微電子封裝切筋系統(tǒng)和模具的設(shè)計與應用

　　摘要：微電子封裝自動切筋系統(tǒng)和模具有著專用性強、定制化程度高的特點。系統(tǒng)和模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、流程設(shè)計、制造工藝、產(chǎn)線管理的體系完善是確保切筋系統(tǒng)和模具穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本文針對封裝后道自動切筋系統(tǒng)和模具的設(shè)計要點、制造工藝及應用特點進行分析和探討。

　　方欣， 中國集成電路 發(fā)表時間：2021-04-05

　　關(guān)鍵詞：微電子;切筋系統(tǒng);模具;設(shè)計;應用

　　0 引言

　　隨著微電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，產(chǎn)品升級特點有外觀結(jié)構(gòu)變小、芯片集成度變高、芯片線位數(shù)變多，同時終端用戶對產(chǎn)品的可靠性能和良率要求越來越高，產(chǎn)品加工應用自動化設(shè)備是一個發(fā)展趨勢。在微電子后道加工的切筋成型工序，通常應用自動切筋系統(tǒng)和模具來完成產(chǎn)品的最終切筋成型步驟，它有著精密度高、自動化程度高、設(shè)備專用性強的特點，在產(chǎn)品品質(zhì)的提高和工廠生產(chǎn)效率的提升方面其優(yōu)勢非常明顯。本文著重分析自動切筋成型系統(tǒng)和模具的設(shè)計要點及應用特點。

　　1 切筋系統(tǒng)和模具的工作原理

　　自動化切筋系統(tǒng)和模具結(jié)合了機械、電氣、模具等制造技術(shù)，有著獨特的技術(shù)要求。一臺完整的自動切筋系統(tǒng)包含料片上料、料片傳送、模具沖切、模具成型、產(chǎn)品下料、產(chǎn)品包裝等六個控制區(qū)域。

　　如圖 1 所示，為切筋系統(tǒng)和模具的構(gòu)成圖。六個控制區(qū)域由機電一體化控制元器件全自動完成，設(shè)備整個控制鏈包含五個部分：①信號輸入、②數(shù)據(jù)輸出、③機械動作執(zhí)行、④控制、⑤模具。

　　1、信號輸入部分一般包括：設(shè)備傳感器、按鈕開關(guān)、I/O 輸入模塊等。

　　2、數(shù)據(jù)輸出部分一般包括：設(shè)備驅(qū)動器、放大器、I/O 輸出模塊等。

　　3、機械動作執(zhí)行部分一般包括：電磁閥、氣缸、伺服馬達、機械沖壓部件等。

　　4、數(shù)據(jù)控制部分是指可編程邏輯控制器，即 PLC，控制設(shè)備輸入輸出數(shù)據(jù)處理，是實現(xiàn)設(shè)備自動化運行的核心。

　　5、模具是微電子封裝產(chǎn)品加工的核心，由模具完成微電子產(chǎn)品加工的切筋、成型兩個工步。

　　2 切筋系統(tǒng)和模具的設(shè)計要點

　　自動切筋系統(tǒng)是根據(jù)微電子產(chǎn)品外觀要求而定制研發(fā)設(shè)計的設(shè)備，具有專用性強的特點，并配套使用定制的切筋、成型模具來完成微電子產(chǎn)品的后道生產(chǎn)加工。切筋系統(tǒng)和模具的研發(fā)設(shè)計階段，一般通過 DFMEA 來分析人、機、料、法、環(huán)的潛在影響因素，建立標準化流程和設(shè)計標準，以滿足設(shè)備和模具在應用中的自動化、兼容性、穩(wěn)定性的使用要求。

　　2.1 自動化設(shè)計

　　隨著智能制造工廠的普及，自動化設(shè)計的目標是實現(xiàn)工廠作業(yè)無人化，就自動切筋系統(tǒng)和模具的設(shè)計而言，應具備以下自動化設(shè)計要求：

　　1、生產(chǎn)材料及輔助材料自動化配送。應用 AGV 智能車實現(xiàn)工廠材料配送自動化，提高生產(chǎn)線的作業(yè)效率，減少人力成本。

　　2、設(shè)備作業(yè)自動化。切筋系統(tǒng)的人機界面采用個性化設(shè)計，包括設(shè)備的上料、沖切、成型、分離、產(chǎn)品檢測、下料、包裝等動作實現(xiàn)全自動化控制。

　　2.2 兼容性設(shè)計

　　通常微電子加工廠所生產(chǎn)的品種類型多，在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)備投資評估時應優(yōu)先考慮設(shè)備和模具的通用性和兼容性。

