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      半導體封裝模具模盒內主要部件材料選型
      發布時間:2019-05-24 13:31:09 | 瀏覽次數:

      半導體的封裝模具是將芯片、金線以及引線框架一起用熱固性環氧樹脂保護起來的一種設備,該類模具一般250秒左右為一個開合模周期,每個周期根據封裝制品類型的不同,可以封裝出幾十甚至數千只成品,且模具上設置有加熱裝置,使模具長期處于在180度左右的高溫下工作,合模時的壓力也根據封裝制品的種類和數量的不同而有差異,一般合模工作壓力在150噸至350噸之間,由于半導體元器件的特殊工作環境,要求其具有良好的電性能和散熱性能,同時抗老化性、焊接性、抗壓性等都要較高的要求,因此引線框架、環氧樹脂等選型有較大的局限性,而半導體封裝模具是一種低溫熱作、多腔位、熱固性擠塑模具,其結構和材料選型等需要在滿足模具相對狹窄的條件下使用,既要保證其穩定性,又要達到一定的使用壽命,還要結構輕巧,操作方便。MGP模和AUTO模時目前市場上使用最為廣泛的封裝模具結構,本文主要針對其中的模盒部分的材料選型和熱處理來做部分闡述。
      1 半導體封裝模具的工作環境及狀態
      模盒部分是模具的核心部分,環氧樹脂在這里完成軟化,流動,成型,固化,制品脫模等過程,由于環氧樹脂內含有硅粉等填料,流動的過程中對模具摩擦,產生熱能,使模具表面慢慢磨損、氧化,特別是流道、澆口等狹窄的進料部位,磨損尤為嚴重,同時,模具為上下合模的方式運動,為保證合模精度,每個模盒都設計四個方向的定位導向機構,用來防止上下模錯位而導致的模面受損和制品上下腔位錯位等缺陷,且模具長期在180度左右的高溫的較高的壓力下工作,模盒部分的零件需要滿足以下的技術特點:
      1.1 加工特性良好
      半導體產品對外觀要求非常嚴格,亞光面的產品需要外形粗糙度均勻一致,無表面異常凸起、花斑等現象,光面的產品需要產品表面平整無色差,這樣在后續激光打標的步驟中才會使制品表面字跡清晰,不易擦花,因此對于封裝模具,必須提高鋼材純凈度和保證組織均勻,一般通過電渣重熔鋼(ESR)或真空弧溶解法(VAR)的冶煉方法來實現,粉末冶金也可實現,但成本會提高,一般用在較為重要的鑲件上。
      1.2 基體剛性和耐壓性能
      模具長期在高壓環境下工作,從而需要一定的剛性,如果剛性和耐壓強度不夠,會造成零件變形甚至開裂,成型部分和澆口部分的鑲條由于尺寸較小,剛性和韌性更為重要,要求材料硬度在HRC60以上,其余承壓部件的基體硬度要求HRC55以上。
      1.3 耐磨損性
      模具在工作當中,澆道、澆口、腔體不斷與含有硅粉、玻璃纖維等填料的數值接觸,不斷摩擦并產生大量熱量,會使鑲條的流道的表面磨損,脫模斜度變小,澆口尺寸變大,增加樹脂用量的同時還不易制品脫模,影響了產品質量,因此鑲件部分必須具有高耐磨性、超硬性等。
      1.4 尺寸穩定性
      模具上核心零部件的尺寸公差一般在0.005mm以內,且模具不一定24小時一直在工作,停機的時候加熱裝置不加熱,模具會冷卻至室溫狀態,需要工作的時候再重新加熱,為保證模具在反復加熱冷卻后尺寸不能發生變化,工作過程中還要保持零件尺寸的穩定,最少要求30萬模次內鑲條長度變化小于0.02mm.
      1.5 良好的脫模性和耐腐蝕性
      優良的脫模性可以保證產品品質和生產效率,模具工作溫度在180℃附近,與環氧樹脂接觸,內中解腐的塑料分子會對零件有腐蝕,洗模和脫模膠條也對鑲條有腐蝕作用,一般通過選用耐腐蝕性材料和對零件表面處理實現。
