高功率密度軍用電源塑封工藝研究

臧艷麗

(連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000)

高功率密度系列模塊電源可以滿足電子系統(tǒng)復(fù)雜的供電環(huán)境，提高系統(tǒng)效率，減小體積，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度。國內(nèi)在機(jī)載、車載、艦載、航空航天等領(lǐng)域需要大量使用高功率密度模塊化電源(2018年國內(nèi)市場容量>25億元)，且每年保持高速增長。研制高功率密度電源模塊系列產(chǎn)品是國產(chǎn)軍用模塊電源的發(fā)展趨勢和市場需求，配合產(chǎn)品的研發(fā)項(xiàng)目，該工藝項(xiàng)目完成后，可實(shí)現(xiàn)同類產(chǎn)品的國產(chǎn)化替代。面對高功耗、小體積、輕重量的要求，電源模塊需采用更密間距的結(jié)構(gòu)，選用性能更優(yōu)異的材料，以提高電源模塊的微組裝的可靠性[1]。傳統(tǒng)的電源模塊一般采用真空浸入式或者旋轉(zhuǎn)離心式的灌封工藝方式實(shí)現(xiàn)電源模塊的整體灌封[2-3]，而新型的高功率密度系列模塊電源采用芯片塑封的工藝方式，實(shí)現(xiàn)磁芯、元器件、PCB基板和塑封料的一體式封裝。

1 封裝的分類

1.1 封裝的類型

一般行業(yè)中，封裝是指芯片(Die)和不同類型的框架(L/F)、塑封料(EMC)形成的不同外形的封裝體。按照封裝材料劃分為：金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝；按照和PCB板連接方式分為：PTH封裝和SMT封裝；按照封裝外型可分為：SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等。金屬封裝主要用于軍工領(lǐng)域，無商業(yè)化產(chǎn)品；陶瓷封裝優(yōu)于金屬封裝，也用于軍事產(chǎn)品，占少量商業(yè)化市場；塑料封裝用于消費(fèi)電子，因?yàn)槠涑杀镜?、工藝簡單、可靠性高而占有絕大部分的市場份額。

1.2 電源塑封

傳統(tǒng)的電源模塊一般采用真空浸入式或者旋轉(zhuǎn)離心式的灌封工藝方式實(shí)現(xiàn)電源模塊的整體灌封，灌封的方式存在氣孔和填充不完全的問題，而且無法滿足高導(dǎo)熱的要求。

電源塑封工藝是將半導(dǎo)體集成電路芯片的封裝技術(shù)應(yīng)用到板級的封裝上。塑封工藝就是把前段生產(chǎn)完成的板級用樹脂封裝起來，使其與外界的各種物理及化學(xué)變化等因素隔離開來，使元件和芯片不受外界的影響和破壞，因而性能穩(wěn)定，壽命長，攜帶和使用也方便。在塑封工藝中有很多因素會對產(chǎn)品的性能和良品率產(chǎn)生影響，例如環(huán)境因素、各種原輔材料等。由于產(chǎn)品高功率特性，對塑封料選擇極為重要，導(dǎo)熱效果好壞直接影響產(chǎn)品性能。

塑封分為單面塑封和雙面塑封，芯片塑封一般采用單面塑封的方式，電源產(chǎn)品為高功率高密度產(chǎn)品，元器件精密貼裝PCB上下表面，電源產(chǎn)品工作過程熱量通過印制板和上下表面的塑封料將熱量散發(fā)出去，降低產(chǎn)品熱量。芯片的注塑工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，在此基礎(chǔ)上開展印制板雙面注塑工藝。通過與封裝廠商、材料廠商技術(shù)合作，應(yīng)用仿真分析軟件結(jié)合理論計(jì)算對注塑料流動形態(tài)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化注塑模具，驗(yàn)證電源塑封工藝的有效性。

