關(guān)于電子元器件塑封模采用回抽頂桿技術(shù)的討論

徐洋

江蘇捷捷微電子股份有限公司，江蘇，南通，226200

0 引言

電子元器件是各種電子整機的基本組成部分，決定著電子整機的性能和質(zhì)量。作為元器件重要組成部分的塑封體部分的研發(fā)和改進也逐漸被重視起來。半導體元件的封裝方式分為氣密性封裝和樹脂封裝兩大類。封裝的目的是與外部溫度、濕度、氣氛等環(huán)境隔絕，除了起保護電路和電氣絕緣作用外，同時還起向外散熱及應力緩和作用。按封裝材料可劃分為：金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝。采用前兩種封裝的半導體產(chǎn)品主要用于航天、航空及軍事領(lǐng)域，而塑封封裝的半導體產(chǎn)品在民用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。目前樹脂封裝已占世界集成電路封裝市場的98%，其中90%以上的塑封料是環(huán)氧樹脂塑封料和環(huán)氧液體灌封料。樹脂封裝外形主要分為半塑封和全塑封。半塑封外形自帶散熱板結(jié)構(gòu)，倘若未做內(nèi)絕緣工藝處理，客戶端在使用時需在產(chǎn)品下加墊一層絕緣片，同時絕緣片和產(chǎn)品背面都需要涂覆一層導熱硅脂，裝配較為繁瑣。全塑封外形是將框架包裹在內(nèi)，沒有外露的散熱板。相比之下，半塑封外形的散熱效果會優(yōu)于全塑封，然而后者的絕緣效果更佳，省去客戶端額外裝配絕緣片的成本投入。兩者利弊相當，具體應用需參考客戶實際的使用場景。從工藝實現(xiàn)角度而言，全塑封外形為注塑工序帶來的考驗更大。通過多年的實際生產(chǎn)線跟蹤和研究，對全塑封器件生產(chǎn)時出現(xiàn)的各種問題進行觀察和總結(jié)后，整理出有效的可提升產(chǎn)品良率、延長生產(chǎn)治具壽命、提升產(chǎn)出效率的設(shè)計思路和實現(xiàn)方案。針對全塑封器件在制造過程中所涉及的優(yōu)化項目及其可能的收效成果，通過設(shè)計詳盡的實驗說明進行試驗驗證，對比各項指標的達成效果，從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化工作的開展。本文通過對全塑封器件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的主要瓶頸和問題進行深入研究，設(shè)計出更為合理的治具外形，并采用先進的材料表面處理工藝做了進一步的加工。本文以實驗為主要的研究形式，評估現(xiàn)有生產(chǎn)形式的不足并提出相應的改進，最后得出了優(yōu)化的生產(chǎn)方案[1]。

疫情加速了全球數(shù)字化進程，在“新基建”政策及“雙碳”目標導向下，5G網(wǎng)絡、云計算及數(shù)據(jù)中心建設(shè)加速，汽車電子、AR/VR等市場需求持續(xù)放量，電子元器件需求旺盛。在市場前景一片大好的形勢下，對電子元件也提出了更高的要求。從產(chǎn)品自身角度出發(fā)：（1）要確保安全性，其中包括對于人身安全的保證，以及電子元器件對所安裝設(shè)備的安全保證；（2）要求元器件有較為優(yōu)良的散熱能力，能將內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量有效地發(fā)散出去；（3）從制造出發(fā)，為應對如此龐大的市場需求，要求產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝是成熟且穩(wěn)定的。全塑封元件作為典型的電子封裝器件，符合以上三點的基本要求[2]。產(chǎn)品本體完全被環(huán)氧樹脂覆蓋，使絕緣性能得以保證；全塑封元件在客戶端被安裝時，不需額外加墊絕緣片，裝機熱阻雖沒有絕對優(yōu)勢，但比較同等功耗的（非內(nèi)絕緣）半塑封產(chǎn)品，熱阻沒有拉開很大的距離；此外，塑封工藝已十分成熟，非常適合產(chǎn)品大批量生產(chǎn)。因此，本文著眼于全塑封元器件，側(cè)重分析其在生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要痛點，并比較現(xiàn)有解決方案帶來的弊端。同時，在此基礎(chǔ)上做出改進方案，并且通過實驗驗證以說明此種改進的必要性。