      2 化學成分對材料的特性的影響
      材料所具有的性能是由化學成分組成所決定的,一般來講各種不同的合金元素的組合決定了鋼材的性能,盡管這些性能可能需要通過熱處理工藝實現,但本質上還是其成份決定,合金元素的添加對材料的物理性能、化學性能、組織結構的影響非常重要,例如碳的作用是提高鋼材淬透性,增加鋼材基體強度和耐磨性,但對鋼的韌性有一定的損失;鉻的作用可以極大程度提高鋼材淬透性,增加耐磨性、耐腐蝕性,資料表明含鉻12%以上的鋼材具有良好的耐蝕性,同時鉻的存在與碳作用形成合金碳化物,保持組織穩定,制約了鋼材在高溫加熱時晶粒長大的趨勢,降低了鋼材的過熱敏感性,從而提高了鋼材的韌性。
      3 模盒內不同部位零件的材料選型
      3.1 成型鑲條、澆口鑲條的材料選型
      模盒內的成型鑲條、澆口鑲條一般選用耐磨性好、硬度高、加工性能良好的粉末冶金鋼,如ASP23,ASP30等,此等材料要求在熱處理工藝中通過多次深冷處理與高溫回火來保證,并要求在200℃72h時效后,前后尺寸變化值(RCD)為±10*10-6范圍內,工件需要在真空狀態下回火,脫碳氧化,且采用多段不用溫度回火,保證了材料的光亮和表面潔凈度,深冷除了需要在氮氣保護下進行,避免了水汽泄露對工件外觀成色的損害,對于特殊要求的產品澆口部位可以采用拼裝硬質合金材料,例如F20、CD650等。
      3.2 起支撐作用的零部件材料選型
      對于支撐基體零件,例如鑲件座、支撐柱、頂針推板等,一般選用淬火硬度HRC57-HRC60左右、材料熱膨脹系數與鑲條接近的冷作模具鋼,例如Cr12Mo1V1,SLD等;而對于模盒墊板這類經常拆卸模盒事來回運動的零件,考慮其剛性摩擦的工作環境,一般選用SUS440C,此類材料作為墊板使用,表面可不用電鍍,避免摩擦引起的鉻層脫落導致厚度尺寸變化。
      3.3 軸類零件的材料選型
      模盒內的軸類零件分為兩類,一類是參與注射成型的pot和plunger,該零件是向樹脂傳遞壓力的主要零件,且兩個零件之間相互摩擦的面,都特別容易磨損,所以該零件的選材一般選用硬質合金,例如F10,同時表面和內壁需要研磨至鏡面,或者選用淬火后韌性較強的工具鋼M2,加工成品后表面做納米涂層處理,增加摩擦面的表面硬度和耐磨性,另一類軸類零件是起頂出作用的頂桿和復位桿,該類零件主要起封裝制品頂出脫模作用,且數量眾多,單個零件受壓力不大,主要是復位的時候受拉力和運動時與孔的摩擦力,所以一般選用淬火后硬度HRC60左右的材料,例如SKH51,該類材料基體韌性較強,特別是尾端做部分退火處理,降低肩膀硬度,可以避免回退的時候拉斷。
      3.4 定位及導向類零部件材料選型
      起上下模定位和導向作用的零件一般稱之為精定位塊,該類零件是使模具準確以及保證封裝制品偏錯位的重要零件,其主要承受上下運動的摩擦力和橫向的剪切力,且一般四個方向均設計有精定位塊,所以該類零件一般選用硬度HRC68以上的粉末冶金鋼,例如ASP60,或者硬質合金,例如CD650、F10等,表面需要精磨或者拋光處理,減小摩擦阻力。

      半導體封裝模具的發展也有很長一段時間,而且目前使用綠色環保樹脂已經是行業內的標準,熟知的排號也在不斷的更新,其流動性、黏度、電性能都在不斷的變化,為適應不同牌號的樹脂,模具的材料選型也在不斷的變化,但不管選用何種材料,最終的目的是能在封裝出合格制品的前提下提高模具壽命,降低維護成本,提升加工性能。

       

       
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