《电子封装材料与工艺综合实验》指导书.docx
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《电子封装材料与工艺综合实验》指导书
《电子封装材料与工艺综合实验》
指导书
适用专业：
电子封装技术专业
厦门理工学院
材料科学与工程学院信息材料系
一、指导思想
通过本次综合实习，使学生掌握冲压成形工艺、注塑成型工艺等典型成形工艺方法原理及操作使用规范；了解金丝键合和铝丝键合基本原理和工艺，掌握两种引线键合基本操作工艺；能应用课程《电子封装材料与工艺》所学的基本知识分析实验现象，解决实验中出现的问题；能根据要求查阅资料，设计实验方案，正确分析实验结果。
通过实验培养学生分析和解决问题的能力以及创新精神。
培养学生的基本实验、实践能力，为今后继续从事电子封装材料及工艺的相关技术奠定基础。
二、实验内容
（一）冲模安装调试实验
1.实验目的
了解冲裁模在冲压设备上安装、调试的过程和方法。
2.实验设备及用具
（1）160KN可倾式曲柄压力机；
（2）无导向冲模一付（便于掌握冲裁间隙的调整）；
（3）1mm厚Q235钢板条料。
3.实验方法和步骤
（1）由实验指导老师讲解压力机的结构和工作过程，检查设备是否工作正常；
（2）清理冲力机工作台面，将冲模放在工作台上，分开上、下模，并垫上一块垫铁以使凸模不进入凹模；
（3）调节冲床滑块连杆到最短位置，搬动飞轮，使滑块降到下死点（滑块下降时模柄导入滑块平面的模柄孔中）；
（4）调节冲床滑块连杆使滑块下行，直到滑块下平面与冲模上模板的上平面接触，将上模紧固在滑块上；
（5）搬动飞轮分开上、下模，取出垫铁；
（6）搬动飞轮，使滑块降到下死点，调节冲床滑块连杆使滑块缓慢下降并移动下模，使凸模进入凹模1mm左右；
（7）观察上、下模刃口间的间隙是否均匀，若不均匀，则用木锤轻击下模，直到间隙均匀为止，用压板压紧下模；
（8）搬动飞轮，试冲一纸板，观察断面情况，判断间隙是否均匀，若不均匀，则再调整，直到间隙均匀为止；
（9）调整好后，清除模具和工作台上的杂物，开动冲压设备，空冲一次后再试冲钢板；
（10）观察冲裁件断面情况，若周边毛刺不均匀，则再次调整间隙并度冲，直到周边均匀为止。
（11）根据试冲钢板情况调节滑块连杆，使凸模进入凹模深度最小（只要能冲下钢板及可，以延长模具寿命）。
（12）调整完毕后，开动冲压机，进行冲裁。
（13）冲裁和拉深操作示范。
让1~2名学生试操作，强调注意安全操作要点。
（14）实验完毕后，卸下模具，涂油保护，清理现场。
4．实验报告要求
（1）简述冲模安装调试的方法和过程。
（1）准备工作（模具、材料、工具、夹具）
（2）压力机准备（工作干净、设备检查）
（3）将下模座放入压力机工作台大致位置，漏料孔对准，将上模合模
（4）将压板螺丝套入下模座，预紧螺丝
（5）松开滑块，上模柄并压紧模柄
（6）手动飞轮使滑块下移，模柄对准模柄孔。
滑块压紧上模座
（7）锁紧模柄（大型模具用压板螺丝固定模座与滑块底面）
（8）手动飞轮使滑块上下移动，检查导柱导套活动情况，锁紧下模
（9）开机点动，检查导柱导套活动自如并试冲
（10）点动试冲样品3~5件，并检查尺寸精度
（11）开机联动试冲产品
（12）标注、交接
（2）为什么要对冲裁间隙进行调整？
怎样知道冲裁间隙调整好了？
冲裁间隙是指冲裁凹模、凸模在横截面上相应尺寸之间的差值。
该间隙的大小，直接影响着工件切断面的质量、冲裁力的大小及模具的使用寿命。
当冲裁模有合理的冲裁间隙时，凸模与凹模刃口所产生的裂纹在扩展时能够互相重合，这时冲裁件切断面平整、光洁，没有粗糙的裂纹、撕裂、毛刺等缺陷，工件靠近凹模刃口部分，有一条具有小圆角的光亮带，靠近凸模刃口一端略成锥形，表面较粗糙。
当冲裁间隙过小时，板料在凸、凹模刃口处的裂纹则不能重合。
凸模继续压下时，使中间留下的环状搭边再次被剪切，这样，在冲裁件的断面出现二次光亮带，这时断面斜度虽小，但不平整，尺寸精度略差。
间隙过大时，板料在刃口处的裂纹同样也不重合，但与间隙过小时的裂纹方向相反，工件切断面上出现较高的毛刺和较大的锥度。
搬动飞轮，试冲一纸板，观察断面情况，判断间隙是否均匀，若不均匀，则再调整，直到间隙均匀.
