半导体封装新视界：环氧树脂塑封与灌封工艺全解析
前言
环氧树脂，作为一类分子结构中蕴含环氧基团的高分子化合物，其固化后的环氧树脂具有优良的耐热性、较高的机械强度、电气绝缘性、可靠性和力学性能及较小的收缩率、耐化学性，加入固化剂后又有较好的加工性和可操作性。
一、环氧树脂的组成结构
环氧树脂分子主要由环氧基团和其它功能性基团构成，其中环氧基团是其特征基团。树脂分子中通常含有两个以上环氧基团。
步入半导体封装技术的核心领域，注胶工艺与塑封工艺作为两大主流工艺路线，各自展现出了独特的性能优势与适用范围，为不同需求的半导体器件提供了定制化的封装解决方案。接下来，我们将对这两种工艺进行全面解析。
二、环氧树脂塑封工艺
2.1塑封工艺
注塑工艺也称为塑封工艺，塑封是功率器件封装中关键的工序之一。它的作用是将芯片、焊线、框架(内部)及基岛包封起来，对芯片、焊线起到保护作用。防止机械外力损伤芯片以及防止芯片和焊线受潮。其主要原理是固体环氧树脂塑封料在注塑筒内受热软化并变成液态，液态环氧树脂由注塑机构所产生的压力注入到含有框架的模具型腔中，然后进行固化保压和固化，形成特定的形状，将芯片和焊线进行定型包裹。
半桥模块塑封
2.2塑封工艺流程
1. Loading
将待封装的芯片（Die）和引线框架（Lead Frame）装入模具的模腔（Cavity）中。
2. Preheat（预热）
模具下方的的Heating Element开始对模具进行预热。通过加热可以确保模具达到适合Injection molding的温度，使得后续树脂能更好地填充模具。
3. Clamp（合模）
当模具温度达到预设温度后，模具上下两部分合模加压，将模具牢牢夹紧。
4. Load and Transfer（装载和材料转移）
环氧树脂被放置在模具外的容器中（Pot）。然后，在一定的压力作用下，通过浇口（Gate Insert）将预热后的液态环氧树脂注入模具内。流动的环氧树脂完全包裹芯片和引线框架，填充整个模腔。
5. Cure（固化）
环氧树脂被注入模具后，需要通过加热进一步固化，使其从半固态变为坚固的保护外壳。
6. Demold（脱模）
固化后，模具被打开，完成塑封的器件从模具中取出。
7. Degate
后一步是去除塑封体周边多余的环氧树脂，比如：毛边或浇口。
塑封工艺流程图
2.3塑封胶对设备的影响
全自动塑封封装设备，吨位小、安装模具空间小、主要应用产品封装，设备自身成本高，保养费用高。在使用塑封设备封装过程中，设备故障往往具有突发性，且大多数故障（95%～100%）发生在生产运行中，仅有少数（5%～15%）在设备运行前显现。这种突发性故障对生产的影响极大。
芯片封装模具是芯片生产不可或缺的一环，它能够对电路的性能、稳定性起到重要的作用。不同的芯片需要不同类型的封装模具。根据不同的封装材料和制作工艺，半导体塑封模具主要分为无机模具和有机模具两大类。
由于塑封芯片主要使用的是环氧树脂，这种胶在未固化时通常有较高腐蚀性，在高温高湿环境下容易发生膨胀和收缩，导致封装材料与芯片、基岛、导电胶或框架之间产生分层或开裂。这种分层或开裂会对设备造成磨损，特别是在设备运行过程中，摩擦和振动会加剧这种磨损，影响设备的正常运行和使用寿命。同时因为腐蚀会使设备出现漏洞、裂纹等问题。
2.4 塑封中会出现的问题
1、分层、开裂问题
环氧塑封料与半导体封装技术是保证芯片功能稳定实现的关键材料，极大地影响了半导体器件的质量。其中会在封装过程中会由于应力过高而出现与芯片、基岛、导电胶或者框架分层或开裂，离子含量过高而使得芯片电性能失效等情况。其中，困扰半导体行业的一个重大难题之一就是分层问题，其真正的根本原因很难确定，有时会造成很大的经济损失。
