怎么解決功率器件塑封過程中引腳壓傷的問題？

摘 要

引線框架的引腳壓傷是嚴(yán)重的質(zhì)量問題。引腳壓傷不僅會(huì)影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì) 導(dǎo)致產(chǎn)品的電性能異常，甚至導(dǎo)致終端使用時(shí)發(fā)生短路、尖端放電等問題。結(jié)合實(shí)際發(fā)生的異常案 例，列舉了塑封過程中導(dǎo)致壓傷的風(fēng)險(xiǎn)因素并逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)分析。采用 Minitab 軟件進(jìn)行了雙比率及 相關(guān)性試驗(yàn)，確認(rèn)導(dǎo)致異常的主要因素。由此延伸到其他可能導(dǎo)致壓傷的成因，確定了不同影響因 素與引腳壓傷的關(guān)聯(lián)性。并從模具設(shè)計(jì)及工藝方法的角度提出改善意見，為改善實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的 引腳壓傷問題提供了參考。

1 引言

塑封工序是功率器件產(chǎn)品封裝中不可或缺的關(guān) 鍵工序，其作用在于將引線框架、芯片及器件、焊線完 全包封起來(lái)，此工序會(huì)直接影響產(chǎn)品的功能、外觀、可 靠性。隨著功率器件產(chǎn)品向大功率、集成化方向發(fā)展， 封裝結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，封裝缺陷所帶來(lái)的產(chǎn)品失效問題 愈發(fā)嚴(yán)重。其中，引腳壓傷是外觀不良中的嚴(yán)重問題， 會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)短路、尖端放電等終端異常問題。以 TO252 封裝為例，引腳壓傷會(huì)直接導(dǎo)致柵漏或源漏短 路，從而使得產(chǎn)品損傷。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，功率器 件產(chǎn)品因其引線框架較厚，基本為齒形模具，解決壓 傷和出現(xiàn)引腳側(cè)面溢膠是一體兩面的問題，完全保證 無(wú)引腳壓傷則會(huì)導(dǎo)致引腳側(cè)面溢膠，反之亦然。

引腳側(cè)面的溢膠在電鍍時(shí)無(wú)法使用水刀去除，將在切筋分 離過程中掉落到模具中。溢膠多落到刃口件表面或者 切筋凹模上，在連續(xù)高速作業(yè)過程中殘膠又會(huì)被壓到 引腳上，造成黑腳或者表面破損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成切筋 刃口件崩缺，這會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)和產(chǎn)品報(bào)廢。一 直沒有去掉的溢膠也會(huì)對(duì)終端上板造成影響，導(dǎo)致虛 焊等焊接不良的情況發(fā)生，且多發(fā)生在非海鷗型引腳 的封裝產(chǎn)品上。因此，在改善引腳壓傷問題的同時(shí)，規(guī) 避引腳側(cè)面溢膠帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)顯得尤為重要。這對(duì)工藝 流程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文對(duì)實(shí)際 發(fā)生的引腳壓傷案例進(jìn)行分析，深入探討壓傷產(chǎn)生的 原因，從引線框架偏移、預(yù)熱臺(tái)溫度與預(yù)熱時(shí)間、塑封 模具設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了切實(shí)可行的改 善方案。

2** 塑封過程中引腳壓傷問題的成因 **

**2.1 塑封模具的設(shè)計(jì) **

功率器件塑封成品的外觀要求產(chǎn)品無(wú)溢膠，焊接 芯片的引線框架背面需要裸露在塑封體外面。以 TO252 塑封為例，引線框架材料厚度為 0.508 mm，若 使用非齒形塑封模具設(shè)計(jì)，引腳之間的溢膠厚度至少 為 1 倍的引線框架厚度（即 0.508 mm），后續(xù)的切筋成 型無(wú)法去除溢膠。所以，對(duì)應(yīng)的塑封模具設(shè)計(jì)必須設(shè) 計(jì)成齒形模具，且齒高一般為 0.49 mm。通常，功率器 件塑封作業(yè)主要使用注塑成型的方式，模具由上、下 2 個(gè)半模組成，模具分型面垂直于塑封模具的壓合方向。

