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在現代電子產品的製造過程中，IC（集成電路）封裝技術扮演著至關重要的角色。隨著科技的進步和市場需求的增長，IC封裝技術也在不斷發展和演變。IC封裝主要分為三大類：金屬封裝、陶瓷封裝和塑膠封裝。金屬封裝和陶瓷封裝雖然在高可靠性和特殊應用領域具有優勢，但由於成本較高，在大眾消費電子產品中並不廣泛使用。相較之下，塑膠封裝因其成本效益高、適應性廣，成為了最普及的封裝技術，是目前微電子封裝的主流。因此本文將來認識塑膠封裝的工藝技術。
轉注成型 (Transfer Molding)
轉注成型是將預先加熱的固態模封材料(如EMC)從加料腔通過柱塞擠壓注入流道和模具腔體中。這種方法涉及將樹脂材料放入一個加料腔，然後在壓力作用下，樹脂材料通過流道系統進入模具腔體，填充並固化成型。 利用轉注成型來進行模封，是半導體封裝材料中最常使用的方式，從傳統結合導線架的樣式到BGA型態的封裝都是使用這種作法，故主要用於IC封裝，如DIP（雙列直插封裝）、SOP（小外形封裝）、QFP（四方扁平封裝）等，適用於需要高可靠性和一致性的電子產品。而為何轉注成型會是最泛用的做法呢? 主要優點有產品一致性高，材料用量上也能做到精準控制，相比傳統射出及熱壓成型，流動的壓力較小，對於脆弱的結構，如金線鍵合上較不易受到破壞，因此能廣泛運用。 但轉注成型也有以下缺點 :
- 大體積封裝難點 : 預熱EMC在高溫下反應速度較快，導致EMC的凝膠時間變短，流動性差，型腔尚未完全填滿，EMC粘度會急劇上升，流動阻力也變大，使得不能獲得良好的填充，從而出現趨勢未填滿。這種現象在超大規模集成電路封裝中更容易發生，因為這些大規模電路往往每模需要消耗大量EMC，並且為了在短時間內實現均勻加熱而設置的溫度相對較高，這樣就容易產生未填滿的現象。 而對於這種現象，主要是由於EMC流動性不足，可以藉由提高EMC的預熱溫度，使其均勻加熱、增加注射壓力和速度，提高EMC的流速、降低模具溫度，以減慢反應速度，但要相對延長固化時間，才能實現充分填充的效果。
- 堵料問題 : 尤其在小體積封裝中，由於澆口、排氣口相對較小，易造成模具澆口堵塞和排氣孔堵塞，未能有效注入EMC，而這種未填滿的位置在模具中也不規則。對於這種狀況，可以用工具去除堵塞物，並塗抹脫模劑，且每次成型後都需要清潔腔體和模具上的EMC固化劑，因此若生產量有一定的水準，會很需要有自動化的建置。
- 溢料控制 : 在封裝過程中時常遇到孔隙殘留的問題，而這些內部孔隙的形成主要是由於模具表面溫度過高，導致型腔表面的EMC固化反應過早，加上注射速度過快，使得排氣口已被充滿，部分內部氣體無法克服表面固化層而在內部形成孔隙。這種孔隙缺陷通常出現在大體積封裝中，並且在澆口端和中間位置更為常見。要有效減少這種孔隙的發生，首先要適當降低模具溫度，其次可以考慮適當增加注射壓力，但壓力過大會導致溢料等缺陷，因此會需要增設後處理站用雷射除溢料。
- 材料浪費 : 目前的轉注成型都會需要有流道的結構，如射出成型的原理一樣，流道本身就是浪費料，但轉注成型沒辦法像射出成型還有熱流道閥澆口系統的做法來省去流道。
