高功率密度军用电源塑封工艺研究

臧艳丽

(连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港 222000)

高功率密度系列模块电源可以满足电子系统复杂的供电环境，提高系统效率，减小体积，实现更高的系统集成度。国内在机载、车载、舰载、航空航天等领域需要大量使用高功率密度模块化电源(2018年国内市场容量>25亿元)，且每年保持高速增长。研制高功率密度电源模块系列产品是国产军用模块电源的发展趋势和市场需求，配合产品的研发项目，该工艺项目完成后，可实现同类产品的国产化替代。面对高功耗、小体积、轻重量的要求，电源模块需采用更密间距的结构，选用性能更优异的材料，以提高电源模块的微组装的可靠性[1]。传统的电源模块一般采用真空浸入式或者旋转离心式的灌封工艺方式实现电源模块的整体灌封[2-3]，而新型的高功率密度系列模块电源采用芯片塑封的工艺方式，实现磁芯、元器件、PCB基板和塑封料的一体式封装。

1 封装的分类

1.1 封装的类型

一般行业中，封装是指芯片(Die)和不同类型的框架(L/F)、塑封料(EMC)形成的不同外形的封装体。按照封装材料划分为：金属封装、陶瓷封装、塑料封装；按照和PCB板连接方式分为：PTH封装和SMT封装；按照封装外型可分为：SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等。金属封装主要用于军工领域，无商业化产品；陶瓷封装优于金属封装，也用于军事产品，占少量商业化市场；塑料封装用于消费电子，因为其成本低、工艺简单、可靠性高而占有绝大部分的市场份额。

1.2 电源塑封

传统的电源模块一般采用真空浸入式或者旋转离心式的灌封工艺方式实现电源模块的整体灌封，灌封的方式存在气孔和填充不完全的问题，而且无法满足高导热的要求。

电源塑封工艺是将半导体集成电路芯片的封装技术应用到板级的封装上。塑封工艺就是把前段生产完成的板级用树脂封装起来，使其与外界的各种物理及化学变化等因素隔离开来，使元件和芯片不受外界的影响和破坏，因而性能稳定，寿命长，携带和使用也方便。在塑封工艺中有很多因素会对产品的性能和良品率产生影响，例如环境因素、各种原辅材料等。由于产品高功率特性，对塑封料选择极为重要，导热效果好坏直接影响产品性能。

塑封分为单面塑封和双面塑封，芯片塑封一般采用单面塑封的方式，电源产品为高功率高密度产品，元器件精密贴装PCB上下表面，电源产品工作过程热量通过印制板和上下表面的塑封料将热量散发出去，降低产品热量。芯片的注塑工艺已经相当成熟，在此基础上开展印制板双面注塑工艺。通过与封装厂商、材料厂商技术合作，应用仿真分析软件结合理论计算对注塑料流动形态进行分析，设计优化注塑模具，验证电源塑封工艺的有效性。

2 电源塑封的可靠性分析

随着对国产化替代电源产品的重视，塑封电源产品工艺技术在逐渐提升，产品的性能也在逐年提高，对其工艺的可靠性研究显得尤为重要[4]。电源产品塑封过程存在的典型的可靠性问题如下。

2.1 填充不完全

对于电源产品塑封工艺，重点是解决塑封中出现的趋向性填充不完全和内部气孔。对于常见有趋向性的不完全填充，主要是由于封装工艺与塑封材料的性能参数不匹配造成的。预热后的塑封材料在高温下反应速度加快，致使塑封材料的胶化时间相对变短，流动性变差，在型腔还未完全充满时，塑封材料的黏度便会急剧上升，流动阻力也变大，以至于未能得到良好的填充，从而形成有趋向性的未填充。这种有趋向性的未填充主要是由于塑封材料流动性不充分而引起的。

内部气孔的形成原因主要是模具表面的温度过高，使型腔表面的塑封材料过快或者过早发生固化反应，加上较快的注塑速度使得排气口部位充满，以至于内部的部分气体无法克服表面的固化层而留在内部形成气孔。这种气孔缺陷一般多发生在大体积电路封装中，而且多出现在浇口端和中间位置。

2.2 分层

分层是指封装体内部不同材料粘接在一起的界面之间出现微小的分离或裂纹，分层可引起器件性能下降甚至失效。塑封电源容易发生分层的主要区域有封装树脂与元器件表面、印制板表面与封装树脂之间[5-7]。

