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自動點膠技術在功率模塊快速封裝中的應用
發布時間:2015-5-21  瀏覽次數:5112

項羅毅

(常州瑞華電力電子器件有限公司,江蘇 常州213200

  要:本世紀初,伴隨著步進電機應用于數字控制系統中,自動點膠技術也得到了快速發展,由于具有響應時間短、控制精度高、維護簡單等優點,因此能夠應用到了功率模塊快速封裝工藝中。本文重點介紹了自動點膠技術的原理及其在小功率模塊封裝上應用的工藝過程,并通過試驗對比論證其工藝優勢。

關鍵詞:功率模塊;封裝;自動點膠技術

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

作者簡介:項羅毅(1986),男,江蘇常州,本科,機械加工。

中圖分類號:TH138.52           文獻標識碼:A       文章編號:

隨著電力半導體模塊在焊機、變頻器、無功補償、軟起動、電源、新能源等工業制造各個領域中的廣泛應用,工業設備對其需求量越來越大。在國民經濟發展中,功率模塊作為工業裝備的一個非常重要組成部分,有著不可忽視的重要地位。

近年來在勵磁電機、電鍍電源、充電樁、直流牽引以及變頻器等諸多方面,對于功率模塊都有著更多、更高的要求。現用于小功率設備(30kW以下),如逆變焊機、變頻器、光伏逆變器等上的功率器件(一般為100A以下)市場需求量很大,我司此類產品銷售量一年大約在40萬只左右,傳統的封裝工藝很難滿足生產的需求。傳統的封裝工藝存在生產周期長、產品一致性差、產品穩定性差等問題。目前自動點膠技術在中、小功率模塊制造中的運用,對于降低生產成本和提高企業的生產效率具有重要意義。本課題在人工點膠機的基礎上,應用自動點膠技術,通過控制工藝過程滿足了小功率模塊快速封裝的要求。既能滿足企業點膠要求,能夠極大地提高了功率器件的產量和質量,具有深遠的影響。

1 功率模塊涂膠工藝的發展

功率模塊(如圖1所示)的封裝工藝是將芯片封裝起來,避免芯片與外界接觸,以防止外界對內部芯片的損害的一種工藝技術。大氣中的不良物質和水汽,乃至灰塵都會影響芯片上的電路,造成其電氣性能的下降。而涂膠工藝是功率模塊封裝工藝中非常關鍵的一環。這里先簡單介紹模塊的封裝工藝流程,以便清楚了解涂膠工藝所起的作用。


1 我司主要的功率模塊

1.1 模塊封裝工藝基本流程

    一般功率模塊的封裝要經過焊接、老化、灌膠、測試等工序,具有周期長、工藝復雜等特點,其具體工藝流程方框圖如圖2所示。其中焊接前的裝配頗為復雜,需要對散熱銅底板、電極、芯片、散熱基片分別進行涂膠處理表面,然后裝配在一起,放入焊接爐進行焊接。此工序耗時長、效率低、質量差,涂膠技術是其中最為關鍵的一步,直接關系整個模塊生產周期的變化。

                                                                    圖2  功率模塊封裝工藝流程

1.2 模塊涂膠技術的發展

        隨著電力電子技術的飛速發展及其向各行業的迅速滲透,涂膠技術也在近三十年內獲得了無比巨大的發展,并已經取得了很大的進步。從早期的預上錫工藝到現在日益成熟的手工點膠工藝的,電子封裝工藝發生了翻天覆地的變化。

    預上錫工藝效率低下、焊接一致性差,同時不利于模塊裝配。絲網印刷工藝雖然效率有所提高能夠即時生產,但是對于模塊這種裝配部件較多,焊接面多,絲網印刷依舊是復雜的工藝,需要在流水線附近增加輔助線進行涂膠處理。手工點膠工藝其優點是能夠縮短絲網印刷的時間。但是工人的工作強度高,需要手腳并用操作,且效率的提高不明顯。
2 自動點膠技術在功率模塊上的應用

