徐洋

江蘇捷捷微電子股份有限公司，江蘇，南通，226200

0 引言

電子元器件是各種電子整機的基本組成部分，決定著電子整機的性能和質量。作為元器件重要組成部分的塑封體部分的研發(fā)和改進也逐漸被重視起來。半導體元件的封裝方式分為氣密性封裝和樹脂封裝兩大類。封裝的目的是與外部溫度、濕度、氣氛等環(huán)境隔絕，除了起保護電路和電氣絕緣作用外，同時還起向外散熱及應力緩和作用。按封裝材料可劃分為：金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝。采用前兩種封裝的半導體產品主要用于航天、航空及軍事領域，而塑封封裝的半導體產品在民用領域得到了廣泛的應用。目前樹脂封裝已占世界集成電路封裝市場的98%，其中90%以上的塑封料是環(huán)氧樹脂塑封料和環(huán)氧液體灌封料。樹脂封裝外形主要分為半塑封和全塑封。半塑封外形自帶散熱板結構，倘若未做內絕緣工藝處理，客戶端在使用時需在產品下加墊一層絕緣片，同時絕緣片和產品背面都需要涂覆一層導熱硅脂，裝配較為繁瑣。全塑封外形是將框架包裹在內，沒有外露的散熱板。相比之下，半塑封外形的散熱效果會優(yōu)于全塑封，然而后者的絕緣效果更佳，省去客戶端額外裝配絕緣片的成本投入。兩者利弊相當，具體應用需參考客戶實際的使用場景。從工藝實現(xiàn)角度而言，全塑封外形為注塑工序帶來的考驗更大。通過多年的實際生產線跟蹤和研究，對全塑封器件生產時出現(xiàn)的各種問題進行觀察和總結后，整理出有效的可提升產品良率、延長生產治具壽命、提升產出效率的設計思路和實現(xiàn)方案。針對全塑封器件在制造過程中所涉及的優(yōu)化項目及其可能的收效成果，通過設計詳盡的實驗說明進行試驗驗證，對比各項指標的達成效果，從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化工作的開展。本文通過對全塑封器件生產過程中出現(xiàn)的主要瓶頸和問題進行深入研究，設計出更為合理的治具外形，并采用先進的材料表面處理工藝做了進一步的加工。本文以實驗為主要的研究形式，評估現(xiàn)有生產形式的不足并提出相應的改進，最后得出了優(yōu)化的生產方案[1]。

疫情加速了全球數(shù)字化進程，在“新基建”政策及“雙碳”目標導向下，5G網(wǎng)絡、云計算及數(shù)據(jù)中心建設加速，汽車電子、AR/VR等市場需求持續(xù)放量，電子元器件需求旺盛。在市場前景一片大好的形勢下，對電子元件也提出了更高的要求。從產品自身角度出發(fā)：（1）要確保安全性，其中包括對于人身安全的保證，以及電子元器件對所安裝設備的安全保證；（2）要求元器件有較為優(yōu)良的散熱能力，能將內部芯片產生的熱量有效地發(fā)散出去；（3）從制造出發(fā)，為應對如此龐大的市場需求，要求產品的生產工藝是成熟且穩(wěn)定的。全塑封元件作為典型的電子封裝器件，符合以上三點的基本要求[2]。產品本體完全被環(huán)氧樹脂覆蓋，使絕緣性能得以保證；全塑封元件在客戶端被安裝時，不需額外加墊絕緣片，裝機熱阻雖沒有絕對優(yōu)勢，但比較同等功耗的（非內絕緣）半塑封產品，熱阻沒有拉開很大的距離；此外，塑封工藝已十分成熟，非常適合產品大批量生產。因此，本文著眼于全塑封元器件，側重分析其在生產中出現(xiàn)的主要痛點，并比較現(xiàn)有解決方案帶來的弊端。同時，在此基礎上做出改進方案，并且通過實驗驗證以說明此種改進的必要性。