　　1、切筋系統(tǒng)的兼容性設(shè)計。產(chǎn)品開發(fā)初期需考慮到料片框架的外形尺寸設(shè)計，包括產(chǎn)品框架的步進距離和外形尺寸的一致性，便于設(shè)備兼容足夠多的品種類型，提高設(shè)備產(chǎn)能利用率，減少設(shè)備的投資支出。如圖 2 所示，新品開發(fā)時按照已投入生產(chǎn)的框架外形長度、寬度、產(chǎn)品步距尺寸來設(shè)計，切筋系統(tǒng)則可兼容共享使用，僅需開發(fā)對應產(chǎn)品的模具即可投入生產(chǎn)，減少切筋系統(tǒng)的投資支出。

　　2、模具的兼容性設(shè)計。模具設(shè)計時應考慮備件的通用性，如圖 3 所示，開發(fā)已投入生產(chǎn)的同類型產(chǎn)品，參考現(xiàn)有相同型號的框架外形尺寸，設(shè)備和模具部分可兼容共享使用，僅需更換引腳數(shù)不同的模芯部分即可投入生產(chǎn)。如圖 4 所示，為實例：TSOT23 -4L/5L/6L/8L 產(chǎn)品共享模架。

　　2.3 工藝流程設(shè)計

　　通常切筋系統(tǒng)和模具加工產(chǎn)品的工藝流程設(shè)計有一體機和分體機兩種方式，工藝流程如下：

　　1. 一體機：塑封→電鍍→打印→切筋成型→包裝;

　　2. 分體機：塑封→一次切筋→電鍍→打印→成型→包裝。

　　如圖 5 所示，為一體機 & 分體機工藝流程、品質(zhì)、效率對比分析。

　　通過對比 1 的數(shù)據(jù)得知，一體機和分體機工藝步驟不同。一體機加工順序為產(chǎn)品塑封后先完成框架鍍錫、打印，然后通過一臺設(shè)備同時完成切筋、成型、包裝，共 5 個工藝步驟;而分體機在產(chǎn)品塑封后先完成一次切筋，然后電鍍，電鍍后再打印、成型、包裝，共 6 個工藝步驟。

　　通過對比 2、3、4 的數(shù)據(jù)得知，一體機比分體機的產(chǎn)品加工品質(zhì)差，品質(zhì)對比包含產(chǎn)品引腳污染、焊接區(qū)可焊性、引腳氧化三方面。如圖 6 所示，為一體機加工的切筋產(chǎn)品，切筋部位的連筋側(cè)面銅層裸露，造成引腳氧化的比例高。如圖 7 所示，為一體機加工的成型產(chǎn)品，電鍍后直接進行切筋、成型和包裝，在切筋過程中所造成的樹脂顆粒無法徹底清除，造成產(chǎn)品的引腳污染、焊接區(qū)的可焊性失效比例高。

　　通過對比 5 的數(shù)據(jù)得知，一體機和分體機的產(chǎn)能效率相同。一體機通過一臺設(shè)備完成產(chǎn)品加工，投資費用少，而分體機由切筋、打彎兩臺設(shè)備完成產(chǎn)品加工，投資費用高。如圖 8 所示，為分體機加工產(chǎn)品步驟，先通過分體機設(shè)備 1 完成一次切筋工步，再實施產(chǎn)品表面鍍錫的電鍍工藝，最后在分體機設(shè)備 2 完成產(chǎn)品的成型工步。分體機的工藝優(yōu)點在于有效地解決了產(chǎn)品銅層裸露造成引腳氧化，以及樹脂顆粒污染造成引腳可焊性失效的問題。

　　對比以上數(shù)據(jù)，結(jié)果分析得知，一體機生產(chǎn)投資小，產(chǎn)品外觀品質(zhì)差，在低端產(chǎn)品加工或外觀要求低的電子產(chǎn)品加工時設(shè)備選型可參考一體機的經(jīng)濟性價比。分體機投資大，產(chǎn)品外觀品質(zhì)好，隨著微電子產(chǎn)品對外觀要求和測試性能要求的不斷提高，采用分體機設(shè)備加工微電子產(chǎn)品的工藝方式越來越廣泛。

　　2.4 模具工步設(shè)計

　　通常微電子封裝自動切筋成型模具工步有“先切腳成型再分離”和“先成型再切腳分離”兩種設(shè)計方案，兩種工步流程如下：

　　1. 沖塑 - 沖澆口 - 切筋 - 切腳長 - 預成型 - 成型 - 分離

　　2. 沖塑 - 沖澆口 - 切筋 - 預成型 - 成型 - 切腳長 & 分離

　　如圖 9 所示，為先切腳成型再分離的設(shè)計工步。該設(shè)計主要是針對框架結(jié)構(gòu)無假腳、單吊筋的產(chǎn)品。吊筋的作用是在產(chǎn)品切腳后用來支撐膠體和定位產(chǎn)品，以保證產(chǎn)品能夠正常的通過框架邊框傳送到下一工步。在吊筋的設(shè)計上需要考慮外形尺寸的大小，如圖 10 所示，吊筋尺寸設(shè)計過大，造成產(chǎn)品端部膠體缺損和開裂;如圖 11 所示，吊筋尺寸設(shè)計過小，則強度不能有效支撐膠體和產(chǎn)品，吊筋扯斷，使產(chǎn)品在模具定位不準確，產(chǎn)品成型異常。為保證產(chǎn)品和模具的穩(wěn)定性，通過 DOE 評估，較為合理的吊筋設(shè)計尺寸為長寬 0.05mm×0.3mm。

