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              關于QFP密腳間距及集成電路引線成形的工藝研究

              時間:2021-11-15| 作者:admin

              20世紀90年代以來,隨著電子技術的不斷進步,半導體封裝技術得到了很大的發展,尤其是高可靠性產品高性能化和小型化的要求更加促進了高密度、高集成化IC芯片封裝技術的發展,使得大規模集成電路在電子學系統中得到了廣泛的應用[1],從目前的形式來看,雖然集成電路(IC)封裝工業似乎正把注意力集中于無引腳封裝的發展(諸如BGA與QFN等),但是引腳產品,特別是方形表面貼裝封裝器件仍然在IC市場上扮演重要的角色,更應值得一提的是集成電路引腳的切筋打彎工作原本應是集成電路封裝的后道工序,但事實上越來越多的未經過引線成形的集成電路進入到用戶手中。其主要原因分析有以下幾點:首先,高端器件大多配有適配器,設計者可根據實際需求在不進行焊接的前提下進行程序燒錄和模擬仿真等試驗;其次,該類芯片的出現給設計者在PCB設計過程中留有較大的選擇空間。這就存在一個問題,就是在進行焊接前需對被焊接的器件進行引線成形(如圖1所示),而引線成形工藝對產品的可靠性起著至關重要的作用,本文主要論述了QFP等封裝形式集成電路的引線成形工藝,并通過設計相應的工裝和模具完成器件引線的手工成形,同時簡要介紹了目前國內外集成電路引線成形設備及其相關的技術要求。
              1:集成電路引線成形前后對比圖示
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              集成電路引線成形工藝技術要求

              引線成形的主要目的是一方面保證器件引線能夠焊接到PCB相對應的焊盤上;另一方面主要解決應力釋放問題,PCB組件焊接完成并調試通過后,將進行振動和高低溫沖擊等環境應力試驗,在這種環境應力條件下,將對器件本體和PCB焊點強度形成一定的考驗,通過對集成電路引線成形,將對環境應力試驗過程中形成的一部分應力加以消除,消除應力主要體現在成形元器件引線根部和焊接點之間的所有引線或導線上,以保證兩個制約點間的引線或導線具有自由伸縮的余地,防止由于機械振動或溫度變化對元器件和焊點產生有害的應力,對提高產品可靠性起到關鍵的作用,因此集成電路引線成形越來越受到產品生產部門的重視。

              除特殊情況外,集成電路引線有如圖2所示三種出線方式,分別為頂部出線方式、中部出線方式及底部出線方式[2],但無論哪種出線方式,其成形機理不會有太大的差別,只是在工藝控制上有所不同。根據實際使用經驗及按照標準的有關要求,集成電路引線成形有如下幾個關鍵技術參數:
              2:集成電路引線幾種出線路方式

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              (a)肩寬(A ):即引線根部到第一個彎曲點的距離,如圖2所示,成形過程中器件兩邊肩寬應基本保持一致,引線不得在器件本體根部彎曲,器件本體到引線彎曲點間平直部分距離A,其最小尺寸為2倍引線直徑或0.5mm,在這種條件下,還應綜合考慮相對應PCB焊盤的尺寸,進而根據實際需求進行適當調整。

              (b)焊接面長度(B):即引線切割點到第二個引線彎曲點的距離,如圖2所示,為了保證焊接的可靠性,對于圓形引線而言,應保證引線搭接在焊盤上的長度最小為3.5倍的引線直徑,最大為5.5倍的引線直徑,但不應小于1.25 mm;對于扁平引線而言,應保證引線搭接在焊盤上的長度最小為3倍引線寬度,最大為5倍引線寬度,引線切腳后的端面離焊盤邊緣至少為0.25 mm,扁平引線寬度小于0.5 mm時,其搭接長度不小于1.25 mm;

              (c)站高(D ):即成形后元器件本體與安裝面間的距離,如圖2所示。其間距最小為0.5 mm,最大距離為1 mm。在元器件引線成形過程中,提供一定尺寸的站高是非常必要的,其主要原因也是考慮到應力釋放的問題,避免元器件本體與PCB表面間形成硬接觸后而造成應力無釋放空間,進而損傷器件。另一方面,在三防和灌封過程中,三防漆及灌封膠能夠有效浸入芯片本體底部,固化后將有效提高芯片對PCB的附著強度,增強抗振效果。