（3）冲裁时，凸模进入凹模的深度应为多少？
为什么？
（4）若为有导向装置的冲模，是否也要这样调整间隙？
为什么？
（5）你对本实验还有什么建议要求？
附：
冷冲压试验冲床操作安全规程
（1）实验前检查冲床运动部分（如导轨、轴承等）是否加注了润滑油。
然后启动冲床并检查离合器、制动器是否正常。
（2）先关闭电源，等冲床运动部分停止运转后，方可开始安装并调整模具。
（3）安装调整完毕后，用手搬动飞轮试冲两次，经老师检查后，方可起动冲床。
（4）开动冲床前，其他人离开冲床工作区，拿走工作台上的杂物，方可启动电源。
（5）冲床开动后，由1人进行送料及冲冲操作，其他人不得按动电键或脚踩脚踏开关板，并不能将手放入冲床工作区或用手触动冲床的运动部分。
（6）发现冲床有异常声音和机构失灵，应立即关闭电源开关进行检查。
（7）操作时要思想集中，严禁边谈边做，要互相配合，确保安全操作。
（8）爱护冲压设备、冲模、工具、量具和仪器。
实验完毕后，应将模具和冲床擦试干净，整理就绪。
（二）微型注塑机及双色注塑成型机
1.实验目的
本机床具有PLC及触摸屏自动化机电，并配有语音向导功能，从感性上展示模具运动及产品成型的全过程，使难以理解的知识，通过本机床的演示使学生达到直观的认识和理解，而且学生可上机动手操作。
观看双色注塑成型机演示操作，对比生产用机器与模拟机的异同点。
2.实验条件
（1）上海润品微型注塑机，型号：
RPZNZSJ－8110
（2）PE塑料
（3）博创双色注塑成型机，型号：
微型注塑机结构说明示意图
序号说明：
NO
名称（功能）
NO
名称（功能）
NO
名称（功能）
1
前后伸缩缸
2
开合模调速电机
3
机械手固定支架
4
固定板
5
旋转气缸
6
上下伸缩缸
7
开合模活动板
8
气动手指
9
前模固定板
10
合限感应开关
11
射胶限位开关
12
注塑筒
13
一段温控
14
二段温控
15
三段温控
16
炮筒座
17
料斗
18
溶胶调速电机
19
尾板
20
射胶调速电机
21
射胶回位感应开关
22
调速回位感应开关
23
电源指示灯
24
急停开关
25
启动开关
26
触摸屏
27
温度控制开关
28
电箱
29
水箱
30
调速开关
31
音量调节开关
32
气阀座
33
开限感应开关
3.实验内容及步骤
（1）、检查电箱门、安全门及机床门是否关好，各气路元件是否有破裂或脱落松动现象。
（2）、连接电源及气压（注：
电压220V，气压0.3~0.8Pa，电源线须良好的接地）。
（3）、拧松[急停]开关【24】，启动机床总电源按钮【25】，电源指示灯【23】亮，语音系统将进行提示。
（4）、等待语音系统提示完以后（每次必须等待语音系统提示完之后才可进行下步操作），请在触摸屏【26】显示界面上输入用户名及密码（出厂用户名“1”密码“1111”）点击[INTO]按钮进入主目录。
（5）、目录界面有[公司简介]、[产品介绍]、[动作模式]、[售后服务]及[合作客户]（点击绿色方框才有效）。
①目录1——公司简介]点击进入，语音系统将为您介绍本公司。
右下角的[返回]按钮（红色方框）将为您返回到主目录界面。
②[目录2——产品介绍]点击进入，语音系统将为您介绍本公司的部分模具及机器类型，点击类型，将为您提供本公司的模具动画及机器照片。
③[目录3——动作模式]进入动作模式之后。
触摸屏上行显示[灯
光]、[水泵]、[加温]及[语音]按钮。
下行显示[自动]、[手动]、[机械手]及[机械手开启]按钮。
