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
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2212-E-006-097- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學工程科學系（所） 計畫主持人： 李輝煌 共同主持人： 黃聖杰 計畫參與人員： 李輝煌、黃聖杰、張祥傑、李文宏 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 24 日
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 成 果 報 告
□期中進度報告
IC 封裝模材表面沾黏性之研究
計畫類別：□ 個別型計畫
□ 整合型計畫
計畫編號： NSC93－2212－E－006－097
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：
李輝煌
共同主持人：
黃聖杰
計畫參與人員：李輝煌、黃聖杰、張祥傑、李文宏
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)： □精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：
中
華
民
國
94 年
10 月
20 日
計畫編號：NSC93－2212－E－006－097 執行期限：93 年 08 月 01 日至 94 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） 計畫中英文摘要 關鍵詞：黏著效應（Adhesive Effects） 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。本計畫將使用三 年的時間發展一套電子構裝黏著力的 量測技術並且進行界面科學的研究，發 展的重點包括： 第一年：針對產業界對封裝材料與 金屬模具表面間的界面因黏著效應所 面臨的各種製程問題，發展一套有效量 測黏著力量的量測技術，以期能對封裝 材料與金屬模具表面的界面黏著力量 進行有效的量測，並且配合適當的量測 機構，可以正確的量測出界面黏著力量 的大小。 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. Specific area for development are:
First year:
Design and fabrication of an automatic EMC adhesion force test instrument that will measure adhesion force between mold surface and EMC continuously.
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 residual substance will adhere to the mold surface after 500 to 600 molds. Using the automatic EMC adhesion force test instrument to measure the adhesion force between mold surface and EMC continuously. By recording the adhesion force and analysing the mold surface, we can find out the issue which results in the mold adhesive effects in IC Encapsulation Process. (二) 研究計畫背景及目的 隨著 IC 產品需求量的日益提昇， 推動了電子封裝產業的蓬勃發展。而電 子製造技術的不斷發展演進，在 IC 晶 片「輕、薄、短、小、高功能」的要求 下，亦使得封裝技術不斷推陳出新，以 符合電子產品之需要並進而充分發揮 其功能。封裝之目的主要有下列四種： 1. 使晶片與電子系統連接，並確保電 性功能。 2. 保護晶片避免受到如離子、塵粒及 濕氣等外在環境因素影響而造成晶 粒破壞或失效。 3. 增強產品機械及物理性質，並支持 導線及晶片。 4. 有效的將晶片在運作時所產生的熱 量藉由導線架、封膠材料及散熱片 導出。 當下所有電子產品皆以「電」為能 源，然而電力之傳送必須經過線路之連 接方可達成，IC 封裝即可達到此一功 能。而線路連接之後，各電子元件間的 訊號傳遞自然可經由這些電路加以輸 送。電子封裝的另一功能則是藉由封裝 材料之導熱功能將電子於線路間傳遞 產生之熱量去除，以避免 IC 晶片因過 熱而毀損。最後，IC 封裝除對易碎的 晶片提供了足夠的機械強度及適當的 保護，亦避免了精細的積體電路受到污 染的可能性。IC 封裝除能提供上述之 主要功能之外，額外亦使 IC 產品具有 優雅美觀的外表並為使用者提供了安 全的使用及簡便的操作環境。 IC 封裝製程簡介 IC 封 裝 依 使 用 材 料 可 分 為 陶 瓷 （ceramic）及塑膠（plastic）兩種，而 目前商業應用上則以塑膠構裝為主。以 塑膠封裝中打線接合為例，其步驟依序 為晶片切割（die saw）、黏晶（die mount / die bond）、銲線（wire bond）、封膠 （mold）、剪切/成形（trim / form）、印 字 （ mark ）、 電 鍍 （ plating ） 及 檢 驗 （inspection）等。
