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摘要：

 

      填充不良是功率器件塑料封裝過程中的常見問題，如何減少填充不良的產(chǎn)生和預(yù)防填充不良產(chǎn)品的出現(xiàn)是塑封設(shè)備工程師、功率器件產(chǎn)品設(shè)計師、模塑料生產(chǎn)商、模具制造商共同探討的問題。

 

      描述了填充不良對組裝的危害，闡述了功率器件封裝過程中常見的填充不良發(fā)生機理，從塑封產(chǎn)品設(shè)計、模塑料、工藝方法等方面進行分析，提出了有效的改善措施，對塑料封裝改進質(zhì)量和模塑料、模具等的開發(fā)工作有借鑒意義。

 

1、引言

 

      塑封是功率器件封裝中關(guān)鍵的工序之一。它的作用是將芯片、焊線、框架(內(nèi)部)及基島包封起來，對芯片、焊線起到保護作用。

 

      填充不良是功率器件塑封過程中柱形料餅在模具中受高溫成黏稠液態(tài)模塑料，通過模具流道、灌膠口注入模具型腔的過程中，模塑料受到阻力未完全或密實地灌滿模具型腔，在型腔局部、角落或內(nèi)表面模塑料缺少而出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷。

 

      某些基島全包封的產(chǎn)品，基島上載有芯片的一側(cè)腔體遠遠大于基島另一側(cè)的腔體，模塑料在芯片一側(cè)較大尺寸型腔中流動阻力小，另一側(cè)小空間或角落里流動阻力大，易形成填充不良。

 

      填充不良直接影響塑封良率，程度輕微的在器件塑封體表面留下麻點，即使通過可靠性考核也會降檔使用；程度嚴重的塑封體表面、側(cè)面、角落缺損的產(chǎn)品只能報廢。如何預(yù)防或杜絕填充不良的產(chǎn)生，是功率器件封裝研究需解決的問題之一。

 

2、功率器件封裝填充不良

 

      由于模塑料性能參數(shù)的差異、塑封模具灌膠口位置和流道設(shè)計不同、塑封工藝差異以及塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計（包括引線框架結(jié)構(gòu)）的不同，塑封中出現(xiàn)的填充不良主要有塑封體正面填充不良、塑封體背面填充不良、引線框架結(jié)構(gòu)引起的填充不良等。

 

2.1 塑封體正面填充不良

 

      塑封體正面填充不良主要表現(xiàn)為針孔、沙眼、氣泡，從而影響產(chǎn)品氣密性，或出現(xiàn)印字缺少筆畫等現(xiàn)象，如圖1 所示。

 

 

2.2 塑封體背面填充不良

 

      塑封體背面填充不良主要表現(xiàn)為缺角、針孔、沙眼，從而降低產(chǎn)品氣密性，影響產(chǎn)品散熱，如圖2 所示。

 

 

2.3 引線框架結(jié)構(gòu)引起填充不良

 

      塑料封裝中，引線框架基島偏離中心位置或基島面積偏大，易出現(xiàn)正面填充不良或背面填充不良，降低產(chǎn)品良率，如圖3 所示。

 

 

3、功率器件填充不良產(chǎn)生原因分析

 

3.1 模塑料性能參數(shù)的差異

 

      如模塑料螺旋流動長度（SPIRAL FLOW）太短、凝膠化時間（GEL TIME）窗口太小、玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）太低，液態(tài)模塑料雖然在注射壓力作用下流向型腔，但是在流道中容易凝固，液態(tài)模塑料形成注塑阻力，使得模塑料在流道中流速變緩，出現(xiàn)阻滯或阻塞灌膠口，在模具型腔中大多出現(xiàn)角部填充不良。

 

3.2 塑封模具

 

      塑封模具分型面排氣不暢或管腳位置排氣槽太淺或合模壓力過大，液態(tài)模塑料灌入型腔之后，型腔中的氣體不能順暢排出，在型腔的某些特定空間產(chǎn)生較大的氣壓阻力，使得液態(tài)模塑料未充滿腔體就慢慢固化了，造成填充不良。這種情況在試制生產(chǎn)中比較常見。

 

3.3 塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

 

