关于电子元器件塑封模采用回抽顶杆技术的讨论

徐洋

江苏捷捷微电子股份有限公司，江苏，南通，226200

0 引言

电子元器件是各种电子整机的基本组成部分，决定着电子整机的性能和质量。作为元器件重要组成部分的塑封体部分的研发和改进也逐渐被重视起来。半导体元件的封装方式分为气密性封装和树脂封装两大类。封装的目的是与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝，除了起保护电路和电气绝缘作用外，同时还起向外散热及应力缓和作用。按封装材料可划分为：金属封装、陶瓷封装、塑料封装。采用前两种封装的半导体产品主要用于航天、航空及军事领域，而塑封封装的半导体产品在民用领域得到了广泛的应用。目前树脂封装已占世界集成电路封装市场的98%，其中90%以上的塑封料是环氧树脂塑封料和环氧液体灌封料。树脂封装外形主要分为半塑封和全塑封。半塑封外形自带散热板结构，倘若未做内绝缘工艺处理，客户端在使用时需在产品下加垫一层绝缘片，同时绝缘片和产品背面都需要涂覆一层导热硅脂，装配较为繁琐。全塑封外形是将框架包裹在内，没有外露的散热板。相比之下，半塑封外形的散热效果会优于全塑封，然而后者的绝缘效果更佳，省去客户端额外装配绝缘片的成本投入。两者利弊相当，具体应用需参考客户实际的使用场景。从工艺实现角度而言，全塑封外形为注塑工序带来的考验更大。通过多年的实际生产线跟踪和研究，对全塑封器件生产时出现的各种问题进行观察和总结后，整理出有效的可提升产品良率、延长生产治具寿命、提升产出效率的设计思路和实现方案。针对全塑封器件在制造过程中所涉及的优化项目及其可能的收效成果，通过设计详尽的实验说明进行试验验证，对比各项指标的达成效果，从而实现工艺优化工作的开展。本文通过对全塑封器件生产过程中出现的主要瓶颈和问题进行深入研究，设计出更为合理的治具外形，并采用先进的材料表面处理工艺做了进一步的加工。本文以实验为主要的研究形式，评估现有生产形式的不足并提出相应的改进，最后得出了优化的生产方案[1]。

疫情加速了全球数字化进程，在“新基建”政策及“双碳”目标导向下，5G网络、云计算及数据中心建设加速，汽车电子、AR/VR等市场需求持续放量，电子元器件需求旺盛。在市场前景一片大好的形势下，对电子元件也提出了更高的要求。从产品自身角度出发：（1）要确保安全性，其中包括对于人身安全的保证，以及电子元器件对所安装设备的安全保证；（2）要求元器件有较为优良的散热能力，能将内部芯片产生的热量有效地发散出去；（3）从制造出发，为应对如此庞大的市场需求，要求产品的生产工艺是成熟且稳定的。全塑封元件作为典型的电子封装器件，符合以上三点的基本要求[2]。产品本体完全被环氧树脂覆盖，使绝缘性能得以保证；全塑封元件在客户端被安装时，不需额外加垫绝缘片，装机热阻虽没有绝对优势，但比较同等功耗的（非内绝缘）半塑封产品，热阻没有拉开很大的距离；此外，塑封工艺已十分成熟，非常适合产品大批量生产。因此，本文着眼于全塑封元器件，侧重分析其在生产中出现的主要痛点，并比较现有解决方案带来的弊端。同时，在此基础上做出改进方案，并且通过实验验证以说明此种改进的必要性。

1 全塑封器件生产在现阶段的难点

全塑封器件，即除外部的连接端子外，产品的主体都由环氧树脂包裹。因其优良的绝缘性能被广泛运用。然而，这种特殊的产品结构为生产带来一定的挑战。器件的注塑一般通过塑封模具和压机的配合得以完成。通常情况下，引线框架进入塑封模腔后，为确保其在模腔中的位置固定，符合预设的公差，模具中会设置顶杆。顶杆一般分为固定顶杆和回抽顶杆，就其工作机制，可分为以下两种：固定顶杆的行程与上下模一致，为达到固定框架的目的，从合模开始顶杆就夹持住引线框架。经过注塑、保压、冷却一系列过程后，在开模阶段顶杆又会随着模具打开而离开产品本体。接着在出模顶针的推动下，产品被顶出模腔，完成整个塑封过程。然而这种塑封工艺仍存有一定的缺陷。因采用固定式顶杆，在塑封完成后，顶杆作用点留下露铜点，此处是不绝缘的，为解决达到绝缘的效果，目前的做法是在露铜点灌涂环氧绝缘胶以达到绝缘耐压可承受AC 2500V@1s的目的。但在器件实际工作环境中，随着水汽的侵蚀以及高低温环境的变化，灌入的环氧胶与模塑料出现分层的现象，从而失去绝缘性能，并导致严重的漏电事故。