分层问题
开裂问题
2、封装填充问题
塑封料性能参数的差异、塑封模具注胶口位置和流道设计不同、塑封工艺差异以及塑封产品结构设计（包括引线框架结构）的不同，会导致塑封中出现塑封体填充、引线框架结构引起的填充等，从而降低产品良率和产品气密性，影响产品散热。
目前半导体塑封芯片的合格率普遍低于90%的水平。影响这一合格率的关键因素主要包括：封装材料的质量、生产工艺的成熟度、设备状态的稳定性以及人为操作的规范性。这些因素共同作用于生产流程中，对芯片的合格率产生重要影响。
三、环氧树脂真空注胶工艺介绍
灌封工艺是通过将液态的封装材料注入到电子元器件的外壳与底座之间的空隙中，使其充分填充后进行固化，形成一个密闭的保护层。这个保护层可以有效隔绝外界环境对电子元器件的影响，同时也可以提供一定的散热效果，降低电子元器件的工作温度。
自动化灌封设备可以根据电子元器件的形状和尺寸自动调整封装材料的注入量，实现高效、灌封。这种方法适用于大批量生产，可以提高生产效率和产品质量。其工艺包括：产品预热、原料脱泡预搅拌等预处理、腔体抽真空、真空度达到设定值时按预设的工艺注入胶水。
准备产品 ➡ 预加热 ➡ 灌封胶预处理 ➡ 真空灌封 ➡ 固化等工序。
真空注胶工艺原理视频
因此，这两种封装工艺各有其独特之处。相比之下，塑封工艺流程更为繁琐，在整个操作过程中对人员综合能力要求较高，在操作过程中容易出现一些突发性问题，如：封装方式、尺寸差异、故障率高、设备和模具成本高及保养费用高等。
而自动化灌封工艺则展现出了其显著的优势。它能够根据电子元器件的具体形状和尺寸，自动调整封装材料的注入量，从而实现高效且**的灌封作业。工艺不仅操作更为简便，而且更加智能化，大大减轻了操作人员的负担。同时，设备具备较高的稳定性和可靠性，减少了设备故障的发生，也降低了设备的维护需求。
四、环氧树脂真空注胶工艺和塑封工艺的对比
4.1、半导体模块的分类
半导体模块可以分为单管模块、半桥模块、全桥模块等等。这些结构和封装技术对于电控系统的效率和性能有着直接影响。下面我们主要来对比一下SiC半桥模块和HPD全桥模块在封装技术上的区别。
4.2半桥和全桥封装工艺对比
国内除了比亚迪、蔚来和小米外，北汽、长安、赛力斯、长城等车企也在主驱中导入SiC半桥模块。市面上的SiC半桥模块采用的是半桥塑封工艺，封装通常由芯片、绝缘基板、散热基板、键合材料、密封剂和外壳等组成。方式则更灵活，配合银烧结、塑封转模等关键技术，不仅可实现更均匀的电流密度分布，而且热容热阻和杂散电感等方面表现也更好。
12月23日，蔚来发布的新的旗舰车型ET9，该车型搭载了1200V SiC功率模块，采取半桥塑封工艺，功率模块密度1315kW/L，拥有高达30万次的功率循环能力。去年5月，蔚来与安森美达成合作，采购其VE-TracTM Direct SiC功率模块，该模块搭载了**代SiC MOSFET技术，采用HPD封装形式。也就是说，蔚来此前的SiC车型主要采用HPD模块，而从ET9开始转向SiC半桥模块。
但是将塑封半桥封装技术应用于SiC半桥模块时仍面临着一系列技术挑战，包括寄生参数、模块散热和电磁干扰，封装可能会产生裂缝或分层、填充等问题。
目前，商用的车规级SiC功率模块多采用基于硅器件的传统模块注胶封装技术，HPD全桥模块由多个单管、二极管等元件封装在一起形成，三相全桥HPD（High Power Device）模块仍是主流，作为新能源汽车上车规级IGBT功率模块*成熟的封装形式。
