微電子封裝切筋系統和模具的設計與應用

　　摘要：微電子封裝自動切筋系統和模具有著專用性強、定制化程度高的特點。系統和模具的結構設計、流程設計、制造工藝、產線管理的體系完善是確保切筋系統和模具穩定運行的關鍵。本文針對封裝后道自動切筋系統和模具的設計要點、制造工藝及應用特點進行分析和探討。

　　方欣， 中國集成電路 發表時間：2021-04-05

　　關鍵詞：微電子;切筋系統;模具;設計;應用

　　0 引言

　　隨著微電子產品的不斷發展，產品升級特點有外觀結構變小、芯片集成度變高、芯片線位數變多，同時終端用戶對產品的可靠性能和良率要求越來越高，產品加工應用自動化設備是一個發展趨勢。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和模具來完成產品的最終切筋成型步驟，它有著精密度高、自動化程度高、設備專用性強的特點，在產品品質的提高和工廠生產效率的提升方面其優勢非常明顯。本文著重分析自動切筋成型系統和模具的設計要點及應用特點。

　　1 切筋系統和模具的工作原理

　　自動化切筋系統和模具結合了機械、電氣、模具等制造技術，有著獨特的技術要求。一臺完整的自動切筋系統包含料片上料、料片傳送、模具沖切、模具成型、產品下料、產品包裝等六個控制區域。

　　如圖 1 所示，為切筋系統和模具的構成圖。六個控制區域由機電一體化控制元器件全自動完成，設備整個控制鏈包含五個部分：①信號輸入、②數據輸出、③機械動作執行、④控制、⑤模具。

　　1、信號輸入部分一般包括：設備傳感器、按鈕開關、I/O 輸入模塊等。

　　2、數據輸出部分一般包括：設備驅動器、放大器、I/O 輸出模塊等。

　　3、機械動作執行部分一般包括：電磁閥、氣缸、伺服馬達、機械沖壓部件等。

　　4、數據控制部分是指可編程邏輯控制器，即 PLC，控制設備輸入輸出數據處理，是實現設備自動化運行的核心。

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

　　2 切筋系統和模具的設計要點

　　自動切筋系統是根據微電子產品外觀要求而定制研發設計的設備，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品的后道生產加工。切筋系統和模具的研發設計階段，一般通過 DFMEA 來分析人、機、料、法、環的潛在影響因素，建立標準化流程和設計標準，以滿足設備和模具在應用中的自動化、兼容性、穩定性的使用要求。

　　2.1 自動化設計

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

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

　　2、設備作業自動化。切筋系統的人機界面采用個性化設計，包括設備的上料、沖切、成型、分離、產品檢測、下料、包裝等動作實現全自動化控制。

　　2.2 兼容性設計

　　通常微電子加工廠所生產的品種類型多，在產品開發和設備投資評估時應優先考慮設備和模具的通用性和兼容性。

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

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

　　2.3 工藝流程設計

　　通常切筋系統和模具加工產品的工藝流程設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、效率對比分析。

　　通過對比 1 的數據得知，一體機和分體機工藝步驟不同。一體機加工順序為產品塑封后先完成框架鍍錫、打印，然后通過一臺設備同時完成切筋、成型、包裝，共 5 個工藝步驟;而分體機在產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 的數據得知，一體機比分體機的產品加工品質差，品質對比包含產品引腳污染、焊接區可焊性、引腳氧化三方面。如圖 6 所示，為一體機加工的切筋產品，切筋部位的連筋側面銅層裸露，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，造成產品的引腳污染、焊接區的可焊性失效比例高。

　　通過對比 5 的數據得知，一體機和分體機的產能效率相同。一體機通過一臺設備完成產品加工，投資費用少，而分體機由切筋、打彎兩臺設備完成產品加工，投資費用高。如圖 8 所示，為分體機加工產品步驟，先通過分體機設備 1 完成一次切筋工步，再實施產品表面鍍錫的電鍍工藝，最后在分體機設備 2 完成產品的成型工步。分體機的工藝優點在于有效地解決了產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。

　　對比以上數據，結果分析得知，一體機生產投資小，產品外觀品質差，在低端產品加工或外觀要求低的電子產品加工時設備選型可參考一體機的經濟性價比。分體機投資大，產品外觀品質好，隨著微電子產品對外觀要求和測試性能要求的不斷提高，采用分體機設備加工微電子產品的工藝方式越來越廣泛。

　　2.4 模具工步設計

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

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

　　3 切筋系統和模具的應用要點

　　切筋系統和模具的應用階段，需建立完善的管控要求，實時監控到系統和模具運行狀態，提前預防故障發生，科學有效地維護保養設備及模具，確保設備和模具的產能效率最大化。

　　3.1 備件的選材要求

　　系統元器件、機械零部件和模具工件的設計通常采用標準化制定，系統的電子元器件選型優先選用主流通用的市購件，模具工件優先使用標準件，兩者目的都是通過設計層面來管控后期系統運行的穩定性，提高系統和模具維護保養的效率。如圖 13 所示，備件材料的選用和表面工藝標準化，統一標準。

　　3.2 備件的精度要求

　　生產微電子產品的設備精度能力要求相當高。通常切筋系統和模具的安裝精度需要達到 0.01 mm，相對于產品加工的模具備件，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，關鍵尺寸需識別出來，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品引腳摩擦系數增大，產品切筋、成型時容易產生連筋錫絲、引腳刮錫的產品外觀不良。針對特殊產品加工，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，確保微電子產品的外觀品質。通常備件表面光潔度越高，則備件精度越高、使用壽命越長，產品品質越好。如圖 14 所示，模具備件的表面粗糙度差，產品產生刮錫的外觀不良。如圖 15 所示，備件提高表面粗糙度要求，則備件的壽命增長，產品斷面正常、無刮錫的品質問題。

　　3.4 切筋系統和模具的管控要求

　　從研發設計、制造工藝、預防維護三方面來提高切筋系統和模具的運行穩定性。

　　1. 建立標準的采購技術協議。在設計層面定義切筋系統和模具的構造要求，以及設備元器件的選型一致，提高產線設備的兼容性;定義備件的加工要求和設備性能要求，以保證設備的運行穩定性。

　　2. 建立高風險備件的加工工藝和品質管控要求。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人員技能。

　　4. 建立備件壽命管理。系統和模具的相關磨損部件和機構建立壽命周期數據，定期更換。

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

　　4 結束語

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