1 全塑封器件生產在現(xiàn)階段的難點

全塑封器件，即除外部的連接端子外，產品的主體都由環(huán)氧樹脂包裹。因其優(yōu)良的絕緣性能被廣泛運用。然而，這種特殊的產品結構為生產帶來一定的挑戰(zhàn)。器件的注塑一般通過塑封模具和壓機的配合得以完成。通常情況下，引線框架進入塑封模腔后，為確保其在模腔中的位置固定，符合預設的公差，模具中會設置頂桿。頂桿一般分為固定頂桿和回抽頂桿，就其工作機制，可分為以下兩種：固定頂桿的行程與上下模一致，為達到固定框架的目的，從合模開始頂桿就夾持住引線框架。經過注塑、保壓、冷卻一系列過程后，在開模階段頂桿又會隨著模具打開而離開產品本體。接著在出模頂針的推動下，產品被頂出模腔，完成整個塑封過程。然而這種塑封工藝仍存有一定的缺陷。因采用固定式頂桿，在塑封完成后，頂桿作用點留下露銅點，此處是不絕緣的，為解決達到絕緣的效果，目前的做法是在露銅點灌涂環(huán)氧絕緣膠以達到絕緣耐壓可承受AC 2500V@1s的目的。但在器件實際工作環(huán)境中，隨著水汽的侵蝕以及高低溫環(huán)境的變化，灌入的環(huán)氧膠與模塑料出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，從而失去絕緣性能，并導致嚴重的漏電事故。

回抽頂桿的行程是獨立于塑封模腔的，注塑時，上下頂桿套基座可在油缸和彈簧的作用力下實現(xiàn)頂出和回抽。引線框架在模腔內放置入位后，模腔壓合，上下回抽頂桿伸出將散熱片加持，以達到將框架導正并固定的效果。在塑封料充填即將完成時，上下回抽頂桿往反方向縮回一定深度，未完全固化的塑封料在注塑桿的推力作用下，繼續(xù)充填入模至注塑桿達到設定的壓力值。塑封料將上下回抽頂桿所占位置完全填充，即可獲得真正意義上的全塑封器件[3]。

比較以上兩種頂桿方案，從產品安全角度出發(fā)，回抽頂桿一定是更佳選擇。頂桿作為關鍵治具，其狀態(tài)及壽命很大程度上影響著產品質量和生產效率。

2 回抽頂桿在批量生產時的瓶頸點

上文中簡單介紹了回抽頂桿的工作機制，頂桿穿過套孔進入模腔中，固定待包封器件。重點在于，在塑封料本體填充階段即將完成時，頂桿往反方向縮回一定深度，未完全固化的塑封料在注塑桿的推力作用下，繼續(xù)充填入模至設定的壓力值，塑封料將回抽頂桿所占位置完全填充。在回抽過程中，頂桿與周圍的塑封料產生極大的拉扯力，頂桿表面狀態(tài)與壽命深受影響。

除去頂桿斷裂、松脫等極端現(xiàn)象，表面磨損是嚴重影響產品質量和生產效率的隱患之一，不容小覷。對于產品而言，磨損的頂桿可能導致頂桿孔破損或形成“煙囪”現(xiàn)象，造成外觀缺陷，若頂桿孔破損程度嚴重甚至會導致絕緣性能失效。為盡量減降低以上風險，定期保養(yǎng)與更換是必須的，這些十分影響生產效率，同時又增加了維護成本。