回抽顶杆的行程是独立于塑封模腔的，注塑时，上下顶杆套基座可在油缸和弹簧的作用力下实现顶出和回抽。引线框架在模腔内放置入位后，模腔压合，上下回抽顶杆伸出将散热片加持，以达到将框架导正并固定的效果。在塑封料充填即将完成时，上下回抽顶杆往反方向缩回一定深度，未完全固化的塑封料在注塑杆的推力作用下，继续充填入模至注塑杆达到设定的压力值。塑封料将上下回抽顶杆所占位置完全填充，即可获得真正意义上的全塑封器件[3]。

比较以上两种顶杆方案，从产品安全角度出发，回抽顶杆一定是更佳选择。顶杆作为关键治具，其状态及寿命很大程度上影响着产品质量和生产效率。

2 回抽顶杆在批量生产时的瓶颈点

上文中简单介绍了回抽顶杆的工作机制，顶杆穿过套孔进入模腔中，固定待包封器件。重点在于，在塑封料本体填充阶段即将完成时，顶杆往反方向缩回一定深度，未完全固化的塑封料在注塑杆的推力作用下，继续充填入模至设定的压力值，塑封料将回抽顶杆所占位置完全填充。在回抽过程中，顶杆与周围的塑封料产生极大的拉扯力，顶杆表面状态与寿命深受影响。

除去顶杆断裂、松脱等极端现象，表面磨损是严重影响产品质量和生产效率的隐患之一，不容小觑。对于产品而言，磨损的顶杆可能导致顶杆孔破损或形成“烟囱”现象，造成外观缺陷，若顶杆孔破损程度严重甚至会导致绝缘性能失效。为尽量减降低以上风险，定期保养与更换是必须的，这些十分影响生产效率，同时又增加了维护成本。

3 现有回抽顶杆方案可改进点

回抽顶杆主要包含两部分结构，一个是顶杆本体，在模腔中固定引线框架。另一个是套杆，套杆为顶杆提供来回伸缩的通路，并起到保护顶杆的作用。两者均属于易损件，受损原因可总结为以下几点。（1）材料选取不当。各种金属材料的硬度和耐磨性有着较大的区别，常规的顶杆选料一般为SKD11模具钢，而为提高顶杆及杆套的耐磨性，这里选择ASP23材质作为加工顶杆和杆套的新材料。（2）加工方式不当。顶杆外圈与套杆内圈的配合要求较高，理想的情况是两个同心的绝对圆，但受限于加工精度的原因，往往会有失圆的问题。这种情况下的配合在实际注塑过程中因顶杆外圈与套杆内圈的间隙不均匀，必定会出现间隙较大的空隙，常用的环氧树脂填充料粒径为0.03～0.1mm，若顶杆外圈与套杆内圈的间隙大于最小粒径，模塑料会从此间隙里钻入。固化后若残留在缝隙中则对顶杆部件造成进一步的损害，加速了顶杆外圈与套杆内圈的磨损；若脱模后残留在产品表面，则造成外观不良，并且通常情况下这种残留属于硬毛刺，无法通过化学浸泡的方式去除，必须通过人工刮除，费时费力，且容易损坏产品外形。（3）顶杆和套杆的运动配合面未做特殊处理。无论是何种材料，在高强度的拉扯作用下必定会出现形变或者磨损。若在其表面做特殊处理，便可以降低磨损，延长其使用寿命，进而提升生产效率，降低维护成本[4]。

4 针对现有回抽顶杆方案的改进设计

上文分别从材料选取、圆面加工和表面处理三个角度分析了回抽顶杆不良的原因。以下将主要围绕这三点，给出详细的改进方案。

（1）首先需要解决的是材料的选型。顶杆工作于高温、高压的环境中，并且在回抽过程中，与未完全固化的环氧树脂有摩擦的动作。基于以上情况，需要选择一款耐磨性、硬度、刚度指标都适中的材料，选用ASP23作为顶杆和杆套的材料比常规顶杆材料SKD11硬度更高，也更具耐磨性。

（2）其次需要选择恰当的圆面加工工艺。基于目前的生产经验，回抽顶杆在连续生产8000～10000模次时，产品表面便会出现“烟囱”现象。经分析后发现，顶杆与套杆之间配合间隙过大，导致注塑时塑封填料钻入。为解决以上问题，顶杆外圈采用精密外圆磨加工。外圆磨主要在外圆磨床上进行，用以磨削轴类工件的外圆柱，而精密外圆磨的加工精度可以达到0.001mm，使顶杆外圆形变量更加可控。套杆内圈采用坐标磨加工。坐标磨床具有精密坐标定位装置，用于磨削孔距精度要求很高的精密孔，高精度的坐标磨床加工精度可达0.001mm。选择了合适的加工方式后，顶杆与套杆之间的装配间隙可有效控制在0.005mm以内，从而有效降低塑封填料进入间隙的风险。

