□ 鄭嘉瑞 □ 肖君軍 □ 周寬林 □ 胡 金

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)電子與信息工程學(xué)院 廣東深圳 518055 2.深圳市聯(lián)得自動化裝備股份有限公司 廣東深圳 518109

1 設(shè)計(jì)背景

方形扁平無引腳封裝(QFN)是一種常見的半導(dǎo)體表面貼裝型封裝形式,是目前中端集成電路的主要封裝形式之一。QFN呈正方形,封裝底部中央位置有一個大面積的裸露焊盤,作用是導(dǎo)熱。圍繞大焊盤的外圍四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的導(dǎo)電焊盤。QFN由于沒有小外形晶體管封裝、小外形封裝、晶體管外形封裝等傳統(tǒng)封裝所具有的鷗翼狀引線,內(nèi)部引腳與焊盤之間的導(dǎo)電路徑短,自感系數(shù)及封裝體內(nèi)的布線電阻很低,因此能夠提供卓越的電氣性能。QFN通過外露的引線框架焊盤提供等出色的散熱性能。這一焊盤具有直接散熱通道,用于釋放封裝內(nèi)的熱量[1]。

引線框架借助于金絲、鋁絲、銅絲等鍵合材料,實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部引出端和外引線的電氣連接,是形成電氣回路的關(guān)鍵部件。引線框架起到芯片和外部導(dǎo)線連接的橋梁作用,大多數(shù)半導(dǎo)體封裝都要使用引線框架[2]。

當(dāng)前,QFN由于具有優(yōu)良的電熱性能,應(yīng)用快速增長,對QFN工藝技術(shù)的研究也很多。QFN采用較為成熟的生產(chǎn)工藝,需要在QFN引線框架上芯之前或之后,在QFN引線框架的背部貼膜,以防止塑封時的塑封樹脂泄漏而造成溢料,避免出現(xiàn)封裝不良品[3-4]。為了達(dá)到QFN生產(chǎn)工藝的品質(zhì)要求,提升生產(chǎn)品質(zhì)和效率,筆者針對QFN引線框架設(shè)計(jì)了一種全自動貼膜裝置。

2 設(shè)計(jì)要求

常見的QFN引線框架如圖1所示,貼膜后引線框架和聚酰亞胺(PI)膜如圖2所示。引線框架是連接芯片與外部元件的重要載體,功能是支撐和固定芯片,傳遞電信號,以及導(dǎo)熱[5-6]。PI膜是一種黃色透明的半導(dǎo)體封裝電子材料,具有耐高溫、防腐蝕等特性。

▲圖1 QFN引線框架

▲圖2 貼膜后引線框架和PI膜

生產(chǎn)中對QFN引線框架貼膜裝置的要求是將PI膜自動平整地貼附在引線框架上,貼附完成后的引線框架沒有氣泡,貼附精度要求高于±0.3 mm。貼附精度指PI膜邊到引線框架邊的誤差。PI膜的來料是一種卷料,可以根據(jù)引線框架的寬度進(jìn)行裁切。PI膜本身帶有一定黏性,因此可以很好地貼附在引線框架表面。有些PI膜需要加熱到一定溫度,這樣貼附效果更好。采用以上工藝,最終目的是在塑封環(huán)節(jié)避免封裝溢料。溢料是集成電路塑封過程中流到引腳和外露基板載體上的多余異物,本身對塑封產(chǎn)品的性能沒有很大影響,但是殘留溢料在引線框架上會影響后續(xù)電鍍工藝,進(jìn)而影響產(chǎn)品的可靠性,引發(fā)質(zhì)量問題。因此,防止集成電路封裝溢料問題很重要[7]。

3 裝置結(jié)構(gòu)

整個貼膜裝置由七個模組組成:上料存料機(jī)構(gòu)模組、貼膜機(jī)構(gòu)模組、貼膜緩存平臺模組、加熱烤箱模組、上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組、下料皮帶線模組、下料存料機(jī)構(gòu)模組,設(shè)計(jì)布局如圖3所示,總裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

▲圖3 貼膜裝置布局

▲圖4 貼膜裝置總裝結(jié)構(gòu)

4 工藝流程

根據(jù)QFN引線框架貼膜的生產(chǎn)要求,貼膜裝置的全自動生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。貼膜裝置采用可編程序控制器作為控制系統(tǒng)核心,程序根據(jù)工藝流程進(jìn)行動作設(shè)計(jì)和節(jié)拍優(yōu)化。貼膜裝置按照設(shè)計(jì)的動作順序進(jìn)行運(yùn)行,依次進(jìn)行安裝上料、貼膜、烘烤、下料,完成一個引線框架的貼膜。

▲圖5 貼膜裝置工藝流程

上料存科機(jī)構(gòu)模組到達(dá)引線框架的上料位置,傳感器識別到引線框架,推桿從彈匣內(nèi)推出引線框架。上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組夾住引線框架,移動到軌道的上料位置。上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組夾起引線框架,放至貼膜機(jī)構(gòu)模組的貼膜平臺上方。此時,PI膜已經(jīng)被貼膜組件拉出,并且被貼膜真空平臺吸附住。上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組下降到貼膜位置,引線框架和PI膜面對面貼附,完成貼膜動作。