3 現(xiàn)有回抽頂桿方案可改進點

回抽頂桿主要包含兩部分結構，一個是頂桿本體，在模腔中固定引線框架。另一個是套桿，套桿為頂桿提供來回伸縮的通路，并起到保護頂桿的作用。兩者均屬于易損件，受損原因可總結為以下幾點。（1）材料選取不當。各種金屬材料的硬度和耐磨性有著較大的區(qū)別，常規(guī)的頂桿選料一般為SKD11模具鋼，而為提高頂桿及桿套的耐磨性，這里選擇ASP23材質作為加工頂桿和桿套的新材料。（2）加工方式不當。頂桿外圈與套桿內圈的配合要求較高，理想的情況是兩個同心的絕對圓，但受限于加工精度的原因，往往會有失圓的問題。這種情況下的配合在實際注塑過程中因頂桿外圈與套桿內圈的間隙不均勻，必定會出現(xiàn)間隙較大的空隙，常用的環(huán)氧樹脂填充料粒徑為0.03～0.1mm，若頂桿外圈與套桿內圈的間隙大于最小粒徑，模塑料會從此間隙里鉆入。固化后若殘留在縫隙中則對頂桿部件造成進一步的損害，加速了頂桿外圈與套桿內圈的磨損；若脫模后殘留在產品表面，則造成外觀不良，并且通常情況下這種殘留屬于硬毛刺，無法通過化學浸泡的方式去除，必須通過人工刮除，費時費力，且容易損壞產品外形。（3）頂桿和套桿的運動配合面未做特殊處理。無論是何種材料，在高強度的拉扯作用下必定會出現(xiàn)形變或者磨損。若在其表面做特殊處理，便可以降低磨損，延長其使用壽命，進而提升生產效率，降低維護成本[4]。

4 針對現(xiàn)有回抽頂桿方案的改進設計

上文分別從材料選取、圓面加工和表面處理三個角度分析了回抽頂桿不良的原因。以下將主要圍繞這三點，給出詳細的改進方案。

（1）首先需要解決的是材料的選型。頂桿工作于高溫、高壓的環(huán)境中，并且在回抽過程中，與未完全固化的環(huán)氧樹脂有摩擦的動作。基于以上情況，需要選擇一款耐磨性、硬度、剛度指標都適中的材料，選用ASP23作為頂桿和桿套的材料比常規(guī)頂桿材料SKD11硬度更高，也更具耐磨性。

（2）其次需要選擇恰當?shù)膱A面加工工藝?；谀壳暗纳a經驗，回抽頂桿在連續(xù)生產8000～10000模次時，產品表面便會出現(xiàn)“煙囪”現(xiàn)象。經分析后發(fā)現(xiàn)，頂桿與套桿之間配合間隙過大，導致注塑時塑封填料鉆入。為解決以上問題，頂桿外圈采用精密外圓磨加工。外圓磨主要在外圓磨床上進行，用以磨削軸類工件的外圓柱，而精密外圓磨的加工精度可以達到0.001mm，使頂桿外圓形變量更加可控。套桿內圈采用坐標磨加工。坐標磨床具有精密坐標定位裝置，用于磨削孔距精度要求很高的精密孔，高精度的坐標磨床加工精度可達0.001mm。選擇了合適的加工方式后，頂桿與套桿之間的裝配間隙可有效控制在0.005mm以內，從而有效降低塑封填料進入間隙的風險。

（3）最后頂桿及套桿表面需做特殊處理。頂桿在工作時末端與熔融塑封料產生反方向位移，形成極大的磨損。磨損使得頂桿端面的幾何尺寸變小，繼續(xù)使用則對產品的外形造成隱患。因此對頂桿及套桿做特殊表面處理，采用類金剛石薄膜（DLC）涂層?！癉LC“是英文”DLAMOND-LIKE CARBON“的縮寫。DLC是一種由碳元素構成，在性質上與鉆石類似的物質，同時又是由石墨原子組成的物質。類金剛石薄膜是一種非晶態(tài)薄膜，由于具有高硬度和高彈性模量、低摩擦因數(shù)、耐磨損以及良好的真空摩擦學特性，很適合于作為耐磨涂層。頂桿及套桿表面做DLC處理后，壽命可提升2.5倍，后期維護的成本可降低50%～60%。

5 頂桿改進方案的實施及評估方法

經過上文分析，造成回抽頂桿易磨損的原因主要有三點，分別為材料選型不恰當、加工精度不夠高以及未做表面處理。本文主要圍繞這三點，旨在觀察新舊兩種頂桿方案連續(xù)生產后產品外觀與治具壽命的不同情況。在總結以往生產經驗的基礎上，通過設計內容詳盡、條理清晰的實驗規(guī)劃書，進行實踐探究，從而可以得出新方案的可實施性和有效性。

