改善封装产品冲切毛刺的探讨:单边冲切有毛刺

　　摘要：切筋、成形是集成电路封装的重要工序之一。切筋、成形过程产生的毛刺，不仅影响到外观质量，而且会影响到产品的电性能、安全和可靠性。文章首先叙述了切筋、成形过程产生的几种形态的毛刺，接着从模具结构特点讲述了产生这些毛刺的原因。然后针对产生的原因，提出了几种改善措施。重点对模具的改善 、易损件的控制和框架设计制造及框架材料的选择等问题阐述了自己的见解。要改善和消除封装产品冲切、成形过程产生毛刺的现象，对模具结构、刀具形状及精度和框架材料提出了较高的要求。最后，建议了几种新的去毛刺工艺，希望起到抛砖引玉的作用。
　　关键词：封装框架；中筋连杆；毛刺；模具；偏位；卸料板；偏位
　　
　　Study for Improving Cutting Burrs Problem of IC Packaging
　　
　　LIN Xing-jiang,ZHAO Shouqing,HE Wen-hai,MU Wei,FENG Xue-gui
　　（Tianshui Huatian Technology Co., Ltd.）
　　
　　Abstract: Trimming & Forming process is one of the important processes of IC packaging. During this process, cutting burrs have bad effect on product’s visual quality, as well as the electrical properties, safety and reliability. In this paper, it first introduces several kinds of burrs generated during trimming & forming process. Then, reasons that the burrs can exist are analyzed in terms of tooling configuration characteristics. After that, we propose several corrective measures based on these reasons. The measures here put emphasis on improving tooling, control of the wearing parts, lead frame design and manufacturing and the way to select the material of lead frame. Finally it is concluded that we must have more demanding requirements on the tooling configuration, cutting tool’s shape and precision, and the material of lead frame to improve the trimming & forming process and eliminate the cutting burrs. In addition, several new deburring techniques are proposed in the paper.
　　Key Words: Lead Frame; Dam bar; Burr; Tooling; Shift; Unloading Board
　　
　　1引言
　　
　　切筋工艺，是指通过金属刀具，切除框架的外引脚之间的堤坝（Dam Bar，也叫中筋连杆）与框架边框相连的部份；所谓成形工艺则是将引脚弯曲成特定的形状，以适合装配的需要。但封装切筋和成形过程由于所用材质的不同，刀具选材的不同，模具刀具及模具结构设计和冲切工艺不同，经常会产生不同类型的毛刺。这些不同形状和大小的毛刺，在电镀时会电镀上锡，增加了毛刺的直径（宽度）和长度，同时毛刺上容易挂上锡片，使相邻引脚（特别是窄间距产品）搭接，造成外观不合格。由于毛刺的存在，在通电情况下，产生尖端放电，致使信号不稳定，严重的会造成电源和信号短路、电路功能失效，甚至电路烧坏。所以，切筋和成形产生的毛刺是塑封集成电路生产过程常见的重要缺陷之一，也是各个封装测试企业着重研究解决颇为重要的问题。
　　
　　2切筋和成形过程产生毛刺的现状
　　
　　切筋和成形过程产生毛刺主要有下述五种：
　　（1）引脚上的水平毛刺
　　 引脚上的水平毛刺如图1所示。
　　
　　 （2）引脚上的垂直毛刺
　　 引脚上的垂直毛刺如图2所示。
　　
　　 （3）中筋切口的水平毛刺
　　 中筋切口的水平毛刺如图3所示。
　　
　　 （4）中筋切口的垂直毛刺
　　中筋切口的垂直毛刺如图4所示。
　　
　　3各种毛刺产生的原因分析
　　
　　 产生各种现象毛刺的原因，包括模具冲切间隙、模具刀具精度、模具结构冲切工艺排序等。典型的模具结构及冲切原理如图5所示。
　　
　　 模具结构由上模和下模在相关导柱和导套的精密配合下，结合凸模卸料板导向和弹压的作用，由凸模和凹模对框架中筋连杆或管脚进行冲压的过程；最终形成封装电路所要的产品外形。
　　 （1）垂直反向或正向毛刺
　　如图6所示：冲切刀具间隙异常，导致出现的毛刺。
　　出现凸模与凹模间隙产生变化的因素有：
　　 ① 凹模缺损② 凸模缺损
　　 ③ 凹模磨损④ 凸模磨损
　　 ⑤ 凹模、凸模设计间隙不合理
　　 ⑥ 凹模、凸模材料选择不合理，不到规定的冲切寿命次数而产生间隙变化
