將近年底，大家談點(diǎn)輕松的。最近有位金主問筆者：“你們半導(dǎo)體行業(yè)不是都流行逆向投資，我們也來逆風(fēng)而行，盤它一條QFN封測線！盤它一條國產(chǎn)QFN封測線！”筆者當(dāng)場表示：“馬上安排！”。正所謂說者無意，聽者有心。QFN產(chǎn)品大家耳熟能詳，行業(yè)人士誰都能說上幾句，但是對每個(gè)流程是不是能了如指掌呢？
我們一起來看看下文，爭取大家都給筆者找找茬。發(fā)現(xiàn)任何問題，或者描述不對，請一定關(guān)注公眾號加群告知
QFN（Quad Flat No-leads Package，方形扁平無引腳封裝），表面貼裝型封裝之一。為什么是QFN？我們先從圖1國際頂尖機(jī)構(gòu)Yole對半導(dǎo)體封裝的分類有個(gè)大概認(rèn)知。QFN屬于傳統(tǒng)封裝形式，盤一條線的成本比FCBGA以及近幾年大火的2.5D及3D封裝要低很多。另外QFN與DIP、SOP、SOT、TO、TOP等傳統(tǒng)封裝形式相比引腳更多，產(chǎn)品功能更為復(fù)雜，顯的也更高端。從圖2中就可以看出QFN相對其它傳統(tǒng)封裝形式出現(xiàn)較晚。QFN產(chǎn)品適用場景廣泛，國內(nèi)材料及設(shè)備配套齊全，實(shí)乃前期入門級投資首選。QFN的優(yōu)勢有體積小、重量輕、散熱性好、電性能好、可靠性好。我們以32引腳QFN與傳統(tǒng)的28引腳PLCC封裝相比較為例，面積（5mm×5mm）縮小了84%，厚度（0.9mm）降低了80%，重量（0.06g）減輕了95%，電子封裝寄生效應(yīng)也提升了50%，所以非常適合應(yīng)用在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA以及其他便攜小型電子設(shè)備的高密度印刷電路板上。
圖1，來自Yole 2022年報(bào)告
圖2，不同封裝產(chǎn)品發(fā)明時(shí)間軸
QFN生產(chǎn)流程參考圖3，但是圖3有一些內(nèi)容與實(shí)際并不一定相符。如果除去晶圓切割等后道相關(guān)及一些特殊處理外，最常見的工藝流程從固晶（DIE Bound）->固化以固定晶粒與框架（Curing）->打線（Wire Bound）->塑封（Molding）->去溢料->電鍍（Plate）->切割（Dicing）->測試（Test）->分選打包(Packing)。我們接下來盤點(diǎn)一下每道工藝：
圖3，QFN封裝流程
- 1. ????? 固晶（DIE Bound）: 第一步在框架上噴涂銀漿，然后將晶粒放于銀漿覆蓋的指定框架區(qū)域。固晶機(jī)國內(nèi)外設(shè)備商眾多，挑選固晶機(jī)最重要的一點(diǎn)是看貼裝精度。晶粒固定不正，對后面的打線就會造成影響。因此，晶粒要貼正，打線的工藝冗余量大，最終產(chǎn)品質(zhì)量才有保障。國內(nèi)設(shè)備精度基本都可以達(dá)到+-25um，旋轉(zhuǎn)控制在+-2度以內(nèi)。通常可支持6寸及8寸的晶圓。不過，應(yīng)該也很少有晶圓廠家用12寸晶圓來制作QFN的晶粒。固晶機(jī)本身也分為冷晶機(jī)和熱晶機(jī)，QFN一般用冷晶機(jī)。冷晶機(jī)和熱晶機(jī)主要差別在于冷晶機(jī)的固化步驟是通過后續(xù)固化爐固化，而熱晶機(jī)是在固晶機(jī)上完成固化。當(dāng)然，點(diǎn)膠的步驟都是在固晶機(jī)上完成的。
圖4固晶機(jī)工作原理
圖5 康強(qiáng)電子提供的QFN框架
- 2. ????? 固化（Curing）: 目的是將第一步固晶流程中的銀漿固化，從而將晶粒與框架固定。為第三步打線做好準(zhǔn)備。固化的核心是要在氮?dú)猸h(huán)境下完成，溫控必須精準(zhǔn)。比如華天科技的產(chǎn)品程控厭氧潔凈烘箱其爐腔內(nèi)有9個(gè)測溫點(diǎn)，溫度差異根據(jù)設(shè)定溫度不同可以控制在1度到1.5度內(nèi)。