2.1 自動點膠技術的原理

    自動點膠機是一種專為滿足涂覆各種物件表面要求而研制的自動涂膠設備,適用于各種點、直線、圓弧以及任意不規則圖形的點膠,涂膠,通過編制運動參數的控制程序,程序下載方便、操作簡單。自動點膠機的工作精度和工作效率完全取決于本身的運動控制系統,控制系統通過向執行單元發送指令信號,接受器接收回饋的信息,依據預設編制好的程序,機械傳動機構根據程序做出相應準確的動作。其中步進電機和PLC控制系統是點膠機的心臟。
     自動點膠系統的工作原理是通過將壓縮空氣送入注射器或膠瓶中,將膠壓進與活塞室相連的進給管中,利用氣體壓力進行點膠作業。當活塞向下運動時,膠受到壓力便會從滴膠針嘴壓出;當活塞處于上沖程時,活塞室中就會填滿膠體。滴出的膠量由活塞下沖的距離決定,可以通過編程進行控制。

2.2 MDS601628模塊上的應用實例

隨著電力電子變流節能技術被廣泛應用于各行各業,市場對功率模塊的需求迅猛發展,高效、高質量的功率模塊制造技術顯得尤為迫切,特別是小功率模塊。小功率模塊需求量大,硅晶圓的尺寸較小,安裝困難且涂膠難度大,對現有的安裝工藝和涂膠工藝等封裝工藝提出了適應其工藝需求的快捷、一致性好的特殊要求,這樣用于諸如MDS601628小功率模塊的快速封裝的自動點膠平臺也就應運而生。而且隨著電子行業的蓬勃發展, 自動點膠系統也隨之發展(見圖3)
                          

3 MDS601628自動點膠平臺

MDS601628模塊自動點膠平臺(如4主要由四大部分構成:執行機構、驅動機構、控制系統和工裝夾具。執行機構由機械手、軀干兩部分構成。一般選用交流、直流伺服電動機和步進電動機等執行機構配合機械手,機械手在作業過程中均是沿XYZ軸呈直線運動。軀干是自動點膠系統的主體部分,包括安裝手臂、電源、各種執行機構的電極等。驅動機構主要有四種:液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動以及機械驅動。其中氣動驅動具有用膠量少、氣源方便、保養簡單方便等優勢。控制系統主要配備了運動控制卡、脫機轉換板、手持式示教盒等。其優點就在于文件易于下載,方便資料管理便捷。工裝夾具是MDS601628模塊自動點膠平臺重要組成部分,關系到整個自動點膠工藝的優劣。MDS601628模塊采用倒裝夾具,操作簡單、快捷。

4 模塊自動點膠平臺

2.2.1工藝過程控制

MDS601628模塊采用自動點膠技術和倒裝夾具改進后的快速封裝工藝能夠生產周期大大縮短。其工藝過程主要包括兩部分:可視化編程和零部件裝配。

可視化編程需要根據MDS601628模塊的零部件類型和尺寸定義,具體過程如下:(1

1號電極為單點涂膠,注意氣壓和出膠時間,控制好膠量,同時注意針頭高度;(2)點6只芯片同樣為單點涂膠,注意氣壓和出膠時間,控制好膠量,同時注意針頭高度;(3)點23號電極為線條涂膠,注意針頭走速和氣壓(如5

             

5   1號電極涂膠                芯片涂膠               23號電極點膠

零部件裝配需要根據MDS601628模塊的工裝夾具,具體過程如下:(1)在夾具中依次放入31號電極,且把1號電極按平整,放置到自動點膠平臺上;(2)在1號電極兩邊點上焊膏,點焊膏的針頭選擇為小針頭,自動點膠平臺設置為自動檔,設置好氣壓,選擇好時間控制好焊膏量;(3)在1號電極上面放入6只芯片,注意芯片裝配的正反方向;(4)在芯片的中央均勻點上焊膏,自動點膠平臺設置同上;(5)把MDS601628模塊23號電極依次放入夾具,注意電極不能放反且電極一定要按到位,直至平整為止;(6)把23號電極上面依次點上適量焊膏,注意此時點膠機開手動調節,注意電極尾部一定要點上適量焊膏;(7)把涂好的陶瓷基板依次反向放入工裝夾具,注意陶瓷基板一定要涂均勻,陶瓷基板反面不能涂在四周圍,要涂在中央位置;(8)把散熱底板依次放入夾具,注意底板一定要按到位,不能斜在里面(如6
                

6 1號電極裝配   芯片裝配     23號電極裝配   陶瓷基板裝配      散熱底板裝配

2.2.2封裝結果與分析

功率模塊在焊接前的裝配中應用自動點膠機技術結合倒裝夾具可使封裝工藝變得簡單、快速,同時還能保證產品質量的一致性。特別是針對小功率模塊(100A以下)的封裝尤為有利,因為芯片的焊接面積小,點膠圖形簡單,只需要控制出膠量就能達到很好的效果。我們來看一下自動點膠技術應用后的優勢。