2 電源塑封的可靠性分析

隨著對國產(chǎn)化替代電源產(chǎn)品的重視，塑封電源產(chǎn)品工藝技術(shù)在逐漸提升，產(chǎn)品的性能也在逐年提高，對其工藝的可靠性研究顯得尤為重要[4]。電源產(chǎn)品塑封過程存在的典型的可靠性問題如下。

2.1 填充不完全

對于電源產(chǎn)品塑封工藝，重點(diǎn)是解決塑封中出現(xiàn)的趨向性填充不完全和內(nèi)部氣孔。對于常見有趨向性的不完全填充，主要是由于封裝工藝與塑封材料的性能參數(shù)不匹配造成的。預(yù)熱后的塑封材料在高溫下反應(yīng)速度加快，致使塑封材料的膠化時間相對變短，流動性變差，在型腔還未完全充滿時，塑封材料的黏度便會急劇上升，流動阻力也變大，以至于未能得到良好的填充，從而形成有趨向性的未填充。這種有趨向性的未填充主要是由于塑封材料流動性不充分而引起的。

內(nèi)部氣孔的形成原因主要是模具表面的溫度過高，使型腔表面的塑封材料過快或者過早發(fā)生固化反應(yīng)，加上較快的注塑速度使得排氣口部位充滿，以至于內(nèi)部的部分氣體無法克服表面的固化層而留在內(nèi)部形成氣孔。這種氣孔缺陷一般多發(fā)生在大體積電路封裝中，而且多出現(xiàn)在澆口端和中間位置。

2.2 分層

分層是指封裝體內(nèi)部不同材料粘接在一起的界面之間出現(xiàn)微小的分離或裂紋，分層可引起器件性能下降甚至失效。塑封電源容易發(fā)生分層的主要區(qū)域有封裝樹脂與元器件表面、印制板表面與封裝樹脂之間[5-7]。

2.3 翹曲

翹曲是由于高壓塑封過程對印制板的單面壓力造成塑封過程中升溫和降溫過程，印制板和塑封料的CTE不匹配造成產(chǎn)品的整體表面出現(xiàn)翹曲，翹曲帶來的印制板變形、芯片的開裂、元器件引腳的開裂等問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的可靠性問題。產(chǎn)品面積越大，印制板越薄，出現(xiàn)翹曲的可能性就越大。

3 電源塑封工藝設(shè)計(jì)

研究高功率密度電源模塊塑封工藝技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)板級和器件的高導(dǎo)熱要求，并提供更好的產(chǎn)品防護(hù)。該技術(shù)主要有3個難點(diǎn)：1)高導(dǎo)熱塑封材料的選擇；2)適用印制板雙面注塑模具的設(shè)計(jì)；3)密間距印制板注塑工藝參數(shù)的研究，解決塑封后產(chǎn)品空洞及分層問題。

根據(jù)高功率密度電源與傳統(tǒng)電源主要區(qū)別在于采用了芯片封裝常用的塑封工藝，制定此電源產(chǎn)品加工工藝流程(見圖1)。

3.1 塑封材料的選擇

材料的選擇是提高塑封技術(shù)性能的基礎(chǔ)，環(huán)氧塑封料的兩大主要性能：良好的可靠性和成型性[8]。由于產(chǎn)品高功率特性，導(dǎo)熱效果好壞直接影響產(chǎn)品性能。所以塑封料選擇高導(dǎo)熱、高Tg、低應(yīng)力的封裝材料，熱導(dǎo)率不低于3 W/(m·K)，Tg點(diǎn)≥120 ℃，CTE在40以內(nèi)。電源塑封材料(某國產(chǎn)塑封料)參數(shù)見表1。

