TO-220FS封裝工藝改進(jìn)研究

方逸裕，管貝林

（汕頭華汕電子器件有限公司，廣東 汕頭 515041）

1 引言

隨著電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，整機(jī)產(chǎn)品越來越趨向于多功能、小型化，故其結(jié)構(gòu)的設(shè)計也越來越密集，對整機(jī)的安全性能、相互抗干擾能力等提出了越來越高的標(biāo)準(zhǔn)，因而整機(jī)對器件，尤其是功率器件的要求也就越來越苛刻。

傳統(tǒng)的半包封大功率分立器件如TO-220、TO-3P等，雖然有功率大，散熱快的特點，但封裝工藝相對簡單，同時存在安全性能相對較差，抗干擾能力低等問題。功率器件產(chǎn)品的發(fā)展方向是全包封形式，全包封形式的功率器件在計算器及其外設(shè)、通信網(wǎng)絡(luò)、電子專用設(shè)備、儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用將逐步取代傳統(tǒng)的半包封產(chǎn)品，市場規(guī)模將會大幅提升。

本文介紹一種全新的全包封產(chǎn)品TO-220FS，外形圖見圖1，雖然其外形類似于傳統(tǒng)的TO-220F封裝，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻有很大不同，首先它采用了全新的Single gage（單厚度）引線框架，而TO-220F則使用Dual gage（異形材）引線框架，具有明顯的成本優(yōu)勢；其次是塑封后引線框架背面距離僅0.34 mm，而TO-220F為0.43 mm，散熱效果更好；最后是絕緣性能更優(yōu)良（前提是在包封材料相同基礎(chǔ)上）。TO-220FS引線框架采用頂部連筋設(shè)計，從而完全避免了TO-220F塑封后管體正面頂針孔露銅問題，由于頂部連筋連接載芯板，解決了長期以來TO-220F因載芯板左右傾斜而造成包封絕緣不良問題。以下介紹該封裝產(chǎn)品開發(fā)過程中重要技術(shù)難點解決方法。

圖1 封裝后成品

2 研究內(nèi)容

2.1 確定生產(chǎn)產(chǎn)品制造過程中的關(guān)鍵工藝流程

TO-220FS的主要制造及工藝流程如圖2所示，其中字體加粗處為主要技術(shù)攻關(guān)點。

圖2 TO-220FS的主要制造及工藝流程

2.2 解決的技術(shù)問題

TO-220FS的技術(shù)難點是控制粘芯過程焊料（錫層）的厚度、回流情況以避免熱應(yīng)力造成的產(chǎn)品電性不良；解決焊線過程中芯片損傷問題；保證塑封的絕緣性能；解決去澆口拉筋過程和剪切過程外應(yīng)力對產(chǎn)品的潛在損傷問題以及產(chǎn)品最終測試時絕緣測試的穩(wěn)定性問題。

根據(jù)客戶的應(yīng)用需要，TO-220FS全包封產(chǎn)品應(yīng)滿足以下的絕緣測試條件：

產(chǎn)品電壓≥3 500 V；測試時間為0.4 s；測試漏電流≤20 μA。

相對于普通TO-220F產(chǎn)品ISOLATION測試漏電流要求≤0.5 mA的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 粘芯過程的錫層控制

由于芯片和封裝材料熱膨脹系數(shù)存在差異，若焊料沒能得到充分平鋪和完全回流，芯片背材就不能與焊料實現(xiàn)全結(jié)合，未浸潤的部位容易因瞬間熱應(yīng)力作用造成芯片脆裂。為消除這類應(yīng)力損傷，重點在于如何控制壓錫后錫料的平整度。實際生產(chǎn)過程中，因各類框架的尺寸/結(jié)構(gòu)不大一樣，部分框架在壓錫過程中會因壓模頭在下壓過程中，碰觸到框架管腳，導(dǎo)致壓模頭無法與載芯板完全貼合，從而影響壓錫平整度，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)壓錫頭壓錫過程

針對此問題修改了標(biāo)準(zhǔn)壓模頭標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸，對上述臺階厚度進(jìn)行減薄處理，由1 mm調(diào)整為0.5 mm厚，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)壓錫頭的壓錫過程

經(jīng)過改造增加壓模頭臺階深度，壓模頭可以與載芯板完全貼合，從而改善壓錫平整度。在完成上述壓模頭的結(jié)構(gòu)改善后，再次進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，則可以得到理想的上芯效果。

