半導體封裝新視界：環氧樹脂塑封與灌封工藝全解析

前言

環氧樹脂，作為一類分子結構中蘊含環氧基團的高分子化合物，其固化后的環氧樹脂具有優良的耐熱性、較高的機械強度、電氣絕緣性、可靠性和力學性能及較小的收縮率、耐化學性，加入固化劑后又有較好的加工性和可操作性。

一、環氧樹脂的組成結構

環氧樹脂分子主要由環氧基團和其它功能性基團構成，其中環氧基團是其特征基團。樹脂分子中通常含有兩個以上環氧基團。
 

步入半導體封裝技術的核心領域，注膠工藝與塑封工藝作為兩大主流工藝路線，各自展現出了獨特的性能優勢與適用范圍，為不同需求的半導體器件提供了定制化的封裝解決方案。接下來，我們將對這兩種工藝進行全面解析。

二、環氧樹脂塑封工藝

2.1塑封工藝

注塑工藝也稱為塑封工藝，塑封是功率器件封裝中關鍵的工序之一。它的作用是將芯片、焊線、框架(內部)及基島包封起來，對芯片、焊線起到保護作用。防止機械外力損傷芯片以及防止芯片和焊線受潮。其主要原理是固體環氧樹脂塑封料在注塑筒內受熱軟化并變成液態，液態環氧樹脂由注塑機構所產生的壓力注入到含有框架的模具型腔中，然后進行固化保壓和固化，形成特定的形狀，將芯片和焊線進行定型包裹。

半橋模塊塑封

2.2塑封工藝流程

1. Loading

將待封裝的芯片（Die）和引線框架（Lead Frame）裝入模具的模腔（Cavity）中。

2. Preheat（預熱）

模具下方的的Heating Element開始對模具進行預熱。通過加熱可以確保模具達到適合Injection molding的溫度，使得后續樹脂能更好地填充模具。

3. Clamp（合模）

當模具溫度達到預設溫度后，模具上下兩部分合模加壓，將模具牢牢夾緊。

4. Load and Transfer（裝載和材料轉移）

環氧樹脂被放置在模具外的容器中（Pot）。然后，在一定的壓力作用下，通過澆口（Gate Insert）將預熱后的液態環氧樹脂注入模具內。流動的環氧樹脂完全包裹芯片和引線框架，填充整個模腔。

5. Cure（固化）

環氧樹脂被注入模具后，需要通過加熱進一步固化，使其從半固態變為堅固的保護外殼。

6. Demold（脫模）

固化后，模具被打開，完成塑封的器件從模具中取出。

7. Degate

后一步是去除塑封體周邊多余的環氧樹脂，比如：毛邊或澆口。

塑封工藝流程圖

2.3塑封膠對設備的影響

全自動塑封封裝設備，噸位小、安裝模具空間小、主要應用產品封裝，設備自身成本高，保養費用高。在使用塑封設備封裝過程中，設備故障往往具有突發性，且大多數故障（95%～100%）發生在生產運行中，僅有少數（5%～15%）在設備運行前顯現。這種突發性故障對生產的影響極大。

芯片封裝模具是芯片生產不可或缺的一環，它能夠對電路的性能、穩定性起到重要的作用。不同的芯片需要不同類型的封裝模具。根據不同的封裝材料和制作工藝，半導體塑封模具主要分為無機模具和有機模具兩大類。

由于塑封芯片主要使用的是環氧樹脂，這種膠在未固化時通常有較高腐蝕性，在高溫高濕環境下容易發生膨脹和收縮，導致封裝材料與芯片、基島、導電膠或框架之間產生分層或開裂。這種分層或開裂會對設備造成磨損，特別是在設備運行過程中，摩擦和振動會加劇這種磨損，影響設備的正常運行和使用壽命。同時因為腐蝕會使設備出現漏洞、裂紋等問題。

2.4 塑封中會出現的問題

1、分層、開裂問題

環氧塑封料與半導體封裝技術是保證芯片功能穩定實現的關鍵材料，極大地影響了半導體器件的質量。其中會在封裝過程中會由于應力過高而出現與芯片、基島、導電膠或者框架分層或開裂，離子含量過高而使得芯片電性能失效等情況。其中，困擾半導體行業的一個重大難題之一就是分層問題，其真正的根本原因很難確定，有時會造成很大的經濟損失。