- 3. ????? 打線（Wire Bound）:目的是通過引線將晶粒上的PAD與框架連接。打線是固晶步驟后的第二個(gè)核心工藝，很多產(chǎn)品缺陷主要來自打線這一工序。從下圖就可以感受到打線工藝的難度。比如QFN64產(chǎn)品，數(shù)十根引線需要從指甲蓋那么小的晶粒上引出，引線與引線的間距可能小至35微米，引線高度也有嚴(yán)格要求。所以打線機(jī)的選擇除了精度外，還要考慮線弧高度、長度、擺幅等控制。由于該工藝復(fù)雜程度高，設(shè)備自檢及實(shí)時(shí)監(jiān)控等也至關(guān)重要。
圖6 Wire Bound實(shí)物圖
- 4. ????? 塑封（Molding）：塑封就是將打好引線的產(chǎn)品通過注塑模具用環(huán)氧樹脂將產(chǎn)品封住，只露出引腳。在力學(xué)方面保護(hù)連接好的引線和晶粒，在化學(xué)方面起到隔絕空氣和水分的作用，延長產(chǎn)品使用壽命。塑封的核心是模具，國內(nèi)模具制造商較為成熟，選一家靠譜的模具制造商是塑封工藝良率的保障。
圖7，黑色部分為塑封體，成品由塑封體全覆蓋，僅露出引腳
- 5. ????? 去溢料：主要是去除塑封產(chǎn)生的邊角料。該工藝的核心是去溢料產(chǎn)線化學(xué)品管理，異味控制，溫度，水壓等控制。圖8為溢料缺陷。
圖8，塑封溢料/毛邊/溢膠引自摩爾芯球速芯微專欄 《塑封溢膠改善》
- 6. ????? 切割(Dicing)：因?yàn)榈街钡竭@一步，我們的產(chǎn)品還都是以框架為單位，只有通過切割才形成獨(dú)立的個(gè)體?？蚣艿那懈詈途A切割類似，設(shè)備供應(yīng)商也基本通用。
圖9，和研科技精密切割機(jī)宣傳照片
- 7. ????? 測試（TEST）：測試環(huán)節(jié)看著沒有增加實(shí)質(zhì)內(nèi)容，從LEAN的角度講，是沒有任何附加值的步驟。但是，測試又必不可少。沒有測試的產(chǎn)品可能有短路的風(fēng)險(xiǎn)，下游SMT的用戶直接將短路的產(chǎn)品貼裝到主板上很可能會直接將主板燒壞。而且其它功能缺陷也必須通過測試環(huán)境進(jìn)行檢測。測試還起到及時(shí)發(fā)現(xiàn)前道問題的職責(zé)。
圖10，長川科技測試機(jī)
- 8. ????? 分選打包(Packing)：根據(jù)測試結(jié)果，將產(chǎn)品進(jìn)行分選，將合格產(chǎn)品放入載帶或其它形式的包裝中。不要小看這個(gè)環(huán)節(jié)，在筆者之前工作過的公司，這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)量大，產(chǎn)量安排難度大，設(shè)備穩(wěn)定性不高，從而導(dǎo)致大量產(chǎn)品堆積在該站點(diǎn)。
最后，我們談?wù)勥x條國產(chǎn)QFN線的可行性。答案是肯定的，隨著QFN產(chǎn)品的大量普及，國內(nèi)圍繞QFN等產(chǎn)品的設(shè)備供應(yīng)商可選范圍非常大。不過各家的真實(shí)水平還需要大家仔細(xì)考察，最好能去其供應(yīng)的封裝廠實(shí)地走訪。走訪時(shí)也特別注意產(chǎn)品類型、良率、應(yīng)用場景對可靠性的要求等是否匹配，可能同一個(gè)機(jī)型生產(chǎn)他人的產(chǎn)品沒任何問題，但是搬到你自己的工廠則有各種各樣的問題
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：半導(dǎo)體封裝之“盤”它一條國產(chǎn)QFN封測線！