方逸裕，鄢勝虎

（汕頭華汕電子器件有限公司，廣東 汕頭 515041）

1 引言

當(dāng)前電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是電子電路的集成度越來越高，集成電路板上的空間越來越有限。同時(shí)，在半導(dǎo)體行業(yè)中，隨著各種新型材料、技術(shù)的不斷發(fā)展，二極管所需承受的反向工作電壓也越來越高。但是由于半導(dǎo)體材料本身物理性能的局限性，其內(nèi)部PN結(jié)所能承受的電壓只能有限提高。隨著國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展，電子電路應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中，電路中單個(gè)二極管需承受的電壓值超過其最高反向工作電壓的情況越來越多。通常情況下是采用兩只或以上二極管串聯(lián)分壓的模式來解決該問題。運(yùn)用這種解決方法，每增加一只器件，電路板上就需要增加相應(yīng)的設(shè)計(jì)空間。如果能將兩個(gè)或兩只以上同等級(jí)或不同等級(jí)的二極管通過內(nèi)串聯(lián)的封裝形式集成到一個(gè)產(chǎn)品里，則可以有效地解決電路設(shè)計(jì)空間的問題。

本文介紹一種新的封裝半導(dǎo)體器件的研發(fā)，產(chǎn)品最終外形符合JEDEC的TO-220F-2L產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。圖2為傳統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本產(chǎn)品內(nèi)部載芯板是分開的，可以裝載兩顆芯片，芯片間的連接以串聯(lián)模式進(jìn)行封裝，如圖3所示。封裝后內(nèi)部管芯之間具有3 500 V以上的絕緣耐壓性能，芯片與外部的絕緣耐壓性能也在3 500 V以上。以下介紹該封裝產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要技術(shù)難點(diǎn)和解決方法。

圖1 TO-220F-2L標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品

圖2 傳統(tǒng)二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 內(nèi)串聯(lián)二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 框架設(shè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由于新產(chǎn)品功能對(duì)框架整體結(jié)構(gòu)上有特殊要求要求，內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品外觀符合JEDEC的TO-220F-2L產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，為保證產(chǎn)品外形尺寸滿足客戶要求，我們按保留要求外觀尺寸的原則設(shè)計(jì)內(nèi)串聯(lián)二極管框架。

圖4、5所示為內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品框架局部圖。

圖4 內(nèi)串聯(lián)型框架正面局部圖

為滿足客戶 3.0 mm×3.0 mm的最大芯片尺寸要求，通過計(jì)算，內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品的載芯區(qū)整體寬度需要達(dá)到9.1 mm，如圖7所示；而TO-220-3L產(chǎn)品為9.0 mm，如圖6所示。該尺寸主要考慮要沿用原塑封模具的限制。同時(shí)該關(guān)鍵尺寸的增加會(huì)相應(yīng)影響背面頂針孔附近和塑封體側(cè)面的樹脂體的充分填充，從而提高絕緣風(fēng)險(xiǎn)。通過反復(fù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，最終認(rèn)定對(duì)該關(guān)鍵尺寸微小調(diào)整（加大0.1）是可以接受的，產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)仍然在可控范圍。如圖8所示，塑封后塑封體邊緣尺寸可以達(dá)到要求。

圖5 內(nèi)串聯(lián)型框架背面局部圖

圖6 TO-220-3L產(chǎn)品尺寸示意圖

圖7 內(nèi)串聯(lián)型二極管產(chǎn)品尺寸示意圖

圖8 內(nèi)串聯(lián)型二極管產(chǎn)品邊緣尺寸示意圖

產(chǎn)品整體尺寸對(duì)兩個(gè)載芯板之間的絕緣性能有相對(duì)影響，同時(shí)考慮到塑封過程環(huán)氧樹脂粉的流動(dòng)性和芯片尺寸對(duì)載芯板尺寸的要求。通過反復(fù)計(jì)算和討論，最終載芯板間距的設(shè)計(jì)尺寸確定為0.5 mm。如圖9所示。結(jié)構(gòu)表面該設(shè)計(jì)尺寸可以滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，圖10所示為塑封后兩載芯板之間樹脂的填充情況。

