TO-220FS封裝產(chǎn)品的研發(fā)和制造

張華洪，鄢勝虎

（汕頭華汕電子器件有限公司，廣東 汕頭 515300）

1 引言

隨著電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，整機(jī)產(chǎn)品越來越趨向于多功能、小型化，故其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也越來越密集，對(duì)整機(jī)的安全性能、相互抗干擾能力等提出了越來越高的標(biāo)準(zhǔn)，因而整機(jī)對(duì)器件，尤其是功率器件的要求也就越來越苛刻。

傳統(tǒng)的半包封大功率分立器件如TO-220、TO-3P等，雖然有功率大、散熱快的特點(diǎn)，但封裝工藝相對(duì)簡單，同時(shí)存在安全性能相對(duì)較差、抗干擾能力低等問題，越來越難以達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求，功率器件產(chǎn)品的發(fā)展方向是全包封形式，據(jù)國外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，全包封形式的功率器件在計(jì)算機(jī)及其外設(shè)、通信網(wǎng)絡(luò)、電子專用設(shè)備、儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用將逐步取代傳統(tǒng)的半包封產(chǎn)品，市場規(guī)模將會(huì)大幅提升。

本文介紹一種全新的全包封產(chǎn)品TO-220FS，外形圖見圖1。雖然其外形類似于傳統(tǒng)的TO-220F封裝，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻大不同，首先它采用了全新的Single guage（單厚度）引線框架，而TO-220F則使用Dual guage（異形材）引線框架，具有明顯的成本優(yōu)勢；其次是塑封后引線框架背面距離僅0.34mm，而TO-220F為0.43mm，散熱效果更好；最后是絕緣性能更優(yōu)良，TO-220FS引線框架采用頂部連筋設(shè)計(jì)，從而完全避免了TO-220F塑封后管體正面頂針孔露銅問題，由于頂部連筋連接載芯板，解決了長期以來TO-220F因載芯板左右傾斜而造成包封絕緣不良問題。以下介紹該封裝產(chǎn)品開發(fā)過程中重要技術(shù)難點(diǎn)及解決方法。

圖1 全包封產(chǎn)品TO-220FS外形圖

2 開發(fā)的內(nèi)容

2.1 確定生產(chǎn)工藝流程

TO-220FS的制造流程與普通功率器件的工藝流程大致相同，主要在去溢料后增加一道去澆口工序，TO-220FS的主要工藝流程為：材料進(jìn)廠檢驗(yàn)→劃片→上芯→焊線→QC檢驗(yàn)→塑封→后固化→去溢料→去澆口→電鍍→剪切→DC&絕緣測試→打印→外觀檢驗(yàn)→包裝→QA檢驗(yàn)→入庫。

2.2 解決的技術(shù)問題

TO-220FS的技術(shù)難點(diǎn)是塑封的絕緣性能，根據(jù)應(yīng)用和其他方面的需要，TO-220FS全包封產(chǎn)品應(yīng)滿足以下的絕緣測試條件：

（1）產(chǎn)品電壓:≥3 500V；

（2）測試時(shí)間：0.4s；

（3）測試漏電流：≤20μA。

相對(duì)于普通TO-220F產(chǎn)品ISOLATION測試漏電流要求≤0.5mA的標(biāo)準(zhǔn)，TO-220FS對(duì)測試漏電流的要求更加嚴(yán)格。因此在制造過程中需要重點(diǎn)解決的工藝技術(shù)難點(diǎn)有：

（1）塑封針孔問題；

（2）去料道問題；

（3）電鍍鍍層結(jié)合問題；

（4）剪切拉筋問題；

（5）絕緣測試問題。

2.2.1 解決塑封針孔問題

TO-220FS產(chǎn)品采用Single guage（單厚度）設(shè)計(jì)，塑封體背面的塑料層厚度僅0.34mm，在生產(chǎn)過程中很容易因模具中殘留的少量空氣造成輕微的針孔，如圖2所示，在絕緣測試中就很容易被高壓所擊穿，造成絕緣失效。