IC 模具黏著效應簡介 在封膠(Molding)程序中，先將封裝 材 料 （ 環 氧 樹 酯 ； Epoxy Molding Compound，以下簡稱 EMC）製成的膠 餅 預 熱 ， 再 投 入 封 膠 設 備 (Transfer-Molding Machine) 的 轉 移 缸 (Transfer Pot)內；在轉移缸內受到溫度 的影響下，膠餅在轉移缸中開始發生化 學反應及快速軟化，封膠設備則以柱塞 (Plunger)對軟化的膠餅開始加壓，使其 沿著模具的流道(Runner)流入模穴，充 填整個模穴並包覆電子晶片。封裝材料 在模穴內完成包覆電子晶片的過程，再 經過後熟化處理(Post Curing)達到適當 的熟化程度及硬化，開啟模具將成品頂 出模穴以取得成品，完成封膠的程序。
EMC（Epoxy Molding Compound， 環氧樹酯）在模穴內高溫高壓的環境 下，完成包覆電子晶片、成形、硬化的 過程中一直與模具表面保持緊密的接 觸，而與模具的接觸界面產生黏著現 象，稱為黏著效應。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，因為黏著 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 著力效應過大時，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著問題一直 是構裝業者及待解決的難題，尤其是在 完成封膠程序後，封裝材料因為黏著效 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或短 射等現象。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，而黏著效應將會阻礙封膠 成品的退模過程，因此有效的降低黏著 力將是 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著效應的方法 有下列三種: 1. 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 著效應的效果。 2. 在封裝材料中添加脫模劑，而達到 減低黏著效應的效果。 3. 以改變頂出梢位置的方式，以減低 黏著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。 此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。所以 在實驗中，我們也將模具表面進行不一 樣的鍍層處理，希望可以找出有效降低 黏著效應的方式。 但是目前標準量測 IC 中使用的環 氧樹酯對不同模材黏著力的方法付之 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。而且封裝製程中的黏著效應， 是在高溫高壓的封裝製程條件下，發生 在封膠材料與金屬模具之間的界面，如 果要直接使用與現場生產製程所用的 設備在相同條件及環境下進行實地量 測實驗是一件需要相當高成本及困難 的事情。因此，需要開發一套有效、精 確又能針對在不同條件下量測黏著力 量的量測技術，以得到在封裝過程中模 具表面性質與各種製程參數對黏著效 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。 所以本計畫是在針對產業界對 IC 封裝材料與金屬模具表面的界面在封 膠的過程中，因黏著效應而引起產品不 良率問題，發展一套有效、精確量測技 術，能夠正確的測量黏著的力量。此量 測技術包括量測方式的選擇、量測機構 的設計、量測實驗的規畫、量測結果的 分析以及量測模型的建立等等。 因此為了此套量測技術的發展，同 時須要發展一台精確的自動化量測黏 著力量的實驗設備，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。然後再以此實驗設備來進 行各種有關於黏著效應的研究實驗。 本計畫研究的目的有以下幾項： 1. 利用所發展的量測技術，有效且正 確的量測出黏著力的大小，進而得 知退模時所需的力量要多大，以供 進行退模設計時之用，避免退模力 量不夠或太大而造成成品的破壞。 2. 由於發展實驗設備時有考慮模具更 換的方便性，因此可以利用不同表 面處理的模具，來找出何種模具的 表面處理方式對於黏著力量的影量 較好。 3. 對於影響黏著力的 製 程參數因子 (Controllable Factors)，如模具表面 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，以田口氏實驗計畫法進行因 子效應(Factor Effects)研究，來觀察 各製程參數對於 IC 封裝製程中黏 模力量的影響。 4. 連續進行幾百甚至幾千次的實驗， 來找出黏模力的趨勢，並藉由模具 表面的分析，來瞭解整個黏著的機 構，看看到底在模具的表面是殘留 了何種物質，希望由改善殘留物質 的性質，可以改善黏著力的影響。 5. 找出如何降低黏著效應、增長模具 壽命的方法，確實掌握清模時機、 縮短清模次數與清模時間，進而增 加產能，減少因黏著效應所產生不 良影響。 6. 希望能夠將此套量測技術，由目前 測量封膠材料及金屬材料界面黏著 力量的層面，擴展到任兩異物質之 間的黏著力測試之用。 希望藉由以上所量測到的資料，來 建立有用的模型。 (三)目前之研究狀況 封膠材料的固化過程 一般所採用的封裝材料是屬於熱 固性塑膠材料，熱固性塑膠加熱至某一 溫度時，會發生一種鍵結反應，而引起 塑料分子不斷化合鍵結在一起，並在鍵 結反應過程中會放出熱量，使溫度和流 動性提高。當鏈結反應結束後，便會發 生固化(Curing)的情形，而變成性質不 同的新物質，即使再加熱也不會軟化熔 融，所以一但使用後就再也無法重複使 用。Loos 和 Springer[1]發展了一個數學 模式來模擬熱固性複材之固化過程。 Springer[2]研究纖維強化樹脂流於固化 過程中的現象，並與 Loos 和 Springer 發 展 的 數 學 模 式 比 較 。 Gonzalez 與 Shen[3]研究快速反應熱固型塑膠的流 變特性，探討模具溫度與壓力對流動性 的 影 響 。 Frutiger[4] 以 簡 化 的 矩 形 模 穴，研究熱固型及熱塑型塑膠充填的流 動，受不均勻熱傳及模穴表面溫度等的 變化影響，對循環時間及成品品質的影 響。Lee 和 Tucker[5]探討熱壓成型充填 時之熱傳與流動 量測方式 ASTM 在 黏 著 物 質 特 性 的 量 測