2.3 翘曲

翘曲是由于高压塑封过程对印制板的单面压力造成塑封过程中升温和降温过程，印制板和塑封料的CTE不匹配造成产品的整体表面出现翘曲，翘曲带来的印制板变形、芯片的开裂、元器件引脚的开裂等问题，严重影响了产品的可靠性问题。产品面积越大，印制板越薄，出现翘曲的可能性就越大。

3 电源塑封工艺设计

研究高功率密度电源模块塑封工艺技术，该技术可以实现板级和器件的高导热要求，并提供更好的产品防护。该技术主要有3个难点：1)高导热塑封材料的选择；2)适用印制板双面注塑模具的设计；3)密间距印制板注塑工艺参数的研究，解决塑封后产品空洞及分层问题。

根据高功率密度电源与传统电源主要区别在于采用了芯片封装常用的塑封工艺，制定此电源产品加工工艺流程(见图1)。

3.1 塑封材料的选择

材料的选择是提高塑封技术性能的基础，环氧塑封料的两大主要性能：良好的可靠性和成型性[8]。由于产品高功率特性，导热效果好坏直接影响产品性能。所以塑封料选择高导热、高Tg、低应力的封装材料，热导率不低于3 W/(m·K)，Tg点≥120 ℃，CTE在40以内。电源塑封材料(某国产塑封料)参数见表1。

表1 塑封材料参数表

3.2 电源塑封仿真分析

产品塑封的好坏一般是通过实际塑封后的产品性能确定的。传统多采用试错的方式，此方法成本高、时间长、效率低，如采用模流仿真分析可预判产品塑封过程中的薄弱环节，方便快速地设计出合适的塑封模具的结构，大大降低了反复制作模具的成本，并减少了试模的时间，提高了产品验证的可靠性[9-11]，电源模块三维模型如图2所示，印制板上下表面均贴有元器件，封装材料包裹元器件，并提供更好的产品保护。

3.2.1 电源模流仿真分析

塑封电源模流填充情况如图3所示，塑封电源塑封料填充过程产生的气穴分布情况如图4所示。通过模流仿真结果分析，电源双面塑封通过双排槽的设计，基本可以实现印制板双面同时塑封，塑封料可同时到达印制板的上下表面，解决了注塑不同步带来的压力差对印制板造成变形和翘曲的问题。汇交口的下模部分有轻微的汇流区域，存在产生气穴的可能，气穴基本都集中在汇交口的下部填充尾端，此部分气穴多产生于电源产品的外部区域，此区域经过后道切割工序，切除掉多余的塑封体，对电源产品整体的塑封无影响。

3.2.2 模块翘曲仿真分析

采用某国产封装材料塑封过程产品发生的翘曲变形情况如图5所示，模块翘曲仿真分析是仿真电源产品PMC之后(25 ℃)的翘曲。通过仿真选择匹配的塑封料(塑封后模块翘曲最小)。通过仿真结果分析可知，采用此国产封装材料塑封后的电源产品封装单颗翘曲为45 μm，翘曲变形在可接受范围内。

3.3 塑封电源产品结果分析

按照图1电源工艺流程，完成元器件贴装、清洗、底部填充、磁芯粘接、塑封，塑封后样品进行后固化处理，处理温度175 ℃，时间6 h，再经过高温存储、高低温冲击试验，最后对样品进行金相研磨观察每层元器件塑封效果(见图6)。通过塑封后的电源产品进行研磨分析，元器件底部无气孔、元件表面与塑封料也无分层的问题，塑封工艺良好，满足产品要求。

4 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)通过模流仿真结果分析可知，电源双面塑封通过注胶口和汇交口的设计，基本可以实现双面同时塑封，塑封料可同时到达PCBA的上下表面，解决了单面注塑压力对印制板造成变形和翘曲的问题。汇交口的部分存在气穴，发现气穴基本都集中在填充尾端，此部分气穴多产生于电源产品的外部区域，此区域经过后道切割工序，切除掉多余的塑封体，对电源产品整体的塑封无影响。

2)模块翘曲仿真分析，仿真电源产品PMC之后(25 ℃)的翘曲。通过仿真选择匹配的塑封料(塑封后模块翘曲最小)。通过仿真结果分析可知，采用此国产塑封料塑封后的电源产品封装单颗翘曲为45 μm，翘曲变形在可接受范围内。

3)通过塑封后的电源产品进行研磨分析，元器件底部无气孔、元件表面与塑封料也无分层的问题，验证了此塑封工艺满足产品要求。