　　 （2）如7图示：由于冲切偏出中筋连杆位置，在冲切时，凸模挤压管脚变形，被挤出水平毛刺。
　　
　　 （3）另一类水平毛刺的形成如图9，卸料板到受力方向如图9箭头上部图所示，拉伸毛刺,凹模与卸料板表面受力挤压，成形时二次受力挤压形成水平毛刺。
　　
　　 （4）冲切深度的影响
　　 中筋连杆必须在卸料板部分压实的情况下，在反向压实的状态下，完成按正常剪切状态变形，这样就得到测量的剪切断面，即光亮的剪切断面。
　　 当以上因素之一出现问题，会出现毛刺，即：
　　 ① 卸料板完全压实框架，在冲切中筋连杆时，对冲切深度与冲切断面产生影响，出现毛刺；
　　②冲切深度太浅，产生框架的塑性变形断面层出现毛刺；
　　③ 冲切深度太浅，对冲切断面产生挤压，拉出毛刺。
　　 （5）框架材料的塑性特性变化原因
　　 当冲切模具，凹模、凸模的间隙一定时，材料的塑性出现变化，即材料的机械性能出现变化，导致理论上的间隙过大或过小，从而导致实际冲切时，材料厚度方向断面层出现变化，拉出毛刺。
　　 （6）由成形拉断产生的引脚尖毛剌
　　由于所有引线框架的外引脚尖与引线框的边框相连通，DIP等产品成形时靠向下的冲力拉断。由于引线框架材料厂的韧性较好，当材料较厚（0.25 mm及以上）会在引脚尖产生毛剌。
　　
　　4工艺改善过程描述
　　
　　 4.1 通过调整凸凹模配合间隙改善毛刺
　　 模具间隙z对落料和产品切断面的质量，模具寿命影响很大。间隙合理，断口表面较平整，光亮带约占材料厚度的1/3左右，毛刺不大；间隙大，光亮带窄，断口粗糙；间隙过小，则刃口很快磨损钝化，降低模具寿命，并且上下裂纹不会会合，还会出现第二次断裂带，影响断裂口质量，产生毛刺，选择间隙主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命。当断面质量要求较高时，选择较小的间隙值，反之则选择选择较大的间隙值，对于铜合金，取z = (0.06~0.10) δ（δ―材料厚度）
　　 模具合理间隙值计算（理论）：
　　
　　 C = 2t（1-b/t）・tgβ
　　 Tt :框架厚度；Bb：塌角高度；β：剪裂纹斜度； b/t：相对压入深度；
　　 C1：2×0.152×（1-0.10/0.152）・tg10°（ 对材料厚度0.152）= 0.0180
　　 C2：2×0.127×（1-0.10/0.127）・tg10°（ 对材料厚度0.127）= 0.0095
　　 C3：2×0.254×（1-0.12/0.254）・tg10°（ 对材料厚度0.254）= 0.047
　　 tg10°= 0.176
　　 注：在实际使用中，以上间隙值的公差选取范围：±0.005 mm。
　　
　　 4.2 通过改善卸料板压紧来改善冲切残留毛刺
　　 ① 如图，减小卸料镶件和凹模之间的间隙，最好将框架压紧0.01 mm左右。
　　② 加宽凸凹模的宽度,让凸凹模完全覆盖要切除的中筋连杆的宽度。
　　 ③ 冲切前完全压紧，框架保证凸模、凹模，在正常的冲切间隙值内加工。
　　
　　 4.3通过更换磨损的凸凹模来改善冲切毛刺
　　 定期对凸凹模进行检查、测量，磨损超过标准的及时更换，避免和改善冲切毛刺。
　　
　　 4.4 通过稳定框架的材料来改善冲切后出现的毛刺
　　 在框架强度方面我们要注意两个方面，即材料的机械强度和柔顺强度。框架一般所用材料为合金42和铜合金，其性能有所不同。合金42的机械强度高于铜合金，但铜合金的柔顺强度较好。还要指出的是：一般的金属在经过冷轧后，材料沿压延轴方向和垂直方向的强度是不同的，这对材料在成型过程中有一定影响。同时，框架在整个封装过程中要经历多次高温过程，有时时间还会较长，这相当于对材料的多次退火处理，使材料晶粒发生再结晶，这会使材料的机械强度下降而柔顺强度增加，影响冲切力及冲切断面质量。也就是说退火次数越多，材料越软，产生毛刺的机会越多，所以在选用框架材料时要考虑材料的机械性能和柔顺性能，同时要考虑在封装过程中的多次高温过程的退火对框架的影响。
　　为了解决DIP等产品成形时拉断产生的毛剌，一般在切中筋的同时，在保证后续生产电路不掉的前提下，给引脚端采用一定深度的预切断。同时，定期检查和更换预切断刀片，避免成形拉伸毛剌。
　　
　　5结论和未来展望
　　
　　 毛刺的产生是多种因素造成的,要改善封装产品在冲切过程中产生的毛刺,一定程度上对模具结构和模具精度、框架材料提出了更高的要求。改善冲切产品毛刺，即冲切断面的平整度问题，要知道封装产品冲切毛刺是与冲切刀具结构，冲切材料及模具结构和冲切工艺都有关系，更应该了解冲切是一个材料塑性变形的过程，与材料的金相组织及材料成分有关。
　　 未来精密的切筋系统、成形分离系统的应用，刀具材料和框架材料的进一步改善，一定能够消除或使毛剌尺寸最小化，有望通过电镀去毛剌和激光去工艺，能够消除毛剌对产品外观及质量的影响。
　　
　　参考文件
　　[1] 司乃钧,许德珠. 热加工工艺基础Ⅱ（机械类） . 1991.10.1.
　　
　　作者简介
　　蔺兴江，助理工程师，主要从事集成电路封装生产的切筋、成形模具和系统维修保养工作。
　　赵寿庆，助理工程师，主要从事集成电路封装生产的切筋、成形模具和系统维修保养工作。现为天水华天科技股份有限公司工程一部副部长，负责设备维修工作。
　　何文海，工程师，天水华天科技股份有限公司集成电路塑料封装研究中心副主任。主要从事封装技术、设备、模具维修。
　　慕蔚，高级工程师，主要从事集成电路芯片制造、气密性（金属、陶瓷）封装和塑封集成电路封装工艺技术及技术、生产管理工作。
　　冯学贵，工程师，主要从事封装技术、质量管理、品质管理和工艺技术及工程管理工作。