　　如圖 12 所示，為先成型再切腳分離的設(shè)計工步。該設(shè)計主要特征是增加框架的工藝假腳，假腳起到有效支撐產(chǎn)品的作用，避免產(chǎn)品定位偏移，并實現(xiàn)先成型再切腳分離的工步設(shè)計，用來解決產(chǎn)品成型時吊筋容易扯斷的問題。

　　3 切筋系統(tǒng)和模具的應用要點

　　切筋系統(tǒng)和模具的應用階段，需建立完善的管控要求，實時監(jiān)控到系統(tǒng)和模具運行狀態(tài)，提前預防故障發(fā)生，科學有效地維護保養(yǎng)設(shè)備及模具，確保設(shè)備和模具的產(chǎn)能效率最大化。

　　3.1 備件的選材要求

　　系統(tǒng)元器件、機械零部件和模具工件的設(shè)計通常采用標準化制定，系統(tǒng)的電子元器件選型優(yōu)先選用主流通用的市購件，模具工件優(yōu)先使用標準件，兩者目的都是通過設(shè)計層面來管控后期系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)和模具維護保養(yǎng)的效率。如圖 13 所示，備件材料的選用和表面工藝標準化，統(tǒng)一標準。

　　3.2 備件的精度要求

　　生產(chǎn)微電子產(chǎn)品的設(shè)備精度能力要求相當高。通常切筋系統(tǒng)和模具的安裝精度需要達到 0.01 mm，相對于產(chǎn)品加工的模具備件，其精密度要求更高，刃口備件的加工精度需要達到 0.005 mm 以內(nèi)，關(guān)鍵尺寸需識別出來，在備件圖紙上特別標注，備件驗收和使用時重點檢驗測量。

　　3.3 備件的粗糙度要求

　　通常與產(chǎn)品引腳接觸的切筋工件表面粗糙度需要達到 Ra=0.2μm 級別，成型工件表面粗糙度要求更高，需達到 Ra=0.05μm 級別，表面粗糙度差會造成工件與產(chǎn)品引腳摩擦系數(shù)增大，產(chǎn)品切筋、成型時容易產(chǎn)生連筋錫絲、引腳刮錫的產(chǎn)品外觀不良。針對特殊產(chǎn)品加工，備件表面還需進行鍍鉻、鍍 DLC 等特殊工藝處理，提高備件工作面的耐磨性、耐污染性，確保微電子產(chǎn)品的外觀品質(zhì)。通常備件表面光潔度越高，則備件精度越高、使用壽命越長，產(chǎn)品品質(zhì)越好。如圖 14 所示，模具備件的表面粗糙度差，產(chǎn)品產(chǎn)生刮錫的外觀不良。如圖 15 所示，備件提高表面粗糙度要求，則備件的壽命增長，產(chǎn)品斷面正常、無刮錫的品質(zhì)問題。

　　3.4 切筋系統(tǒng)和模具的管控要求

　　從研發(fā)設(shè)計、制造工藝、預防維護三方面來提高切筋系統(tǒng)和模具的運行穩(wěn)定性。

　　1. 建立標準的采購技術(shù)協(xié)議。在設(shè)計層面定義切筋系統(tǒng)和模具的構(gòu)造要求，以及設(shè)備元器件的選型一致，提高產(chǎn)線設(shè)備的兼容性;定義備件的加工要求和設(shè)備性能要求，以保證設(shè)備的運行穩(wěn)定性。

　　2. 建立高風險備件的加工工藝和品質(zhì)管控要求。特別是核心備件的制造過程控制。

　　3. 建立完善的工程培訓體系和考核機制。通過培訓和考核來提高工程技術(shù)人員技能。

　　4. 建立備件壽命管理。系統(tǒng)和模具的相關(guān)磨損部件和機構(gòu)建立壽命周期數(shù)據(jù)，定期更換。

　　5. 建立預防維護保養(yǎng)。對設(shè)備和模具進行周期性的功能檢查確認和維護保養(yǎng)。

　　4 結(jié)束語

　　微電子后道自動切筋系統(tǒng)和模具是半導體產(chǎn)品自動化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，隨著國家對微電子產(chǎn)業(yè)的布局和智能制造的推廣，封裝產(chǎn)品的全自動化生產(chǎn)是一個大趨勢，未來自動化設(shè)備的發(fā)展將會更加廣闊。本文是基于設(shè)備和模具的設(shè)計與應用角度給予分析，以供參考。