a、[灯光]按钮，控制工作台面的照明灯，可根据位置的需要，移动灯头。
b、[水泵]按钮，冷却炮筒座【16】，在[加温]按钮开启前，一定要将[水泵]按钮开启（否则接入炮筒座的水管将变形，下次将无法正常使用）。
在关机前应先将[加温]按钮关闭，过几分钟后再关闭[水泵]按钮及电源（以免温度过高料斗口里的料溶化后凝固堵住进料口下次无法进行溶料）。
c、[加温]按钮，控制机器溶胶炮筒温度的开关。
点击[加温]按钮，机器溶胶，注塑筒【12】便开始加温，触摸屏左边的两温控开关【27】便显示数据。
[一段温控]开关控制溶胶炮筒的第一段【13】挤出段和第二段【14】搅拌段的温度，[二段温控]开关控制溶胶炮筒的第三段【15】溶胶段的温度。
根据所采用的熔胶材料来设置加温温度。
（一般情况下一段温度须比二段温度高10℃—20℃，参考，PE料，溶胶段200℃，搅拌段和挤出段190℃，）。
d、[语音]按钮，控制语言系统声音的开关。
在开机时，机器系统将自动为您开启。
e、[自动]按钮，为了实现工厂化，采用自动操作注射成型动作。
点击自动按钮时，将进入自动成型模式，自动成型模式界面上有，[半自动]按钮（从合模、注射成型、开模及顶出产品，进行一次注射成型过程）、[全自动]按钮（从合模、注射成型、开模及顶出产品，进行多次循环注射成型过程）、[停止]按钮（在任何情况下，动作将停止）。
中间是设置保压和射胶时间（根据模具及注射的材料来设置时间）。
f、[手动]按钮，为了达到更好的教学水平，可一步一步采用手动操作注射成型动作。
点击手动按钮，将进入手动操作界面，[溶胶]、[合模]、[射胶前进]、[射胶后退]及[开模]。
右边的是保压和射胶时间的设置（根据模具及注射的材料来设置时间）。
g、[机械手]按钮，点击机械手按钮，将进入机械手参数调整界面。
向左向右，纵向，第一排是动作按钮，第二排是时间设置，第三排[试运行]按钮（初步设置时间后，试运行）、[复位]按钮（在任何情况下，回到初始位置）、[运行确定]按钮（全部数据设置及调试完成，确定可运行）。
完成上述操作后，点击右下角[上一页]按钮，回到动作模式，点击左下角[手动操作]按钮，进入机械手手动操作界面。
产品注射过程完成之后，可采用手动点击机械手分解运动过程。
h、[机械手开启]按钮。
点击[机械手开启]按钮后。
在注射成型过程完成之后，机械手将自动运行取出产品。
④目录4——售后服务]点击进入，语音系统将为您介绍本公司的售后相关服务。
⑤[目录5——合作客户]点击进入，语音系统将为您介绍本公司与各大院校考察及交流情况。
⑥目录界面，右上角按钮为关机提示按钮。
（6）、机器面板左边是语音系统[音量调节]开关【31】，调节音量的大小。
（7）、机器面板中间三个开关【30】是[开合模调速器]、[射胶调速器]及[溶胶调速器]。
上方可旋转开关是[调速快慢开关]，控制速度的快慢，最慢可调至0%，最快可达100%。
下方是[调速快慢电源]开关，控制[调速快慢]开关的电源。
4．思考题
（1）注塑成型有哪些主要工艺参数？
应如何设置调整？
（2）微型注塑机的工艺参数设置与普通的注塑成型有何差异？
（3）双色注塑成型的工艺过程？
双色注塑机结构与普通注塑成型机有和异同点？
（三）微型冷冲、拉伸成型机组
1.实验目的
本机床是一种结合冷冲、拉伸为一体的小型成型机组，不仅操作简单、噪音小、安全性能高，更能从感性上展示出模具运动及产品成型全过程，使难以理解的知识，通过教师的演示和学生操作达到事半功倍的效果。