圖2 針孔

解決辦法為：對(duì)于塑封中產(chǎn)生的針孔缺陷，通常可通過調(diào)整模壓溫度、注塑速度等工藝條件得到改善，但由于該封裝模具結(jié)構(gòu)存在一些特殊性，多次試驗(yàn)結(jié)果均未能取得明顯效果，每模樣品都存在約20%的無規(guī)律的針孔分布，現(xiàn)有的工藝條件調(diào)整遇到困難。通過廣泛論證，我們首次提出了增加抽真空工藝以減少模具中氣泡影響的方法。經(jīng)試驗(yàn)，取得了良好效果，針孔問題得到徹底解決。

表1 試驗(yàn)后的工藝條件

2.2.2 解決去料道問題

由于TO-220FS封裝在塑封工序時(shí)的進(jìn)料口位于產(chǎn)品頂部（參見圖2），塑封后料道與框架結(jié)合較牢固，而框架材料較薄，結(jié)構(gòu)脆弱，采用通常的手工卸料方法會(huì)產(chǎn)生框架變形，嚴(yán)重影響后續(xù)剪切等工序。因此，需要采用機(jī)械方法去除料道。

解決方法：

設(shè)計(jì)專用去料道模具，對(duì)塑封后的料道進(jìn)行沖壓，使其與框架分離。該專用模具經(jīng)試驗(yàn)完全可滿足下道工序的要求。

2.2.3 解決電鍍鍍層結(jié)合力不良問題

由于TO-220FS產(chǎn)品的底材框架是表面鍍鎳的銅質(zhì)材料，沖壓截面為銅質(zhì)材料，在電鍍生產(chǎn)作業(yè)過程中，在活化槽被化學(xué)藥液腐蝕下來的Cu2+很容易還原沉積在鎳層表面上，形成一層以化學(xué)鍵形式存在的金屬銅還原層，導(dǎo)致在后續(xù)電鍍的錫鍍層與底材的結(jié)合差而造成鍍層脫落的不良現(xiàn)象。因此，必須控制活化液中Cu2+的含量，避免Cu2+還原反應(yīng)的發(fā)生。

解決方法：

對(duì)鍍鎳框架活化液中不同Cu2+的含量進(jìn)行摸索實(shí)驗(yàn)，解決了存在的問題，為避免鍍層結(jié)合力不良產(chǎn)生，對(duì)活化液作如下規(guī)定：

（1）定期分析活化液中Cu2+含量，并控制在2g/L的范圍內(nèi)；（2）活化槽務(wù)必跟裸銅框架分開使用；（3）提高活化槽作業(yè)溫度至較高溫度。

2.2.4 解決剪切拉筋問題

TO-220FS產(chǎn)品的框架結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有其他封裝產(chǎn)品，在剪切時(shí)須首先將塑封體頂部連筋部分（參見圖2）拉掉，才能滿足絕緣結(jié)構(gòu)的要求。但是如果按照常規(guī)的一體剪切方式，在切除塑封體上部多余的框架過程中，很容易造成樹脂體的破損，從而造成絕緣性失效。

解決方法：

設(shè)計(jì)專用剪切模具，將剪切過程進(jìn)行分解，逐步將框架的中筋、底筋和頂筋的各個(gè)連接部分依次切斷。同時(shí)，為避免剪切過程產(chǎn)生卡管，加強(qiáng)了對(duì)塑封溢料和框架變形的控制。

2.2.5 解決絕緣測試問題

TO-220FS產(chǎn)品的外形與TO-220F存在差異，絕緣測試標(biāo)準(zhǔn)比TO-220F嚴(yán)格，TO-220F一般情況下只需檢測塑封體背面是否存在針孔，而TO-220FS還需要增加正面、側(cè)面的測試要求。

解決方法：

根據(jù)TO-220FS產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)專用的絕緣測試裝置，配合測試機(jī)械手運(yùn)行軌道，確定如圖3所示的絕緣測試方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以滿足該產(chǎn)品的絕緣測試要求。

圖3 絕緣測試方法

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)TO-220FS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，確定了產(chǎn)品工藝條件；對(duì)封裝設(shè)備進(jìn)行機(jī)械改造，以適應(yīng)TO-220FS生產(chǎn)；對(duì)關(guān)鍵過程進(jìn)行工藝改善，解決了TO-220FS產(chǎn)品塑封針孔、去料道、結(jié)合力不良、絕緣測試等問題。以上工藝技術(shù)適應(yīng)于大批量TO-220FS產(chǎn)品制造，裝配后產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，得到了客戶的好評(píng)。