分層問題

開裂問題

2、封裝填充問題

塑封料性能參數的差異、塑封模具注膠口位置和流道設計不同、塑封工藝差異以及塑封產品結構設計（包括引線框架結構）的不同，會導致塑封中出現塑封體填充、引線框架結構引起的填充等，從而降低產品良率和產品氣密性，影響產品散熱。

目前半導體塑封芯片的合格率普遍低于90%的水平。影響這一合格率的關鍵因素主要包括：封裝材料的質量、生產工藝的成熟度、設備狀態的穩定性以及人為操作的規范性。這些因素共同作用于生產流程中，對芯片的合格率產生重要影響。

三、環氧樹脂真空注膠工藝介紹

灌封工藝是通過將液態的封裝材料注入到電子元器件的外殼與底座之間的空隙中，使其充分填充后進行固化，形成一個密閉的保護層。這個保護層可以有效隔絕外界環境對電子元器件的影響，同時也可以提供一定的散熱效果，降低電子元器件的工作溫度。

自動化灌封設備可以根據電子元器件的形狀和尺寸自動調整封裝材料的注入量，實現高效、灌封。這種方法適用于大批量生產，可以提高生產效率和產品質量。其工藝包括：產品預熱、原料脫泡預攪拌等預處理、腔體抽真空、真空度達到設定值時按預設的工藝注入膠水。

準備產品 ? 預加熱 ? 灌封膠預處理 ? 真空灌封 ? 固化等工序。

真空注膠工藝原理視頻

因此，這兩種封裝工藝各有其獨特之處。相比之下，塑封工藝流程更為繁瑣，在整個操作過程中對人員綜合能力要求較高，在操作過程中容易出現一些突發性問題，如：封裝方式、尺寸差異、故障率高、設備和模具成本高及保養費用高等。

而自動化灌封工藝則展現出了其顯著的優勢。它能夠根據電子元器件的具體形狀和尺寸，自動調整封裝材料的注入量，從而實現高效且**的灌封作業。工藝不僅操作更為簡便，而且更加智能化，大大減輕了操作人員的負擔。同時，設備具備較高的穩定性和可靠性，減少了設備故障的發生，也降低了設備的維護需求。

四、環氧樹脂真空注膠工藝和塑封工藝的對比

4.1、半導體模塊的分類

半導體模塊可以分為單管模塊、半橋模塊、全橋模塊等等。這些結構和封裝技術對于電控系統的效率和性能有著直接影響。下面我們主要來對比一下SiC半橋模塊和HPD全橋模塊在封裝技術上的區別。

4.2半橋和全橋封裝工藝對比

國內除了比亞迪、蔚來和小米外，北汽、長安、賽力斯、長城等車企也在主驅中導入SiC半橋模塊。市面上的SiC半橋模塊采用的是半橋塑封工藝，封裝通常由芯片、絕緣基板、散熱基板、鍵合材料、密封劑和外殼等組成。方式則更靈活，配合銀燒結、塑封轉模等關鍵技術，不僅可實現更均勻的電流密度分布，而且熱容熱阻和雜散電感等方面表現也更好。

12月23日，蔚來發布的新的旗艦車型ET9，該車型搭載了1200V SiC功率模塊，采取半橋塑封工藝，功率模塊密度1315kW/L，擁有高達30萬次的功率循環能力。去年5月，蔚來與安森美達成合作，采購其VE-TracTM Direct SiC功率模塊，該模塊搭載了**代SiC MOSFET技術，采用HPD封裝形式。也就是說，蔚來此前的SiC車型主要采用HPD模塊，而從ET9開始轉向SiC半橋模塊。

但是將塑封半橋封裝技術應用于SiC半橋模塊時仍面臨著一系列技術挑戰，包括寄生參數、模塊散熱和電磁干擾，封裝可能會產生裂縫或分層、填充等問題。

目前，商用的車規級SiC功率模塊多采用基于硅器件的傳統模塊注膠封裝技術，HPD全橋模塊由多個單管、二極管等元件封裝在一起形成，三相全橋HPD（High Power Device）模塊仍是主流，作為新能源汽車上車規級IGBT功率模塊*成熟的封裝形式。

