由於黏著界面因模具開模而受到應力破壞的情形都是發生在一瞬間，因此要 精確的量測到黏著界面破壞的資料，則必須使用較高頻率的資料擷取卡，而且又 因為黏著界面成形過程需要在 170℃～180℃的高溫下進行，因此為了要避免成 形環境溫度的影響，其量測系統也做了隔熱及絕緣的設計，並且也選用了高溫型 的單軸力計來作為量測之用。其實驗設備所包含的量測系統配備介紹如下： 1. 電腦：Intel Pentium II 350，64MB DRA

2. 作業系統：MS-Windows98 中文版

3. 程式語言：National Instruments-Lab VIEW 5.1 4. 資料擷取卡：PCI6034E

5. 單軸力計：KYOWA LTZ-200KA 6. 電壓放大器：KYOWA DPM-700B

整套系統包括結構本體、自動測試單元、加熱/絕熱系統設計、充模設計 (transfer pot & plunger)以及模具設計，結合成一套有效自動化的IC封裝黏著力測 試機目前已經製作完成，正在測試中，如附圖（六）所示。 圖（六） IC 封裝黏著力測試機實體圖 實驗流程與規劃 量測機構順利完成之後，隨即要進行實驗的規畫，所要進行的實驗大致分為 兩大部份，一部份是先針對會影響 IC 封裝製程的參數因子進行研究，以了解 IC 封裝封膠製程的各種製程參數對黏著效應的影響。另一部份為黏著界面科學的研 究，此部分則為第三年度計畫的執行重點。 第二年 1. 瞭解影響 IC 封裝模具與封裝封膠材料可控制之製程參數因子中各因子的因 子效應與關係，以便作為封裝材料、封裝機器或封裝製程改良的參考。

2. 完整的記錄實驗數據，建立一組 Data Base，以供日後料商或製程工作人員的 參考 3. 由所測量出的數值來建立一套有用的模型，並且瞭解各因子的貢獻度，以為 日後封膠製程設計的參考。 第三年 1. 找出黏著效應的趨勢，以及有效降低黏著效應的方法。 2. 瞭解模具表面的變化，來推估最佳清模時機，增進生產效率。 3. 瞭解黏著的機構，找出改善模具表面殘留物質的方法。 4. 讓所發展的量測技術，可以進一步應用在其他相異物質界面間黏著力的量測。 四 、 計 畫 成 果 自 評 1. 本研究之內容與進度皆在原計畫的規劃之中，實驗設備已經完成，並開始進行 測試。其測試結果，如附圖（七）所示 表面粗糙度 表面處理 模具溫度 灌膠壓力 預熱時間 固化時間 Ra2.0 電鍍硬鉻 160 ℃ 75 kgf/cm2 _{15 sec 150 sec}

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 1 6 11 16 21 26 31 36 Experiment Number Adhesion Force (kgf) Experiment Data Average 圖（七） 測試實驗數據 由測試結果得知，在同樣的製程參數下所進行之實驗，其平均值在 68.01 kgf，標準偏差 3.25 kgf。由此可明顯的獲知，此設計開發出的 IC 封裝黏模測試 機，是一部相當穩定而且其所量測的數據是值得信賴的機器，對於日後的實驗工 作，提供了相當大的可靠度。 此項設備與技術發展若能成功，對於國家與工業將有重大的貢獻。因為封裝 材料與模具的黏模問題一直是構裝業者急待解決的難題，至今仍然沒有一套量測 的設備以及參考的數據，因此若是此計畫能夠順利完成，不僅對於解決封裝黏模 問題有幫助，而且還可提升廠商的競爭力。在學術與技術發展上，這些技術目前 並沒有任何人討論到，因此若能成功完成計畫，則在技術與學術上都能有很多創 新與貢獻。人員的訓練方面則可以為國家培養 IC 封裝製程、機械設計、機構設 計與量測的人才，對於提升國家競爭力有很大地幫助。

五 、 參 考 文 獻

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