集成電路塑封模具錯(cuò)位、偏心問題探討

魏存晶

(天水華天科技股份有限公司,甘肅天水 741000)

集成電路塑料封裝屬于電子產(chǎn)品后段的工藝技術(shù)，它的目的是給集成電路芯片一套組織構(gòu)架，使其發(fā)揮芯片特定的功能。其封裝的目的主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：①接通半導(dǎo)體芯片的電流通路；②為半導(dǎo)體芯片提供信號(hào)的輸入和輸出；③提供熱通路，散逸半導(dǎo)體芯片所產(chǎn)生的熱量；④提供機(jī)械支撐；⑤為芯片提供環(huán)境保護(hù)。

1 塑封模具錯(cuò)位、偏心對(duì)集成電路產(chǎn)品的影響

由于塑封模具本身的設(shè)計(jì)精度，加工精度、引線框架的沖切精度以及材料的熱膨脹等原因，在封裝過程中容易產(chǎn)生產(chǎn)品錯(cuò)位與偏心。錯(cuò)位指的是半導(dǎo)體集成電路芯片在塑封模具封裝后，上、下塑封體的中心與載體引線框架設(shè)計(jì)中心向相反方向的偏離(見圖1)；偏心指的是半導(dǎo)體集成電路芯片在塑封模具封裝后，上、下塑封體的中心與載體引線框架設(shè)計(jì)中心同方向的偏離(見圖2)。錯(cuò)位、偏心的產(chǎn)品直接影響切筋工序的正常加工，如果產(chǎn)品錯(cuò)位、偏心超標(biāo)，切筋成型工位就會(huì)造成產(chǎn)品管腿位置貫通性分層，膠體隱形裂紋，膠體打爛等問題出現(xiàn)，所以說塑封模具錯(cuò)位、偏心是集成電路封裝過程中常見的重要缺陷之一，也是各個(gè)封裝測(cè)試企業(yè)著重研究解決的頗為重要的問題。

圖1 相反方向偏離

圖2 同方向偏離

2 導(dǎo)致模具錯(cuò)位、偏心的原因分析

2.1 引線框架尺寸公差

引線框架的功能是顯而易見的，首先它起到了封裝器件的支撐作用，同時(shí)防止模塑料在引線間突然涌出，為塑料提供支撐；其次它使芯片連接到基板，提供了芯片到線路板的電及熱通道。引線框架的精度是保證產(chǎn)品錯(cuò)模的重要因素，由于引線框架沖切精度的不同，使得引線框架的各個(gè)尺寸都有公差范圍，所以引線框架本身存在公差誤差。引線框架影響產(chǎn)品偏心的尺寸主要有：定位孔、寬度、步距、累加步距、孔邊距等公差尺寸（見圖3）。

圖3 引線框架影響產(chǎn)品偏心的主要尺寸

引線框架材料的熱膨脹系數(shù)也會(huì)造成產(chǎn)品偏心。不同的材料它們的熱膨脹系數(shù)是有一定差別的，硅的熱膨脹系數(shù)是（2.3～2.6）×10－6，而環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)為（16～20）×10－6，硅的熱膨脹系數(shù)和環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)相差甚多，CET失配就會(huì)引起封裝模塊開裂、分層等問題。因此，根據(jù)器件的性能仔細(xì)挑選具有合適熱膨脹系數(shù)的框架材料是極為重要。合金42（鐵鎳合金）的CET為（4.0～4.7）×10－6，銅合金的 CET 在（17～18）×10－6。從上面的數(shù)據(jù)可看出，合金42的CET與芯片（表面為硅材料）的CET較為匹配，而銅合金的CET與環(huán)氧塑封料的CET較為接近。在解決了框架的粘接性問題之后，為了降低由于熱膨脹系數(shù)失配所引起的熱應(yīng)力，通常人們更傾向于選擇銅合金作為框架材料。