              (d)引線彎曲半徑(R):如圖2所示,為了保證集成電路引線成形后,其引線焊接面具有良好的共面度 (不大于0.1 mm),由于成形過程中,器件引線存在反彈,不同材料和不同引線厚度(直徑)的反彈系數存在一定的差別,因此引線成形過程中應控制好引線彎曲半徑,確保成形后引線焊接面共面度良好,翹曲不超過0.25 mm,IPC610D中規定了當引線厚度小于0.8 mm時,最小引線彎曲半徑為引線厚度的1倍;當引線厚度(或直徑)大于0.8 mm時,最小引線彎曲半徑為引線厚度的1.5倍~2.0倍。實際成形過程中一方面借鑒上述經驗值,另一方面通過理論計算進行確定,需確定的主要參數為成形模具的圓角半徑和引線的內側圓角半徑,其計算方法如下:



              其中:

              R— 引線彎曲內側圓角半徑

              r —成形模具圓角半徑

              σs—材料屈服極限,MPa

              E—材料彈性模數

              t—引線厚度(或引線直徑),mm

              (e)引線成形的共面性:共面性是最低落腳平面與最高引腳之間的垂直距離如圖3所示。共面性是集成電路引線成形的一個重要參數之一,如果器件的共面性不好,超過規定的允許范圍,將造成器件本體受力不均,影響產品整機可靠性,JEDEC規定了器件引線成形共面性為0.101 6 mm。引起共面性不良的主要因素有以下幾個方面:首先是成形模具的檔條設計不合理,共面性較差,需要在設計上進行適當調整;另一方面也與操作人員的操作穩定性以及在周轉過程中引起器件引線翹曲都有很大關系。成型后的集成電路引線共面性的評估通常情況下通過外觀進行定性判定,其方法是將成形后的集成電路放到平面度良好的平面上,用10倍放大鏡側面觀察各引腳在平面上的位置情況,有條件的單位可購置輪廓儀或光學引腳掃描儀進行定量測量。
              3:集成電路引線共面性定義

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              (f)引腳歪斜:引腳歪斜是指相對于封裝的中心線測量,其成形的引腳從其理論位置的偏移。通常情況下可通過外觀進行定性判斷,其主要方法是將成形后的集成電路放置于待焊接的PCB焊盤上,觀察引腳與PCB焊盤的相對位置,應保證最大側面偏移不得超過引線寬度的25%,如圖4所示。
              4:集成電路引線最大側面偏移

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              這是最低要求,另一方面可通過輪廓投射儀和光學引腳掃描系統進行精確測量,其引腳歪斜應小于0.038 mm。引腳歪斜的原因可能與許多因素有關,包括成形、引腳切割、成形和引腳結構本身。引腳歪斜的不同類型及其原因見表1。



              成形方法

              隨著未經引線成形的芯片不斷在產品中的應用,其引線成形已經越來越得到重視,部分芯片由于其價格昂貴,成形難度較大,已經成為多數軍工生產部門的瓶頸,部分單位已經著手研究或購置相關的模具和設備來解決燃眉之急。從成形方式上分,集成電路引線成形主要分為手工成形和設備成形兩種,各種成形方法無外乎基本的固體成形機制和復雜的滾輪成形系統兩種。后者已經發展到接納不同的封裝類型和工藝要求。手工成形主要是根據芯片外形尺寸和PCB焊盤的尺寸等相關信息制作相關的模具,通過手工的方法完成芯片的引線成形,其優點是成形的靈活性較大、成形周期短,能夠解決多品種小批量的引線成形問題,其缺點是成形的一致性差,工作效率低,工藝上不易控制。設備成形,顧名思義就是通過專用設備完成集成電路引線成形的一種方式,其主要優點是成形一致性好,成形尺寸控制精準,易于實現單品種的批量成形,其缺點是設備價格昂貴。

              2.1 集成電路手工成形原理

              集成電路引腳成形后有多種形狀,其中π形引腳是目前表面貼裝集成電路引腳成形最為流行的形式,它適用于QFP和SOP類集成電路產品,符合集成電路片狀化和微型化發展需求[3],下面介紹的π形引腳模具是通過剛性折彎工藝過程來完成引線成形,成形的基本原理如圖5所示。成形模具由三部分組成,分別包括成形壓緊機構、上模具、下模具、成形斜劈以及模具固定等組件。成形前將下模具固定到成形壓緊機構平臺上,將集成電路安裝到下模具的凹槽內,按圖5所示將上模具合到下模具指定位置,調節頂緊機構調節旋鈕使頂緊機構的壓緊模塊壓住上模具,其主要目的是保證成形過程中引線根部不受力,并形成一定的肩寬(肩寬按照技術要求進行設定)。上模固定完成后,用成形斜劈對引線進行成形,成形過程如圖6所示。