1 全塑封器件生產(chǎn)在現(xiàn)階段的難點

全塑封器件，即除外部的連接端子外，產(chǎn)品的主體都由環(huán)氧樹脂包裹。因其優(yōu)良的絕緣性能被廣泛運用。然而，這種特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為生產(chǎn)帶來一定的挑戰(zhàn)。器件的注塑一般通過塑封模具和壓機的配合得以完成。通常情況下，引線框架進入塑封模腔后，為確保其在模腔中的位置固定，符合預設(shè)的公差，模具中會設(shè)置頂桿。頂桿一般分為固定頂桿和回抽頂桿，就其工作機制，可分為以下兩種：固定頂桿的行程與上下模一致，為達到固定框架的目的，從合模開始頂桿就夾持住引線框架。經(jīng)過注塑、保壓、冷卻一系列過程后，在開模階段頂桿又會隨著模具打開而離開產(chǎn)品本體。接著在出模頂針的推動下，產(chǎn)品被頂出模腔，完成整個塑封過程。然而這種塑封工藝仍存有一定的缺陷。因采用固定式頂桿，在塑封完成后，頂桿作用點留下露銅點，此處是不絕緣的，為解決達到絕緣的效果，目前的做法是在露銅點灌涂環(huán)氧絕緣膠以達到絕緣耐壓可承受AC 2500V@1s的目的。但在器件實際工作環(huán)境中，隨著水汽的侵蝕以及高低溫環(huán)境的變化，灌入的環(huán)氧膠與模塑料出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，從而失去絕緣性能，并導致嚴重的漏電事故。

回抽頂桿的行程是獨立于塑封模腔的，注塑時，上下頂桿套基座可在油缸和彈簧的作用力下實現(xiàn)頂出和回抽。引線框架在模腔內(nèi)放置入位后，模腔壓合，上下回抽頂桿伸出將散熱片加持，以達到將框架導正并固定的效果。在塑封料充填即將完成時，上下回抽頂桿往反方向縮回一定深度，未完全固化的塑封料在注塑桿的推力作用下，繼續(xù)充填入模至注塑桿達到設(shè)定的壓力值。塑封料將上下回抽頂桿所占位置完全填充，即可獲得真正意義上的全塑封器件[3]。

比較以上兩種頂桿方案，從產(chǎn)品安全角度出發(fā)，回抽頂桿一定是更佳選擇。頂桿作為關(guān)鍵治具，其狀態(tài)及壽命很大程度上影響著產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 回抽頂桿在批量生產(chǎn)時的瓶頸點

上文中簡單介紹了回抽頂桿的工作機制，頂桿穿過套孔進入模腔中，固定待包封器件。重點在于，在塑封料本體填充階段即將完成時，頂桿往反方向縮回一定深度，未完全固化的塑封料在注塑桿的推力作用下，繼續(xù)充填入模至設(shè)定的壓力值，塑封料將回抽頂桿所占位置完全填充。在回抽過程中，頂桿與周圍的塑封料產(chǎn)生極大的拉扯力，頂桿表面狀態(tài)與壽命深受影響。

除去頂桿斷裂、松脫等極端現(xiàn)象，表面磨損是嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的隱患之一，不容小覷。對于產(chǎn)品而言，磨損的頂桿可能導致頂桿孔破損或形成“煙囪”現(xiàn)象，造成外觀缺陷，若頂桿孔破損程度嚴重甚至會導致絕緣性能失效。為盡量減降低以上風險，定期保養(yǎng)與更換是必須的，這些十分影響生產(chǎn)效率，同時又增加了維護成本。

