（1.上海工程技術大學材料工程系，上海200336；2.上海柏斯高模具有限公司，上海200062）
摘 要：介紹了SOP集成電路塑料封裝模具設計中溫度補償?shù)挠嬎惴椒ê陀嬎憬Y果。封裝模具包括上模、下模和附件三大部分，可分成澆注、成型、排氣、頂出、復位、加熱、溫控、上料、預熱、定位和支撐等功能系統(tǒng)。
關鍵詞：集成電路；封裝；模具
中圖分類號：TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-353X(2005)06-0045-04
1 引言
集成電路的封裝指的是安裝半導體集成電路芯片的外殼。這個外殼不僅起著安放、固定、密封、保護芯片和增強電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內部世界與外部電路的橋梁。芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印制板上的導線與其他器件建立連接。因此，封裝對于集成電路來說起著至關重要的作用。
封裝可分為塑料、陶瓷和金屬封裝三種，其中塑料封裝得到了最廣泛的應用。目前，95%以上的封裝都采用塑料封裝。進入21世紀，封裝技術已由直插型逐漸進入表面貼裝封裝（SMP）成熟期和新一代IC封裝生長期。其中表面貼裝封裝（SMP）的主要特點是引線細短、間距微小、封裝密度較高、體積小、易于自動化生產(chǎn)。目前，在全球各類IC產(chǎn)品封裝總量中，表面貼裝封裝(SMP)占有70%的市場，同QFP，SOT等表面貼裝封裝類型比較，SOP表面貼裝封裝在應用中占有的份額最多。SOP是一種常見的集成電路塑料封裝形式，又被稱作小外形封裝，其優(yōu)點是適合用表面安裝技術（SMT）在印制板上安裝布線；封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應用；操作方便；可靠性高。
根據(jù)集成電路引腳數(shù)的不同，SOP集成電路分成不同的規(guī)格，圖1為SOP-8和SOP-28兩種規(guī)格的集成電路。表1中列出了不同規(guī)格SOP集成電路的各檔尺寸。從單個SOP集成電路來看，其封裝精度要求也許并不是很高。但是由于集成電路巨大的生產(chǎn)量，每副模具的型腔數(shù)往往可以達到數(shù)千之多，為了保證數(shù)千型腔中生產(chǎn)品的一致性，對SOP 集成電路塑封模具的設計和制造精度要求非常高。
塑封模具是集成電路封裝的主要工藝裝備，屬于固定加料腔式熱固性塑料擠膠模類型，具有型腔數(shù)多、精度高、引線腳數(shù)多、間距小、封裝一致性要求好、可靠性高、壽命長等明顯的特點。隨著集成電路特別是表面安裝（SMT）技術的迅速發(fā)展，對塑料封裝模具的精度和可靠性要求也越來越高。
2 塑封模具的溫度補償計算
塑封模封裝產(chǎn)品的成型原理是，在合模狀態(tài)下，將預熱到130℃左右的改性環(huán)氧樹脂料餅放入模具加料腔，在塑封壓機外加載荷的作用下，融熔狀態(tài)的環(huán)氧樹脂料迅速通過流道、澆口注入各處型腔，經(jīng)升溫、保壓、補縮、固化后成型產(chǎn)品。
模具的生產(chǎn)與加工一般都是在室溫下進行的。然而，塑封模具在實際工作時，其工作溫度遠高于室溫，這就直接影響到模具的設計與制造。塑封模常常是一模具有幾百型腔甚至數(shù)千型腔，由于引線框架（塑封件的骨架）與模具的材料不同，其熱膨脹系數(shù)也不一致，從而使得在高溫下引線框架與模具的熱膨脹量就不一樣，最終影響到塑封件的成型尺寸。因此在設計模具的型腔尺寸時，一定要考慮到不同引線框架和模具材料的熱膨脹系數(shù)的換算關系。這是塑封模的設計與制造是否成功的關鍵。如果熱膨脹系數(shù)考慮不當，就會造成模具設計的失敗。
我們涉及到幾種熱膨脹系數(shù)不同的材料，集成電路引線框架材料、模具材料以及上料裝置材料。集成電路引線框架材料一般為銅合金，如YEF- T1，OFC，DC1B，TAMAC1，C151等牌號的材料。集成電路塑封模模盒部分一般采用進口模具鋼，如SKD-11，440C，P18等材料。上料裝置一般采用輕型鋁材制造。引線框架模具之間存在不同的熱膨脹，需要進行補償。上料裝置與模具之間也存在不同的熱膨脹，也需要進行補償。最后需要考慮引線框架與上料裝置之間存在的熱膨脹差異。其中最重要的是引線框架與模具之間的相應尺寸關系。