上，有 D1002-94(Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading)[6] 、 D1062-96(Standard Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds)[7] 、 D897-95a(Standard Test Method for Tensile Properties of Adhesive Bonds)[8] 等 量 測 規 範 。 ASME MD-Vol.4, pp77-87[9] 介 紹 七 種 有 關 Epoxy 與 Coating 之間黏著強度的量測方式。Paul S.Ho [10] 以 破 壞 力 學 的 觀 點 ， 利 用 DBC(Double cantilever beam)的測量方 式 量 測 chip/underfill 和 polymer substrate/underfill 它 們 之 間 的 黏 著 性 質。張祥傑[11]先生自行開發微材料測 試系統，以解決電子構裝相關材料試驗 上需要高解度與高精度的問題。王俊祥 [12] 先生利用材料試驗機與自行開發 的模具，就針對不同模具表面處理及封 膠製程參數對黏模力的效應進行初步 的量測分析，不過其所發展的量測機構 與量測方式並不是十分的精確，實驗設 備與實驗平台之間銜接固定不良，因此 在進行實驗會產生定位的問題，模穴的 幾何形狀設計，不能確保因黏著力量產 生的破壞會是在膠體與模具表面，所以 無法有效的量測到界面黏著的力量。 黏著強度量測規範 本研究計畫中對於 IC 封裝製程 EMC 塑膠材料與封裝模具表面的黏著 強 度 量 測 原 理 ， 主 要 是 參 考 STD. ASTM D897-95a(Standard Test Method for Tensile Properties of Adhesive Bonds) 黏著物質結合力的量測規範[9]。在 STD. ASTM D897-95a 中，訂定了黏著物質 對木質材料與金屬材料表面之間的黏 著強度量測規範，分別採用特定尺寸的 木質試片與金屬試片，以對接的方式製 造出具有黏著界面的實驗試片，其量測 面積針對木質材料與金屬材料分別為 直徑 20.17+0.13mm 與 28.68+0.13mm 的圓形面積。將完成的量測試片配合拉 伸 實 驗 設 備 進 行 黏 著 界 面 的 張 力 破 壞，並記錄界面破壞強度。 黏著界面量測方式 在本計畫之前有談到黏著界面量 測方式，明確說明了七種不同型態的量 測方式，主要是在探討黏著物質結合後 可能遭受破壞型態，並實際測量各種破 壞型態所能承受的破壞強度，其基礎理 論來自於破壞力學[13]，而破壞力學是 一門相當複雜的科學，尚有許多沒有解 的情況，且在實驗設備與其配合的實驗 試片都有相當嚴格的規定。由於本文所 探討的是 IC 封裝黏著效應，意旨將尋 求封裝模具表面處理與封膠塑膠材料 之間最小黏著強度，所以在此我們並不 適用一般傳統的破壞力學準則，但是在 量測型態上我們將採用 Direct tensile pull-off test methods
[e.g. 14,15]，此種測量方式亦附和 一般 IC 模具的脫模型態及量測規範， 所以我們計畫的實驗設備也就將以此 測量方式進行規畫設計。 EMC 固化反應過程 EMC 的材料組成包括環氧樹脂、 硬化劑、促進劑、觸媒及其他添加劑 等。在適當的溫度下環氧官能基與硬化 劑作用產生鏈結反應，又稱為固化反應 (Cure Reaction)。固化過程中，樹脂轉 化率漸增，同時鍵結反應會伴隨大量反 應放熱，而提高材料溫度、加速反應速 率。當達到膠化點(Gel Point)時，材料 會由液態轉變成固態而硬化成型，直到 完全熟化為止。封膠材料的熟化程度在 製程上是一項相當重要的參數，而熟化 程度又與溫度及時間有非常密切的關 係。因此在實驗進行前，有必要先對膠 體熟化反應模式進行了解。 關於研究熱固性樹脂熟化反應動
力學的方法有：光譜分析法(IR、FTIR、 NMR)[16、17]、化學分析法[18,19]、動 態機械分析法(DMA、TBA)[20]與微差 熱分析法(DSC)[21~27]等，其中微差熱 分析法最常用來量測熱固性樹脂的反 應速率。本計畫的實驗將使用 DSC 微 差熱分析儀求取封膠材料的固化反應 模式[12]。 四 、 計 畫 成 果 自 評 本計畫之內容與進度皆在原規劃 之中，實驗設備已經完成，且已經進行 過多次的測試與實驗，並得到一組最佳 化的製程參數條件，利用此組製程參數 條件我們進行 500 模的黏模力連續實 驗，其測試結果，如附圖所示。 (表)實驗製程參數 (圖) 實驗測試結果 由實驗結果得知，在此組最佳化的 製程參數條件下所進行之500模的黏模 力連續實驗，其平均值在43.06 kgf，標 準偏差為15.04 kgf，且在第380模過後 黏模力明顯增加，其原因為在經過數百 模測試後，模具表面已有殘留物質，使 得表面的鍍層效果降低，影響黏著力。 此結果與業界目前封裝黏模的清模時 機非常相近，因此可明顯的獲知，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，並期待未來在技 術與學術發展上都能有很多創新與貢 獻。 參考文獻
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