轉注成型的關鍵點是在材料上，大部分的原因都是來自材料本身，如EMC碇有破損，或是預熱控制不佳導致流動性不彰而造成諸如孔隙、麻點等問題，因此某層面來說材料保存的成本高昂，一旦EMC碇有破損就無法使用了。 所以在材料如此珍貴的情況下，如何有效匹配樹脂本身的特性與成型的參數做到最佳化是一門很大的學問。
射出成型 (Injection Molding)
射出成型是使用注塑機將熔融狀態的樹脂材料注入模具腔體中，冷卻固化後成型的工藝。該方法通常包括材料加熱、注射、冷卻和脫模幾個步驟。而在半導體封裝領域裡使用的射出成型，是有別於傳統射出的，為了保護金線鍵合於基板的結構因次都是採用低壓射出(LPM)。那使用射出成型有什麼好處呢? 最主要有三個優勢 :
- 成型速度快 : 相對於傳統灌膠或是轉注成型，射出到冷卻固化的時間大幅縮短，且可設計一模多穴，明顯能提升生產速度，適合大量生產。
- 材料節省 : 射出模具可以做到複雜的結構型式，因此在封裝設計上，較容易做到”只封裝想要的位置”，不用進行大範圍封膠，且射出機對於膠量控制能做到更精準，有效控制樹脂用料。
- 適合高精度和複雜形狀的封裝： 該工藝能夠精確控制注射量和壓力，適合製作形狀複雜且尺寸精密的元件。
但射出成型的應用上，有非常明顯的缺點 :
- 設備投資較高：注塑機和相關的加熱、冷卻設備成本高，初期投資大。此外，模具設計和製造成本也較高，特別是對於複雜形狀的模具。
- 對工藝參數要求高：注射模塑需要精確控制熔融材料的溫度、注射壓力和冷卻時間，稍有不慎可能導致成品缺陷，如翹曲、氣泡或不完全填充。
- 大體積封裝難點 : 由於使用低壓，LPM在較大體積封裝中可能難以保證足夠的精度，封裝的均勻性和完整性可能受到影響。
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壓縮成型 (Compression Molding)
壓縮成型是將樹脂材料(如顆粒狀模封材料)放置在模具中，然後通過加熱和壓合進行成型的工藝。這種方法通常將預先成型的樹脂顆粒直接放入模腔內，然後閉模加壓加熱，直至材料固化。較適用於大功率元件封裝和高強度結構件製造，如大功率晶體管封裝和耐高溫、高壓的工業元件。 所以如果成品有較大的體積，或是壁厚較厚，那就可以選擇壓縮成型。且相比轉注成型，壓縮成型只需要填滿腔體的料量即可，沒有流道等額外的浪費，材料利用率佳。壓縮成型還有一個優勢，如果想要做少量的驗證，那壓縮模具是個很好的選擇，模具結構單純，相比射出模或是轉注模少了一些機構需求，如轉注模具有流道機構、射出模有頂出機構等等，成本較低製造單純，但相反的，不適合太過複雜之模具結構。除了這些以下還有幾個問題點 :
- 成型周期較長：由於需要較長的加熱和固化時間，壓縮成型的周期較長，生產效率相對較低。
- 投料與料量控制：壓縮成型要精準的將剛好的料量放入每穴中，因此若在多模穴下就必須一穴一穴填料，不像前兩者都有料倉的。且必須準確控制每穴的料量，以讓壓縮完後剛好成型至指定型狀，因此若每穴的模具尺寸差異較大，成型品質就會難以控制，而若為了填補誤差多投放一些料，那就一定有溢料毛邊的問題。
塑膠封裝的泛用材料
在轉注成型及壓縮成型中，環氧樹脂（Epoxy）是最常見的材料。環氧樹脂屬於熱固性材料，具有以下特性：
- 優異的電絕緣性：能夠有效防止電氣短路和漏電。
- 良好的機械強度：具有較高的抗拉強度和硬度，能夠提供可靠的保護。
