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轮式点镀模具设计与制造解决方案

随着电子信息产业的发展及集成电路产能的扩张,集成电路产业在近几年获得了空前的发展。在集成电路的生产中,引线框架是重要的辅助材料。为了保证引线框架的工作性能,必须对其特定区域进行局部贵金属点镀[1]。根据点镀区控制方法的不同,可将点镀分为履带式点镀、压板式点镀及轮式点镀三种类型。压板式点镀的模具制作简单,但镀层厚度不均匀,在引线框架累积公差的影响下,长时间工作后会产生镀区偏移。轮式点镀具有效率高、镀层厚度均匀等优点,但对模具制作的要求高[2]。履带式点镀结合了压板式点镀和轮式点镀的优点,但是在设备制造上具有较高的技术难度,目前在国内没有实际应用。在电镀理论没有革命性创新的情况下,目前的生产方式不会有太大的改变。本文对轮式点镀模具的制造工艺进行了改进,解决了模具制造精度不高、镀区尺寸控制不严密及背面渗漏贵金属等问题。这对降低轮式点镀的生产成本及减少污染有重要的现实意义。

1高精度轮式点镀模具加工方案

电镀轮做高速旋转运动,其内部放置阳极喷头,通过喷射贵金属镀液对待镀材料带进行局部点镀。待镀材料带以相同的线速度跟随电镀轮走料,其上有压力可调的柔性掩模带,以保证材料带紧贴模具。电镀轮制造中最为常见的问题是电镀轮的形位精度低、尺寸精度差。现代高速生产中材料带的速度为15m/min左右,换算到电镀轮上大约为1~2r/s。此速度下电镀轮的圆跳动比较明显,造成生产中材料带颤抖并出现皱纹或卷带,使得产品质量及生产进度受到影响。另外,由于电镀轮制造精度不高,为弥补可能产生的镀区误差,必须对点镀区域进行适当扩大,以保证高质量的镀层能够覆盖实际需要的区域,这使得贵金属镀液的消耗增加。只要提高电镀轮及模具的制造精度,就能提高生产效率并降低生产成本,同时还能减少贵金属镀液的消耗,从而减少污染。本文提出一个具有实际使用价值的高精度轮式点镀模具加工方案:将现有的轮式点镀模具的加工精度提高,最终提高点镀产品的生产质量及生产效率。

1.1获得引线框架单元的准确尺寸

引线框架的尺寸直接影响电镀轮的尺寸设计。实际生产中,引线框架的尺寸会随着模具订单一同送达,但是仅凭这样的数据是无法精确设计电镀轮的。精确的电镀轮设计尺寸来源应该是生产中的引线框架材料带。引线框架通常较薄、容易变形,传统的测量方法是通过卡尺对每个尺寸进行简单测量。当设计及制造对测量精度的要求较高时,这种测量方法的效率低,而且测量精度不足以保证精确设计[3]。现采用如下方法进行测量:使用分辨率为1μm的影像测量仪对生产线使用的引线框架带材进行连续n个引线框架单元的长度测量,获得的长度精确到微米级别,再除以n就是每个引线框架单元的长度,以mm为单位,保留小数点后4位。图1为引线框架带材样品。如图1所示,每个单元的精确尺寸由连续材料带上的多个单元测量得到,保证了数据在较大尺度之下的精确与稳定,获得的尺寸数据为L。

1.2精确计算电镀轮工作面的直径

在一个电镀轮的工作面周长上安排的遮掩模具定为奇数N,这样在长期的旋转中不容易导致周期性的震颤。很多电镀轮生产企业对于电镀轮工作面直径设计,通常是计算过程中没有考虑生产的实际情况,直接使用NL/π作为电镀轮工作面的直径。这个计算失误在于获得数据L的温度是常温,而电镀轮工作环境温度根据镀液的不同大致在80~120℃,此时引线框架及电镀轮的尺寸都会因温度的升高而变大。电镀轮的制造材料是聚醚醚酮,而引线框架的材料是铜基合金,这两种材料的热膨胀系数不同,导致工作条件下带材和电镀轮接触面长度出现差异,这在高精度制造中是不可忽略的[4]。由于定位误差导致的带材卷带事件常有发生。为了避免带材起皱或卷带,应加大定位容许误差,但最终镀区的尺寸精度下降。为解决在工作环境下带材和电镀轮的尺寸偏差,现提出如下的电镀轮制造尺寸精确公式:DC=NL(1+αY(TG-TC))π(1+αP(TG-TC))(1)式中:DC为常温下的电镀轮直径;N为电镀轮一周布下的硅胶模个数;L为单个引线框架的圆周方向长度,来源于上一步的测量;αY为引线框架材料的热膨胀系数;αP为电镀轮材料的热膨胀系数;TG为电镀轮的工作温度;TC为常温。这个公式的作用在于保证引线框架材料带与电镀轮的工作面在工作温度时的对应长度完全重合,从而保证了加工定位的准确性。此计算结果与忽略温度的计算结果相差0.3%左右,在高速旋转下这样的差异不可忽略。此计算结果保留小数点后3位,单位为mm。

