用于薄型阵列QNF及BGA覆膜式封装模具技术探讨

2022-02-23陈昌太

模具制造 2022年1期

陈昌太

（安徽大华半导体科技有限公司，安徽合肥230001）

1 现状

QFN、BGA封装产品主要应用于电脑CPU、手机芯片、人工智能处理器等中高端芯片封装领域。区别于传统的引脚式封装，QFN和BGA属于表面贴装式、高密度表面封装技术，单位面积内芯片密度更高，如可以使计算机中的DRAM内存在体积不变的情况下内存容量提高2～3倍；引脚短抗干扰能力更强，可靠性也大幅提高，寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；芯片面积与封装面积之比接近1∶1的理想情况，因此QFN、BGA封装有更加快速、有效的散热途径，适合超大规模集成电路的芯片封装。相较传统的TSOP、LQFP封装，体积更小、重量更轻，加上杰出的电性能和散热性，更适用于便携小型电子设备的高密度印刷电路板上，是未来半导体封装的主流。

随着我国智能制造2025的推进，对集成电路芯片的需求越来越高，目前我国高端芯片主要依靠进口，很容易被西方国家“卡脖子”。有鉴于此，国家出台相关政策大力支持高端集成电路芯片的研发、设计及制造，而高端芯片的封装，主流采用QFN、BGA的封装形式。目前我国QFN、BGA的封装系统及模具主要依赖于进口，国内以大华半导体为代表的封装设备制造商已在研发用于薄型QFN、BGA封装的全自动封装系统及模具，本文根据薄型QFN、BGA的覆膜式封装模具的研发经历，浅谈薄型QFN、BGA覆膜式封装模具结构特点及设计要点。

QFN、BGA厚度在0.5mm以上，如QFN0.55、QFN0.75、QFN1.0等，通常采用1～4个小BLOCK形式封装，塑封体胶体较厚，强度较高，封装后变形相对较小，可以采用常规结构的塑封模具进行封装，少数的国内模具制造商已可以设计生产。但对于薄型QFN、BGA系列0.5mm厚度以下的产品，且采用1个大BLOCK形式封装，如QFN0.45、QFN0.37、柔性基板BGA等，目前很少有厂家可以设计制造此类封装模具。因胶体厚度越薄，单个基板只有一个型腔，对成型的工艺参数要求也越高；胶体厚度太薄，无法设计产品型腔顶杆，因容易将产品顶开裂；1个大BLOCK体积较大，难以快速排气；基板厚度一致性较差时等不利因素，采用常规结构的模具封装时，就会出现塑封体开裂，充填不满，溢胶等产品缺陷，如图1所示。这时就需要增加辅助抽真空，加快充填时的排气，以及使用覆膜封装进行辅助脱模，从而解决传统封装无法解决的上述缺陷问题，如图2所示。

图1 常规厚度QFN无覆膜式封装缺陷（顶杆缺损及注不足）

图2 薄型阵列覆膜式封装的QFN产品

2 覆膜式封装模具技术要点

一种薄型QFN、BGA覆膜式封装模具，包括模架、模盒、注射部件、真空回路部件。模架包括上模架和下模架，模具有上、下模盒组成。上下模架采用抽屉式设计，方便上、下模盒的更换和安装，上模架吊装在压机上台面，下模架安装在压机下台面。压机下台面的上下移动，实现模具的开闭。封装产品时，合模前在上、下模盒中间放置一层耐高温导电薄膜，导电薄膜通过滚轮机构，由伺服电机进行等张力控制，实现覆膜收卷和放卷，完成废膜的收集和新模的放置。上模盒型腔表面周边设计多个均匀排布的吸附孔，通过系统提供的真空，使薄膜平整附着在上模型腔内。模具每开合一次，薄膜就往前移动一个模盒长度，换上新膜，如此循环。生产时，引线框架是放置在下模模面，由模面上的定位针与引线框架上的定位孔定位保证摆放位置，下模盒成型镶件表面也设计多个均匀的真空吸附孔，当引线框架准确落位后，通过真空吸附保证框架平整。薄型QFN、BGA封装，型腔设计在上模，型腔深度不超过0.4mm，个别品种深度只有约0.2mm，型腔内不设置脱模顶杆，设置脱模顶针易使产品开裂和分层。覆膜式封装模具在压机上使用状态如图3所示。

图3 薄型阵列QFN、BGA覆膜式封装模具开模状态

技术要求：

（1）上真空围板通过铰链与上模板固定，侧面设置限位连杆，在完全落下时，只能开合一定角度，在开模状态时更换上模盒，避免真空围板垂下时碰到下模面，防止碰伤模面，但开合角度要满足上模盒的拆卸。

（2）下真空围板通过铰链与下模板固定，侧面设置限位连杆，在完全抬起时，只能开合一定角度，并设有自锁挡块。在开模状态时更换下模盒，真空围板抬起时不会碰到上模面，以免碰伤模面。但开合角度要满足下模盒的拆卸。

（3）下模模面开设0.003～0.006mm真空避让空间，避让空间与外部开设0.03～0.05mm深的排气槽，因薄型QFN、BGA引线框架背面有贴膜固定芯片，此结构可避免合模时引线框架下面残留空气，导致因引线框架合模不平产生的溢料。

（4）上成型镶件设有环形气槽，环形气槽彼此连通，进气口设置在环形气槽底部的中央，保证气流均匀，防止抽真空时气流不均，产生覆膜变形，阻碍树脂流动。上真空围板表面安装密封圈，合模时上下真空围板把整个模具包含在内，形成一个密闭的真空罩，保证高真要求。

（5）下成型镶件下面设有调节垫片，可根据不同的引线框架或基板厚度，更换不同的垫片，调节引线框架或基板的预压量。在下成型镶件调节垫片下方，设置有调节弹簧，用来自动微调引线框架或基板自身厚度的差异，保证合模时引线框架表面或基板表面压力均匀，防止产品溢胶。根据产品要求，基板类的抗压强度在520MPa。

3 应用创新

（1）下成型镶件设计真空负压吸附孔，两个下成型镶件通过两个独立的真空回路控制，保证不互相干涉，确保真空效果。

（2）薄型QFN、BGA覆膜式封装模具的腔体尺寸大，树脂面积较大、厚度薄，封装产品收缩变形大。可把上模模腔下的支撑柱设计成高低尺寸分布，提高塑封后产品的平整性，降低应力存在。

（3）上模型腔的注胶口侧设置储料井，末端设置冷料穴，树脂多选用小直径树脂饼，便于树脂吸热熔融，提高产品有效区的封装密实性。上模型腔深度较浅，型腔内不设置顶针脱模，使用材料为耐高温、具有自身润滑的UV膜辅助封装，塑封后通过系统对薄膜的牵引让产品自动脱模，薄膜与整个上成型镶件表面附着，接触面积大，树脂不与上模型腔面直接接触，所以产品脱模顺畅，模具也不需要进行洗模，即可随时满足生产需要，即节省生产成本，也提高了生产效率。

（4）通常常规模具，镶件型腔是与树脂直接接触，长期使用，模面会脏，脱模性就不好，所以常规产品，生产到300模左右时，需要用洗模胶条对模面进行清洁，清洁一次通常会花费一个多小时和数千元的洗模胶条成本。而覆膜模具可以完全避开这一缺陷，这对于薄型QFN、BGA这类的封装产品，具有更大的优势，而在QFN、BGA中，产品总厚小于0.5mm薄型阵列芯片，若采用常规封装方式，质量是完全不能满足。