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                  半导体封装模具模盒内主要部件材料选型
                  发布时间:2019-05-24 13:31:09 | 浏览次数:

                  半导体的封装模具是将芯片、金线以及引线框架一起用热固性环氧树脂保护起来的一种设备,该类模具一般250秒左右为一个开合模周期,每个周期根据封装制品类型的不同,可以封装出几十甚至数千只成品,且模具上设置有加热装置,使模具长期处于在180度左右的高温下工作,合模时的压力也根据封装制品的种类和数量的不同而有差异,一般合模工作压力在150吨至350吨之间,由于半导体元器件的特殊工作环境,要求其具有良好的电性能和散热性能,同时抗老化性、焊接性、抗压性等都要较高的要求,因此引线框架、环氧树脂等选型有较大的局限性,而半导体封装模具是一种低温热作、多腔位、热固性挤塑模具,其结构和材料选型等需要在满足模具相对狭窄的条件下使用,既要保证其稳定性,又要达到一定的使用寿命,还要结构轻巧,操作方便。MGP模和AUTO模时目前市场上使用最为广泛的封装模具结构,本文主要针对其中的模盒部分的材料选型和热处理来做部分阐述。
                  1 半导体封装模具的工作环境及状态
                  模盒部分是模具的核心部分,环氧树脂在这里完成软化,流动,成型,固化,制品脱模等过程,由于环氧树脂内含有硅粉等填料,流动的过程中对模具摩擦,产生热能,使模具表面慢慢磨损、氧化,特别是流道、浇口等狭窄的进料部位,磨损尤为严重,同时,模具为上下合模的方式运动,为保证合模精度,每个模盒都设计四个方向的定位导向机构,用来防止上下模错位而导致的模面受损和制品上下腔位错位等缺陷,且模具长期在180度左右的高温的较高的压力下工作,模盒部分的零件需要满足以下的技术特点:
                  1.1 加工特性良好
                  半导体产品对外观要求非常严格,亚光面的产品需要外形粗糙度均匀一致,无表面异常凸起、花斑等现象,光面的产品需要产品表面平整无色差,这样在后续激光打标的步骤中才会使制品表面字迹清晰,不易擦花,因此对于封装模具,必须提高钢材纯净度和保证组织均匀,一般通过电渣重熔钢(ESR)或真空弧溶解法(VAR)的冶炼方法来实现,粉末冶金也可实现,但成本会提高,一般用在较为重要的镶件上。
                  1.2 基体刚性和耐压性能
                  模具长期在高压环境下工作,从而需要一定的刚性,如果刚性和耐压强度不够,会造成零件变形甚至开裂,成型部分和浇口部分的镶条由于尺寸较小,刚性和韧性更为重要,要求材料硬度在HRC60以上,其余承压部件的基体硬度要求HRC55以上。
                  1.3 耐磨损性
                  模具在工作当中,浇道、浇口、腔体不断与含有硅粉、玻璃纤维等填料的数值接触,不断摩擦并产生大量热量,会使镶条的流道的表面磨损,脱模斜度变小,浇口尺寸变大,增加树脂用量的同时还不易制品脱模,影响了产品质量,因此镶件部分必须具有高耐磨性、超硬性等。
                  1.4 尺寸稳定性
                  模具上核心零部件的尺寸公差一般在0.005mm以内,且模具不一定24小时一直在工作,停机的时候加热装置不加热,模具会冷却至室温状态,需要工作的时候再重新加热,为保证模具在反复加热冷却后尺寸不能发生变化,工作过程中还要保持零件尺寸的稳定,最少要求30万模次内镶条长度变化小于0.02mm.
                  1.5 良好的脱模性和耐腐蚀性
                  优良的脱模性可以保证产品品质和生产效率,模具工作温度在180℃附近,与环氧树脂接触,内中解腐的塑料分子会对零件有腐蚀,洗模和脱模胶条也对镶条有腐蚀作用,一般通过选用耐腐蚀性材料和对零件表面处理实现。