1.3电镀轮的精确加工方法

在实际生产中经常有这样的情况:生产一段时间之后电镀轮的圆度下降,带料起皱或者被拉扯,生产质量严重受到影响。这些问题的根源来自电镀轮制造时的粗疏。很多电镀模具制造企业都用聚醚醚酮作为电镀轮的制造材料,制造电镀轮时直接把聚醚醚酮坯料装夹在加工中心上进行加工。而实际上,聚醚醚酮在强度上还是和金属材料有一定的差距。在加工过程中直接对聚醚醚酮进行装夹加工而导致的整体细微变形,最后在生产中被逐渐放大,致使生产质量下降。本文给出一种能够保证电镀轮长时间工作而不变形的加工方法:首先,夹持坯料左侧,加工出右面平面并同时钻孔攻丝;然后,用45#钢制造一个圆盘,钻上同样的孔位置并攻丝,把坯料卸下并用螺钉紧固在钢制圆盘之上;再次装夹时夹紧钢盘进行加工,注意最后去掉初次装夹时夹紧的坯料区域,保证远离电镀轮最左端50mm以上即可。此方法利用一个钢盘替代聚醚醚酮坯料进行装夹,避免了加工装夹对产品的应力残留,保证了电镀轮产品长时间工作后形位精度不改变。电镀轮加工精度在0.01mm以下即可,普通四轴加工中心的加工精度都能达到这个要求。电镀轮最重要的工作面加工完毕之后不再装夹,而是直接对遮掩模槽位进行加工。应注意,电镀轮上的螺孔必须和最终生产设备上的驱动装置匹配,这样就完全实现工作状态的动平衡,在高速旋转中不会出现太大的振动。

1.4创新的遮掩模设计

实际上对点镀区域进行的位置控制,最终还是依靠柔性材料遮掩模实现,因此,遮掩模的设计直接影响点镀区域的尺寸精度。目前多数点镀模具制造企业制造的双组分硅胶遮掩模都存在点镀区域边缘细微渗漏,导致产品镀区边缘模糊,甚至非镀区的背面也有部分渗漏。为解决镀区附近的贵金属渗漏及模糊边缘问题,现提出如下遮掩模设计改进方案:在遮掩模的工作开口部分增设一圈高0.10mm、宽0.12mm的刃口,并进行倒圆处理。这样在掩模带的压力下,刃口能够完全封闭住贵金属镀液的渗漏,产生鲜明锐利的镀区边缘,提高产品质量,保证镀区尺寸精度。此遮掩模由双组分硅胶制成,制造过程应注意尺寸是否缩水。由于材料本身的特性,其能保持正常生产的效果为十个月左右,此后必须更换新的遮掩模。

1.5陶瓷定位钉的选择

陶瓷定位钉是电镀模具特殊的专用零件,它直接影响引线框架带材在电镀轮上的相对位置。目前行业通常使用D1.50mm的陶瓷定位钉,而定位孔为1.60mm,如此大的空隙是为了容纳设计与制造中的不准确带来的误差。如果严格执行之前的设计与制造流程,可以使用D1.56mm的陶瓷定位钉。这样镀区将会被严格定位限制,加上之前的遮掩模精确尺寸设计,就会有精度极高的镀区边缘尺寸控制。严格执行以上五个步骤,能够把镀区尺寸精度控制在单边偏差0.03mm之内,而目前行业内通常的精度为单边偏差0.20mm,在精度上提升了一个数量级,能够更好控制产品的质量及生产成本。图2为完成的轮式点镀模具。图2中可见白色定位钉。

2结语

本文主要的关注点在于解决生产实际中的问题,提高点镀模具产品的生产精度及质量。只要注意各个细节,在尺寸设计、产品加工、遮掩模边缘精度提高、带材定位等方面都提出完全创新性的解决方案,是能够提高电镀轮整体制造精度的。这些解决方案都是紧贴工作环境、针对现实问题而提出的,能够有效提高点镀模具的生产精度,进而直接提升引线框架产品的镀区质量、尺寸精度,并减少镀液损失。

作者:邱伟华 单位:柳州职业技术学院

参考文献:

[1]冯小龙.连续高速电镀技术在集成电路引线框架生产中的应用[J].电镀与涂饰,2003,22(6):48-51.

[2]杨占尧,秦歌,翟振辉.金属喷镀法快速制作金属模具方法研究[J].河南机电高等专科学校学报,2001,9(2):1-5.

[3]曾旭,卢桂萍,杨杰,等.引线框架可焊性电镀新技术[J].电子工艺技术,2009,30(5):291-294.

[4]马莒生,黄福祥,黄乐,等.铜基引线框架材料的研究与发展[J].功能材料,2002,33(1):4.

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