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什么是转移模制封装技术?对汽车功率器件有何好处?

关于封装技术

封装技术简单来说指的是将塑料材料包裹在物体周围的过程,从而在物体周围形成保护体积,犹如胶囊一样,该技术早自40年前在半导体封装和组装工艺流程中发明集成微电子 (也成为,Integrated Circuits,IC“集成电路”)时已被采用。

封装技术有多种形式,如注射、团块封顶 (glob topping)、压缩和转移。转移封装的目的是在使用时保护IC组件及它们的精密电路,免受机械干扰和恶劣外界影响。与其他技术相比,这种转移模制技术似乎较为古老,但由于塑料封装微电子(Plastic Encapsulated Microelectronics, PEM)技术、封装技术、甚至用于保护IC的塑料材料的发展,转移模制技术已取得很大的进步。

转移模制

转移模制,或称为转移成型是一种封装方法,其中称为环氧树脂的热固性塑料材料以颗粒形式装载并在金属罐内预热,然后强制流入待保护的PEM所在的模腔。该工艺流程使用加热柱塞,通过一系列浇口和流道的管道系统(见图1)。

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1:ASMPT的完整转移模制过程

转移模制的优点就在于它利于包装标准化,每个包装厚度的差异也因此变得较小。这是因为转移模塑对形状更复杂的零件具有更严格的公差,能够为高腔数应用产生更高的每小时单位生产量(Units Per Hour,UPH),有助于缩短生产周期,加快安装时间,最终降低运营成本。此外,当在典型的30秒机器循环时间内模制大量PEM时,转移模制模有着本轻利厚的成本效益。

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2:在转移模塑-PGS技术方面的进展,图源:ASMPT

转移模制其中一个关键技术优势是它的Pinnacle Gating System(PGS 浇口系统)。 PGS采用针点浇口(见图2),这是当包装设计师需要以最大化基板尺来生产大量 PEM时最理想的办法。例如,当必须适当控制结晶器流动引起的应力时,特别是通过最小化流动喷射,PGS能减少对导线连接的应力,从而减少金线偏移的发生。

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3:金线偏移。图源: ASMPT

PGS技术还能够提高成本效益,因为它优化了引线框架或基板中的可用空间,减少浪费可用空间,提高了每小时的产量输出。 PGS还可以减少环氧树脂的损耗,同时具有环保效益,降低单位成本,带来运营收益。

封装汽车级功率组件

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4:汽车和电源组件示例。图源: ASMPT

转移模制是一种有效于高功率组件封装的保护技术,专为封装承载超过100A大电流负载的应用组件,例如,汽车电子控制单元(Electronic Control Units, ECU)的传感和保护。转移模制为电源组件, 包括单面冷却(Single Side Cooling, SSC)和双面冷却(Dual Sided Cooling, DSC), 提供机械和环境保护。

这种封装最艰巨的挑战之一,是如何在不超过40克环氧树脂情况下,提供一定的封装厚度,同时也提供模制效果良好的效果。通常,此类封装较厚,需要更大吨位和更高力度的双环氧树脂颗粒来封装。此类转移模制机需具备双芯块和双列罐式柱塞,以便模塑较厚包装(> 4 毫米)的同时保持高 UPH输出。此外,为了获得良好的模制效果(无焊点气泡或不完整填充),使用高压确保固化后有着足够的包装材料将环氧树脂聚结。这意味着这种转移模制机的受力吨位通常都超过170吨,相比之下其他机器的受力度为80吨。

SSC单面冷却和双面冷却DSC功率包装可能有裸露的金属表面,在这种情况下如何实现零闪光是至关重要的,因为当通电时外露的金属表面会散发 IC 产生的热量。这需要两种要求:模具设计得具有特殊防闪设计,以及薄膜辅助模制技术的使用。防闪设计确保外露金属表面受到足够的限制,以防止树脂或环氧树脂渗入金属引线框架的条纹线,同时薄膜通过阻挡金属表面缺陷也有着相辅设计的功效。

此外,除了转移模制摸具的设计外,还需要特殊的搬运机制来装载和卸载封装,特别是对于通常具有复杂设计的汽车级传感噐封装。因此,模具工具中的装卸机构必须足够坚固,以确保封装前后不会对包装造成任何机械或功能损坏。这种拾取和放置机制通常对于汽车级别的组件更为复杂,因为它们需要力道和压力感应能力来处理复杂的封装内容和重量,特别是对于大型的ECU,汽车电子控制单元。

最后便是脱模过程。由于汽车级功率封装需使用使用高质量环保型的环氧模塑化合物(不含卤素元素),因此它们通常是非常可靠,但在脱模过程中却更容易粘在模具和工具上。因此,在模具上需涂上一层防粘金属涂层,以在模制循环完成后的排出过程中尽量减少这种情况的发生。

总结

总而言之,封装技术远非于“古老”。随着需求和要求的应变,用于处理汽车级功率等较复杂的封装并将其损坏降至最低及机械设计的进步正是该技术与时代同步的方式之一,以更好地保护半导体封装,从而提供可靠、无瑕的模制结果。

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5: ASM Pacific Technology 产品IDEALmold 3Ge 图源: ASMPT

本文作者介绍:

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参考文献:

Kuah, E. (2020). Encapsulating Plastic Microelectronics. In ENCYCLOPEDIA OF PACKAGING MATERIALS, PROCESSES, AND MECHANICS: Set 1: Interconnect and Wafer Bonding Technology Volume 2: Wire Bonding Technology (pp. 257-288).

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