從IC封裝產(chǎn)品可靠性談封裝沖切模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

藺興江，代 賦，何文海

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

切筋成形是IC封裝工藝流程中的最后一道工序，是指將封裝產(chǎn)品從框架上通過各工位沖切工藝切除并分離，成形具有一定外形尺寸的單只電路。沖切模具結(jié)構(gòu)的缺陷或不足嚴(yán)重影響IC產(chǎn)品的可靠性，為提高產(chǎn)品封裝良率和可靠性，沖切模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的，所以從以下幾方面優(yōu)化沖切模具設(shè)計(jì)，并說明優(yōu)化后對(duì)可靠性的影響。

1 沖切模具影響產(chǎn)品可靠性

沖切站別發(fā)生的產(chǎn)品可靠性問題：載體或焊點(diǎn)分層。原因是膠體受力導(dǎo)致膠體與框架結(jié)合面離層，主要表現(xiàn)在塑封工序包封過程中造成膠體偏位或偏心；沖切模具中墊有異物(廢料渣、廢邊框)；沖切模具刀具靠膠體設(shè)計(jì)太近等；均會(huì)使膠體受力產(chǎn)生貫通性分層,嚴(yán)重程度下還會(huì)造成芯片裂紋及膠體微裂紋。膠體受力產(chǎn)生的微裂紋及貫通性分層嚴(yán)重的直接會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效,即電性能測(cè)試不合格,間接地影響產(chǎn)品使用壽命降低,即產(chǎn)品可靠性能降低,對(duì)膠體受力產(chǎn)品可靠性實(shí)驗(yàn)后,均有失效的現(xiàn)象.因此沖切站膠體受力產(chǎn)生的分層及微裂紋是集成電路封裝過程中重要缺陷之一。

1.1 沖切模具生產(chǎn)過程產(chǎn)生分層及微裂紋的現(xiàn)狀

（1）塑封包封過程中膠體偏位沖切后產(chǎn)生的分層（見圖1和圖2）。

圖1 管腳間分層

圖2 管腳分層

（2）切筋模具中墊有異物產(chǎn)生的分層及微裂紋（見圖 3、圖 4和圖 5）。

圖3 載體分層

圖4 芯片裂紋

圖5 芯片受力產(chǎn)生裂紋

（3）沖切刀具結(jié)構(gòu)或刀具靠膠體太近,使膠體受力產(chǎn)生分層或微裂紋（見圖6、圖7）。

圖6 膠體受力產(chǎn)生離層1

圖7 膠體受力產(chǎn)生離層2

2 沖切模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 沖澆口工藝的確定和優(yōu)化

沖澆口工藝的確定和優(yōu)化見圖8、圖9。

進(jìn)料口的設(shè)計(jì)原則：在保證膠體充滿的情況下，盡可能將進(jìn)料口截面積設(shè)計(jì)最小（見圖10、圖11、圖 12）。

圖8 上膠體進(jìn)膠

圖9 下膠體進(jìn)膠

圖10 澆口設(shè)計(jì)尺寸

圖11 澆口設(shè)計(jì)位置

當(dāng)沖澆口凸模（圖12）尖角位置分別沖切1、2、3、4（圖 11）位置時(shí)，產(chǎn)生的問題各不相同，位置1和位置2為常采用的沖切方法，位置3、4一般不采用，會(huì)產(chǎn)生膠體崩缺和膠體打爛。

沖澆口凸模與相關(guān)配合尺寸：

（1）刀具的形狀 (圖12有8～10℃的斜角，尖角位置不靠膠體)；

圖12 沖澆口凸模外形設(shè)計(jì)

（2）刀具的吃深為2.0 mm；

（3）刀具靠膠體尺寸0.075 mm 靠澆口框架邊沿 0.05 mm（圖 10）；

（4）下膠體與凹模托實(shí)過盈0.01～0.02 mm；

（5）考慮沖切方向，即下膠體較上膠體厚，或上下型腔進(jìn)膠（最好）（見圖13）。

圖13 最佳進(jìn)膠設(shè)計(jì)

2.2 切中筋工藝對(duì)產(chǎn)品可靠性影響及優(yōu)化改善

（1）塑封材料與框架的結(jié)合力較差。塑封料的質(zhì)量（最好使用G6000以上料餅，如G6000、G7000、G8000、G9000等）直接影響與框架的結(jié)合。

（2）框架中筋間距與模具設(shè)計(jì)的匹配關(guān)系。框架設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)的匹配關(guān)系如圖14所示。

具體的SOP系列產(chǎn)品框架中筋設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 SOP系列產(chǎn)品框架中筋設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖14 沖切模具的配合尺寸關(guān)系

（3）切筋凹模支撐膠體（設(shè)計(jì)時(shí)要有過盈）。膠體上模讓位約0.02 mm；下膠體完全支撐膠體＋0.01 mm左右，且支撐點(diǎn)要超出下膠體圓弧交點(diǎn)處（如圖 13）。

（4）凸模與膠體距離設(shè)計(jì)。按圖14設(shè)計(jì)尺寸C不小于0.075 mm；避免當(dāng)產(chǎn)品封裝后膠體偏出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生分層或裂紋，如下圖15。

圖15 膠體偏位

（4）刀具形狀(見圖 16)。

圖16 切筋凸模外形設(shè)計(jì)

切筋凸模刀口形狀設(shè)計(jì)，有8°～10°的斜角，尖角位置不靠膠體。

（5）切筋凸模沖切導(dǎo)向設(shè)計(jì)。切筋模具卸料鑲件在膠體寬度方向(靠膠體一側(cè))導(dǎo)向間隙不大于0.05 mm。

（6）下膠體太薄會(huì)產(chǎn)生分層（要改善需進(jìn)行反切）。沖切時(shí)可以考慮膠體厚度因素，最好將膠體厚的部分放在下模位置，便于沖切，增加沖切支撐強(qiáng)度，一旦膠體太薄時(shí)，采用反切，效果較好。

（7）凸、凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖 17、圖 18、圖 19、圖20）。凸模可以設(shè)計(jì)成臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，減少對(duì)膠體的沖擊；卸料鑲件導(dǎo)向尺寸與切筋凸模基本尺寸一樣，只是公差不同，減少凸模在沖切時(shí)再膠體方向的擺動(dòng)量；切筋凹模支撐膠體，且中間部分讓位避空；凹模中間打孔，增加廢料的吸塵效果，保持模具表面干凈。

圖17 凸模

總之，沖切模具在實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的離層及微裂紋對(duì)產(chǎn)品的可靠性能和壽命有很大影響，所以改善沖切模具產(chǎn)生分層是封裝行業(yè)的努力方向。

圖18 卸料鑲件

圖19 凹模

圖20 凹模托塊

3 未來展望

通過以上的分析與研究，我們可以得出以下結(jié)論：要提高IC封裝產(chǎn)品的可靠性，膠體內(nèi)部分層和裂紋進(jìn)行改善，同時(shí)還可以通過改善芯片、引線框架、載片等金屬材料表面具有良好的粘接性能的環(huán)氧樹脂，來提高封裝樹脂的粘接性能以達(dá)到改善膠體內(nèi)部分層或裂紋現(xiàn)象，從而達(dá)到提高產(chǎn)品的可靠性。

當(dāng)然，影響產(chǎn)品可靠性的原因很復(fù)雜，不僅要從沖切模具或塑封模具設(shè)計(jì)來研究，還要從優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、框架的設(shè)計(jì)、封裝工藝的改善等諸多因素進(jìn)行綜合分析與研究，才能有效減少或者避免膠體內(nèi)部分層現(xiàn)象的發(fā)生。