表1 塑封材料參數(shù)表

3.2 電源塑封仿真分析

產(chǎn)品塑封的好壞一般是通過實(shí)際塑封后的產(chǎn)品性能確定的。傳統(tǒng)多采用試錯的方式，此方法成本高、時間長、效率低，如采用模流仿真分析可預(yù)判產(chǎn)品塑封過程中的薄弱環(huán)節(jié)，方便快速地設(shè)計(jì)出合適的塑封模具的結(jié)構(gòu)，大大降低了反復(fù)制作模具的成本，并減少了試模的時間，提高了產(chǎn)品驗(yàn)證的可靠性[9-11]，電源模塊三維模型如圖2所示，印制板上下表面均貼有元器件，封裝材料包裹元器件，并提供更好的產(chǎn)品保護(hù)。

3.2.1 電源模流仿真分析

塑封電源模流填充情況如圖3所示，塑封電源塑封料填充過程產(chǎn)生的氣穴分布情況如圖4所示。通過模流仿真結(jié)果分析，電源雙面塑封通過雙排槽的設(shè)計(jì)，基本可以實(shí)現(xiàn)印制板雙面同時塑封，塑封料可同時到達(dá)印制板的上下表面，解決了注塑不同步帶來的壓力差對印制板造成變形和翹曲的問題。匯交口的下模部分有輕微的匯流區(qū)域，存在產(chǎn)生氣穴的可能，氣穴基本都集中在匯交口的下部填充尾端，此部分氣穴多產(chǎn)生于電源產(chǎn)品的外部區(qū)域，此區(qū)域經(jīng)過后道切割工序，切除掉多余的塑封體，對電源產(chǎn)品整體的塑封無影響。

3.2.2 模塊翹曲仿真分析

采用某國產(chǎn)封裝材料塑封過程產(chǎn)品發(fā)生的翹曲變形情況如圖5所示，模塊翹曲仿真分析是仿真電源產(chǎn)品PMC之后(25 ℃)的翹曲。通過仿真選擇匹配的塑封料(塑封后模塊翹曲最小)。通過仿真結(jié)果分析可知，采用此國產(chǎn)封裝材料塑封后的電源產(chǎn)品封裝單顆翹曲為45 μm，翹曲變形在可接受范圍內(nèi)。

3.3 塑封電源產(chǎn)品結(jié)果分析

按照圖1電源工藝流程，完成元器件貼裝、清洗、底部填充、磁芯粘接、塑封，塑封后樣品進(jìn)行后固化處理，處理溫度175 ℃，時間6 h，再經(jīng)過高溫存儲、高低溫沖擊試驗(yàn)，最后對樣品進(jìn)行金相研磨觀察每層元器件塑封效果(見圖6)。通過塑封后的電源產(chǎn)品進(jìn)行研磨分析，元器件底部無氣孔、元件表面與塑封料也無分層的問題，塑封工藝良好，滿足產(chǎn)品要求。

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過模流仿真結(jié)果分析可知，電源雙面塑封通過注膠口和匯交口的設(shè)計(jì)，基本可以實(shí)現(xiàn)雙面同時塑封，塑封料可同時到達(dá)PCBA的上下表面，解決了單面注塑壓力對印制板造成變形和翹曲的問題。匯交口的部分存在氣穴，發(fā)現(xiàn)氣穴基本都集中在填充尾端，此部分氣穴多產(chǎn)生于電源產(chǎn)品的外部區(qū)域，此區(qū)域經(jīng)過后道切割工序，切除掉多余的塑封體，對電源產(chǎn)品整體的塑封無影響。

2)模塊翹曲仿真分析，仿真電源產(chǎn)品PMC之后(25 ℃)的翹曲。通過仿真選擇匹配的塑封料(塑封后模塊翹曲最小)。通過仿真結(jié)果分析可知，采用此國產(chǎn)塑封料塑封后的電源產(chǎn)品封裝單顆翹曲為45 μm，翹曲變形在可接受范圍內(nèi)。

3)通過塑封后的電源產(chǎn)品進(jìn)行研磨分析，元器件底部無氣孔、元件表面與塑封料也無分層的問題，驗(yàn)證了此塑封工藝滿足產(chǎn)品要求。