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自动点胶技术在功率模块快速封装中的应用
发布时间:2015-5-21  浏览次数:3670

项罗毅

(常州瑞华电力电子器件有限公司,江苏 常州213200

  要:本世纪初,伴随着步进电机应用于数字控制系统中,自动点胶技术也得到了快速发展,由于具有响应时间短、控制精度高、维护简单等优点,因此能够应用到了功率模块快速封装工艺中。本文重点介绍了自动点胶技术的原理及其在小功率模块封装上应用的工艺过程,并通过试验对比论证其工艺优势。

关键词:功率模块;封装;自动点胶技术

Application in the power module of rapid package basing on the technology of automatic adhesive injecting

Luoyi Xiang

(Changzhouruihua Power Electronic Devices CO.,LTD,Jiangsu Changzhou 213200)

Abstract:At the beginning of this century, the technology of automatic adhesive injecting has developed rapidly with the stepper motor used in the digital control system.Because it has the advantages of fast response, high control accuracy,simple maintenance and so forth.so it can be applied to the power module fast packaging process.This paper mainly introduces the process principle of automatic dispensing technology and its application in the small power module package, and to demonstrate the technology advantage through contrast test.

Key words:power modulepackageautomatic adhesive injecting

作者简介:项罗毅(1986),男,江苏常州,本科,机械加工。

中图分类号:TH138.52           文献标识码:A       文章编号:

随着电力半导体模块在焊机、变频器、无功补偿、软起动、电源、新能源等工业制造各个领域中的广泛应用,工业设备对其需求量越来越大。在国民经济发展中,功率模块作为工业装备的一个非常重要组成部分,有着不可忽视的重要地位。

近年来在励磁电机、电镀电源、充电桩、直流牵引以及变频器等诸多方面,对于功率模块都有着更多、更高的要求。现用于小功率设备(30kW以下),如逆变焊机、变频器、光伏逆变器等上的功率器件(一般为100A以下)市场需求量很大,我司此类产品销售量一年大约在40万只左右,传统的封装工艺很难满足生产的需求。传统的封装工艺存在生产周期长、产品一致性差、产品稳定性差等问题。目前自动点胶技术在中、小功率模块制造中的运用,对于降低生产成本和提高企业的生产效率具有重要意义。本课题在人工点胶机的基础上,应用自动点胶技术,通过控制工艺过程满足了小功率模块快速封装的要求。既能满足企业点胶要求,能够极大地提高了功率器件的产量和质量,具有深远的影响。

1 功率模块涂胶工艺的发展

功率模块(如图1所示)的封装工艺是将芯片封装起来,避免芯片与外界接触,以防止外界对内部芯片的损害的一种工艺技术。大气中的不良物质和水汽,乃至灰尘都会影响上的电路,造成其电气性能的下降。而涂胶工艺是功率模块封装工艺中非常关键的一环。这里先简单介绍模块的封装工艺流程,以便清楚了解涂胶工艺所起的作用。


1 我司主要的功率模块

1.1 模块封装工艺基本流程

    一般功率模块的封装要经过焊接、老化、灌胶、测试等工序,具有周期长、工艺复杂等特点,其具体工艺流程方框图如图2所示。其中焊接前的装配颇为复杂,需要对散热铜底板、电极、芯片、散热基片分别进行涂胶处理表面,然后装配在一起,放入焊接炉进行焊接。此工序耗时长、效率低、质量差,涂胶技术是其中最为关键的一步,直接关系整个模块生产周期的变化。

                                                                    图2  功率模块封装工艺流程

1.2 模块涂胶技术的发展

        随着电力电子技术的飞速发展及其向各行业的迅速渗透,涂胶技术也在近三十年内获得了无比巨大的发展,并已经取得了很大的进步。从早期的预上锡工艺到现在日益成熟的手工点胶工艺的,电子封装工艺发生了翻天覆地的变化。

    预上锡工艺效率低下、焊接一致性差,同时不利于模块装配。丝网印刷工艺虽然效率有所提高能够即时生产,但是对于模块这种装配部件较多,焊接面多,丝网印刷依旧是复杂的工艺,需要在流水线附近增加辅助线进行涂胶处理。手工点胶工艺其优点是能够缩短丝网印刷的时间。但是工人的工作强度高,需要手脚并用操作,且效率的提高不明显。
2 自动点胶技术在功率模块上的应用