                  2 化学成分对材料的特性的影响
                  材料所具有的性能是由化学成分组成所决定的,一般来讲各种不同的合金元素的组合决定了钢材的性能,尽管这些性能可能需要通过热处理工艺实现,但本质上还是其成份决定,合金元素的添加对材料的物理性能、化学性能、组织结构的影响非常重要,例如碳的作用是提高钢材淬透性,增加钢材基体强度和耐磨性,但对钢的韧性有一定的损失;铬的作用可以极大程度提高钢材淬透性,增加耐磨性、耐腐蚀性,资料表明含铬12%以上的钢材具有良好的耐蚀性,同时铬的存在与碳作用形成合金碳化物,保持组织稳定,制约了钢材在高温加热时晶粒长大的趋势,降低了钢材的过热敏感性,从而提高了钢材的韧性。
                  3 模盒内不同部位零件的材料选型
                  3.1 成型镶条、浇口镶条的材料选型
                  模盒内的成型镶条、浇口镶条一般选用耐磨性好、硬度高、加工性能良好的粉末冶金钢,如ASP23,ASP30等,此等材料要求在热处理工艺中通过多次深冷处理与高温回火来保证,并要求在200℃72h时效后,前后尺寸变化值(RCD)为±10*10-6范围内,工件需要在真空状态下回火,脱碳氧化,且采用多段不用温度回火,保证了材料的光亮和表面洁净度,深冷除了需要在氮气保护下进行,避免了水汽泄露对工件外观成色的损害,对于特殊要求的产品浇口部位可以采用拼装硬质合金材料,例如F20、CD650等。
                  3.2 起支撑作用的零部件材料选型
                  对于支撑基体零件,例如镶件座、支撑柱、顶针推板等,一般选用淬火硬度HRC57-HRC60左右、材料热膨胀系数与镶条接近的冷作模具钢,例如Cr12Mo1V1,SLD等;而对于模盒垫板这类经常拆卸模盒事来回运动的零件,考虑其刚性摩擦的工作环境,一般选用SUS440C,此类材料作为垫板使用,表面可不用电镀,避免摩擦引起的铬层脱落导致厚度尺寸变化。
                  3.3 轴类零件的材料选型
                  模盒内的轴类零件分为两类,一类是参与注射成型的pot和plunger,该零件是向树脂传递压力的主要零件,且两个零件之间相互摩擦的面,都特别容易磨损,所以该零件的选材一般选用硬质合金,例如F10,同时表面和内壁需要研磨至镜面,或者选用淬火后韧性较强的工具钢M2,加工成品后表面做纳米涂层处理,增加摩擦面的表面硬度和耐磨性,另一类轴类零件是起顶出作用的顶杆和复位杆,该类零件主要起封装制品顶出脱模作用,且数量众多,单个零件受压力不大,主要是复位的时候受拉力和运动时与孔的摩擦力,所以一般选用淬火后硬度HRC60左右的材料,例如SKH51,该类材料基体韧性较强,特别是尾端做部分退火处理,降低肩膀硬度,可以避免回退的时候拉断。
                  3.4 定位及导向类零部件材料选型
                  起上下模定位和导向作用的零件一般称之为精定位块,该类零件是使模具准确以及保证封装制品偏错位的重要零件,其主要承受上下运动的摩擦力和横向的剪切力,且一般四个方向均设计有精定位块,所以该类零件一般选用硬度HRC68以上的粉末冶金钢,例如ASP60,或者硬质合金,例如CD650、F10等,表面需要精磨或者抛光处理,减小摩擦阻力。

                  半导体封装模具的发展也有很长一段时间,而且目前使用绿色环保树脂已经是行业内的标准,熟知的排号也在不断的更新,其流动性、黏度、电性能都在不断的变化,为适应不同牌号的树脂,模具的材料选型也在不断的变化,但不管选用何种材料,最终的目的是能在封装出合格制品的前提下提高模具寿命,降低维护成本,提升加工性能。

                   

                   
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