2.实验条件
（1）上海润品微型冷冲、拉伸一体小型成型机组，型号：
RPWXCYJ-8200
（2）铝合金薄板
结构说明示意图
序号说明
NO
名称（功能）
NO
名称（功能）
NO
名称（功能）
1
拉伸机调速电机
2
拉伸机上支架
3
上行限位光电控制开关
4
拉伸机上模活动板
5
下行限位光电控制开关
6
气动式传动送料结构
7
模具压条
8
拉伸机下支架
9
电源指示灯
10
急停开关
11
电源总启动开关
12
拉伸机控制开关
13
拉伸机调速开关
14
料架
15
飞轮
16
手轮
17
升降丝杆
18
冷冲机动作控制面板
19
超越式离合器
20
滑块
21
材料导向机构
22
机械式传动送料结构
23
红外线保护装置
24
工作台
25
冲压机独立启动开关
26
手动启动器
27
脚踏启动
3.实验内容及步骤
（1）机床动作说明
①接通电源与气压，检查是否接好（电压220V,气压0.3~0.8Pa电源线须良好的接地）。
②接通电、气之后，拧松[急停]按钮【10】。
③启动机床总电源按钮【11】电源指示灯变亮【9】。
（2）拉伸机动作说明
①机床电源启动按钮左侧为拉伸机开模、合模[控制开关]【12】。
②开合模控制开关左侧为拉伸机[开合模调速器]【13】，上方旋转开关为[调速快慢开关]，可控制开合模速度，最慢速度可设置为0%，最快速度可设置100%，下方按钮是[调速器控制开关]，控制[调速快慢开关]的电源。
（3）冲压机作说明
①启动[冲压机独立电源]【25】按钮，（绿色为开起，红色为关闭）[冲压机动作控制面板]【18】电源指示灯亮。
②[手动启动]【26】按钮，在机床面板左侧，（绿色圆柱壮），按下时，冲压机工作，松开时便冲压机停止工作。
③[脚踏启动器]【27】与[手动启动按钮]【26】相同，踩下时，冲压机便工作，松开脚时便冲压机停止工作。
④[冲压机动作控制面板]【18】上的[动作选择]按钮，可调单动与连动，[动作选择]按钮拨到左侧，则为单动，单动指示灯亮。
[动作选择]按钮拨到右侧，则连续运动，[连动]指示灯亮。
（单动：
工作时按[手动启动]【26】按钮或踩下[脚踏启动器]【27】时，冲压机工作一次。
{连动：
工作时按[手动启动]按钮或踩下[脚踏启动器]时，冲压机连续工作，直到松开[手动启动]【26】按钮或[脚踏启动器]【27】}。
（四）金丝球焊、吕丝球焊机
1、实验目的
（1）通过实验使学生掌握微电子封装技术的应用技能，了解电子封装工艺的基本过程和要求；
（2）了解金丝键合和铝丝键合基本原理和工艺，掌握两种引线键合基本操作工艺；
（3）掌握引线键合的材料体系与键合质量进行评价。
2、实验原理
在集成电路和电子器件的芯片与外部引线的连接方法中，引线键合是最主要和最通用的方法。
集成电路封装中，芯片先固定于金属导线架上，再以引线键合工艺将细金属线依序与芯片及导线架完成接合。
引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，它们是电子封装业四种重要结构材料之一。
引线键合工艺有球形键合与楔形键合两种工艺，键合方式则有热压键合、热声键合和超声键合等。
引线键合焊的原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层和污染，产生塑性变形，使得引线与被焊面亲密接触，达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。