2.2.2 焊線過程消除應(yīng)力

焊線過程一般需要夾具對框架進(jìn)行固定，在夾具的設(shè)計中必須注意不要過度限位（框架尺寸總存在一定的差異性），否則容易造成在固定過程中框架產(chǎn)生變形應(yīng)力，從而造成焊接過程的芯片焊破或芯片內(nèi)傷情況。

2.2.3 解決塑封針孔問題

TO-220FS產(chǎn)品采用Single gage（單厚度）設(shè)計，塑封體背面的塑料層厚度僅0.34 mm，在生產(chǎn)過程中很容易因模具中殘留的少量空氣造成輕微的針孔，如圖5所示，在絕緣測試中就很容易被高壓所擊穿，造成絕緣失效。

對于塑封中產(chǎn)生的針孔缺陷，通?？赏ㄟ^調(diào)整模壓溫度、注塑速度等工藝條件得到改善，但由于該封裝模具結(jié)構(gòu)存在一些特殊性，多次試驗結(jié)果均未能取得明顯效果，樣品都存在約25%的無規(guī)律的針孔分布，現(xiàn)有的工藝條件調(diào)整遇到困難。如果在注塑時將模具內(nèi)部的空氣先抽掉就能減少空氣對注塑過程的阻力。我們首次提出了增加抽真空工藝以減少模具中氣泡影響的方法。通過驗證，效果良好，針孔比例降至2%以內(nèi)。

圖5 塑封后半成品

試驗后的工藝條件如表1所示。

表1 試驗后的工藝條件

2.2.4 解決去料道問題

由于TO-220FS封裝在塑封工序時的進(jìn)料口位于產(chǎn)品頂部（參見圖5），塑封后料道與框架結(jié)合較牢固，而框架材料較薄，結(jié)構(gòu)脆弱，采用通常的手工卸料方法會產(chǎn)生框架變形，嚴(yán)重影響后續(xù)剪切等工序。因此，需要采用機(jī)械上的方法去除料道。

針對此問題設(shè)計專用去料道模具，對塑封后的料道進(jìn)行沖壓，使其與框架分離。該專用模具經(jīng)試驗，完全可滿足下道工序的要求。

2.2.5 解決剪切拉筋問題

TO-220FS產(chǎn)品的框架結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有其他封裝產(chǎn)品，在剪切時須首先將塑封體頂部連筋部分（參見圖4）拉掉，才能滿足絕緣結(jié)構(gòu)的要求。但是如果按照常規(guī)的一體剪切方式，在切除塑封體上部多余的框架過程中，很容易造成樹脂體的破損，從而造成絕緣性失效。

針對此問題設(shè)計專用剪切模具，將剪切過程進(jìn)行分解，逐步將框架的中筋、底筋和頂筋的各個連接部分依次切斷。同時，為避免剪切過程產(chǎn)生卡管，加強(qiáng)了對塑封溢料和框架變形的控制。

2.2.6 解決絕緣測試問題

TO-220FS產(chǎn)品的外形與TO-220F存在差異，絕緣測試標(biāo)準(zhǔn)比TO-220F嚴(yán)格，TO-220F一般情況下只需檢測塑封體背面是否存在針孔，而TO-220FS則需要增加正面、側(cè)面的測試要求。

根據(jù)TO-220FS產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計專用的絕緣測試裝置，配合測試機(jī)械手運行軌道，確定如圖6絕緣測試方法，經(jīng)實驗證實，可以滿足該產(chǎn)品的絕緣測試要求。

圖6 絕緣測試裝置

3 結(jié)束語

本文通過對TO-220FS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行研究，確定了產(chǎn)品工藝條件。文中對封裝設(shè)備進(jìn)行機(jī)械改造，解決了TO-220FS產(chǎn)品的錫層控制問題、焊線過程消除應(yīng)力作用，以適應(yīng)TO-220FS生產(chǎn)。對關(guān)鍵過程進(jìn)行工藝改善，解決了塑封針孔、去料道、結(jié)合力不良、絕緣測試等問題。以上工藝技術(shù)，適應(yīng)于大批量TO-220FS產(chǎn)品制造，經(jīng)實際生產(chǎn)應(yīng)用，封裝后產(chǎn)品技術(shù)指示達(dá)到國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、客戶相當(dāng)滿意。

[1]TO-220F封裝電子器件的開發(fā)與制造.