QFN引线框架全自动贴膜装置的设计

2022-06-09郑嘉瑞肖君军周宽林

机械制造 2022年2期

□ 郑嘉瑞 □ 肖君军 □ 周宽林 □ 胡金

1.哈尔滨工业大学(深圳)电子与信息工程学院广东深圳 518055 2.深圳市联得自动化装备股份有限公司广东深圳 518109

1 设计背景

方形扁平无引脚封装(QFN)是一种常见的半导体表面贴装型封装形式,是目前中端集成电路的主要封装形式之一。QFN呈正方形,封装底部中央位置有一个大面积的裸露焊盘,作用是导热。围绕大焊盘的外围四周有实现电气连接的导电焊盘。QFN由于没有小外形晶体管封装、小外形封装、晶体管外形封装等传统封装所具有的鸥翼状引线,内部引脚与焊盘之间的导电路径短,自感系数及封装体内的布线电阻很低,因此能够提供卓越的电气性能。QFN通过外露的引线框架焊盘提供等出色的散热性能。这一焊盘具有直接散热通道,用于释放封装内的热量[1]。

引线框架借助于金丝、铝丝、铜丝等键合材料,实现芯片内部引出端和外引线的电气连接,是形成电气回路的关键部件。引线框架起到芯片和外部导线连接的桥梁作用,大多数半导体封装都要使用引线框架[2]。

当前,QFN由于具有优良的电热性能,应用快速增长,对QFN工艺技术的研究也很多。QFN采用较为成熟的生产工艺,需要在QFN引线框架上芯之前或之后,在QFN引线框架的背部贴膜,以防止塑封时的塑封树脂泄漏而造成溢料,避免出现封装不良品[3-4]。为了达到QFN生产工艺的品质要求,提升生产品质和效率,笔者针对QFN引线框架设计了一种全自动贴膜装置。

2 设计要求

常见的QFN引线框架如图1所示,贴膜后引线框架和聚酰亚胺(PI)膜如图2所示。引线框架是连接芯片与外部元件的重要载体,功能是支撑和固定芯片,传递电信号,以及导热[5-6]。PI膜是一种黄色透明的半导体封装电子材料,具有耐高温、防腐蚀等特性。

▲图1 QFN引线框架

▲图2 贴膜后引线框架和PI膜

生产中对QFN引线框架贴膜装置的要求是将PI膜自动平整地贴附在引线框架上,贴附完成后的引线框架没有气泡,贴附精度要求高于±0.3 mm。贴附精度指PI膜边到引线框架边的误差。PI膜的来料是一种卷料,可以根据引线框架的宽度进行裁切。PI膜本身带有一定黏性,因此可以很好地贴附在引线框架表面。有些PI膜需要加热到一定温度,这样贴附效果更好。采用以上工艺,最终目的是在塑封环节避免封装溢料。溢料是集成电路塑封过程中流到引脚和外露基板载体上的多余异物,本身对塑封产品的性能没有很大影响,但是残留溢料在引线框架上会影响后续电镀工艺,进而影响产品的可靠性,引发质量问题。因此,防止集成电路封装溢料问题很重要[7]。

3 装置结构

整个贴膜装置由七个模组组成:上料存料机构模组、贴膜机构模组、贴膜缓存平台模组、加热烤箱模组、上下料搬运机械手模组、下料皮带线模组、下料存料机构模组,设计布局如图3所示,总装结构如图4所示。

▲图3 贴膜装置布局

▲图4 贴膜装置总装结构

4 工艺流程

根据QFN引线框架贴膜的生产要求,贴膜装置的全自动生产工艺流程如图5所示。贴膜装置采用可编程序控制器作为控制系统核心,程序根据工艺流程进行动作设计和节拍优化。贴膜装置按照设计的动作顺序进行运行,依次进行安装上料、贴膜、烘烤、下料,完成一个引线框架的贴膜。