常用的引线键合方式有三种：
热压键合、超声键合和热声键合。
2.1热压键合焊
热压键合焊是利用加压和加热，使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子的引力范围，从而达到键合目的，常用于金丝的键合。
热压键合的焊头有楔形、针形和锥形几种。
焊接压力一般为50-150g/点，压焊时芯片与压焊头均要加热，约150C。
通常当芯片加热达300C以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层；同时，由于芯片加热温度高，压焊时间一长，容易损害芯片，也容易在高温（>200C）下形成特殊的金属间化合物，影响焊点的可靠性。
由于热压键合焊使金属丝的变形过大而受损，焊点的拉开力过小（<5g/点），因此热压键合使用得越来越少。
2.2超声键合焊
超声键合是利用超声波（60～120KHz）发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。
使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，在25ms内与键合区紧密接触而完成焊接。
常用于Al丝的键合。
键合点两端都是楔形。
与热压键合焊相比，由于能充分去除焊接界面的金属氧化层，可以提高焊接质量。
焊接强度高于热压焊，可达10g/点以上。
超声焊不需要加热，可在常温下进行。
因此对芯片的损伤小，同时可以根据需要调整超声键合能量，改变键合条件来焊接不同直径的焊丝。
2.3热声键合焊
热声键合焊主要用于Au和Cu丝的键合。
它也采用超声波能量，但是与超声焊不同点的是键合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀掉表面氧化层。
外加热量的目的是激活材料的能级，促进两种金属的有效连接以及金属间化合物（IMC）的扩散和生长。
采用热声焊的球形键合技术是最具代表性的引线键合技术。
球形键合技术的特点是操作方便、灵活且焊点牢固，压焊面积大，无方向性，故可实现高速自动化焊接。
现代的金丝球键合焊机一般都带有超声功能，从而具有超声键合的优点，也称为热声焊。
因此这种热声键合焊广泛用于各类集成电路的焊接中。
焊接时衬底仍需要加热（一般为100C），压焊时加超声，因此加热温度远低于热压焊。
所加的压力一般为50g/点，与热压相同。
2.4几种键合技术的比较
表1列出了几种键合工艺的特点。
表1键合工艺比较
键合原理
压力
温度
超声能
引线材料
焊盘
热压键合
高
300-500C
无
金、铜
铝、金、铜
超声键合
低
25C
有
金、铝
铝、金、铜
热声键合
低
100-150C
有
金、铝、铜
铝、金、铜
迄今为止，对引线键合的原理及超声是通过什么方式影响键合过程的还没有一个统一的完全有根据的理论。
但可以确定的是超声键合的本质属于固态连接过程，但过程的原理尚不清楚。
一般认为连接机理是将弹性机械振动能转换为摩擦能和形变能在静压力的共同作用下表面氧化膜破碎，新生成的表面相互接近到原子间引力能够发生作用的距离从而实现连接材料界面的冶金结合。
但从文献看，超声键合过程温度的测量结果有很大的偏差，一般在80-300℃之间。
根据扩散定律计算表明在此温度范围内在20-30ms的时间内，固相界面发生的热扩散尚不足以导致达到冶金连接的程度。
2.5键合工艺