上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組將完成貼膜的引線框架搬送至加熱烤箱區(qū)域。等待加熱若干秒后,上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組將引線框架夾起,放置在下料軌道上。下料軌道將引線框架推回到彈匣中。

5 人機(jī)界面

貼膜裝置的人機(jī)界面如圖6所示。這一人機(jī)界面采用模塊化設(shè)計(jì),主界面中設(shè)計(jì)有主畫面、功能參數(shù)、生產(chǎn)配方、輸入輸出監(jiān)控、軸參數(shù)、報(bào)警畫面等功能選項(xiàng)。在主界面中還可以查詢到配方地址、產(chǎn)品類型、程序版本、操作模式、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)量、節(jié)拍時間等數(shù)據(jù)信息。在主界面的中間位置,專門設(shè)置了一個和貼膜裝置布局類似的模組圖,方便操作人員進(jìn)行相關(guān)模組的識別和操作。

▲圖6 貼膜裝置人機(jī)界面

6 主要模組介紹

6.1 上料存料機(jī)構(gòu)模組

上料存料機(jī)構(gòu)模組如圖7所示。通過皮帶帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu),彈匣可以在軌道上橫向移動。根據(jù)彈匣的尺寸,可以手動調(diào)整軌道寬度以適應(yīng)不同的彈匣。引線框架上下料現(xiàn)場如圖8所示,左側(cè)放置滿彈匣,右側(cè)放置空彈匣。

▲圖7 上料存料機(jī)構(gòu)模組

▲圖8 引線框架上下料現(xiàn)場

彈匣上下移動機(jī)構(gòu)如圖9所示,這是對空彈匣和滿彈匣進(jìn)行上下兩側(cè)交替移動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這一機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)彈匣上下兩層豎直移動,通過調(diào)整軌道寬度以適應(yīng)不同的彈匣尺寸。彈匣進(jìn)行橫向移動由電機(jī)帶動皮帶完成。

6.2 貼膜機(jī)構(gòu)模組

貼膜機(jī)構(gòu)模組如圖10所示。PI膜以卷料形式裝在設(shè)備上,對于撕開后的PI膜,有一個機(jī)構(gòu)專門進(jìn)行收集隔膜,有一個機(jī)構(gòu)專門推膜,使PI膜能夠勻速平整地鋪開到真空吸附平臺上。打開真空吸附平臺,撕開一個引線框架大小的PI膜后,由PI膜切刀切斷,并且吸附在平臺上。

▲圖9 彈匣上下移動機(jī)構(gòu)

▲圖10 貼膜機(jī)構(gòu)模組

6.3 上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組

上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組如圖11所示,主要包含一個上料機(jī)械手和一個下料機(jī)械手,負(fù)責(zé)引線框架的上下搬運(yùn)工作。上下料機(jī)械手分別采用電機(jī)帶動皮帶進(jìn)行驅(qū)動,上料機(jī)械手包含引線框架后貼膜治具[8]。后貼膜治具需要特別設(shè)計(jì),表面有一個空腔,應(yīng)保證空腔的邊框與引線框架的周邊接觸,但不與芯片接觸,避免芯片和焊線受到損傷。

▲圖11 上下料搬運(yùn)機(jī)械手模組

7 貼膜塑封效果

QFN引線框架貼膜的主要目的是防止塑封后塑封樹脂溢料。采用貼膜裝置后貼膜塑封效果如圖12所示,現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)明顯的溢料區(qū)域,引線框架貼膜效果良好。

▲圖12 貼膜塑封效果

8 應(yīng)用

QFN是由方形扁平封裝和球柵陣列封裝相結(jié)合發(fā)展起來的一種先進(jìn)封裝形式,是目前半導(dǎo)體器件的主流封裝形式之一,越來越多的產(chǎn)品都在使用QFN。筆者設(shè)計(jì)的貼膜裝置可以應(yīng)用于生產(chǎn)制造引線框架的半導(dǎo)體材料公司和生產(chǎn)QFN的半導(dǎo)體后道封裝測試公司。

貼膜工藝在不同封裝生產(chǎn)線上的不同位置見表1。引線框架生產(chǎn)公司采用先貼膜,又稱為預(yù)貼膜,貼膜在固晶和焊線工藝之前,成本相對較低,而且由于沒有進(jìn)行芯片固晶,焊線不會造成生產(chǎn)損失。這種貼膜方式被半導(dǎo)體行業(yè)的引線框架生產(chǎn)公司和半導(dǎo)體封裝測試公司廣泛認(rèn)可[9]。但是,在封裝較大尺寸的芯片時,貼膜后的引線框架再進(jìn)行固晶和焊線,工藝調(diào)試比沒有進(jìn)行貼膜的引線框架難度大,因此仍然有不少半導(dǎo)體封裝測試公司會選擇后貼膜工藝,即在引線框架固晶和焊線工藝后,再進(jìn)行貼膜[10]。

表1 貼膜工藝在不同封裝生產(chǎn)線上的不同位置

9 結(jié)束語

全自動貼膜裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了QFN引線框架貼膜的全自動化,提升了生產(chǎn)效率,解決了塑封過程中的溢料問題。經(jīng)過實(shí)際測試和驗(yàn)證,確認(rèn)貼膜后的QFN引線框架沒有氣泡,貼膜精度為±0.3 mm。經(jīng)過塑封后,也沒有產(chǎn)生溢料問題,由此實(shí)現(xiàn)了貼膜裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)。