2.1 自动点胶技术的原理

    自动点胶机是一种专为满足涂覆各种物件表面要求而研制的自动涂胶设备,适用于各种点、直线、圆弧以及任意不规则图形的点胶,涂胶,通过编制运动参数的控制程序,程序下载方便、操作简单。自动点胶机的工作精度和工作效率完全取决于本身的运动控制系统,控制系统通过向执行单元发送指令信号,接受器接收回馈的信息,依据预设编制好的程序,机械传动机构根据程序做出相应准确的动作。其中步进电机和PLC控制系统是点胶机的心脏。
     自动点胶系统的工作原理是通过将压缩空气送入注射器或胶瓶中,将胶压进与活塞室相连的进给管中,利用气体压力进行点胶作业。当活塞向下运动时,胶受到压力便会从滴胶针嘴压出;当活塞处于上冲程时,活塞室中就会填满胶体。滴出的胶量由活塞下冲的距离决定,可以通过编程进行控制。

2.2 MDS601628模块上的应用实例

随着电力电子变流节能技术被广泛应用于各行各业,市场对功率模块的需求迅猛发展,高效、高质量的功率模块制造技术显得尤为迫切,特别是小功率模块。小功率模块需求量大,硅晶圆的尺寸较小,安装困难且涂胶难度大,对现有的安装工艺和涂胶工艺等封装工艺提出了适应其工艺需求的快捷、一致性好的特殊要求,这样用于诸如MDS601628小功率模块的快速封装的自动点胶平台也就应运而生。而且随着电子行业的蓬勃发展, 自动点胶系统也随之发展(见图3)
                          

3 MDS601628自动点胶平台

MDS601628模块自动点胶平台(如4主要由四大部分构成:执行机构、驱动机构、控制系统和工装夹具。执行机构由机械手、躯干两部分构成。一般选用交流、直流伺服电动机和步进电动机等执行机构配合机械手,机械手在作业过程中均是沿XYZ轴呈直线运动。躯干是自动点胶系统的主体部分,包括安装手臂、电源、各种执行机构的电极等。驱动机构主要有四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动以及机械驱动。其中气动驱动具有用胶量少、气源方便、保养简单方便等优势。控制系统主要配备了运动控制卡、脱机转换板、手持式示教盒等。其优点就在于文件易于下载,方便资料管理便捷。工装夹具是MDS601628模块自动点胶平台重要组成部分,关系到整个自动点胶工艺的优劣。MDS601628模块采用倒装夹具,操作简单、快捷。

4 模块自动点胶平台

2.2.1工艺过程控制

MDS601628模块采用自动点胶技术和倒装夹具改进后的快速封装工艺能够生产周期大大缩短。其工艺过程主要包括两部分:可视化编程和零部件装配。

可视化编程需要根据MDS601628模块的零部件类型和尺寸定义,具体过程如下:(1

1号电极为单点涂胶,注意气压和出胶时间,控制好胶量,同时注意针头高度;(2)点6只芯片同样为单点涂胶,注意气压和出胶时间,控制好胶量,同时注意针头高度;(3)点23号电极为线条涂胶,注意针头走速和气压(如5

             

5   1号电极涂胶                芯片涂胶               23号电极点胶

零部件装配需要根据MDS601628模块的工装夹具,具体过程如下:(1)在夹具中依次放入31号电极,且把1号电极按平整,放置到自动点胶平台上;(2)在1号电极两边点上焊膏,点焊膏的针头选择为小针头,自动点胶平台设置为自动档,设置好气压,选择好时间控制好焊膏量;(3)在1号电极上面放入6只芯片,注意芯片装配的正反方向;(4)在芯片的中央均匀点上焊膏,自动点胶平台设置同上;(5)把MDS601628模块23号电极依次放入夹具,注意电极不能放反且电极一定要按到位,直至平整为止;(6)把23号电极上面依次点上适量焊膏,注意此时点胶机开手动调节,注意电极尾部一定要点上适量焊膏;(7)把涂好的陶瓷基板依次反向放入工装夹具,注意陶瓷基板一定要涂均匀,陶瓷基板反面不能涂在四周围,要涂在中央位置;(8)把散热底板依次放入夹具,注意底板一定要按到位,不能斜在里面(如6
                

