（1.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程系，上海200336；2.上海柏斯高模具有限公司，上海200062）
摘 要：介紹了SOP集成電路塑料封裝模具設(shè)計(jì)中溫度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法和計(jì)算結(jié)果。封裝模具包括上模、下模和附件三大部分，可分成澆注、成型、排氣、頂出、復(fù)位、加熱、溫控、上料、預(yù)熱、定位和支撐等功能系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：集成電路；封裝；模具
中圖分類號(hào)：TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-353X(2005)06-0045-04
1 引言
集成電路的封裝指的是安裝半導(dǎo)體集成電路芯片的外殼。這個(gè)外殼不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁。芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對(duì)于集成電路來(lái)說(shuō)起著至關(guān)重要的作用。
封裝可分為塑料、陶瓷和金屬封裝三種，其中塑料封裝得到了最廣泛的應(yīng)用。目前，95%以上的封裝都采用塑料封裝。進(jìn)入21世紀(jì)，封裝技術(shù)已由直插型逐漸進(jìn)入表面貼裝封裝（SMP）成熟期和新一代IC封裝生長(zhǎng)期。其中表面貼裝封裝（SMP）的主要特點(diǎn)是引線細(xì)短、間距微小、封裝密度較高、體積小、易于自動(dòng)化生產(chǎn)。目前，在全球各類IC產(chǎn)品封裝總量中，表面貼裝封裝(SMP)占有70%的市場(chǎng)，同QFP，SOT等表面貼裝封裝類型比較，SOP表面貼裝封裝在應(yīng)用中占有的份額最多。SOP是一種常見(jiàn)的集成電路塑料封裝形式，又被稱作小外形封裝，其優(yōu)點(diǎn)是適合用表面安裝技術(shù)（SMT）在印制板上安裝布線；封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應(yīng)用；操作方便；可靠性高。
根據(jù)集成電路引腳數(shù)的不同，SOP集成電路分成不同的規(guī)格，圖1為SOP-8和SOP-28兩種規(guī)格的集成電路。表1中列出了不同規(guī)格SOP集成電路的各檔尺寸。從單個(gè)SOP集成電路來(lái)看，其封裝精度要求也許并不是很高。但是由于集成電路巨大的生產(chǎn)量，每副模具的型腔數(shù)往往可以達(dá)到數(shù)千之多，為了保證數(shù)千型腔中生產(chǎn)品的一致性，對(duì)SOP 集成電路塑封模具的設(shè)計(jì)和制造精度要求非常高。
塑封模具是集成電路封裝的主要工藝裝備，屬于固定加料腔式熱固性塑料擠膠模類型，具有型腔數(shù)多、精度高、引線腳數(shù)多、間距小、封裝一致性要求好、可靠性高、壽命長(zhǎng)等明顯的特點(diǎn)。隨著集成電路特別是表面安裝（SMT）技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)塑料封裝模具的精度和可靠性要求也越來(lái)越高。
2 塑封模具的溫度補(bǔ)償計(jì)算
塑封模封裝產(chǎn)品的成型原理是，在合模狀態(tài)下，將預(yù)熱到130℃左右的改性環(huán)氧樹(shù)脂料餅放入模具加料腔，在塑封壓機(jī)外加載荷的作用下，融熔狀態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂料迅速通過(guò)流道、澆口注入各處型腔，經(jīng)升溫、保壓、補(bǔ)縮、固化后成型產(chǎn)品。
模具的生產(chǎn)與加工一般都是在室溫下進(jìn)行的。然而，塑封模具在實(shí)際工作時(shí)，其工作溫度遠(yuǎn)高于室溫，這就直接影響到模具的設(shè)計(jì)與制造。塑封模常常是一模具有幾百型腔甚至數(shù)千型腔，由于引線框架（塑封件的骨架）與模具的材料不同，其熱膨脹系數(shù)也不一致，從而使得在高溫下引線框架與模具的熱膨脹量就不一樣，最終影響到塑封件的成型尺寸。因此在設(shè)計(jì)模具的型腔尺寸時(shí)，一定要考慮到不同引線框架和模具材料的熱膨脹系數(shù)的換算關(guān)系。這是塑封模的設(shè)計(jì)與制造是否成功的關(guān)鍵。如果熱膨脹系數(shù)考慮不當(dāng)，就會(huì)造成模具設(shè)計(jì)的失敗。
我們涉及到幾種熱膨脹系數(shù)不同的材料，集成電路引線框架材料、模具材料以及上料裝置材料。集成電路引線框架材料一般為銅合金，如YEF- T1，OFC，DC1B，TAMAC1，C151等牌號(hào)的材料。集成電路塑封模模盒部分一般采用進(jìn)口模具鋼，如SKD-11，440C，P18等材料。上料裝置一般采用輕型鋁材制造。引線框架模具之間存在不同的熱膨脹，需要進(jìn)行補(bǔ)償。上料裝置與模具之間也存在不同的熱膨脹，也需要進(jìn)行補(bǔ)償。最后需要考慮引線框架與上料裝置之間存在的熱膨脹差異。其中最重要的是引線框架與模具之間的相應(yīng)尺寸關(guān)系。
設(shè)室溫為T0，塑封成型溫度為 T1，引線框架材料的熱膨脹系數(shù)為K y，模具材料的熱膨脹系數(shù)為Km，那么根據(jù)物理學(xué)有關(guān)計(jì)算熱膨脹的公式，可以得到溫度補(bǔ)償系數(shù)K的計(jì)算公式[1]
K=(1＋Ky×(T1 -T0))/(1＋Km×( T1-T0))