TO252 塑封的一般作業(yè)流程：將引線框架預(yù)熱后 放入模具中，使用上料架將環(huán)氧樹脂顆粒裝入注塑料 筒中，再將上、下模具合模；合模完成后注塑桿向上運(yùn) 動(dòng)，將熔融后的環(huán)氧樹脂擠入空白型腔中完成填充； 經(jīng)過一定時(shí)間的固化，模具打開后頂桿將產(chǎn)品頂出， 再使用去流道機(jī)去除引線框架上多余的流道殘膠。在 合模時(shí)，一半的模具齒會(huì)卡入引線框架的中間橫筋 （Dam Bar）與塑封體間的引腳間隙，另一半模具為平 面結(jié)構(gòu)，會(huì)壓實(shí)引線框架。圖 1 為塑封壓合剖面圖。若 出現(xiàn)異常，導(dǎo)致模具齒與引線框架對(duì)應(yīng)空隙存在偏移 或錯(cuò)位，模具齒會(huì)壓傷引腳。TO252 塑封后的引腳壓 傷如圖 2 所示，紅圈標(biāo)示部位為引腳壓傷部位。

**2.2 引發(fā)塑封引腳壓傷的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析 **

引發(fā)塑封引腳壓傷的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如表 1 所示，通過 4M1E（人、機(jī)、料、法、環(huán)）5 個(gè)維度來(lái)分析 TO252 塑封過程，逐個(gè)識(shí)別出塑封過程中引腳壓傷的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

其中，塑封作業(yè)參數(shù)、溫濕度引發(fā)引腳壓傷的風(fēng) 險(xiǎn)很低，基本不會(huì)導(dǎo)致塑封引腳壓傷問題的產(chǎn)生。手 動(dòng)作業(yè)時(shí)的人員操作不當(dāng)造成引腳壓傷的風(fēng)險(xiǎn)較高， 但由于人員操作不當(dāng)不易復(fù)現(xiàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)先假設(shè)人 員操作無(wú)異常，暫不考慮操作不當(dāng)?shù)目赡苄?。預(yù)熱臺(tái) 溫度異常、塑封模具異常以及引線框架的上工序來(lái)料 變形是可能導(dǎo)致引腳壓傷的高風(fēng)險(xiǎn)因素，需要逐一 排除。

**3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果及分析 **

**3.1 引線框架的確認(rèn) **

本文中的壓傷案例屬于在量產(chǎn)過程中突然發(fā)生 的異常。考察引線框架和塑封模具方面的問題時(shí)均假 設(shè)原始設(shè)計(jì)圖紙無(wú)異常，故確認(rèn)引線框架尺寸時(shí)仍依 據(jù)原有圖紙，按定位孔與引腳中心線尺寸測(cè)量偏差。 圖 3 為測(cè)量引線框架尺寸的局部示意圖，從圖 3 可以 看出，邊緣標(biāo)紅的圓孔為定位孔，D 為定位孔中心與任 一引腳的內(nèi)中心線（Dam Bar 中筋連桿以內(nèi)的外引腳 中心線）在 x 方向上的距離。每顆產(chǎn)品存在 3 個(gè)引腳， 內(nèi)引腳中心線如圖 4 所示。

引線框架中直接影響引腳壓傷的尺寸主要為定 位孔的孔徑、引腳腳寬、引腳中心線與定位針中心的 x 方向上的距離。取異常批次的引線框架，確認(rèn)定位孔 的孔徑及引腳的腳寬?？讖脚c引腳腳寬的測(cè)量尺寸如 表 2 所示。

TO252 每顆產(chǎn)品存在 3 個(gè)引腳，同列產(chǎn)品的相同 x 方向上的引腳中心線在同一條線上，即按上述測(cè)量 方式進(jìn)行測(cè)量，每列存在 3 個(gè) x 方向的距離，TO252 引 線框架每條有 28 列，即每條引線框架存在 84 個(gè) x 方 向的距離，計(jì)算測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的偏差，偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表 3 所示。

顯然，引線框架定位孔孔徑與引腳寬度均在標(biāo)準(zhǔn) 范圍內(nèi)，但偏差存在偏下限的情況?？紤]到模具設(shè)計(jì) 齒槽寬度及偏差余量可超過 0.1 mm，即對(duì)于偏差而 言，實(shí)際在±0.05 mm 以內(nèi)均不會(huì)產(chǎn)生壓傷問題，故確 認(rèn)引線框架的這種偏差對(duì)壓傷基本無(wú)影響。