（3）最后顶杆及套杆表面需做特殊处理。顶杆在工作时末端与熔融塑封料产生反方向位移，形成极大的磨损。磨损使得顶杆端面的几何尺寸变小，继续使用则对产品的外形造成隐患。因此对顶杆及套杆做特殊表面处理，采用类金刚石薄膜（DLC）涂层。“DLC“是英文”DLAMOND-LIKE CARBON“的缩写。DLC是一种由碳元素构成，在性质上与钻石类似的物质，同时又是由石墨原子组成的物质。类金刚石薄膜是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量、低摩擦因数、耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层。顶杆及套杆表面做DLC处理后，寿命可提升2.5倍，后期维护的成本可降低50%～60%。

5 顶杆改进方案的实施及评估方法

经过上文分析，造成回抽顶杆易磨损的原因主要有三点，分别为材料选型不恰当、加工精度不够高以及未做表面处理。本文主要围绕这三点，旨在观察新旧两种顶杆方案连续生产后产品外观与治具寿命的不同情况。在总结以往生产经验的基础上，通过设计内容详尽、条理清晰的实验规划书，进行实践探究，从而可以得出新方案的可实施性和有效性。

实验中，为将非考量变量的影响降为最低，应注意尽量控制干扰因素。本方案将实验对象确定为TO-220FP，TO-220FP是一款十分典型的全塑封半导体器件，也是市场上流通量非常大的一款产品，将其定为实验对象对改进回抽顶杆方案具有一定的指导意义。实验要求在相近的温度及湿度的条件下，使用同一台塑封模具及压机(且每次更换回抽顶杆前需对设备进行一次保养，以排除设备的原因)，由同一批熟练的操作人员对产品进行连续生产。在实验过程中，应时刻密切注意产品的外形。尤其是顶针孔处的形貌，是否有磨损、隐裂、烟囱等外观不良的现象发生，每连续生产2000模都要详细记录以上信息，直至外观不良占比达到平日管控标准即停止生产。

试验结束后，将记录数据进行汇总整理，并且也要将模具内的顶杆拆洗干净，以便观察磨损情况。整理后的实验结果见表1。

表1 试验生产详细数据记录表

实验数据显示，采用改进后的回抽顶杆，其工作寿命得到显著提升，约为原有顶杆方案寿命的2.5倍，可确保模具连续稳定的产品输出。改进后的回抽顶杆方案虽在前期投入成本上有加重（比原有的成本增加了30%），但考虑到后期停机保养和治具维护的频率降低，折合后的成本较原方案实际降低了50%～60%。

6 结语

制造一个合格且可靠的电子元器件，从芯片设计到最后成品展出，需经历成百上千道复杂工序。回抽顶杆虽只是塑封工序中极其细微的治具，却同样对产品质量好坏与否起到至关重要的作用。全塑封器件因其特殊的产品结构要求，为确保绝缘性能，不适宜使用固定顶杆。然而经上文分析，回抽顶杆在制程中会产生极大的磨损，若不能防护得当，顶针孔处的形貌则无法得到保证。因此顶杆需要定期保养、更换，一副模具中有上千根回抽顶杆，每次更换占用产线工时长，拉低生产效率，且后期维护成本高。由此可见，设计一种优化回抽顶杆以延长其工作寿命的方案是势在必行的。

在进行方案优化前，要充分了解整个塑封工序的生产流程，理解造成回抽顶杆缺陷的原因，并将主要风险项总结为材料选取不当、加工精度不够及治具未做表面处理。确定待改进点后，通过研究已有资料，总结以往生产经验，进行合理详尽的实验设计，从而得到客观真实的实验结果。经过对实验结果分析发现，优化后的回抽顶杆具备更加优良的耐磨损能力，工作寿命得以显著延长。同时产品的外观质量得以保证，顶杆孔破损、隐裂的风险大幅降低[5]。

近年来，在移动互联网技术不断发展、消费电子产品制造水平提高和居民收入水平增加等因素的驱动下，电子元器件行业呈现蓬勃发展的态势。未来随着5G、物联网、人工智能、虚拟现实、新型显示等新兴技术与消费电子产品的融合，使得行业需求量持续增加，同时带动市场规模持续扩大。这样的形态下，对于相关制造业是机遇也是挑战，保持高产能输出和高品控产品是一个企业保持活力所必须要秉持的原则之一。在生产过程中，任何一个威胁到产品质量的潜在风险都需及时被排除。本文中所讨论的改进内容都是围绕回抽顶杆展开，改进带来的结果是顶杆孔形貌的优化。顶杆孔对于整个产品而言是极其细微的存在，其质量问题往往被有所轻视。然而顶杆孔缺陷对于产品的可靠性有所影响，若出现隐裂的问题会直接导致绝缘失效，由此可见，回抽顶杆优化对全塑封器件品质的提升是具有深远的意义。