SiC半桥模块和全桥模块在封装技术上也存在差异，主要涉及到散热方式、封装结构、工艺和成本等方面。HPD全桥模块则可能需要在散热和功率处理方面进行更复杂的设计和优化，以确保高效、可靠的性能表现。而半桥模块则可能在成本和体积上更具优势，适合对成本敏感的应用场景。
XX品牌注胶分析报告
根据以上注胶环氧树脂的测试数据与塑封功率半导体的其他测试经验对比，两种封装方式的材料本身在功率循环与温度循环性能方面均表现出色。
IGBT模块类别
五、环氧树脂注胶工艺面临的技术挑战
环氧树脂注胶工艺并非无懈可击，环氧注胶后可能面临的气泡问题、电线故障、较大的固化收缩率，以及IGBT模块在温度冲击下易出现的开裂、脱离与形变等挑战，均对封装效果与长期可靠性构成了潜在威胁。
环氧树脂具备较高的导热率，其粘度通常在10~20WmPa.s，导热胶含有大量的带磨损性的填料，以经典的导热填料氧化铝为例，它的莫氏硬度高达9.0，这一硬度远超包括高碳钢在内的绝大多数高硬度金属。因此，胶体中这些坚硬的导热填料会剧烈对设备造成严重的磨蚀，进而引发点胶泵的漏胶与精度问题。
为了攻克这些技术难题，我们的技术团队凭借20多年积累的丰富经验，对环氧树脂注胶工艺进行了深入的研究和实践。以IGBT模块为例说明，基于对环氧树脂胶水的特性研发核心组件，我们采用了XETAR欣音达三段式真空注胶设备，并配备了高精度螺杆泵（转子采用莫氏���度9.4的Si3N4氮化硅，定子选用高耐磨的NBR橡胶）实现螺杆泵3年免维护，有效地解决了泵的漏胶和精度问题，并实现了精准控制。
同时，我们对工艺流程进行了优化和升级。成功降低了固化过程中的收缩率，显著提升了固化产品的尺寸稳定性与机械强度。同时有效避免了气泡的产生。固化后的产品表面光滑平整，未出现开裂、脱离或形变等任何问题。
XETAR欣音达环氧树脂注胶工艺视频
此外，使用该系统和优化后的工艺每天能高效产出高达2000个产品，合格率高达99.99%。极大地提升了生产效率，并显著缩短了生产周期。这一系统特别的适合大规模的生产和应用场景。为我们的生产流程带来了改变。
六、结语：
综上所述，封装技术领域内，塑封与注胶作为两种截然不同的封装工艺，塑封技术的成熟度将会直接影响塑封器件的使用寿命，SiC半桥模块在封装技术和工艺上仍面临很大的挑战。而注胶工艺则更加成熟、可靠，目前HPD全桥模块注胶工艺仍是IGBT功率模块成熟的封装形式。
从目前的工艺模式上看，环氧树脂注胶在实际生产中更容易实现可靠稳定的工艺性。因为不需要由不同封装产品定制不同注塑模具，可以低成本高可靠性实现一台注胶设备适应多种封装产品。相对塑封工艺，注胶工艺在设备上的投入成本更低，设备可靠性更高和可维护性成本更低。一台可靠的注胶设备和配套的基础工艺就可以实现多种封装产品的99.99%以上的生产良率。同等级产品而言，塑封工艺需要较高的设备成本投入，因为要保证及其的压力/注塑量/时间/温度等控制，对塑封料本身的容错率较低，因此目前塑封工艺的成品良率还是低于90%。
综合考虑功率半导体本身的功能性差异，设计结构的差异等方面，塑封工艺和注胶工艺各有千秋，并不能相互取代。比如无边框设计时可能使用塑封工艺更佳。
或许在不远的将来，出现功率模块，开关控制器，PCB等多功能合成模块时，注胶工艺将能体现出的优势。
在追求高效能与稳定性的电子封装领域，离不开其高品质的硬件设备和技术，更离不开成熟的工艺和可靠的性能。