**3.2 預(yù)熱臺(tái)溫度及時(shí)間確認(rèn) **

物體會(huì)因溫度改變而產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象。在初始 設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)引線框架材質(zhì)確定塑封模具的熱膨脹系 數(shù)，為 17.4×10^-6^ mm/℃。不同溫度下可能存在熱膨脹 系數(shù)差異，導(dǎo)致引線框架預(yù)熱后再放入塑封模具會(huì)出 現(xiàn)不匹配的狀況，進(jìn)而導(dǎo)致合模后引腳壓傷。采用尺 寸測(cè)量達(dá)標(biāo)的引線框架及發(fā)生異常的模具設(shè)備進(jìn)行 試驗(yàn)，只改變預(yù)熱臺(tái)的溫度和預(yù)熱時(shí)間。設(shè)置模具溫 度為 175 ℃，預(yù)熱時(shí)間為 20~120 s，共設(shè)計(jì) 4 組試驗(yàn)： （1）預(yù)熱臺(tái)溫度為 145 ℃，預(yù)熱 20 s；（2）預(yù)熱臺(tái)溫度為 145 ℃，預(yù)熱 120 s；（3）預(yù)熱臺(tái)溫度為 175 ℃，預(yù)熱 20 s；（4）預(yù)熱臺(tái)溫度為 175 ℃，預(yù)熱 120 s。

假設(shè) P 為異常品率，P1、P2 分別表示在預(yù)熱臺(tái)溫度 為 145 ℃、175 ℃下的異常品率，此時(shí)檢驗(yàn)假設(shè)如下。

原假設(shè) H0：P1－P2 =0，此時(shí)預(yù)熱臺(tái)溫度對(duì)壓傷無(wú)影 響。 備擇假設(shè) H1：P1－P2≠0，此時(shí)預(yù)熱臺(tái)溫度對(duì)壓傷有 影響。

統(tǒng)計(jì)量 Z 應(yīng)服從正態(tài)分布 Z~N（0,1），故在 95%置 信區(qū)間條件下，拒絕域?yàn)閧Z＞1.645}。不同溫度下的 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4 所示。使用雙比率分析，不同溫度下 的雙比率結(jié)果如表 5 所示。顯然 Z=－0.3＜1.645，故接 受原假設(shè)，即假設(shè) H0 成立，預(yù)熱臺(tái)溫度對(duì)壓傷無(wú)影響。

采用同樣方法確認(rèn)預(yù)熱時(shí)間對(duì)壓傷的影響，P3、P4 分別表示預(yù)熱時(shí)間為 20 s、120 s 時(shí)的異常品率，檢驗(yàn) 假設(shè)如下。

原假設(shè) H2：P3－P4=0，此時(shí)預(yù)熱時(shí)間對(duì)壓傷無(wú)影響。

備擇假設(shè) H3：P3－P4≠0，此時(shí)預(yù)熱時(shí)間對(duì)壓傷有影 響。

不同預(yù)熱時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 6 所示，其雙比率 結(jié)果如表 7 所示。Z=0.42＜1.645，未落在拒絕域內(nèi)，表 明符合原假設(shè) H2，即預(yù)熱時(shí)間對(duì)壓傷無(wú)影響。

**3.3 塑封模具確認(rèn) **

塑封模具可能造成壓傷異常的原因包括模具齒 形設(shè)計(jì)時(shí)擋膠齒（AFP）與引腳的間隙偏小、模具齒加 工異常、模具安裝異常等。

**3.3.1 AFP 設(shè)計(jì)確認(rèn) **

此案例中的塑封模具齒形鑲件在上模，為了方便 引線框架塑封后的脫模及避免引腳壓傷，靠近接觸面 的部分采用倒圓角設(shè)計(jì)。圖 5 為齒形鑲件的側(cè)面剖視 圖，可以看到，上部 AFP 與引腳的間隙值為 0.05 mm， 接觸面最大間隙值達(dá) 0.25 mm，故此設(shè)計(jì)符合齒形模 具加工要求且造成引腳壓傷的風(fēng)險(xiǎn)較小。

**3.3.2 塑封模具異常確認(rèn) **

根據(jù) 3.1、3.2 節(jié)的分析，排除了引線框架及預(yù)熱條 件對(duì)引腳壓傷的影響。同時(shí)，塑封模具原始設(shè)計(jì)是符 合要求的，為了進(jìn)一步確認(rèn)塑封模具對(duì)引腳壓傷的影 響，考慮到一套模具存在 8 個(gè)模穴，故連續(xù)試驗(yàn) 2 個(gè)模 次，即每個(gè)模穴塑封 2 條，因樣本組別大于 2，故使用 相關(guān)性確認(rèn)進(jìn)行結(jié)果分析。塑封模具異常試驗(yàn)數(shù)據(jù) 如表 8 所示，其相關(guān)性結(jié)果如表 9 所示。