根據(jù)上述公式計(jì)算溫度補(bǔ)償系數(shù)K 。表2列出了室溫為20℃和成型溫度為170℃時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由公式Lm＝K×L y ，可以從引線框架的尺寸Ly和溫度補(bǔ)償系數(shù) K推算出塑封模型腔尺寸Lm。
3 模具結(jié)構(gòu)
集成電路塑封模具和其他塑料模具相比有其獨(dú)特之處，塑封模是固定加料腔式熱固性塑料擠膠模類型，具有腔位多、精度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其模具結(jié)構(gòu)與一般的塑料模具差別很大。完整的塑封模包括上模、下模和附件三大部分，圖2為SOP塑封模的上模和下模部分。根據(jù)組成模具不同結(jié)構(gòu)的功能來(lái)劃分，它主要由澆注、成型、排氣、頂出、復(fù)位、加熱、溫控、上料、預(yù)熱、定位和支撐等系統(tǒng)組成。
澆注系統(tǒng)由壓注頭、料筒、主流道、分流道和澆口組成。由于型腔數(shù)量眾多，澆注系統(tǒng)采用了非平衡流道布置。為了提高集成電路的成型質(zhì)量，利用塑料流動(dòng)模擬軟件分析澆注過(guò)程可以取得滿意
為了保證模具工作的可靠性，在塑封模具的上模和下模都設(shè)置頂出和復(fù)位裝置。每個(gè)型腔都具有上下兩根頂桿，再加上流道部位的頂桿，如此大量的頂桿均由頂出和復(fù)位裝置驅(qū)動(dòng)。由于所需要的卸料力不大，頂出系統(tǒng)采用了彈頂結(jié)構(gòu)，復(fù)位則采用了可靠的剛性結(jié)構(gòu)。
集成電路采用環(huán)氧樹(shù)脂塑封料，其主要特性為：優(yōu)異的機(jī)械性能與電絕緣性能；非常好的熱穩(wěn)定型，導(dǎo)熱性能良好；Na ＋、Cl－含量極低，密封性能優(yōu)良；流動(dòng)性好，固化快，脫模性好；產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性好。它是一種熱固性塑料，在一定溫度范圍內(nèi)交聯(lián)固化成型。SOP集成電路塑封模具采用電加熱棒進(jìn)行加熱，并設(shè)溫度傳感器將溫度信息傳遞到溫度控制器以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控。
集成電路塑封模具的模架結(jié)構(gòu)與普通塑料模具具有較大的差別，其模架不僅起到支撐系統(tǒng)的作用，而且要在加工過(guò)程中防止熱量的散發(fā)?；灸＜芰慵猩?、下模座，上、下支撐模板，支板和立柱。數(shù)量眾多的立柱位于模座和模板之間，不僅可以增強(qiáng)模架的剛性，而且最大限度地降低了熱量向機(jī)床方向的傳導(dǎo)。模座采用了三層結(jié)構(gòu)，外面兩層的材料具有較高的強(qiáng)度，中間一層的材料具有較高的阻熱能力，三層之間用鉚釘加以連接。模架外邊用不銹鋼加以防護(hù)，并起到很好的熱阻隔作用。
塑封集成電路時(shí)，載帶集成電路硅片的引線框架首先被放置到輕質(zhì)鋁合金制成的上料架，然后移至預(yù)熱系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的定溫預(yù)熱，最終在塑封模具內(nèi)填充環(huán)氧樹(shù)脂并固化成型。期間引線框架與上料架，上料架與塑封模具之間的相對(duì)位置必須得到精確的定位，這一重要作業(yè)通過(guò)定位系統(tǒng)以及認(rèn)真的操作得到保證。
4 結(jié)語(yǔ)
集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度舉世矚目，我國(guó)的集成電路封裝技術(shù)將會(huì)很快提升到世界先進(jìn)水平，這對(duì)國(guó)內(nèi)集成電路模具制造行業(yè)帶來(lái)極好的發(fā)展機(jī)遇。值得注意的是我國(guó)目前在集成電路芯片設(shè)計(jì)和制造方面投入量較大，但對(duì)配套的后道工序如封裝模具、引線框架則關(guān)注不夠，高檔芯片封裝所用的封裝模具和引線框架基本上依賴進(jìn)口，如果不能在集成電路后道封裝模具設(shè)計(jì)和加工方面形成相應(yīng)的能力，我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)仍然難以自立。
我國(guó)集成電路需求量持續(xù)高速增長(zhǎng)，然而國(guó)內(nèi)集成電路總的封裝能力在產(chǎn)量或品種質(zhì)量檔次上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求。目前，我國(guó)集成電路后道封裝模具和系統(tǒng)設(shè)備約有80%需要進(jìn)口，耗資數(shù)十億美元。因此大力發(fā)展我國(guó)集成電路模具制造產(chǎn)業(yè)很有必要。集成電路封裝模具技術(shù)的推廣和提升無(wú)疑將使我國(guó)大陸集成電路封裝模具的設(shè)計(jì)和制造提高到一個(gè)新的技術(shù)水平，適應(yīng)和滿足我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)SMT表面封裝技術(shù)和集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的配套需求，對(duì)我國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)具有不可低估的推動(dòng)作用，具有深遠(yuǎn)和明顯的社會(huì)效益。
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