（1）球形键合工艺
图1是球形键合工艺过程。
将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工具中，引线在电火花作用下受热熔成液态，由于表面张力的作用而形成球状，在视觉系统和精密控制下，劈刀下降使球接触晶片的键合区，对球加压，使球和焊盘金属形成冶金结合完成焊接过程，然后劈刀提起，沿着预定的轨道移动，称作弧形走线，到达第二个键合点（焊盘）时，利用压力和超声能量形成月牙式焊点，劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。
这样完成两次焊接和一个弧线循环。
（a）对准IC焊盘
（b）球形键合
（c）移至第二点
（d）月牙形键合
（e）截断
（f）电弧熔球
图1球形键合工艺步骤
（2）楔形键合工艺
图2是楔形键合工艺过程。
将金属丝穿入楔形劈刀背面的一个小孔，丝与晶片键合区平面呈30-60角。
当楔形劈刀下降到焊盘键合区时，劈刀将金属丝压在焊区表面，采用超声或热声焊实现第一点的键合焊，随后劈刀抬起并沿着劈刀背面的孔对应的方向按预定的轨道移动，到达第二个键合点（焊盘）时，利用压力和超声能量形成第二个键合焊点，劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。
这样完成两次焊接和一个弧线循环。
图3为球形键合与楔形键合互连的实例照片。
（a）劈刀下降
（b）键合第一点
（c）牵引到第二点
（d）键合第二点
（e）撤断引线
（f）准备下一焊点
图2楔形键合工艺步骤
（a）球形键合照片
（b）球形键合的第一点
（c）球形键合第二点
（d）楔形键合照片
（e）楔形键合的第一点
（f）楔形键合第二点
图3球形键合与楔形键合照片
（3）键合工艺比较
表2列出了球形键合与楔形键合的特点。
表2球形与楔形键合的比较
键合形式
键合方式
劈刀结构
引线材料
焊盘
键合速度
球形键合
热压、热声
毛细管
金、铜
铝、金、铜
10线/秒（热声）
楔形键合
热声、超声
楔形
金、铜、铝
铝、金、铜
4线/秒
3、实验仪器设备
SH2012金丝球焊机、SH2000型超声波铝丝焊线机（详见产品说明书）
4、实验方法和步骤
（1）调试
同时按下操纵盒的“操纵”键和机器右面板上的复位键三秒钟以上，焊头架自动超程复位到最高位（原始位置），将准备焊接的线路板（PCB板）平整的放在工件夹上，移动操纵盒，让钢嘴对准PCB板，然后按一下“操纵”键，完成工作高度的自动检测。
（2）一焊
根据自己的视力调节显微镜的位置，让双眼都能清楚地看到PCB板，移动操纵盒，使钢嘴对准PCB板的焊盘，按下操纵盒的“操纵”键，钢嘴下压，放开即完成一焊。
可以看到PCB板上有焊点出现，也可以看到连着的丝线。
注意：
操作时按着“操纵”键不放移动操纵盒寻找合适的位置，放开后才发生焊接。
（3）二焊
在右面板的“高度”、“调整”旋钮可以调节引线的高度和跨度，移动操纵盒，使钢嘴对准PCB板的焊盘，按下操纵盒的“操纵”键，即完成二焊，可以观察到一根完整的引线在PCB板上。
（4）记忆功能的介绍
将开关切到“自动”，在一焊接后，机器会根据已设定的已焊跨距自动完成二焊。
（5）评估
对引线键合点进行测力分析。
5、实验思考题
通过实验分析影响键合质量的因素以及不同引线键合工艺在工业的应用范围。
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