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              5:手工成形模具示意圖
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              6:成形模具示意圖
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              需要說明的是:過程(a)是通過成形斜劈將引線形成過程(b)的形狀,即引線彎曲后形成斜向下并與第二個下模具彎角相接觸的形狀;過程(b)主要是完成引線第二個彎角的成形,成形的關鍵是成形斜劈著力位置,其著力點到引線第一個彎曲點的距離為1倍的站高,成形斜劈按斜向下45°角的方向進行成形。QFP封裝集成電路引線出線方式為四邊出線,因一次成形只能完成一側方向,因此單邊成形完成后,按照相同工藝對集成電路的另一側引線進行成形,然后旋轉壓緊機構,將集成電路旋轉90°,用同樣的工藝手段完成其余引線的成形。

              成形的最后一道工序是對成形后的引線按照設計要求和工藝要求進行切腳,切腳的主要工具是剪刀或斜口鉗,在保證足夠的焊接面長度的前提下,應避免切割過程中出現表1所示的問題,若出現上述問題,可用適當尺寸的針頭或手術刀在10倍~20倍放大鏡下進行調整,直至滿足要求為止。

              2.2 手工成形模具設計

              以48腳CQFP芯片為例,介紹一種手工成形的模具設計過程,芯片為底部出線方式,其引腳厚度為:0.13 mm;引線間距為:0.508 mm;長寬尺寸為:8.00 mm×8.00 mm;芯片厚度:1.66 mm,如圖7所示。底部出線形式的芯片成形的主要技術難點是常規條件下芯片無法在下模具位置進行定位,成形過程中容易使芯片移位,影響成形效果和質量,實際設計過程中,在上下模具適當位置設置定位銷,保證芯片放入后,其相對位置保持固定,如圖8所示。
              7:芯片外形尺寸

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              8:定位銷確定及安裝方式
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              (a)成形尺寸要求:按照本文2中的工藝技術要求以及有關規定,同時結合PCB焊盤的實際尺寸,確定器件成形的關鍵技術參數,如圖9和表2所示。
              CQFP48引線成形尺寸標注示意圖

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              CQFP48芯片引線成形技術指標及要求

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              (b)模具設計:包括上模、下模以及成形斜劈,如圖10所示。模具使用的材料為2A12,制作過程中應保證其表面粗糙度小于0.8μm。下模具二個引線彎曲處應進行倒角處理,其半徑為0.20 mm??紤]引線成形后存在反彈引起焊接面趾端翹曲,圖9中β斜度角設置為3°~7°,跖端反彈角θ設置為0°~8°。
                      上下成形模具尺寸要求

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              2.3 設備成形

              隨著國內集成電路引線成形需求的不斷增多,各科研院所等單位在工藝上不斷尋求和探索相關的解決辦法,其絕大多數都是自制工裝和模具,加之操作者多年的實踐經驗,能夠在短期內解決集成電路引線成形的實際需求,成形后的器件在高可靠性產品中承受住了各種環境應力的試驗條件,能夠滿足產品可靠性要求。但從成形工藝的角度看,設備成形因其成形一致性好、控制精度高和成形效率高等諸多優點成為目前密腳間距集成電路引線成形的發展趨勢。從調研情況來看,除國內集成電路專業生產廠家具備引線成形能力外(集成電路封裝工序之一),還沒有發現任何單位能夠生產該類的成形設備(即使有,也沒有形成產業化),其主要精力放在了軸向和徑向分立器件的成形上。相比之下,國外在單機引線成形方面起步較早,在工藝技術上較為成熟,該類設備近年來已經進入中國市場,比較典型的是美國Fancort公司和Manix公司生產的成形設備,該類設備主要分為固定式成形和可調式兩種,固定式成形設備主要根據器件的外形尺寸和成形工藝要求更換相關的模具組件,成形一次完成,一套模具只能完成相同尺寸和工藝參數要求器件的引線成形;可調式成形設備由于其肩寬、站高和切腳長度可調,故而應用范圍較廣,是目前用戶首選的成形設備。




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