用于薄型阵列QNF及BGA覆膜式封装模具技术探讨

2022-02-23 01:14陈昌太
模具制造 2022年1期
关键词:脱模引线覆膜

陈昌太

(安徽大华半导体科技有限公司,安徽合肥230001)

1 现状

QFN、BGA封装产品主要应用于电脑CPU、手机芯片、人工智能处理器等中高端芯片封装领域。区别于传统的引脚式封装,QFN和BGA属于表面贴装式、高密度表面封装技术,单位面积内芯片密度更高,如可以使计算机中的DRAM内存在体积不变的情况下内存容量提高2~3倍;引脚短抗干扰能力更强,可靠性也大幅提高,寄生参数减小,信号传输延迟小,使用频率大大提高;芯片面积与封装面积之比接近1∶1的理想情况,因此QFN、BGA封装有更加快速、有效的散热途径,适合超大规模集成电路的芯片封装。相较传统的TSOP、LQFP封装,体积更小、重量更轻,加上杰出的电性能和散热性,更适用于便携小型电子设备的高密度印刷电路板上,是未来半导体封装的主流。

随着我国智能制造2025的推进,对集成电路芯片的需求越来越高,目前我国高端芯片主要依靠进口,很容易被西方国家“卡脖子”。有鉴于此,国家出台相关政策大力支持高端集成电路芯片的研发、设计及制造,而高端芯片的封装,主流采用QFN、BGA的封装形式。目前我国QFN、BGA的封装系统及模具主要依赖于进口,国内以大华半导体为代表的封装设备制造商已在研发用于薄型QFN、BGA封装的全自动封装系统及模具,本文根据薄型QFN、BGA的覆膜式封装模具的研发经历,浅谈薄型QFN、BGA覆膜式封装模具结构特点及设计要点。

QFN、BGA厚 度 在0.5mm以 上 ,如QFN0.55、QFN0.75、QFN1.0等,通常采用1~4个小BLOCK形式封装,塑封体胶体较厚,强度较高,封装后变形相对较小,可以采用常规结构的塑封模具进行封装,少数的国内模具制造商已可以设计生产。但对于薄型QFN、BGA系列0.5mm厚度以下的产品,且采用1个大BLOCK形式封装,如QFN0.45、QFN0.37、柔性基板BGA等,目前很少有厂家可以设计制造此类封装模具。因胶体厚度越薄,单个基板只有一个型腔,对成型的工艺参数要求也越高;胶体厚度太薄,无法设计产品型腔顶杆,因容易将产品顶开裂;1个大BLOCK体积较大,难以快速排气;基板厚度一致性较差时等不利因素,采用常规结构的模具封装时,就会出现塑封体开裂,充填不满,溢胶等产品缺陷,如图1所示。这时就需要增加辅助抽真空,加快充填时的排气,以及使用覆膜封装进行辅助脱模,从而解决传统封装无法解决的上述缺陷问题,如图2所示。

图1 常规厚度QFN无覆膜式封装缺陷(顶杆缺损及注不足)

图2 薄型阵列覆膜式封装的QFN产品

2 覆膜式封装模具技术要点

一种薄型QFN、BGA覆膜式封装模具,包括模架、模盒、注射部件、真空回路部件。模架包括上模架和下模架,模具有上、下模盒组成。上下模架采用抽屉式设计,方便上、下模盒的更换和安装,上模架吊装在压机上台面,下模架安装在压机下台面。压机下台面的上下移动,实现模具的开闭。封装产品时,合模前在上、下模盒中间放置一层耐高温导电薄膜,导电薄膜通过滚轮机构,由伺服电机进行等张力控制,实现覆膜收卷和放卷,完成废膜的收集和新模的放置。上模盒型腔表面周边设计多个均匀排布的吸附孔,通过系统提供的真空,使薄膜平整附着在上模型腔内。模具每开合一次,薄膜就往前移动一个模盒长度,换上新膜,如此循环。生产时,引线框架是放置在下模模面,由模面上的定位针与引线框架上的定位孔定位保证摆放位置,下模盒成型镶件表面也设计多个均匀的真空吸附孔,当引线框架准确落位后,通过真空吸附保证框架平整。薄型QFN、BGA封装,型腔设计在上模,型腔深度不超过0.4mm,个别品种深度只有约0.2mm,型腔内不设置脱模顶杆,设置脱模顶针易使产品开裂和分层。覆膜式封装模具在压机上使用状态如图3所示。

