基板型電池保護電路封裝模具技術探討

丁 寧，曹玉堂，徐善林，汪宗華，汪 洋，張先兵

(銅陵文一三佳科技股份有限公司，安徽 銅陵 244000)

PCB基板可為芯片提供電連接、保護、支撐、散熱、組裝等功效，以實現多引腳化，縮小封裝產品體積、改善電性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化的目的。PCB基板屬于交叉學科的技術，它涉及到電子、物理、化工等知識。以BGA、CSP、TAB、MCM為代表的封裝基板(PackageSubstrate，簡稱PKG基板)，是半導體芯片封裝的載體，封裝基板目前正朝著高密度化方向發展。而積層法多層板(BUM)是能使封裝基板實現高密度化的新型PCB基板產品技術。移動通訊設備等用電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓電池和自放電率低等優點，必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。針對電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要，通常都會在電池包內設計保護線路用以保護移動通訊設備等所用電池。

1 基板型電池保護電路封裝模具的模流分析

基板型電池保護電路PCB模具設計的前期資料準備需充分，基板型電池保護電路PCB如圖1所示、模流分析模型如圖2所示。

圖1 基板型電池保護電路PCB

圖2 模流分析模型

模具設計、制造前期多次反復通過Autodesk moldflow仿真技術，通過整個注塑過程中充填、保壓、冷卻和翹曲的計算機模擬分析，得到環氧樹脂的流動仿真和翹曲的仿真，對仿真結果進行可視化評估，找出模具設計過程中可能存在的空洞、基板偏移、翹曲過度等問題。模流分析用的樹脂是NEPESAMC的LMC540U-G2，屬于超低黏度綠色環氧樹脂，模流分析所需參數包括樹脂的密度、比熱、固化時間、黏度和PVT曲線等。圖3為模流充填速度圖，顯示了不同時刻流入型腔的塑料流的狀態。顏色相同的所有區域同時進行填充。注射開始時，結果為暗藍色，最后填充的區域為紅色。如果零件短射，則短射區域未填充的部分為無色。

速度/壓力切換時的壓力結果由填充分析生成，顯示的是從速度控制切換為壓力控制時壓力在模具中沿流動路徑的分布情況。在填充結束時，每個流動路徑末端的壓力應為零。結合使用此結果和壓力降結果，定位實際注射壓力可能過高的區域。

模流充填壓力圖如圖4所示。

基板型電池保護電路封裝模具的模流分析結論：

圖3 模流充填速度圖

圖4 模流充填壓力圖

（1）產品流動基本平衡，流道大小差異小使流動最終基本動態一致；

（2）成型壓力鎖模力都不高，沒有包封縮印等問題；

（3）產品的變形、芯片最大變形量很小，可忽略。

2 模具特點介紹及模具組件的設計

經過調研，開發2種基板型電池保護電路封裝產品，這幾種產品以6層覆膜PCB基板為載體，每個連筋單元對應一個產品，先對該產品的使用環境、應用范圍進行了解；以TW06-L為列，此產品的包封厚度1.6mm(最薄處0.22mm，去除鎳片厚度最薄處0.09mm)，長寬尺寸為16.86mm×3.53mm。相對傳統IC產品來說，其包封的厚度也較薄，首先將此產品定位在自動包封機上使用，且模具采用抽真空的方式來減少產品的空洞，增加充填性能。根據單個基板型電池保護電路封裝產品的外形以及抽真空的模具大小來適用客戶指定規格的設計PCB基板載體，經過排列組合考慮微電路板在PCB基板載體上的安裝、鍵合的空間，以及塑封料餅的用量計算，最終決定該單個模具設置2個料筒。每個料筒左右均衡的灌沖20顆產品。設計時，基板型電池保護電路封裝產品如圖5所示，基板型封裝模具抽真空上模架如圖6所示，下模架如圖7所示，流道、料筒排布設計圖如圖8所示，澆口位置、尺寸排布設計圖如圖9所示，頂桿位置、尺寸排布設計圖如圖10所示，鎳片/軟硬結合位置溢膠尺寸控制設計圖如圖11所示。

圖5 基板型電池保護電路封裝產品

3 技術難點與創新點

（1）產品相對表面積大，型芯壓印點多，頂針直徑小，頂桿位置客戶有特殊指定要求，頂出的時候不能卡料、傾斜，避免后續自動化生產造成機械手抓料出現問題；

（2）產品形狀異形不規則，各處厚薄不一，外觀不能有疏松、未充填、針孔等缺陷，模具無合適位置排氣，模具為抽真空結構；

（3）PCB基板厚度、位置等精度差，軟板、硬板、軟硬結合處、管腳上下表面不允許有壓筋和溢膠；

（4）鎳片厚度尺寸一致性不好且要求上下表面不允許有壓筋和溢膠；

（5）上、下塑封體中心錯位量在X與Y方向上最大不超過±0.03mm；

（6）上、下塑封體中心相對單元L/F中心偏移量在X與Y方向上均小于±0.03mm（引線框架因數除外）；

圖6 基板型封裝模具抽真空上模架

圖7 基板型封裝模具抽真空下模架

圖8 流道、料筒排布設計圖

圖9 澆口位置、尺寸排布設計圖

圖10 頂桿位置、尺寸排布設計圖

圖11 鎳片/軟硬結合位置溢膠尺寸控制設計圖

（7）引線框架PCB基板尺寸精度不好，PCB基板上元器件不能有移位，焊接部分不能松動變形、折斷現象。（每個單元PCB基板電池保護電路單元上有線圈，有微電容，元器件等，注塑成型的時候不能對其造成損傷）；

（8）原產品采用單個產品注塑，采用熱塑性樹脂，產品易于成型，工藝便于調整?；贏UTO模的真空多排封裝，其技術在國內還是空白，所以需我們自行摸索、總結。

4 結 論

基板型電池保護電路封裝每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。目前市場上的基板型電池保護電路封裝多采用單個或很少的幾個產品，通過手工擺料，封裝形式多是采用灌膠機灌膠形式，或是注塑封裝形式，封裝的填充一般用的是熱塑性塑料，因此產品的質量較低，生產效率也很低。非自動化的操作，往往導致產品的模塊芯片損壞，開模時引腳變形大，質量難以控制。由于我們采用了將原有單一產品進行高集成度的封裝，借助半導體多排矩陣式的封裝方式，協助客戶開發設計了一款符合客戶產品要求的多排PCB基板引線框架，將原本單個的基板型電池保護電路載體，可以呈矩陣式排列安裝在PCB基板引線框架上，一次可以封裝多個成品，再通過后道切斷、分離為獨立的個體；微電路板等載體焊接在PCB基板引線框架上，每個PCB基板微電路板等載體都是一個獨立的基板型電池保護電路單元，使客戶的基板型電池保護電路產品相對于原產品來說，極大地提高產品在封裝效率、性能和可靠性等方面較原有產品更為優越。推動和創新了國內基板型電池保護電路封裝行業的發展升級，提升了模具檔次、增強了市場競爭力。