      如基島全包封且塑封體有貫穿孔（如散熱片鎖緊螺釘孔）的產(chǎn)品，基島上載有芯片的一側(cè)腔體遠遠大于基島另一側(cè)的腔體，液態(tài)模塑料先填充滿大腔，小腔后填充滿，同時液態(tài)模塑料流動時遇到貫穿孔型芯柱受到阻力，這兩種因素共同作用就會產(chǎn)生“回流”（俗稱“反包”），塑封體表面出現(xiàn)回流接痕，同時伴隨填充不良。這也是全包封產(chǎn)品最易出現(xiàn)填充不良問題的主要原因。

 

3.4 塑封工藝參數(shù)不合理

 

      模具溫度過高、注塑時間太長、注射速度太慢、注射壓力太低、模塑料回溫時間未到或使用時間超期等工藝參數(shù)因素引起塑封體填充不良。

 

4、改善功率器件封裝產(chǎn)生填充不良的措施

 

      為了減少填充不良，在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實際，本文做了模塑料餅徑的選用、模塑料中填充料的適合選用、塑封模具優(yōu)選和塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等改善措施并進行驗證。

 

4.1 模塑料餅徑的選用

 

      針對不同封裝形式、芯片尺寸、芯片導熱性能、打線位置、線粗細、塑封體形狀、芯片在模具型腔中的位置及上下腔體的比例、灌膠口尺寸及位置選用適合粒度、螺旋流動長度、凝膠化時間、玻璃化溫度，選用小尺寸餅徑（模塑料餅外徑Ф10 mm~Ф18 mm）替代大尺寸餅徑（模塑料餅外徑Ф40 mm~Ф55 mm），經(jīng)長期實踐證明能有效改善功率器件封裝中填充不良的發(fā)生。

 

4.2 模塑料中填充料的適合選用

 

     模塑料中填充料對功率器件填充不良有較大的干擾影響。填充料成分主要是二氧化硅（SiO2），約占45％~92％，起到支撐和散熱的作用，一般分為結(jié)晶型、熔融型、復(fù)合型（結(jié)晶型＋熔融型）。

 

      選用適合的填充料，也能改善功率器件封裝中膠體填充不良的問題，經(jīng)長期實踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)結(jié)晶型填充料多用于高導熱的功率器件，熔融型填充料適合對分層要求嚴格的功率器件，復(fù)合型填充料廣泛用于高頻開關(guān)電源類器件。

 

4.3 塑封模具優(yōu)選

 

      為了減少封裝中塑封體填充不良發(fā)生的概率，功率器件的模具用多注射頭模具（MGP 模具）替代傳統(tǒng)的單缸模具，降低澆到長度，對改善膠體填充不良有較好的效果。

 

4.4 塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

 

      功率器件在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段，在滿足客戶對形狀需求的前提下，首先考慮基島尺寸大小、芯片附著在基島后在型腔中的相對位置，上下容積接近；其次是安裝螺釘錐孔的型芯大孔設(shè)計在膠體背面；膠體正面頂針盡可能設(shè)計在膠體的幾何中心位置。這些均有助于改善功率器件填充不良。

 

5、預(yù)防功率器件封裝產(chǎn)生填充不良的措施

 

5.1 塑封模具中的排氣槽

 

      通過長期對不同封裝外形的塑封模具使用和觀察，發(fā)現(xiàn)排氣槽尺寸和設(shè)置對塑封體填充不良有直接的影響。在塑封過程中，如果模具型腔中的氣體未排除干凈，即使將注射工藝條件調(diào)整至最佳狀態(tài)，還是會出現(xiàn)填充不良。

 

      排氣流量計算公式為：

 

      Q＝SV＝（L×H）V （1）

 

      式中Q 為排氣流量，S 為排氣槽截面積，L 為排氣槽長度，H 為排氣槽深度，V 為氣體流速。

 

      注塑時要求型腔中的氣體在5~20 s 排出，一是在封裝模具面設(shè)置排氣槽，二是排氣槽要有一定長度和適合的深度。如果深度超出了一定尺度，液態(tài)黏稠模塑料在注射壓力作用下沿排氣槽溢出會黏附在引線框架表面，造成后工序去除溢料困擾；優(yōu)化改進氣槽對預(yù)防膠體填充不良有良好的作用。

 

5.2 產(chǎn)品外形設(shè)計

 

      塑封功率器件外形設(shè)計通常由客戶指定外形尺寸，封裝要考慮封裝良率和測試成品良率，在實踐中又不得不考慮大批量封裝的可行性。

 

      在滿足客戶外形尺寸的要求下，為改善填充不良，外形設(shè)計需滿足以下原則：

 

