摘 要：通过对半导体封装模具模盒内的零件在不同工作环境和不同受力情况的分析，来合理的选用各零部件的材料，以达到模具的结构稳定性和提高模具的使用寿命。
关键词：环氧树脂；耐磨性；脱模性
中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0050-01
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能力，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模是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，为保证合模的精度，每个模盒一般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体错位等缺陷，且模具长期在180度左右的高温和较高的压力下工作，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、玻璃纤维等填料的树脂接触，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。
1.6 运动轴类件需要有一定的耐磨性和抗拉强度
大部分轴类零件主要承受拉力和摩擦力，且受产品外形和模盒大小的限制，部分轴类零件（例如顶杆）的直径尺寸较小，目前常用的顶杆直径从0.5mm到3不等，所以要选用基体韧性强，表面硬度高的材料。
2 化学成分对材料的特性的影响
材料所具有的性能是由其化学成分组成所决定的，一般来讲各种不同的合金元素决定和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%以上的钢材均具有良好的耐蚀性，同时铬的存在与碳作用形成合金碳化物，进一步提高了耐磨性；钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钴（Co）等元素的添加有效地提高了钢材在高温下的搞回火稳定性，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，且采用多段不同温度回火，保证了材料的光亮和表面洁净度，深冷处理需要在氮气保护下进行，避免了水气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时来回运动的零件，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，且两个零件之间一直在做往复的轴类运动，两者之间的间隙中还有树脂粉末随着一起运动，受到的挤压力和摩擦力非常大，不管是与树脂接触的断面，还是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的顶出脱模作用，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，列如SKH51，该类材料基体韧性较强，特别是尾端做部分退火处理，降低肩部硬度，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，该类零件是使模具对模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。
4 结语
半导体封装模具的发展也有很长一段时间，而目前使用绿色环保树脂已经是行业内的标准，树脂的牌号也在不断更新，其流动性、粘度、电性能都在不断的变化，为适应不同牌号的树脂，模具的材料選型也在不断变化，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。