- 優良的耐化學性：對大多數化學品具有良好的耐受性，防止元件受到腐蝕。
- 低吸濕性：吸濕率低，能有效防止水分對電子元件的侵蝕。
環氧樹脂因其優異的綜合性能和成本效益，成為塑膠封裝的主要材料。
而低壓射出成型主要使用的材料則是熱熔膠（Hot Melt Adhesive），這些材料通常是基於聚烯烴或聚醯胺（簡稱PA）的配方。而聚醯胺既是可天然存在，也可人工合成。在台灣俗稱尼龍（Nylon），是一種工程塑膠。聚醯胺具有以下特性：
- 高機械強度和韌性：聚酰胺具有優異的機械強度和韌性，能夠承受高負荷和衝擊。
- 良好的耐熱性：聚酰胺具有優異的熱穩定性，能夠在高溫環境下保持其性能，通常可以在140°C甚至更高的溫度下使用。
- 耐化學性：聚酰胺對多種化學品具有良好的耐受性，包括油類、脂肪族化合物和弱酸鹼，在某些苛刻的化學環境中依然能夠保持其性能。
- 低摩擦係數和耐磨性：聚酰胺材料表面光滑，具有低摩擦係數，減少磨損。
- 良好的電氣絕緣性能：聚酰胺具有優異的電氣絕緣性能，是電氣和電子應用中的理想材料，在高溫和高濕環境中仍能保持絕緣特性。
- 吸水性和尺寸穩定性：聚酰胺具有一定的吸水性，但這也可以通過適當的設計和處理來控制，以提高尺寸穩定性。
- 熱傳導佳：導熱性能佳，易於電子產品散熱。
- 低溫衝擊：在-40度C下也能保持一定的強度。
總體來說，聚酰胺因其優異的機械強度、耐熱性、耐化學性和良好的加工性能，除了電子領域運用上，也被廣泛應用於各種工業和消費領域，是一種非常多功能且高性能的工程塑料。
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未來挑戰
高性能與小型化的需求
隨著電子產品向高性能和小型化方向發展，塑膠封裝技術需要能夠適應越來越高的性能要求和更小的封裝尺寸。這需要開發更高性能的材料和更精細的工藝技術。 現有的塑膠封裝材料在高溫、高壓和高速運行環境下可能會出現性能劣化。此外，隨著芯片尺寸的不斷減小，封裝技術需要更高的精度和更複雜的工藝，例如3D封裝和晶圓級封裝（WLP）。
散熱管理
隨著電子元件的功率密度不斷提高，散熱問題變得越來越重要。塑膠封裝需要提供有效的散熱解決方案，以確保元件的穩定運行和壽命。而傳統的塑膠封裝材料導熱性能較差，難以滿足高功率電子元件的散熱需求。 需要朝向開發導熱性能優異的封裝材料，如添加導熱填料的環氧樹脂，並設計先進的散熱結構和技術，如內置散熱片和導熱通道。
環保與可持續性
隨著環保意識的提高和相關法規的加嚴，電子產品的製造過程需要更加環保和可持續，例如許多產品都需要符合無鹵規範。而傳統塑膠封裝材料大多為不可降解的熱固性塑料，對環境有一定影響。 因此已經有些廠商開發出不含溴、銻元素的環保型環氧封裝材料。
結論
塑膠封裝技術在IC封裝中佔據了重要地位，其優異的性能和成本效益使其成為廣泛應用的封裝方式。通過選擇合適的材料和工藝，並精確控制每個製程步驟，可以提高封裝產品的質量和可靠性。隨著技術的不斷進步，塑膠封裝技術將在未來的電子產品製造中發揮更加重要的作用。而塑膠封裝技術在未來將面臨包括高性能與小型化需求、散熱管理、環保與可持續性等。通過不斷的技術創新、材料研發和工藝改進，塑膠封裝技術能夠在應對這些挑戰的同時，繼續在電子產品製造中發揮重要作用。未來的塑膠封裝技術將更加高效、環保和靈活，以滿足不斷變化的市場需求和科技進步的要求。