圖9 內(nèi)串聯(lián)型二極管框架載芯板間距示意圖

圖10 內(nèi)串聯(lián)型二極管兩載芯板之間樹脂填充情況示意圖

考慮到產(chǎn)品的最大電流要求問題，設(shè)計(jì)方案要求引線框架能滿足0.508 mm鋁線的焊接。為滿足該要求，新設(shè)計(jì)框架的管腳尺寸與TO-220-3L產(chǎn)生較大差異。 圖11為TO-220-3L框架管腳外形和尺寸圖，圖12為內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品框架管腳外形和尺寸圖。

圖11 TO-220F框架

圖12 內(nèi)串聯(lián)二極管框架

圖13為所設(shè)計(jì)引線框架的外觀總覽圖。

2.2 DIE BOND設(shè)備問題點(diǎn)及相關(guān)解決方案

2.2.1 存在問題

本產(chǎn)品上芯設(shè)備選用ESEC2007。因框架的結(jié)構(gòu)問題，機(jī)臺(tái)原裝配套的上料真空管無法適用該框架，如圖14所示。

圖13 引線框架外觀總覽圖

圖14 原裝上料機(jī)構(gòu)

上料過程是利用真空吸附力完成框架的搬運(yùn)。而正向串聯(lián)的二極管結(jié)構(gòu)框架的載芯板為拆分式的，如使用該真空吸桿及配套吸嘴，則會(huì)出現(xiàn)漏真空而導(dǎo)致框架搬運(yùn)不良。

2.2.2 解決措施

重新設(shè)計(jì)一個(gè)上料真空管，并根據(jù)正向串聯(lián)的二極管結(jié)構(gòu)框架的關(guān)鍵尺寸選用合適的橡膠吸嘴，使得吸嘴能夠完全吸附框架載芯板背面，完成框架搬運(yùn)功能。備件如圖15所示。

圖15 改進(jìn)后的上料機(jī)構(gòu)

2.2.3 上芯過程產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及控制方案的制定

（1）焊料控制

樣品試驗(yàn)階段，曾出現(xiàn)框架溢錫不良的問題，如圖16所示。

圖16 溢錫不受控情況

如圖16所示，在單只產(chǎn)品兩個(gè)載芯板之間，存在錫球，導(dǎo)致載芯板之間的距離變小，存在影響塑封過程環(huán)氧樹脂粉流動(dòng)性及塑封后絕緣不良的風(fēng)險(xiǎn)。

該問題可以通過合理規(guī)定上芯位置、并采用規(guī)定尺寸（2.5 mm×2.5 mm）的壓模頭解決。改善后圖片如圖17所示。同時(shí)將該內(nèi)容列入質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，作為內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品的特殊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖17 溢錫受控情況

（2）芯片的位置要求

為滿足焊線工序壓緊框架要求，確保壓爪不會(huì)壓傷芯片，如圖18所示為由于芯片位置靠上導(dǎo)致焊線過程壓爪壓到芯片的情況。通過計(jì)算焊線壓爪尺寸同時(shí)考慮公差，載芯板下端須留有寬度約為1 mm的壓爪空間，如圖19所示。

圖18 壓爪壓到芯片

解決以上主要問題后，內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品的開發(fā)能順利進(jìn)行。樣品試生產(chǎn)、驗(yàn)證，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求并通過客戶認(rèn)定及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)入正常批量生產(chǎn)。

圖19 上芯效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)串聯(lián)型二極管封裝產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目已成功完成。該項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)二極管的封裝形式，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)內(nèi)串聯(lián)式封裝。同時(shí)該項(xiàng)目對(duì)引線框架進(jìn)行自主創(chuàng)新，并申請(qǐng)了相關(guān)專利《一種正向串聯(lián)的二極管框架結(jié)構(gòu)》。該項(xiàng)目研發(fā)產(chǎn)品成本與國(guó)外知名半導(dǎo)體公司相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成本低23%，在國(guó)外市場(chǎng)上也具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] STTH806DTI_07中文資料.