电子封装模具加热系统的结构设计与实现

时间：2024-07-28

牛德奎，周燕飞，罗福源

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

电子封装所用的外壳通常是使用塑料通过高温模具热压成型。热压压力、热压温度和热压时间是热压工艺的三要素。由于受到环境和模具结构等因素的影响，电子封装模具的表面存在温差，这对封装外壳热压成型的工艺性能有显著影响，因此模具表面的温差需要被控制在一定范围内。

1 模具加热系统的结构设计

模具在进行加热时受到许多因素的影响，其中需要研究的关键问题是加热温度、加热方式、加热装置的结构及功率等。电子封装设备的模具加热温度为100℃～400℃。模具的加热方式通常有热油加热和电阻加热两种。电阻加热比热油加热速度快、使用装置体积小、投资小，所以本文使用电阻加热方试对模具进行加热。

陶瓷加热片本质上是由氧化铝坯体和它上面的印刷电阻经过高温共烧而形成的一种新型电加热元件。它通电后由其板面发热，外形呈圆形或方形，性能安全可靠。由于陶瓷加热片加热主要靠热传导，热效率高，所以在设计模具加热结构时选用陶瓷加热片。

模具材料牌号为316L，模具的结构如图1所示。模具加热后其表面的中心和边缘存在一定的温差，这是因为模具边缘和空气接触产生自然对流传热造成热量损失，而且陶瓷加热片只通过模具下表面传递热量，造成模具上下表面受热不均匀。为了减小模具表面的温差，分6个区域对模具进行加热，对每一区域的温度进行单独控制，分区如图2所示。

图1 模具的结构

图2 分区加热示意图

此模具结构简单，所以设计加热方式为：在模具下面粘贴陶瓷加热片，然后使用沉孔的螺钉、螺母支撑起模具，为陶瓷加热片留出空间，设计后的加热结构如图3所示。基于封装模具的加热温度、加热时间和加热过程中的热量损失等因素，对模具的热场进行传热计算，确定陶瓷加热片的功率为108W。

1—模具；2—陶瓷加热片；3—Pt100温度传感器；4—高聚热能酰胺脂隔热板

2 模具的有限元热场分析

为进一步验证所设计的电子封装模具加热装置的合理性和适用性，通过有限元法对封装模具进行热场分析。对模具传热的过程做出假定：

1)模具四边气流的温度不变。

2)陶瓷加热板的热量都传送到了模具。

3)模具表面和四边气流以热对流的方式交换热量。

4)忽略辐射传热因素的影响。

5)在向模具传热的过程中，物性参数随温度的变化很小，可以忽略，按照常物性处理。

根据物体的传热情况，在模具加热时模具边界上的热流密度保持恒定，判断此类边界条件为第二类边界条件[1]，给出以下公式：

(1)

运用UG软件建立模具的三维实体模型，然后利用有限元分析软件ANSYS进行瞬态热场分析。在ANSYS中，首先使用十节点四面体单元划分网格模型，共有164 738个单元，287 689个节点，如图4所示，中间放大部分如图5所示；其次查阅文献[2]，设置材料在目标温度范围内的热传导特性，模具的热导率λ=18.1W/(m·K)，比热容c=502J/(kg·K)，密度ρ=8.03×103kg/m3。设置边界条件模具初始温度为25℃，查阅文献[3]，取空气自然对流换热系数h=8.45W/(m2·K)，环境温度t=25℃，陶瓷加热片热流密度q=1.543×105W/m2。

图4 模具的网格模型

图5 模具中心网格模型放大图

分析显示加热至49.5s后，模具的温度达到240℃。此时模具表面的温度场如图6所示。模具的凹槽部分为热压的工作区域，此时工作区域的温差为±4℃。

图6 模具表面温度场计算结果

3 实验验证

在电子封装设备上，使用恒温控制系统对模具进行加热，安装上加热系统的设备如图7所示。采用K型热电偶测量模具表面不同点在预热时的温度变化。用有限元法计算后可知，加热至49.5s时模具表面的温度可达240℃，而由实测结果可知模具表面温度在100.0s时才能达到240℃，此时模具表面的实验测试值如图8所示。由图可知，模具表面的温差为±3℃。

仿真分析中模具的升温趋势快于实测的升温趋势，这是由于在有限元分析时没有考虑热辐射产生的热损失，以及在实验中为了控制温度，并不是连续加热，而是采用模拟PWM(脉冲宽度调制)的方法进行加热。

图7 电子封装设备

图8 模具表面实验测试值

实验结果与仿真分析结果稍微有些差别，原因是：随着长时间加热，模具中心并没有累积起如仿真分析中那么多的热量，而是随着热传导散掉了，为了简化计算，仿真分析中没有考虑这些因素，但这不影响运用有限元分析结果来验证模具加热设计方案。

由加热得到的模具表面温差是一个重要技术指标，化工行业国家标准明确规定[4]：表面温度场的均匀性对优等品热板≤2℃，合格品热板≤5℃。因此经过有限元热场分析及实验结果可知，采用分区加热能使模具受热均匀，且满足行业标准。由此确认所设计的加热装置及加热方式都是合理可行的，此结构能有效减小模具表面的温差。