图3 薄型阵列QFN、BGA覆膜式封装模具开模状态

技术要求:

(1)上真空围板通过铰链与上模板固定,侧面设置限位连杆,在完全落下时,只能开合一定角度,在开模状态时更换上模盒,避免真空围板垂下时碰到下模面,防止碰伤模面,但开合角度要满足上模盒的拆卸。

(2)下真空围板通过铰链与下模板固定,侧面设置限位连杆,在完全抬起时,只能开合一定角度,并设有自锁挡块。在开模状态时更换下模盒,真空围板抬起时不会碰到上模面,以免碰伤模面。但开合角度要满足下模盒的拆卸。

(3)下模模面开设0.003~0.006mm真空避让空间,避让空间与外部开设0.03~0.05mm深的排气槽,因薄型QFN、BGA引线框架背面有贴膜固定芯片,此结构可避免合模时引线框架下面残留空气,导致因引线框架合模不平产生的溢料。

(4)上成型镶件设有环形气槽,环形气槽彼此连通,进气口设置在环形气槽底部的中央,保证气流均匀,防止抽真空时气流不均,产生覆膜变形,阻碍树脂流动。上真空围板表面安装密封圈,合模时上下真空围板把整个模具包含在内,形成一个密闭的真空罩,保证高真要求。

(5)下成型镶件下面设有调节垫片,可根据不同的引线框架或基板厚度,更换不同的垫片,调节引线框架或基板的预压量。在下成型镶件调节垫片下方,设置有调节弹簧,用来自动微调引线框架或基板自身厚度的差异,保证合模时引线框架表面或基板表面压力均匀,防止产品溢胶。根据产品要求,基板类的抗压强度在520MPa。

3 应用创新

(1)下成型镶件设计真空负压吸附孔,两个下成型镶件通过两个独立的真空回路控制,保证不互相干涉,确保真空效果。

(2)薄型QFN、BGA覆膜式封装模具的腔体尺寸大,树脂面积较大、厚度薄,封装产品收缩变形大。可把上模模腔下的支撑柱设计成高低尺寸分布,提高塑封后产品的平整性,降低应力存在。

(3)上模型腔的注胶口侧设置储料井,末端设置冷料穴,树脂多选用小直径树脂饼,便于树脂吸热熔融,提高产品有效区的封装密实性。上模型腔深度较浅,型腔内不设置顶针脱模,使用材料为耐高温、具有自身润滑的UV膜辅助封装,塑封后通过系统对薄膜的牵引让产品自动脱模,薄膜与整个上成型镶件表面附着,接触面积大,树脂不与上模型腔面直接接触,所以产品脱模顺畅,模具也不需要进行洗模,即可随时满足生产需要,即节省生产成本,也提高了生产效率。

(4)通常常规模具,镶件型腔是与树脂直接接触,长期使用,模面会脏,脱模性就不好,所以常规产品,生产到300模左右时,需要用洗模胶条对模面进行清洁,清洁一次通常会花费一个多小时和数千元的洗模胶条成本。而覆膜模具可以完全避开这一缺陷,这对于薄型QFN、BGA这类的封装产品,具有更大的优势,而在QFN、BGA中,产品总厚小于0.5mm薄型阵列芯片,若采用常规封装方式,质量是完全不能满足。

4 总结

薄型阵列QFN、BGA覆膜式封装模具可以满足高端芯片薄型封装,覆膜式封装模具结构简单,便于清理和维护,成型腔体无成型顶针,脱模顺畅,不需要清洗模具,因树脂不和镶件直接接触,也大幅提高了模具的使用寿命、生产效率、降低了生产成本,是未来高端芯片封装主流形式。

猜你喜欢
脱模引线覆膜
“旱优73”覆膜直播栽培技术研究
32腔内螺纹塑料产品模具方案设计及应用
带引线的固体酒精
不同覆膜时期和种植密度对马铃薯生育期和产量的影响
鞭炮迷宫
锦鲤人工雌核发育早期胚胎观察
“面膜”
掐断欲望的引线