設室溫為T0，塑封成型溫度為 T1，引線框架材料的熱膨脹系數(shù)為K y，模具材料的熱膨脹系數(shù)為Km，那么根據(jù)物理學有關計算熱膨脹的公式，可以得到溫度補償系數(shù)K的計算公式[1]
K=(1＋Ky×(T1 -T0))/(1＋Km×( T1-T0))
根據(jù)上述公式計算溫度補償系數(shù)K 。表2列出了室溫為20℃和成型溫度為170℃時的計算結果。由公式Lm＝K×L y ，可以從引線框架的尺寸Ly和溫度補償系數(shù) K推算出塑封模型腔尺寸Lm。
3 模具結構
集成電路塑封模具和其他塑料模具相比有其獨特之處，塑封模是固定加料腔式熱固性塑料擠膠模類型，具有腔位多、精度高、壽命長等特點，其模具結構與一般的塑料模具差別很大。完整的塑封模包括上模、下模和附件三大部分，圖2為SOP塑封模的上模和下模部分。根據(jù)組成模具不同結構的功能來劃分，它主要由澆注、成型、排氣、頂出、復位、加熱、溫控、上料、預熱、定位和支撐等系統(tǒng)組成。
澆注系統(tǒng)由壓注頭、料筒、主流道、分流道和澆口組成。由于型腔數(shù)量眾多，澆注系統(tǒng)采用了非平衡流道布置。為了提高集成電路的成型質量，利用塑料流動模擬軟件分析澆注過程可以取得滿意
為了保證模具工作的可靠性，在塑封模具的上模和下模都設置頂出和復位裝置。每個型腔都具有上下兩根頂桿，再加上流道部位的頂桿，如此大量的頂桿均由頂出和復位裝置驅動。由于所需要的卸料力不大，頂出系統(tǒng)采用了彈頂結構，復位則采用了可靠的剛性結構。
集成電路采用環(huán)氧樹脂塑封料，其主要特性為：優(yōu)異的機械性能與電絕緣性能；非常好的熱穩(wěn)定型，導熱性能良好；Na ＋、Cl－含量極低，密封性能優(yōu)良；流動性好，固化快，脫模性好；產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性好。它是一種熱固性塑料，在一定溫度范圍內交聯(lián)固化成型。SOP集成電路塑封模具采用電加熱棒進行加熱，并設溫度傳感器將溫度信息傳遞到溫度控制器以實現(xiàn)溫度調控。
集成電路塑封模具的模架結構與普通塑料模具具有較大的差別，其模架不僅起到支撐系統(tǒng)的作用，而且要在加工過程中防止熱量的散發(fā)?；灸＜芰慵猩稀⑾履Ｗ?，上、下支撐模板，支板和立柱。數(shù)量眾多的立柱位于模座和模板之間，不僅可以增強模架的剛性，而且最大限度地降低了熱量向機床方向的傳導。模座采用了三層結構，外面兩層的材料具有較高的強度，中間一層的材料具有較高的阻熱能力，三層之間用鉚釘加以連接。模架外邊用不銹鋼加以防護，并起到很好的熱阻隔作用。
塑封集成電路時，載帶集成電路硅片的引線框架首先被放置到輕質鋁合金制成的上料架，然后移至預熱系統(tǒng)內，經(jīng)過一定時間的定溫預熱，最終在塑封模具內填充環(huán)氧樹脂并固化成型。期間引線框架與上料架，上料架與塑封模具之間的相對位置必須得到精確的定位，這一重要作業(yè)通過定位系統(tǒng)以及認真的操作得到保證。
4 結語
集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度舉世矚目，我國的集成電路封裝技術將會很快提升到世界先進水平，這對國內集成電路模具制造行業(yè)帶來極好的發(fā)展機遇。值得注意的是我國目前在集成電路芯片設計和制造方面投入量較大，但對配套的后道工序如封裝模具、引線框架則關注不夠，高檔芯片封裝所用的封裝模具和引線框架基本上依賴進口，如果不能在集成電路后道封裝模具設計和加工方面形成相應的能力，我國的集成電路產(chǎn)業(yè)仍然難以自立。
我國集成電路需求量持續(xù)高速增長，然而國內集成電路總的封裝能力在產(chǎn)量或品種質量檔次上都遠遠不能滿足市場的需求。目前，我國集成電路后道封裝模具和系統(tǒng)設備約有80%需要進口，耗資數(shù)十億美元。因此大力發(fā)展我國集成電路模具制造產(chǎn)業(yè)很有必要。集成電路封裝模具技術的推廣和提升無疑將使我國大陸集成電路封裝模具的設計和制造提高到一個新的技術水平，適應和滿足我國微電子產(chǎn)業(yè)有關SMT表面封裝技術和集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的配套需求，對我國的信息產(chǎn)業(yè)具有不可低估的推動作用，具有深遠和明顯的社會效益。
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