SiC半橋模塊和全橋模塊在封裝技術上也存在差異，主要涉及到散熱方式、封裝結構、工藝和成本等方面。HPD全橋模塊則可能需要在散熱和功率處理方面進行更復雜的設計和優化，以確保高效、可靠的性能表現。而半橋模塊則可能在成本和體積上更具優勢，適合對成本敏感的應用場景。

XX品牌注膠分析報告

根據以上注膠環氧樹脂的測試數據與塑封功率半導體的其他測試經驗對比，兩種封裝方式的材料本身在功率循環與溫度循環性能方面均表現出色。

IGBT模塊類別

五、環氧樹脂注膠工藝面臨的技術挑戰

環氧樹脂注膠工藝并非無懈可擊，環氧注膠后可能面臨的氣泡問題、電線故障、較大的固化收縮率，以及IGBT模塊在溫度沖擊下易出現的開裂、脫離與形變等挑戰，均對封裝效果與長期可靠性構成了潛在威脅。

環氧樹脂具備較高的導熱率，其粘度通常在10~20WmPa.s，導熱膠含有大量的帶磨損性的填料，以經典的導熱填料氧化鋁為例，它的莫氏硬度高達9.0，這一硬度遠超包括高碳鋼在內的絕大多數高硬度金屬。因此，膠體中這些堅硬的導熱填料會劇烈對設備造成嚴重的磨蝕，進而引發點膠泵的漏膠與精度問題。

為了攻克這些技術難題，我們的技術團隊憑借20多年積累的豐富經驗，對環氧樹脂注膠工藝進行了深入的研究和實踐。以IGBT模塊為例說明，基于對環氧樹脂膠水的特性研發核心組件，我們采用了XETAR欣音達三段式真空注膠設備，并配備了高精度螺桿泵（轉子采用莫氏硬度9.4的Si3N4氮化硅，定子選用高耐磨的NBR橡膠）實現螺桿泵3年免維護，有效地解決了泵的漏膠和精度問題，并實現了精準控制。

同時，我們對工藝流程進行了優化和升級。成功降低了固化過程中的收縮率，顯著提升了固化產品的尺寸穩定性與機械強度。同時有效避免了氣泡的產生。固化后的產品表面光滑平整，未出現開裂、脫離或形變等任何問題。啊啊啊啊啊啊啊啊啊

XETAR欣音達環氧樹脂注膠工藝視頻

此外，使用該系統和優化后的工藝每天能高效產出高達2000個產品，合格率高達99.99%。極大地提升了生產效率，并顯著縮短了生產周期。這一系統特別的適合大規模的生產和應用場景。為我們的生產流程帶來了改變。

六、結語：

綜上所述，封裝技術領域內，塑封與注膠作為兩種截然不同的封裝工藝，塑封技術的成熟度將會直接影響塑封器件的使用壽命，SiC半橋模塊在封裝技術和工藝上仍面臨很大的挑戰。而注膠工藝則更加成熟、可靠，目前HPD全橋模塊注膠工藝仍是IGBT功率模塊成熟的封裝形式。

從目前的工藝模式上看，環氧樹脂注膠在實際生產中更容易實現可靠穩定的工藝性。因為不需要由不同封裝產品定制不同注塑模具，可以低成本高可靠性實現一臺注膠設備適應多種封裝產品。相對塑封工藝，注膠工藝在設備上的投入成本更低，設備可靠性更高和可維護性成本更低。一臺可靠的注膠設備和配套的基礎工藝就可以實現多種封裝產品的99.99%以上的生產良率。同等級產品而言，塑封工藝需要較高的設備成本投入，因為要保證及其的壓力/注塑量/時間/溫度等控制，對塑封料本身的容錯率較低，因此目前塑封工藝的成品良率還是低于90%。

綜合考慮功率半導體本身的功能性差異，設計結構的差異等方面，塑封工藝和注膠工藝各有千秋，并不能相互取代。比如無邊框設計時可能使用塑封工藝更佳。

或許在不遠的將來，出現功率模塊，開關控制器，PCB等多功能合成模塊時，注膠工藝將能體現出的優勢。

在追求高效能與穩定性的電子封裝領域，離不開其高品質的硬件設備和技術，更離不開成熟的工藝和可靠的性能。