實驗中，為將非考量變量的影響降為最低，應注意盡量控制干擾因素。本方案將實驗對象確定為TO-220FP，TO-220FP是一款十分典型的全塑封半導體器件，也是市場上流通量非常大的一款產品，將其定為實驗對象對改進回抽頂桿方案具有一定的指導意義。實驗要求在相近的溫度及濕度的條件下，使用同一臺塑封模具及壓機(且每次更換回抽頂桿前需對設備進行一次保養(yǎng)，以排除設備的原因)，由同一批熟練的操作人員對產品進行連續(xù)生產。在實驗過程中，應時刻密切注意產品的外形。尤其是頂針孔處的形貌，是否有磨損、隱裂、煙囪等外觀不良的現(xiàn)象發(fā)生，每連續(xù)生產2000模都要詳細記錄以上信息，直至外觀不良占比達到平日管控標準即停止生產。

試驗結束后，將記錄數(shù)據(jù)進行匯總整理，并且也要將模具內的頂桿拆洗干凈，以便觀察磨損情況。整理后的實驗結果見表1。

表1 試驗生產詳細數(shù)據(jù)記錄表

實驗數(shù)據(jù)顯示，采用改進后的回抽頂桿，其工作壽命得到顯著提升，約為原有頂桿方案壽命的2.5倍，可確保模具連續(xù)穩(wěn)定的產品輸出。改進后的回抽頂桿方案雖在前期投入成本上有加重（比原有的成本增加了30%），但考慮到后期停機保養(yǎng)和治具維護的頻率降低，折合后的成本較原方案實際降低了50%～60%。

6 結語

制造一個合格且可靠的電子元器件，從芯片設計到最后成品展出，需經歷成百上千道復雜工序?；爻轫敆U雖只是塑封工序中極其細微的治具，卻同樣對產品質量好壞與否起到至關重要的作用。全塑封器件因其特殊的產品結構要求，為確保絕緣性能，不適宜使用固定頂桿。然而經上文分析，回抽頂桿在制程中會產生極大的磨損，若不能防護得當，頂針孔處的形貌則無法得到保證。因此頂桿需要定期保養(yǎng)、更換，一副模具中有上千根回抽頂桿，每次更換占用產線工時長，拉低生產效率，且后期維護成本高。由此可見，設計一種優(yōu)化回抽頂桿以延長其工作壽命的方案是勢在必行的。

在進行方案優(yōu)化前，要充分了解整個塑封工序的生產流程，理解造成回抽頂桿缺陷的原因，并將主要風險項總結為材料選取不當、加工精度不夠及治具未做表面處理。確定待改進點后，通過研究已有資料，總結以往生產經驗，進行合理詳盡的實驗設計，從而得到客觀真實的實驗結果。經過對實驗結果分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的回抽頂桿具備更加優(yōu)良的耐磨損能力，工作壽命得以顯著延長。同時產品的外觀質量得以保證，頂桿孔破損、隱裂的風險大幅降低[5]。

近年來，在移動互聯(lián)網(wǎng)技術不斷發(fā)展、消費電子產品制造水平提高和居民收入水平增加等因素的驅動下，電子元器件行業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。未來隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、新型顯示等新興技術與消費電子產品的融合，使得行業(yè)需求量持續(xù)增加，同時帶動市場規(guī)模持續(xù)擴大。這樣的形態(tài)下，對于相關制造業(yè)是機遇也是挑戰(zhàn)，保持高產能輸出和高品控產品是一個企業(yè)保持活力所必須要秉持的原則之一。在生產過程中，任何一個威脅到產品質量的潛在風險都需及時被排除。本文中所討論的改進內容都是圍繞回抽頂桿展開，改進帶來的結果是頂桿孔形貌的優(yōu)化。頂桿孔對于整個產品而言是極其細微的存在，其質量問題往往被有所輕視。然而頂桿孔缺陷對于產品的可靠性有所影響，若出現(xiàn)隱裂的問題會直接導致絕緣失效，由此可見，回抽頂桿優(yōu)化對全塑封器件品質的提升是具有深遠的意義。