SOP集成电路塑料封装模具
扫描二维码
随时随地手机看文章
（1.上海工程技术大学材料工程系，上海200336；2.上海柏斯高模具有限公司，上海200062）
摘 要：介绍了SOP集成电路塑料封装模具设计中温度补偿的计算方法和计算结果。封装模具包括上模、下模和附件三大部分，可分成浇注、成型、排气、顶出、复位、加热、温控、上料、预热、定位和支撑等功能系统。
关键词：集成电路；封装；模具
中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)06-0045-04
1 引言
集成电路的封装指的是安装半导体集成电路芯片的外壳。这个外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对于集成电路来说起着至关重要的作用。
封装可分为塑料、陶瓷和金属封装三种，其中塑料封装得到了最广泛的应用。目前，95%以上的封装都采用塑料封装。进入21世纪，封装技术已由直插型逐渐进入表面贴装封装（SMP）成熟期和新一代IC封装生长期。其中表面贴装封装（SMP）的主要特点是引线细短、间距微小、封装密度较高、体积小、易于自动化生产。目前，在全球各类IC产品封装总量中，表面贴装封装(SMP)占有70%的市场，同QFP，SOT等表面贴装封装类型比较，SOP表面贴装封装在应用中占有的份额最多。SOP是一种常见的集成电路塑料封装形式，又被称作小外形封装，其优点是适合用表面安装技术（SMT）在印制板上安装布线；封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用；操作方便；可靠性高。
根据集成电路引脚数的不同，SOP集成电路分成不同的规格，图1为SOP-8和SOP-28两种规格的集成电路。表1中列出了不同规格SOP集成电路的各档尺寸。从单个SOP集成电路来看，其封装精度要求也许并不是很高。但是由于集成电路巨大的生产量，每副模具的型腔数往往可以达到数千之多，为了保证数千型腔中生产品的一致性，对SOP 集成电路塑封模具的设计和制造精度要求非常高。
塑封模具是集成电路封装的主要工艺装备，属于固定加料腔式热固性塑料挤胶模类型，具有型腔数多、精度高、引线脚数多、间距小、封装一致性要求好、可靠性高、寿命长等明显的特点。随着集成电路特别是表面安装（SMT）技术的迅速发展，对塑料封装模具的精度和可靠性要求也越来越高。
2 塑封模具的温度补偿计算
塑封模封装产品的成型原理是，在合模状态下，将预热到130℃左右的改性环氧树脂料饼放入模具加料腔，在塑封压机外加载荷的作用下，融熔状态的环氧树脂料迅速通过流道、浇口注入各处型腔，经升温、保压、补缩、固化后成型产品。
模具的生产与加工一般都是在室温下进行的。然而，塑封模具在实际工作时，其工作温度远高于室温，这就直接影响到模具的设计与制造。塑封模常常是一模具有几百型腔甚至数千型腔，由于引线框架（塑封件的骨架）与模具的材料不同，其热膨胀系数也不一致，从而使得在高温下引线框架与模具的热膨胀量就不一样，最终影响到塑封件的成型尺寸。因此在设计模具的型腔尺寸时，一定要考虑到不同引线框架和模具材料的热膨胀系数的换算关系。这是塑封模的设计与制造是否成功的关键。如果热膨胀系数考虑不当，就会造成模具设计的失败。
我们涉及到几种热膨胀系数不同的材料，集成电路引线框架材料、模具材料以及上料装置材料。集成电路引线框架材料一般为铜合金，如YEF- T1，OFC，DC1B，TAMAC1，C151等牌号的材料。集成电路塑封模模盒部分一般采用进口模具钢，如SKD-11，440C，P18等材料。上料装置一般采用轻型铝材制造。引线框架模具之间存在不同的热膨胀，需要进行补偿。上料装置与模具之间也存在不同的热膨胀，也需要进行补偿。最后需要考虑引线框架与上料装置之间存在的热膨胀差异。其中最重要的是引线框架与模具之间的相应尺寸关系。
