半导体封装框架的外部结构设计

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了半导体封装框架的外部及封装体设计规范。  

概述

封装框架的外部结构设计，核心包含联筋（Dambar）与假脚（False leads）两大关键部分，以下将针对各设计要素及技术要求展开详细说明。

联筋（Dambar）设计规范

联筋的结构形式可参考图1所示。在封装工艺中，联筋承担着双重核心作用：一是在塑封工序中有效阻隔塑封料的无序流动，二是在切筋工艺实施前维持外引脚的结构形态稳定性。从设计参数来看，联筋的最小宽度通常需设定为框架厚度的1.2倍，若联筋尺寸过薄，极易引发塑封料溢出现象，影响封装质量。此外，封装体边缘至联筋区域的最小间距需控制在0.127mm，该参数的确定主要基于切筋工序中冲压模具的实际加工能力限制。

假脚（False leads）设计规范

假脚的典型设计方案如图2所示。其设计初衷是为引脚提供更可靠的支撑，尤其在需要精确定位引脚的场景中，能在切筋成型工序（特别是成型阶段）发挥关键作用——当最后一个功能引脚完成分离成型时，可有效维持封装体的结构稳定性。值得注意的是，若采用一体成型切割工艺，假脚通常不具备实际功能，反而会增加框架材料消耗及制造成本，因此假脚属于可选设计要素，而非强制要求。

外框架其他设计要求

针对多排框架这类特殊结构，主联筋的宽度设计需重点考量划片工序所用金刚刀的厚度参数，通常应使联筋宽度小于金刚刀厚度。这是因为部分封装体采用金刚刀片切割而非模具冲压的分离方式，因此在设计中预留专用切割道，并设置便于图像识别的花纹或标记，对后续刀片分离工序中设备的编程校准至关重要，具体结构可参考图3。

封装体设计规范

封装体的核心构成材料为金属与塑封料，二者的体积配比是设计关键。理想状态下，金属材料的体积占比应不超过封装体总体积的50%。若金属含量超出该阈值，必须深入分析材料间的应力分布特性，以及在恒定温度与交变温度环境下的可靠性表现。这是因为多数半导体器件在PCB板安装过程中，需承受200~300℃的高温回流焊，而不同材料的热膨胀系数存在差异，易在结合部位产生应力集中，导致封装体出现分层、裂纹、爆米花等缺陷，严重时会丧失对芯片的保护功能（关于封装质量问题的详细分析可以参考之前的文章）。

因此，为保障封装体设计的可靠性与稳定性，当出现金属含量占比超标（超过50%）、采用未经验证的封装结构、使用新型塑封料配方或框架基板材料变更等情况时，设计者需重点掌握以下内容：

对于无参考依据的全新封装体设计，必须通过有限元建模、模流仿真及力学仿真（重点针对切筋成型工艺），全面掌握结构力学特性，并将分析结果纳入设计DFMEA文件。

需系统掌握芯片、内互联导线、装片材料、框架及塑封料的冯·米塞斯应力（Von Mises Stress）分布情况，确保封装体设计参数不超过材料的极限应力阈值。

完成框架设计相关的受力分析，尤其是切筋成型工艺中的受力状态研究，将分析结果及改进措施同步纳入设计DFMEA文件。

（一）封装体倾斜角设计

封装体的倾斜角（Draft Angle）设计与脱模工艺直接相关，其最小设计值可参考图4，具体规范如下：

全包封塑封体若采用型腔弹出针（cavity ejector pin）辅助脱模，倾斜角一般设计为5°；

全包封塑封体未使用型腔弹出针时，倾斜角通常控制在7°~10°；

半包封塑封体未使用型腔弹出针时，倾斜角标准值为7°。

（二）封装体倒角半径设计

封装体倒角半径的设计需结合封装形式及模具加工工艺：全包封结构的典型倒角半径为0.05~0.127mm；采用电火花加工或精磨工艺制造的模具，其对应封装体的倒角半径应控制在0.13~0.17mm。

（三）外引脚抬起高度（Stand-off）设计

外引脚抬起高度需符合JEDEC与EIAJ标准要求（结构示意如图5）。对于无标准参考的全新封装体，不同类型的高度参数规范如下：薄型封装（Low Profile）为0.0127~0.10mm；高型封装（High Profile）为0.127~0.254mm；多排封装类型则为0.00~0.05mm。

（四）引脚肩部长度（Lead Shoulder Length）设计

引脚肩部长度的设计参数需结合成型工艺及封装类型确定（如图6所示），具体要求如下：

成型过程中使用垫块时，其典型值取（框架厚度+引脚电镀层厚度）的1/2；

无垫块直接成型时，封装体本体成型误差通常在0~0.025mm。需明确的是，引脚肩部长度指封装体边缘至引脚弯曲圆弧中心的距离，该平坦区域处于首次与二次弯曲的中间位置，可通过相机视觉系统清晰识别；

多排封装结构中，引脚肩部长度定义为封装体边缘至引脚边缘的距离，一般取值0.075~0.125mm；

引脚弯曲半径（BR）的最小值为（框架厚度+引脚电镀层最大厚度）平方根的1/2，即BR=1/2×√（框架厚度+引脚电镀层最大厚度）。

（五）引脚接触长度与角度设计

引脚接触长度（Foot Landing）的标准设计值为0.10mm，具体结构如图7所示。引脚角度（Lead Angle）的设计规范为：相对垂直方向的角度范围为0°~10°，引脚端部相对水平方向的角度范围为0°~5°，详细示意如图8。