▲图5 贴膜装置工艺流程

上料存科机构模组到达引线框架的上料位置,传感器识别到引线框架,推杆从弹匣内推出引线框架。上下料搬运机械手模组夹住引线框架,移动到轨道的上料位置。上下料搬运机械手模组夹起引线框架,放至贴膜机构模组的贴膜平台上方。此时,PI膜已经被贴膜组件拉出,并且被贴膜真空平台吸附住。上下料搬运机械手模组下降到贴膜位置,引线框架和PI膜面对面贴附,完成贴膜动作。

上下料搬运机械手模组将完成贴膜的引线框架搬送至加热烤箱区域。等待加热若干秒后,上下料搬运机械手模组将引线框架夹起,放置在下料轨道上。下料轨道将引线框架推回到弹匣中。

5 人机界面

贴膜装置的人机界面如图6所示。这一人机界面采用模块化设计,主界面中设计有主画面、功能参数、生产配方、输入输出监控、轴参数、报警画面等功能选项。在主界面中还可以查询到配方地址、产品类型、程序版本、操作模式、设备状态、生产数量、节拍时间等数据信息。在主界面的中间位置,专门设置了一个和贴膜装置布局类似的模组图,方便操作人员进行相关模组的识别和操作。

▲图6 贴膜装置人机界面

6 主要模组介绍

6.1 上料存料机构模组

上料存料机构模组如图7所示。通过皮带带动执行机构,弹匣可以在轨道上横向移动。根据弹匣的尺寸,可以手动调整轨道宽度以适应不同的弹匣。引线框架上下料现场如图8所示,左侧放置满弹匣,右侧放置空弹匣。

▲图7 上料存料机构模组

▲图8 引线框架上下料现场

弹匣上下移动机构如图9所示,这是对空弹匣和满弹匣进行上下两侧交替移动的执行机构。这一机构可以实现弹匣上下两层竖直移动,通过调整轨道宽度以适应不同的弹匣尺寸。弹匣进行横向移动由电机带动皮带完成。

6.2 贴膜机构模组

贴膜机构模组如图10所示。PI膜以卷料形式装在设备上,对于撕开后的PI膜,有一个机构专门进行收集隔膜,有一个机构专门推膜,使PI膜能够匀速平整地铺开到真空吸附平台上。打开真空吸附平台,撕开一个引线框架大小的PI膜后,由PI膜切刀切断,并且吸附在平台上。

▲图9 弹匣上下移动机构

▲图10 贴膜机构模组

6.3 上下料搬运机械手模组

上下料搬运机械手模组如图11所示,主要包含一个上料机械手和一个下料机械手,负责引线框架的上下搬运工作。上下料机械手分别采用电机带动皮带进行驱动,上料机械手包含引线框架后贴膜治具[8]。后贴膜治具需要特别设计,表面有一个空腔,应保证空腔的边框与引线框架的周边接触,但不与芯片接触,避免芯片和焊线受到损伤。

▲图11 上下料搬运机械手模组

7 贴膜塑封效果

QFN引线框架贴膜的主要目的是防止塑封后塑封树脂溢料。采用贴膜装置后贴膜塑封效果如图12所示,现场没有发现明显的溢料区域,引线框架贴膜效果良好。

▲图12 贴膜塑封效果

8 应用

QFN是由方形扁平封装和球栅阵列封装相结合发展起来的一种先进封装形式,是目前半导体器件的主流封装形式之一,越来越多的产品都在使用QFN。笔者设计的贴膜装置可以应用于生产制造引线框架的半导体材料公司和生产QFN的半导体后道封装测试公司。

贴膜工艺在不同封装生产线上的不同位置见表1。引线框架生产公司采用先贴膜,又称为预贴膜,贴膜在固晶和焊线工艺之前,成本相对较低,而且由于没有进行芯片固晶,焊线不会造成生产损失。这种贴膜方式被半导体行业的引线框架生产公司和半导体封装测试公司广泛认可[9]。但是,在封装较大尺寸的芯片时,贴膜后的引线框架再进行固晶和焊线,工艺调试比没有进行贴膜的引线框架难度大,因此仍然有不少半导体封装测试公司会选择后贴膜工艺,即在引线框架固晶和焊线工艺后,再进行贴膜[10]。