半導(dǎo)體封裝模具模盒內(nèi)主要部件材料選型

張先兵

摘 要：通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體封裝模具模盒內(nèi)的零件在不同工作環(huán)境和不同受力情況的分析，來(lái)合理的選用各零部件的材料，以達(dá)到模具的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和提高模具的使用壽命。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂；耐磨性；脫模性

中圖分類號(hào)：TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0050-01

半導(dǎo)體的封裝模具是將芯片、金線以及引線框架一起用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)起來(lái)的一種設(shè)備，該類模具一般250秒左右為一個(gè)開(kāi)合模周期，每個(gè)周期根據(jù)封裝制品類型的不同，可封裝出幾十甚至數(shù)千只成品，且模具上設(shè)置有加熱裝置，使模具長(zhǎng)期處在180度左右的高溫下工作，合模時(shí)的壓力也根據(jù)封裝制品的種類和數(shù)量的不同而有差異，一般合模工作壓力在150噸至350噸之間，由于半導(dǎo)體元器件的特殊工作環(huán)境，要求其具有良好的電性能和散熱能力，同時(shí)抗老化性、焊接性、抗壓性等都要較高的要求，因此引線框架、環(huán)氧樹(shù)脂等選型有較大的局限性，而半導(dǎo)體封裝模具是一種低溫?zé)嶙?、多腔位、熱固性擠塑模具，其結(jié)構(gòu)和材料選型等需要在滿足模具相對(duì)狹窄的條件下使用，既要保證其穩(wěn)定性，又要達(dá)到一定的使用壽命，還要結(jié)構(gòu)輕巧，操作方便。MGP模和AUTO模是目前市場(chǎng)上使用最為廣泛的封裝模具結(jié)構(gòu)，本文主要針對(duì)其中的模盒部分的材料選型和熱處理來(lái)做部分闡述。

1 半導(dǎo)體封裝模具的工作環(huán)境及狀態(tài)

模盒部分是模具的核心部分，環(huán)氧樹(shù)脂在這里完成軟化，流動(dòng)，成型，固化，制品脫模等過(guò)程，由于環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)含有硅粉等填料，流動(dòng)的過(guò)程中對(duì)模具摩擦，產(chǎn)生熱能，使模具表面慢慢磨損、氧化，特別是流道、澆口等狹窄的進(jìn)料部位，磨損尤為嚴(yán)重，同時(shí)，模具為上下合模的方式運(yùn)動(dòng)，為保證合模的精度，每個(gè)模盒一般都設(shè)計(jì)四個(gè)方向的定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，用來(lái)防止上下模錯(cuò)位而導(dǎo)致的模面受損和制品上下腔體錯(cuò)位等缺陷，且模具長(zhǎng)期在180度左右的高溫和較高的壓力下工作，模盒部分的零件需要滿足以下的技術(shù)特點(diǎn)：

1.1 加工特性良好

半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)外觀要求非常嚴(yán)格，亞光面的產(chǎn)品需要外形粗糙度均勻一致，無(wú)表面異常凸起、花斑等現(xiàn)象，光面的產(chǎn)品需要產(chǎn)品表面平整無(wú)色差，這樣在后續(xù)激光打標(biāo)的步驟中才會(huì)使制品表面字跡清晰，不易擦花，因此對(duì)于封裝模具，必須提高鋼材純凈度和保證組織均勻，一般通過(guò)電渣重熔鋼（ESR）或真空弧溶解法（VAR）的冶煉方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，粉末冶金也可實(shí)現(xiàn)，但成本會(huì)提高，一般用在較為重要的鑲件上。

1.2 基體剛性和耐壓性能

模具長(zhǎng)期在高壓環(huán)境下工作，從而需要一定的剛性，如果剛性和耐壓強(qiáng)度不夠，會(huì)造成零件變形甚至開(kāi)裂，成型部分和澆口部分的鑲條由于尺寸較小，剛性和韌性更為重要，要求材料硬度在HRC60以上，其余承壓部件的基體硬度要求HRC55以上。

1.3 耐磨損性

模具在工作當(dāng)中，澆道、澆口、腔體不斷與含有硅粉、玻璃纖維等填料的樹(shù)脂接觸，不斷摩擦并產(chǎn)生大量熱量，會(huì)使鑲條的流道的表面磨損，脫模斜度變小，澆口尺寸變大，增加樹(shù)脂用量的同時(shí)還不易制品脫模，影響了產(chǎn)品質(zhì)量，因此鑲件部分必須具有高耐磨性、超硬性等。

1.4 尺寸穩(wěn)定性

模具上核心零部件的尺寸公差一般在0.005mm以內(nèi)，且模具不一定24小時(shí)一直在工作，停機(jī)的時(shí)候加熱裝置不加熱，模具會(huì)冷卻至室溫狀態(tài)，需要工作的時(shí)候再重新加熱，為保證模具在反復(fù)加熱冷卻后尺寸不能發(fā)生變化，工作過(guò)程中還要保持零件尺寸穩(wěn)定，最少要求30萬(wàn)模次內(nèi)鑲條長(zhǎng)度變化小于0.02mm。

1.5 良好的脫模性和耐腐蝕性

優(yōu)良的脫模性可以保證產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率，模具工作溫度在180℃附近，與環(huán)氧樹(shù)脂接觸，內(nèi)中解腐的塑料分子會(huì)對(duì)零件有腐蝕，洗模和脫模膠條也對(duì)鑲條有腐蝕作用，一般通過(guò)選用耐腐蝕性材料和對(duì)零件表面處理實(shí)現(xiàn)。