3 現(xiàn)有回抽頂桿方案可改進點

回抽頂桿主要包含兩部分結(jié)構(gòu)，一個是頂桿本體，在模腔中固定引線框架。另一個是套桿，套桿為頂桿提供來回伸縮的通路，并起到保護頂桿的作用。兩者均屬于易損件，受損原因可總結(jié)為以下幾點。（1）材料選取不當。各種金屬材料的硬度和耐磨性有著較大的區(qū)別，常規(guī)的頂桿選料一般為SKD11模具鋼，而為提高頂桿及桿套的耐磨性，這里選擇ASP23材質(zhì)作為加工頂桿和桿套的新材料。（2）加工方式不當。頂桿外圈與套桿內(nèi)圈的配合要求較高，理想的情況是兩個同心的絕對圓，但受限于加工精度的原因，往往會有失圓的問題。這種情況下的配合在實際注塑過程中因頂桿外圈與套桿內(nèi)圈的間隙不均勻，必定會出現(xiàn)間隙較大的空隙，常用的環(huán)氧樹脂填充料粒徑為0.03～0.1mm，若頂桿外圈與套桿內(nèi)圈的間隙大于最小粒徑，模塑料會從此間隙里鉆入。固化后若殘留在縫隙中則對頂桿部件造成進一步的損害，加速了頂桿外圈與套桿內(nèi)圈的磨損；若脫模后殘留在產(chǎn)品表面，則造成外觀不良，并且通常情況下這種殘留屬于硬毛刺，無法通過化學浸泡的方式去除，必須通過人工刮除，費時費力，且容易損壞產(chǎn)品外形。（3）頂桿和套桿的運動配合面未做特殊處理。無論是何種材料，在高強度的拉扯作用下必定會出現(xiàn)形變或者磨損。若在其表面做特殊處理，便可以降低磨損，延長其使用壽命，進而提升生產(chǎn)效率，降低維護成本[4]。

4 針對現(xiàn)有回抽頂桿方案的改進設(shè)計

上文分別從材料選取、圓面加工和表面處理三個角度分析了回抽頂桿不良的原因。以下將主要圍繞這三點，給出詳細的改進方案。

（1）首先需要解決的是材料的選型。頂桿工作于高溫、高壓的環(huán)境中，并且在回抽過程中，與未完全固化的環(huán)氧樹脂有摩擦的動作。基于以上情況，需要選擇一款耐磨性、硬度、剛度指標都適中的材料，選用ASP23作為頂桿和桿套的材料比常規(guī)頂桿材料SKD11硬度更高，也更具耐磨性。

（2）其次需要選擇恰當?shù)膱A面加工工藝。基于目前的生產(chǎn)經(jīng)驗，回抽頂桿在連續(xù)生產(chǎn)8000～10000模次時，產(chǎn)品表面便會出現(xiàn)“煙囪”現(xiàn)象。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，頂桿與套桿之間配合間隙過大，導致注塑時塑封填料鉆入。為解決以上問題，頂桿外圈采用精密外圓磨加工。外圓磨主要在外圓磨床上進行，用以磨削軸類工件的外圓柱，而精密外圓磨的加工精度可以達到0.001mm，使頂桿外圓形變量更加可控。套桿內(nèi)圈采用坐標磨加工。坐標磨床具有精密坐標定位裝置，用于磨削孔距精度要求很高的精密孔，高精度的坐標磨床加工精度可達0.001mm。選擇了合適的加工方式后，頂桿與套桿之間的裝配間隙可有效控制在0.005mm以內(nèi)，從而有效降低塑封填料進入間隙的風險。

（3）最后頂桿及套桿表面需做特殊處理。頂桿在工作時末端與熔融塑封料產(chǎn)生反方向位移，形成極大的磨損。磨損使得頂桿端面的幾何尺寸變小，繼續(xù)使用則對產(chǎn)品的外形造成隱患。因此對頂桿及套桿做特殊表面處理，采用類金剛石薄膜（DLC）涂層?！癉LC“是英文”DLAMOND-LIKE CARBON“的縮寫。DLC是一種由碳元素構(gòu)成，在性質(zhì)上與鉆石類似的物質(zhì)，同時又是由石墨原子組成的物質(zhì)。類金剛石薄膜是一種非晶態(tài)薄膜，由于具有高硬度和高彈性模量、低摩擦因數(shù)、耐磨損以及良好的真空摩擦學特性，很適合于作為耐磨涂層。頂桿及套桿表面做DLC處理后，壽命可提升2.5倍，后期維護的成本可降低50%～60%。

5 頂桿改進方案的實施及評估方法

經(jīng)過上文分析，造成回抽頂桿易磨損的原因主要有三點，分別為材料選型不恰當、加工精度不夠高以及未做表面處理。本文主要圍繞這三點，旨在觀察新舊兩種頂桿方案連續(xù)生產(chǎn)后產(chǎn)品外觀與治具壽命的不同情況。在總結(jié)以往生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計內(nèi)容詳盡、條理清晰的實驗規(guī)劃書，進行實踐探究，從而可以得出新方案的可實施性和有效性。