6 1号电极装配   芯片装配     23号电极装配   陶瓷基板装配      散热底板装配

2.2.2封装结果与分析

功率模块在焊接前的装配中应用自动点胶机技术结合倒装夹具可使封装工艺变得简单、快速,同时还能保证产品质量的一致性。特别是针对小功率模块(100A以下)的封装尤为有利,因为芯片的焊接面积小,点胶图形简单,只需要控制出胶量就能达到很好的效果。我们来看一下自动点胶技术应用后的优势。

以装配6只芯片的模块为例,传统的装配顺序如表1所示。而采用倒装工艺和自动点胶技术结合,使用倒装夹具,改善后模块的装配顺序如表2所示。
       表1 传统的模块正装手工点胶工艺

工序

工序名称

所需时间/s

人力数/

1

3只电极

5

1

2

自动点胶

5

/

3

6只芯片

12

1

4

自动点胶

5

/

4

2只电极

10

1

5

自动点胶

3

/

6

装散热基片

5

4号工位完成

7

自动点胶

5

/

8

装散热底板

5

4号工位完成

总计

55

3

 2 改善的模块倒装自动点胶工艺

工序

工序名称

所需时间/s

人力数/

1

散热底板丝网印刷

5

1

2

散热基片丝网印刷

5

1

3

散热底板与散热基片组装

10

1

4

2只电极

10

1

4

6只芯片涂胶、装配

60

1

5

3只电极

15

1

总计

105

6

从上面表1、表2可以看出,采用倒装夹具(如图6所示),使用自动点胶技术可以大幅度缩短装配时间和减少装配的人数,进而提高生产效率和降低生产成本,同时还能产品的质量稳定性。

使用自动点胶技术时需要注意以下几点:(1针对不同焊接面要编制不同点胶程序。每一层上的机械动作是可以重复阵列的,而不同的层需要重新定义起始的高度;(2)针对不同焊接面注意选择合适的点胶图形,不同的点胶图形得到的焊点效果相差很大。一般长方形焊接面选择平行的竖条状排列,而圆形选择圆形和点状。特别是针对40mm2以下的焊接面有很好的点状涂覆,焊接效果良好(如图7所示);(3)针对不同的焊点选择合适的焊料量。通过控制出胶头的走速和出胶时间可以选择出胶量的大小,避免焊点烧结过程中焊料过多或过少造成元器件的失效。过多会引起短路,过少引起虚焊等。(4)注意夹具设计时,出胶头走位的方便,避免干涉。

采用全自动点胶技术的快速封装工艺,从封装结果可以看出,对小功率模块产品品质和效率控制方面明显优于手工工艺:

(1)最大的优势是其生产耗时大幅减少,生产周期缩短了50%,提高了生产效率。

(2)MDS601628模块涂胶一致性、均匀性较好,既节省耗材,又保证产品品质。

(3)MDS601628模块采用自动点胶工艺后由于焊接层均匀模块的电参数一致性好。

                 

        6焊接倒装夹具                           7 点状涂覆焊后效果

2.3 自动点胶技术运用的优势

   

    全自动点胶技术可以广泛应用于半导体装配、LCD贴片、微电子装配、精密零部件焊接等领域。它具有传统装配无法比拟的优势:(1)可以PLC控制系统编程控制点胶速度、点胶时间、点胶粗细大小,出胶量控制好,稳定可靠,不漏胶;(2)可取代人工,操作性强,可完全实现自动化生产。避免人工操作手法不均、不稳定、不可控制等因素;(3)被涂面涂覆图形多样,可以画点、线、面、弧、圆以及不规则曲线等功能;(4)程序编程易学易懂,不需辅助教程,简单方便;(5)程序具有阵列功能、三轴运动和旋转运算等功能,编制的程序可直接进行传输和下载,资料移动管理及保存便捷;(6)工作效率高,运动精度高。

3  结束语

    随着电力半导体器件的快速发展,电子封装的要求也越来越高,自动点胶技术运用于小功率模块封装工艺中,具有传统工艺无法比拟的优点,极大地提高生产效率和降低生产成本,具有巨大的优势。自动点胶技术的运用将大幅度推动电子封装技术的发展,使功率模块的制造周期大大缩短,必将推动新一代的电力电子器件的产生,起到极为重要的作用。

   参考文献

1)周振宇. SMT在大规模生产中的应用[J]. 电子工艺技术,1997年,第18(4)164.

2)王文波,石星耀. 表面贴装生产工艺过程与分析[J]. 电子工艺技术,2005年,第26(4)223.

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