材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)量計(jì)算：

在這里，主要是針對(duì)引線框架的熱膨脹系數(shù)來計(jì)算。

熱膨脹系數(shù)的含義，指原材料溫度每升高1℃，單位長(zhǎng)度內(nèi)所增加的長(zhǎng)度。

式中：a—為材料的熱膨脹系數(shù)。

Lt—為材料在T溫度時(shí)的長(zhǎng)度（一般指高溫時(shí)的長(zhǎng)度）。

L0—為材料在常溫時(shí)的的長(zhǎng)度。

T—指高溫，一般我們測(cè)試時(shí)取175℃。

T0—指常溫，一般取20℃。

舉例：一種材料在20℃時(shí)長(zhǎng)150 mm，升溫到175℃時(shí)長(zhǎng)度為150.3 mm，求熱膨脹系數(shù)a為多少？

2.2 模具材料

包括模具型腔鑲件尺寸及受熱后熱膨脹對(duì)其的影響，理論的數(shù)據(jù)推算：

塑封模具是一種低溫?zé)嶙?、多腔位、熱固性擠塑模具，其鑲件質(zhì)量的優(yōu)劣集中反映了模具的質(zhì)量，一般來講作為鑲件，它的加工精度是保證產(chǎn)品錯(cuò)模的最重要的因素，應(yīng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

2.2.1 基體剛性

由于模具需承擔(dān)一定的載荷，因此需具有一定的剛性，一般要求材料基體硬度在50HRC以上。

2.2.2 耐磨損性

因鑲件工作中不斷地與添加了玻璃纖維的塑料接觸和磨擦，使用條件十分苛刻，因此要保證模具壽命，鑲件應(yīng)具有高耐磨性和必要的超硬性。

2.2.3 耐尺寸穩(wěn)定性

封裝模具的尺寸公差為0.002～0.005 mm，為保證尺寸精度，工作中應(yīng)保持尺寸穩(wěn)定，一般要求在200℃、72 h時(shí)效后，前后尺寸變化值（RCD）為±10×10-6范圍內(nèi)，通常這要求在熱處理工藝中通過多次深冷處理與高溫回火來保證。

2.2.4 耐腐蝕性

由于在175℃附近與塑料接觸解腐的塑料分子會(huì)對(duì)型腔有腐蝕，因而需要一定的耐腐蝕性。

2.3 型腔鑲件與引線框架的熱膨脹系數(shù)匹配計(jì)算

L模-模具型腔經(jīng)熱膨脹系數(shù)匹配后的尺寸

L產(chǎn)-引線框架的實(shí)測(cè)長(zhǎng)度尺寸

a產(chǎn)-引線框架的熱膨脹系數(shù)

a鋼-模具型腔所選鋼材的熱膨脹系數(shù)

T工作-模具正常工作時(shí)的溫度（一般取175℃）

T常溫-常溫-模具室溫時(shí)的溫度（一般取20℃）

如上例：當(dāng)a產(chǎn)小于a鋼時(shí)，假設(shè)a產(chǎn)=4.5×10-6

模具型腔鑲件和引線框架匹配的理論設(shè)計(jì)非常重要，如果設(shè)計(jì)存在偏差，直接會(huì)導(dǎo)致模具的精度達(dá)不到使用要求。

2.4 模具溫度對(duì)產(chǎn)品錯(cuò)位和偏心的影響

因模具上、下模模溫相差較大，由實(shí)際熱膨脹量不一致，造成上下模型腔差位量，如以L3(鑲件)尺寸300 mm為例，11×10-6為材料的熱膨脹系數(shù)。

上、下模溫若相差5℃，則引起差位量：

上、下模溫若相差10℃，則引起差位量

所以模具溫度的均勻性對(duì)產(chǎn)品的錯(cuò)位和偏心非常重要。一般模具的上下模溫要控制到±3°范圍內(nèi)；同一模面的問題控制到±2°范圍內(nèi)。

2.5 塑封模具設(shè)計(jì)理念中對(duì)錯(cuò)位、偏心的控制方法

塑封模具在實(shí)際制造過程中，零件尺寸是無法達(dá)到理論尺寸的精確值的，而是存在一定的誤差。由于在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)際制造技術(shù)通過模盒定位銷釘、上下成型鑲件、模盒精定位塊、上下模溫，材料熱膨脹系數(shù)以及產(chǎn)品的定位方式將這個(gè)存在的誤差控制到允許的范圍內(nèi)，在設(shè)計(jì)確定標(biāo)注尺寸時(shí)每個(gè)尺寸有允許的公差。塑封模具設(shè)計(jì)理念一般在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品X和Y方向偏差小于0.038 mm，因此塑封模具的偏心、錯(cuò)模只能控制到一定的范圍內(nèi)，而不能完全做到零對(duì)零。