以裝配6只芯片的模塊為例,傳統的裝配順序如表1所示。而采用倒裝工藝和自動點膠技術結合,使用倒裝夾具,改善后模塊的裝配順序如表2所示。
       表1 傳統的模塊正裝手工點膠工藝

工序

工序名稱

所需時間/s

人力數/

1

3只電極

5

1

2

自動點膠

5

/

3

6只芯片

12

1

4

自動點膠

5

/

4

2只電極

10

1

5

自動點膠

3

/

6

裝散熱基片

5

4號工位完成

7

自動點膠

5

/

8

裝散熱底板

5

4號工位完成

總計

55

3

 2 改善的模塊倒裝自動點膠工藝

工序

工序名稱

所需時間/s

人力數/

1

散熱底板絲網印刷

5

1

2

散熱基片絲網印刷

5

1

3

散熱底板與散熱基片組裝

10

1

4

2只電極

10

1

4

6只芯片涂膠、裝配

60

1

5

3只電極

15

1

總計

105

6

從上面表1、表2可以看出,采用倒裝夾具(如圖6所示),使用自動點膠技術可以大幅度縮短裝配時間和減少裝配的人數,進而提高生產效率和降低生產成本,同時還能產品的質量穩定性。

使用自動點膠技術時需要注意以下幾點:(1針對不同焊接面要編制不同點膠程序。每一層上的機械動作是可以重復陣列的,而不同的層需要重新定義起始的高度;(2)針對不同焊接面注意選擇合適的點膠圖形,不同的點膠圖形得到的焊點效果相差很大。一般長方形焊接面選擇平行的豎條狀排列,而圓形選擇圓形和點狀。特別是針對40mm2以下的焊接面有很好的點狀涂覆,焊接效果良好(如圖7所示);(3)針對不同的焊點選擇合適的焊料量。通過控制出膠頭的走速和出膠時間可以選擇出膠量的大小,避免焊點燒結過程中焊料過多或過少造成元器件的失效。過多會引起短路,過少引起虛焊等。(4)注意夾具設計時,出膠頭走位的方便,避免干涉。

采用全自動點膠技術的快速封裝工藝,從封裝結果可以看出,對小功率模塊產品品質和效率控制方面明顯優于手工工藝:

(1)最大的優勢是其生產耗時大幅減少,生產周期縮短了50%,提高了生產效率。

(2)MDS601628模塊涂膠一致性、均勻性較好,既節省耗材,又保證產品品質。

(3)MDS601628模塊采用自動點膠工藝后由于焊接層均勻模塊的電參數一致性好。

                 

        6焊接倒裝夾具                           7 點狀涂覆焊后效果

2.3 自動點膠技術運用的優勢

   

    全自動點膠技術可以廣泛應用于半導體裝配、LCD貼片、微電子裝配、精密零部件焊接等領域。它具有傳統裝配無法比擬的優勢:(1)可以PLC控制系統編程控制點膠速度、點膠時間、點膠粗細大小,出膠量控制好,穩定可靠,不漏膠;(2)可取代人工,操作性強,可完全實現自動化生產。避免人工操作手法不均、不穩定、不可控制等因素;(3)被涂面涂覆圖形多樣,可以畫點、線、面、弧、圓以及不規則曲線等功能;(4)程序編程易學易懂,不需輔助教程,簡單方便;(5)程序具有陣列功能、三軸運動和旋轉運算等功能,編制的程序可直接進行傳輸和下載,資料移動管理及保存便捷;(6)工作效率高,運動精度高。

3  結束語

    隨著電力半導體器件的快速發展,電子封裝的要求也越來越高,自動點膠技術運用于小功率模塊封裝工藝中,具有傳統工藝無法比擬的優點,極大地提高生產效率和降低生產成本,具有巨大的優勢。自動點膠技術的運用將大幅度推動電子封裝技術的發展,使功率模塊的制造周期大大縮短,必將推動新一代的電力電子器件的產生,起到極為重要的作用。

   參考文獻

1)周振宇. SMT在大規模生產中的應用[J]. 電子工藝技術,1997年,第18(4)164.

2)王文波,石星耀. 表面貼裝生產工藝過程與分析[J]. 電子工藝技術,2005年,第26(4)223.

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