實驗中，為將非考量變量的影響降為最低，應注意盡量控制干擾因素。本方案將實驗對象確定為TO-220FP，TO-220FP是一款十分典型的全塑封半導體器件，也是市場上流通量非常大的一款產(chǎn)品，將其定為實驗對象對改進回抽頂桿方案具有一定的指導意義。實驗要求在相近的溫度及濕度的條件下，使用同一臺塑封模具及壓機(且每次更換回抽頂桿前需對設(shè)備進行一次保養(yǎng)，以排除設(shè)備的原因)，由同一批熟練的操作人員對產(chǎn)品進行連續(xù)生產(chǎn)。在實驗過程中，應時刻密切注意產(chǎn)品的外形。尤其是頂針孔處的形貌，是否有磨損、隱裂、煙囪等外觀不良的現(xiàn)象發(fā)生，每連續(xù)生產(chǎn)2000模都要詳細記錄以上信息，直至外觀不良占比達到平日管控標準即停止生產(chǎn)。

試驗結(jié)束后，將記錄數(shù)據(jù)進行匯總整理，并且也要將模具內(nèi)的頂桿拆洗干凈，以便觀察磨損情況。整理后的實驗結(jié)果見表1。

表1 試驗生產(chǎn)詳細數(shù)據(jù)記錄表

實驗數(shù)據(jù)顯示，采用改進后的回抽頂桿，其工作壽命得到顯著提升，約為原有頂桿方案壽命的2.5倍，可確保模具連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)品輸出。改進后的回抽頂桿方案雖在前期投入成本上有加重（比原有的成本增加了30%），但考慮到后期停機保養(yǎng)和治具維護的頻率降低，折合后的成本較原方案實際降低了50%～60%。

6 結(jié)語

制造一個合格且可靠的電子元器件，從芯片設(shè)計到最后成品展出，需經(jīng)歷成百上千道復雜工序?；爻轫敆U雖只是塑封工序中極其細微的治具，卻同樣對產(chǎn)品質(zhì)量好壞與否起到至關(guān)重要的作用。全塑封器件因其特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求，為確保絕緣性能，不適宜使用固定頂桿。然而經(jīng)上文分析，回抽頂桿在制程中會產(chǎn)生極大的磨損，若不能防護得當，頂針孔處的形貌則無法得到保證。因此頂桿需要定期保養(yǎng)、更換，一副模具中有上千根回抽頂桿，每次更換占用產(chǎn)線工時長，拉低生產(chǎn)效率，且后期維護成本高。由此可見，設(shè)計一種優(yōu)化回抽頂桿以延長其工作壽命的方案是勢在必行的。

在進行方案優(yōu)化前，要充分了解整個塑封工序的生產(chǎn)流程，理解造成回抽頂桿缺陷的原因，并將主要風險項總結(jié)為材料選取不當、加工精度不夠及治具未做表面處理。確定待改進點后，通過研究已有資料，總結(jié)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，進行合理詳盡的實驗設(shè)計，從而得到客觀真實的實驗結(jié)果。經(jīng)過對實驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的回抽頂桿具備更加優(yōu)良的耐磨損能力，工作壽命得以顯著延長。同時產(chǎn)品的外觀質(zhì)量得以保證，頂桿孔破損、隱裂的風險大幅降低[5]。

近年來，在移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展、消費電子產(chǎn)品制造水平提高和居民收入水平增加等因素的驅(qū)動下，電子元器件行業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。未來隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、新型顯示等新興技術(shù)與消費電子產(chǎn)品的融合，使得行業(yè)需求量持續(xù)增加，同時帶動市場規(guī)模持續(xù)擴大。這樣的形態(tài)下，對于相關(guān)制造業(yè)是機遇也是挑戰(zhàn)，保持高產(chǎn)能輸出和高品控產(chǎn)品是一個企業(yè)保持活力所必須要秉持的原則之一。在生產(chǎn)過程中，任何一個威脅到產(chǎn)品質(zhì)量的潛在風險都需及時被排除。本文中所討論的改進內(nèi)容都是圍繞回抽頂桿展開，改進帶來的結(jié)果是頂桿孔形貌的優(yōu)化。頂桿孔對于整個產(chǎn)品而言是極其細微的存在，其質(zhì)量問題往往被有所輕視。然而頂桿孔缺陷對于產(chǎn)品的可靠性有所影響，若出現(xiàn)隱裂的問題會直接導致絕緣失效，由此可見，回抽頂桿優(yōu)化對全塑封器件品質(zhì)的提升是具有深遠的意義。