2.6 塑封模具常出現(xiàn)錯(cuò)位、偏心與哪些模具硬件有關(guān)

塑封模具在使用過程中由于定位系統(tǒng)的磨損，產(chǎn)品偏心、錯(cuò)模都會(huì)出現(xiàn)，相關(guān)硬件有:模架精定位塊、模盒精定位塊、鑲件定位針、模盒銷釘、定位針座、型腔鑲件與模盒座的配合等。造成的原因：

（1）模架精定位、模盒精定位磨損配合間隙增大；

（2）模盒定位針與引線框架定位孔的配合間隙不合理；

（3）型腔鑲件與模盒座的無銷釘固定；

（4）清模廢料進(jìn)入型腔鑲件與模盒座間隙內(nèi)；

（5）模盒定位針磨損，定位針與引線框架間隙變大等。

2.7 人為因素及其它原因

在生產(chǎn)過程中框架在用上料裝置放在模具上后：

（1）引線框架定位孔沒有完全進(jìn)入模盒定位針內(nèi)，出現(xiàn)定位孔變形，產(chǎn)品偏心嚴(yán)重報(bào)廢；

（2）模具定位針斷裂，框架沒有定位。

3 如何預(yù)防模具產(chǎn)品的錯(cuò)位、偏心

由以上原因分析每一項(xiàng)出現(xiàn)問題都會(huì)造成產(chǎn)品的錯(cuò)位、偏心，那我們?nèi)绾翁崆邦A(yù)防錯(cuò)位、偏心呢？①我們必須在原材料的進(jìn)料檢驗(yàn)中嚴(yán)格按照我們的檢驗(yàn)圖紙標(biāo)準(zhǔn)對(duì)引線框架尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，杜絕不合格的引線框架投入生產(chǎn)；②塑封模具制造商必須提供給我們合格的模具；③建立相關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書，用正確的作業(yè)方法指導(dǎo)作業(yè)過程；④及時(shí)發(fā)現(xiàn)、反饋問題并及時(shí)處理異常。只要做好以上四點(diǎn)，就可以保證我們生產(chǎn)的產(chǎn)品錯(cuò)位、偏心在我們所允許的公差尺寸范圍內(nèi)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高封裝企業(yè)的產(chǎn)品良率。由于在目前的技術(shù)下，塑封模具的設(shè)計(jì)精度、加工精度以及封裝引線框架尺寸公差等問題依然存在，集成電路塑封模具錯(cuò)位、偏心只能向我們?cè)试S的公差范圍內(nèi)向更小的公差范圍來控制，而不能完全消除。

4 結(jié)論

在集成電路封裝領(lǐng)域，質(zhì)量是企業(yè)走向壯大的橋梁，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，塑封產(chǎn)品的錯(cuò)位、偏心會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在切筋成型后膠體出現(xiàn)裂紋、隱形裂紋、管腿位置貫穿性分層等質(zhì)量可靠性問題，對(duì)產(chǎn)品的危害是致命性的，所以我們決不能掉以輕心。為了使封裝元件的質(zhì)量得以保障，我們必須嚴(yán)格要求供應(yīng)商保證模具的精度及質(zhì)量；必須嚴(yán)把引線框架進(jìn)料檢驗(yàn)關(guān)；必須做好模具的維護(hù)保養(yǎng)工作；必須提高操作人員的技能水平，只有這樣才能在滿足自身發(fā)展和市場(chǎng)要求的情況下，應(yīng)對(duì)封裝市場(chǎng)的快速變化。

未來隨著引線框架由單排向多排的不斷升級(jí)，封裝業(yè)現(xiàn)有的單缸模、MGP模都逐步不能夠滿足多排產(chǎn)品的硬件需求，所以全自動(dòng)(AUTO)模的發(fā)展將是未來集成電路產(chǎn)品偏心和錯(cuò)位保證的必然趨勢(shì)。

[1] 曹杰.集成電路塑封模具常用計(jì)算公式及方法[J].電子與封裝，2007，7（2）：4-6.