设室温为T0，塑封成型温度为 T1，引线框架材料的热膨胀系数为K y，模具材料的热膨胀系数为Km，那么根据物理学有关计算热膨胀的公式，可以得到温度补偿系数K的计算公式[1]
K=(1＋Ky×(T1 -T0))/(1＋Km×( T1-T0))
根据上述公式计算温度补偿系数K 。表2列出了室温为20℃和成型温度为170℃时的计算结果。由公式Lm＝K×L y ，可以从引线框架的尺寸Ly和温度补偿系数 K推算出塑封模型腔尺寸Lm。
3 模具结构
集成电路塑封模具和其他塑料模具相比有其独特之处，塑封模是固定加料腔式热固性塑料挤胶模类型，具有腔位多、精度高、寿命长等特点，其模具结构与一般的塑料模具差别很大。完整的塑封模包括上模、下模和附件三大部分，图2为SOP塑封模的上模和下模部分。根据组成模具不同结构的功能来划分，它主要由浇注、成型、排气、顶出、复位、加热、温控、上料、预热、定位和支撑等系统组成。
浇注系统由压注头、料筒、主流道、分流道和浇口组成。由于型腔数量众多，浇注系统采用了非平衡流道布置。为了提高集成电路的成型质量，利用塑料流动模拟软件分析浇注过程可以取得满意
为了保证模具工作的可靠性，在塑封模具的上模和下模都设置顶出和复位装置。每个型腔都具有上下两根顶杆，再加上流道部位的顶杆，如此大量的顶杆均由顶出和复位装置驱动。由于所需要的卸料力不大，顶出系统采用了弹顶结构，复位则采用了可靠的刚性结构。
集成电路采用环氧树脂塑封料，其主要特性为：优异的机械性能与电绝缘性能；非常好的热稳定型，导热性能良好；Na ＋、Cl－含量极低，密封性能优良；流动性好，固化快，脱模性好；产品一致性、稳定性好。它是一种热固性塑料，在一定温度范围内交联固化成型。SOP集成电路塑封模具采用电加热棒进行加热，并设温度传感器将温度信息传递到温度控制器以实现温度调控。
集成电路塑封模具的模架结构与普通塑料模具具有较大的差别，其模架不仅起到支撑系统的作用，而且要在加工过程中防止热量的散发。基本模架零件有上、下模座，上、下支撑模板，支板和立柱。数量众多的立柱位于模座和模板之间，不仅可以增强模架的刚性，而且最大限度地降低了热量向机床方向的传导。模座采用了三层结构，外面两层的材料具有较高的强度，中间一层的材料具有较高的阻热能力，三层之间用铆钉加以连接。模架外边用不锈钢加以防护，并起到很好的热阻隔作用。
塑封集成电路时，载带集成电路硅片的引线框架首先被放置到轻质铝合金制成的上料架，然后移至预热系统内，经过一定时间的定温预热，最终在塑封模具内填充环氧树脂并固化成型。期间引线框架与上料架，上料架与塑封模具之间的相对位置必须得到精确的定位，这一重要作业通过定位系统以及认真的操作得到保证。
4 结语
集成电路产业发展速度举世瞩目，我国的集成电路封装技术将会很快提升到世界先进水平，这对国内集成电路模具制造行业带来极好的发展机遇。值得注意的是我国目前在集成电路芯片设计和制造方面投入量较大，但对配套的后道工序如封装模具、引线框架则关注不够，高档芯片封装所用的封装模具和引线框架基本上依赖进口，如果不能在集成电路后道封装模具设计和加工方面形成相应的能力，我国的集成电路产业仍然难以自立。
我国集成电路需求量持续高速增长，然而国内集成电路总的封装能力在产量或品种质量档次上都远远不能满足市场的需求。目前，我国集成电路后道封装模具和系统设备约有80%需要进口，耗资数十亿美元。因此大力发展我国集成电路模具制造产业很有必要。集成电路封装模具技术的推广和提升无疑将使我国大陆集成电路封装模具的设计和制造提高到一个新的技术水平，适应和满足我国微电子产业有关SMT表面封装技术和集成电路产业飞速发展的配套需求，对我国的信息产业具有不可低估的推动作用，具有深远和明显的社会效益。
来源:2次
下载文档