1.6 運(yùn)動(dòng)軸類件需要有一定的耐磨性和抗拉強(qiáng)度

大部分軸類零件主要承受拉力和摩擦力，且受產(chǎn)品外形和模盒大小的限制，部分軸類零件（例如頂桿）的直徑尺寸較小，目前常用的頂桿直徑從0.5mm到3不等，所以要選用基體韌性強(qiáng)，表面硬度高的材料。

2 化學(xué)成分對(duì)材料的特性的影響

材料所具有的性能是由其化學(xué)成分組成所決定的，一般來(lái)講各種不同的合金元素決定和組合決定了鋼材的性能，盡管這些性能可能需要通過(guò)熱處理工藝實(shí)現(xiàn)，但本質(zhì)上還是其成份決定，合金元素的添加對(duì)材料的物理性能、化學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)的影響非常重要，例如碳的作用是提高鋼材淬透性，增加鋼材基體強(qiáng)度和耐磨性，但對(duì)鋼的韌性有一定的損失；鉻的作用可以極大程度提高鋼材淬透性，增加耐磨性、耐腐蝕性，資料表明含鉻12%以上的鋼材均具有良好的耐蝕性，同時(shí)鉻的存在與碳作用形成合金碳化物，進(jìn)一步提高了耐磨性；鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鈷（Co）等元素的添加有效地提高了鋼材在高溫下的搞回火穩(wěn)定性，保持組織穩(wěn)定，制約了鋼材在高溫加熱時(shí)晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)，降低了鋼材的過(guò)熱敏感性，從而提高了鋼材的韌性。

3 模盒內(nèi)不同部位零件的材料選型：

3.1 成型鑲條、澆口鑲條的材料選型

模盒內(nèi)的成型鑲條、澆口鑲條一般選用耐磨性好、硬度高、加工性能良好的粉末冶金鋼，如ASP23，ASP30等，此等材料要求在熱處理工藝中通過(guò)多次深冷處理與高溫回火來(lái)保證，并要求在200℃*72h時(shí)效后，前后尺寸變化值（RCD）為±10*10-6范圍內(nèi)，工件需要在真空狀態(tài)下回火，脫碳氧化，且采用多段不同溫度回火，保證了材料的光亮和表面潔凈度，深冷處理需要在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，避免了水氣泄露對(duì)工件外觀成色的損害，對(duì)于特殊要求的產(chǎn)品澆口部位可以采用拼裝硬質(zhì)合金材料，例如F20、CD650等。

3.2 起支撐作用的零部件材料選型

對(duì)于支撐基體零件，例如鑲件座、支撐柱、頂針推板等，一般選用淬火硬度HRC57-HRC60左右、材料熱膨脹系數(shù)與鑲條接近的冷作模具鋼，例如Cr12Mo1V1，SLD等；而對(duì)于模盒墊板這類經(jīng)常拆卸模盒時(shí)來(lái)回運(yùn)動(dòng)的零件，考慮其剛性摩擦的工作環(huán)境，一般選用SUS440C，此類材料作為墊板使用，表面可不用電鍍，避免摩擦引起的鉻層脫落導(dǎo)致厚度尺寸變化。

3.3 軸類零件的材料選型

模盒內(nèi)的軸類零件分為兩類，一類是參與注射成型的pot和plunger，該零件是向樹(shù)脂傳遞壓力的主要零件，且兩個(gè)零件之間一直在做往復(fù)的軸類運(yùn)動(dòng)，兩者之間的間隙中還有樹(shù)脂粉末隨著一起運(yùn)動(dòng)，受到的擠壓力和摩擦力非常大，不管是與樹(shù)脂接觸的斷面，還是兩個(gè)零件之間相互摩擦的面，都特別容易磨損，所以該零件的選材一般選用硬質(zhì)合金，例如F10，同時(shí)表面和內(nèi)壁需要研磨至鏡面，或者選用淬火后韌性較強(qiáng)的工具鋼M2，加工成品后表面做納米涂層處理，增加摩擦面的表面硬度和耐磨性，另一類軸類零件是起頂出作用的頂桿和復(fù)位桿，該類零件主要起封裝制品的頂出脫模作用，且數(shù)量眾多，單個(gè)零件受壓力不大，主要是復(fù)位的時(shí)候受拉力和運(yùn)動(dòng)時(shí)與孔的摩擦力，所以一般選用淬火后硬度HRC60左右的材料，列如SKH51，該類材料基體韌性較強(qiáng)，特別是尾端做部分退火處理，降低肩部硬度，可以避免回退的時(shí)候拉斷。

3.4 定位及導(dǎo)向類零部件材料選型

起上下模定位和導(dǎo)向作用的零件一般稱之為精定位塊，該類零件是使模具對(duì)模準(zhǔn)確以及保證封裝制品偏錯(cuò)位的重要零件，其主要承受上下運(yùn)動(dòng)的摩擦力和橫向的剪切力，且一般四個(gè)方向均設(shè)計(jì)有精定位塊，所以該類零件一般選用硬度HRC68以上的粉末冶金鋼，例如ASP60，或者硬質(zhì)合金，例如CD650、F10等，表面需要精磨或者拋光處理，減小摩擦阻力。

4 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體封裝模具的發(fā)展也有很長(zhǎng)一段時(shí)間，而目前使用綠色環(huán)保樹(shù)脂已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，樹(shù)脂的牌號(hào)也在不斷更新，其流動(dòng)性、粘度、電性能都在不斷的變化，為適應(yīng)不同牌號(hào)的樹(shù)脂，模具的材料選型也在不斷變化，但不管選用何種材料，最終的目的是能在封裝出合格制品的前提下提高模具壽命，降低維護(hù)成本，提升加工性能。