假設(shè) P5 表示壓傷異常與塑封模穴的相關(guān)性，此時(shí) 檢驗(yàn)假設(shè)如下。

原假設(shè) H4：P5＞0.05，此時(shí)壓傷異常與塑封模穴不 相關(guān)。

備擇假設(shè) H5：P5≤0.05，此時(shí)壓傷異常與塑封模穴相關(guān)。

根據(jù)表 9 的結(jié)果，P5=0.002＜0.05，拒絕原假設(shè)，接 受備擇假設(shè)，即壓傷異常與塑封模穴有關(guān)。

**3.3.3 異常改善 **

將對(duì)應(yīng)的上模具齒形鑲件拆除后再測(cè)量齒槽寬 度及齒槽間距尺寸，對(duì)比加工圖紙，發(fā)現(xiàn)齒槽間距存 在超標(biāo)的情況。重新按設(shè)計(jì)圖紙加工齒形鑲件后進(jìn)行 作業(yè)，壓傷問題得到解決。

**3.3.4 其他產(chǎn)生壓傷異常的原因及改善方法 **

1）模具齒形鑲件上、下模位置的影響及改善方法 齒形鑲件的位置在上模時(shí)，若引線框架未被準(zhǔn)確 放入模具中，合模時(shí)存在上模壓傷引線框架的可能； 將齒形鑲件的位置設(shè)計(jì)在下模時(shí)，當(dāng)引線框架被放入 模具中時(shí)可以更準(zhǔn)確地嵌入對(duì)應(yīng)齒槽中，對(duì)應(yīng)上模為 平面結(jié)構(gòu)，不易產(chǎn)生壓傷。

2） 模具齒形鑲件的齒設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的壓傷及改善方法

功率器件引線框架的厚度基本都在 0.3 mm 以 上，全齒形塑封模具齒高基本設(shè)計(jì)為引線框架厚度的 1 倍左右。直齒形的設(shè)計(jì)會(huì)存在引線框架放入不暢導(dǎo) 致操作不便甚至產(chǎn)生壓傷的可能，直齒形設(shè)計(jì)如圖 6 （a）所示。對(duì)直齒形改良后的設(shè)計(jì)如圖 6（b）所示，改良 后的設(shè)計(jì)便于塑封作業(yè)操作，不易產(chǎn)生壓傷，但其內(nèi) 部有一段保留直齒設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致引線框架發(fā)生卡齒等 異常。進(jìn)一步優(yōu)化后的設(shè)計(jì)如圖 6（c）所示，其會(huì)導(dǎo)致 兩側(cè)引腳溢膠。溢膠與壓傷問題在全齒形塑封模具中 是互相制約的。在設(shè)計(jì)上保證完全無(wú)壓傷，則會(huì)產(chǎn)生 引腳兩側(cè)的溢膠，在設(shè)計(jì)上若要引腳兩側(cè)完全無(wú)溢 膠，則模具AFP 過小容易產(chǎn)生壓傷。此時(shí)可以使用齒高僅為引線框架厚度 1/2 左右的半齒形模具，在塑封 后增加去齒間溢膠的去流道操作，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)溢膠和 壓傷的改善。

4** 結(jié)論 **

分析了引線框架、預(yù)熱溫度及時(shí)間、塑封模具設(shè) 計(jì)等因素對(duì)引腳壓傷的影響，發(fā)現(xiàn)引線框架的引腳寬 度尺寸、定位孔直徑尺寸、引腳中心線與引線框架定 位孔中心間距均會(huì)影響塑封時(shí)引腳壓傷是否發(fā)生。相 對(duì)于原始設(shè)計(jì)值，將偏差控制在±0.05 mm 以內(nèi)不會(huì)導(dǎo) 致引腳壓傷。預(yù)熱臺(tái)溫度與預(yù)熱時(shí)間對(duì)引腳壓傷無(wú)明 顯影響，而模穴中的齒形鑲件會(huì)直接導(dǎo)致引腳壓傷。

因此，在齒形模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將齒形鑲件的位置設(shè) 置于下模型腔中。在封裝生產(chǎn)過程中可以通過觀察引 線框架是否正常貼合在下模型模面來(lái)判斷是否存在 壓傷風(fēng)險(xiǎn)。這樣能有效避免引腳壓傷并大幅減小產(chǎn)品 異常的比例。全齒形塑封模具設(shè)計(jì)可以參考改良、優(yōu) 化后的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)在于增大齒形鑲件內(nèi) 部的 AFP 尺寸和接觸面的 AFP 尺寸，避免壓傷產(chǎn)生。 但當(dāng)齒形鑲件內(nèi)部 AFP 尺寸過大時(shí)則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的 溢膠問題發(fā)生，此時(shí)可以采用半齒形設(shè)計(jì)結(jié)合去流道 操作來(lái)同時(shí)達(dá)到除溢膠和防壓傷的目的。

審核編輯：劉清