      （1）尖銳棱角用R0.02 mm~R0.25 mm 圓弧過渡替代；

 

      （2）澆口殘留設(shè)計允許0.025~0.085 mm；

 

      （3）散熱片溢料允許在0.5 mm寬內(nèi)，且呈帶狀分布；

 

      （4）管腳最小寬度、厚度（KFC 材料）為0.55~0.50 mm；

 

      （5）刻字頂針盡可能在膠體幾何中心；

 

      （6）灌膠口位置在膠體對角線角落或管腳的對過面。

 

5.3 塑封模具設(shè)計

 

5.3.1 灌膠口

 

      灌膠口如圖4 所示，灌膠口形狀類似“勺”形，勺的木柄是流道，勺的邊沿是灌膠口。灌膠口厚度為0.2~0.5 mm，長度為6~8 mm。灌膠口厚度偏小、長度偏小，極易出現(xiàn)填充不良，“勺”形能夠勻化液態(tài)模塑料填充料二氧化硅（SiO2）的分布，灌膠口在“勺”的斜邊位置突然變小收縮，在注射壓力之下能加速注塑，使充填型腔形成的塑封體密實，也是改善填充不良發(fā)生的有效方法之一。

 

5.3.2 灌膠流道

 

      在大批量生產(chǎn)實踐中，既要考慮封裝良率，又要考慮生產(chǎn)成本，一副模具240 腔（多排框架腔數(shù)會多于240 腔），對應(yīng)30 只模塑料餅，形成30 只廢棄物（灌膠口＋灌膠流道），流道越長廢棄物重量越大，所需料餅重量增加，封裝成本增加；且流道增長之后，灌膠時間會隨之增長，模塑料有凝膠化時間限制，灌膠時間增長，液態(tài)黏稠模塑料流到較遠端型腔時出現(xiàn)固化狀態(tài)，流動性變差，出現(xiàn)填充不良。因此應(yīng)盡可能縮短流道，如圖5（a）所示。

 

      1/2 圓弧灌膠流道易出現(xiàn)“腰鼓”磨損，流道易卡在- 8流道槽中；梯形流道模塑料阻力大，不利于成型；設(shè)計時組合型流道采用的較多，因此灌膠流道的截面形狀選擇也是預(yù)防填充不良的有效措施之一，如圖5（b）所示。

 

 

5.4 塑料封裝中的工藝調(diào)試方向

 

      生產(chǎn)中出現(xiàn)填充不良缺陷時，主要從表1 的幾方面進行工藝參數(shù)調(diào)試嘗試，直至取得批量生產(chǎn)的參數(shù)并固化在該產(chǎn)品的工藝文件中。

 

 

      模具溫度的適當降低，促進模塑料保持足夠的流動性；增大注射壓力、減小注射時間以及延長預(yù)熱時間，能使模塑料在流道和型腔中流動通暢，成型后膠體內(nèi)部及表面密實，減少了針孔和沙眼的產(chǎn)生幾率，減小合模壓力，相應(yīng)減小了模具分型面對框架的壓緊力，注射排氣改善，也是改善填充不良的措施之一。

 

6、改善、預(yù)防措施實施之后的效果

 

      對TO-220AB 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具灌膠口、流道排氣槽設(shè)計進行驗證，產(chǎn)品抽檢結(jié)果如表2 所示， 17個批次抽樣61143 只，全部沒有針孔、氣泡、沙眼，良率100%，說明措施有效。

 

 

7、功率器件注塑新技術(shù)

 

      目前高可靠功率器件采用凹圖模封裝，采用機械臂替代工人完成注塑的排片、上料、上料餅、下料、沖流道的循環(huán)自動工作，杜絕了人工塑封時隨機出現(xiàn)的少投料餅而導致產(chǎn)品報廢的情況，產(chǎn)品注塑質(zhì)量及成品率也有相對提高。

 

8、結(jié)論

 

      文章從模塑料填充料選用及餅徑選用、產(chǎn)品優(yōu)化、模具優(yōu)選等方面分析了填充不良產(chǎn)生的原因，通過對模具排氣槽、灌膠口、流道形狀進行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合實踐經(jīng)驗，總結(jié)了設(shè)計預(yù)防、去除填充不良的方法，提出了預(yù)防填充不良產(chǎn)生的一些較為實用的方法或方案，對封裝工程師分析解決填充不良問題能起到一定的借鑒作用。