用于封装电子元件的模具、模具嵌件、制造嵌件的方法和封装电子元件的方法

摘要

本发明涉及一种用于封装安装在载体上的电子元件的模具，该模具包括至少两个可相对移动的模具部件，至少一个所述模具部件在接触侧设有凹陷的模腔，所述模具部件配置成与待封装的电子元件周围的所述模腔接合，其中至少一部分所述模腔由具有柔性三维模制表面的嵌件形成，所述表面面向电子元件。本发明还涉及一种用于所述模具的嵌件，以及通过所述模具封装安装在载体上的电子元件的方法。

说明书

本发明涉及一种用于封装安装在载体上的电子元件的模具，该模具包括至少两个可相对于彼此移动的模具部件，至少一个所述模具部件在接触侧设有凹陷的模腔，所述模具部件配置成与待封装的电子元件周围的所述模腔接合。本发明还提供了一种使用所述模具来封装安装在载体上的电子元件的方法，包括以下处理步骤：a)将装有一个或多个电子元件的载体定位在两个模具部件之间，以使电子元件面对模腔；b)使所述模具部件彼此相对移动，以将载体夹持在模具部件之间，至少一个所述模腔围住待封装的所述电子元件，并且所述嵌件与至少一个所述电子元件接触；c)将模制材料导入所述模腔；d)使所述模具部件彼此分离，从所述模具部件中取出装有模制电子元件的所述载体，从而从所述电子元件上取下所述嵌件。此外，本发明提供了根据本发明的模具和方法中使用的嵌件，以及制造嵌件的方法。

已知采用模制材料封装安装在载体，通常也称为“基板”上的电子元件的技术。在工业规模上，该电子元件具有封装件，通常采用添加了填充材料的固化的环氧树脂或树脂封装件。市场上趋向于同时封装大量各种尺寸的电子元件，且精度要求仍在不断提高。这可能导致具有不同的电子元件组合的产品被封装在单个包装中。此处可设想电子元件，如普遍越来越小的半导体(芯片，尽管在此方面LED也被认为是半导体)，一旦已经设置了模制材料，则将集体封装的电子元件置于封装件(包装)中，该封装件设置在载体的一侧，有时也设置在载体的两侧。模制或封装材料通常采取连接到载体的平坦层的形式，其中电子元件完全或部分地嵌入/封装在该平坦层内。载体可由引线框、部分由环氧树脂制成的多层载体(也称为板或基板等)或另一种载体结构组成。

在封装安装在载体上的电子元件的过程中，通常使用的方法是利用现有技术中具有两个半模的封装压力机，所述两个半模中至少一个内凹形成一个或多个模腔。将装有待封装的电子元件的载体放置在半模之间后，可移动半模，如彼此靠拢，这样半模便可夹住载体。然后通常采用传递模塑法将通常加热的液体封装材料送入模腔。作为替代方案，也可在封闭模具部件之前，将封装材料导入模腔，这种传递模塑的替代工艺被称为压缩模塑。在模腔中至少将封装材料进行部分(化学)固化后，从封装压力机中取出装有封装的电子元件的载体，而且可以在进一步处理期间将封装的产品彼此分离。可以在封装过程中使用箔片来遮挡一部分电子元件，从而防止被箔片包覆的电子元件部分被模制材料包覆。部分包覆的产品(未完全模制的电子元件也称为“裸片”或“裸模”产品)可用于各种应用；例如各种类型的传感器组件、超低封装或散热组件。所述封装方法适用于大型工业规模，并且能够对部分未包覆的电子元件进行控制良好的封装。现有技术中导致部分未包覆的电子元件的封装工艺的问题在于该工艺仅适合于封装大量电子元件，裸露的电子元件上具有相同高度的平坦区域，限制了裸露的电子元件区域的柔性以及具有不同高度的电子元件同时被部分裸露封装的可能性。

本发明旨在提供一种用于封装电子元件的替代模具和方法，使其能够对各种尺寸和/或具有各种形状的未包覆部分的电子元件进行部分裸露封装。

本发明为此提供了一种用于封装安装在载体上的电子元件的模具，其中至少一部分模腔由具有用于面向电子元件的柔性三维模制表面的嵌件形成。嵌件模制表面的柔性在本文中应解释为相对于模具部件的刚性结构是柔软的。所述嵌件也可以称为“衬里”，能够形成具有任何期望形状的接触表面。嵌件的模制表面通常成形为紧密地粘附到待封装的电子元件的形状。由于可以形成具有任何期望形状的接触表面，因此根据本发明的模具使得模制电子元件的形状具有更大的自由度，可以使嵌件适配各种尺寸的电子元件组合，以及适配具有不同“包覆率”要求的相同尺寸的电子元件组合。例如，单个封装件内具有不同高度的各种电子元件可通过“裸片”模制，例如，留下小电子元件的上表面以及高电子元件的表面不包覆。嵌件的柔性三维模制表面在此配置成在模制期间接触电子元件需暴露的部分。除了或代替接触一个或多个电子元件之外，嵌件可配置成接触载体(的一部分)，使得载体的一部分保持暴露。载体的暴露部分可以用作连接器和/或用作后续安装一个或多个组件的安装表面。还可以通过嵌件的模制表面的拓扑来实现固化的模制材料的局部高度的变化。而且，通过嵌件模制表面的柔性，嵌件可以通过变形补偿电子元件的高度公差。这样，即使柔性三维模制表面不完全适配电子元件的形状，在模制期间也不会对电子元件施加过大的压力。

嵌件的三维模制表面通常情况下可以由配置成覆盖多个电子元件的连续表面形成。因此，通常所述多个电子元件安装在同一载体上。为了使模制表面覆盖多个电子元件，该表面本身必须足够大，并且适应所述多个电子元件的布局。因为同一三维模制表面可以覆盖多个电子元件，所以可以同时封装大量电子元件。由于三维模制表面的拓扑结构与安装在载体上的电子元件的拓扑结构相匹配，因此电子元件可具有不同尺寸(特别是不同高度)。

此外，嵌件的三维模制表面可包括多个接触区域，用于接触电子元件上表面的至少一部分，其中至少两个所述接触区域之间，所述接触区域到嵌件与三维模制表面相对的一侧的距离不同。接触区域到嵌件与三维模制表面相对的一侧的距离与嵌件在相关接触区域的位置处的高度或厚度相对应。该距离或高度确定了嵌件模制表面伸入模腔的深度。选择接触区域到嵌件与三维模制表面相对的一侧的距离，使得在模制期间，载体被夹持在模具部件之间并且模制材料被导入至模腔内时，每个所述接触区域接触电子元件的至少一部分上表面。这是通过基于由所述接触区域覆盖的电子元件的高度选择接触区域到嵌件与三维模制表面相对的一侧的距离来实现的。最终，被接触区域覆盖的电子元件的上表面部分将未设置模制材料。由于接触区域到嵌件与三维模制表面相对的一侧的距离不同，可以同时成型多个不同高度的电子元件，并且优选成型所有安装在一个或多个载体上的电子元件。通常情况下，多个接触区域分别由基本平行于由相应的接触区域覆盖的电子元件的上表面的平坦表面形成。这通常表明多个接触区域的方向平行于嵌件与三维模制表面相对的一侧。

除所述接触区域之外，模制表面还可包括被配置为不接触电子元件的其他区域。通过改变所述其他区域到嵌件与三维模制表面相对的一侧的距离，可以相应地控制和改变所述其他区域正下方位置处的模塑材料层的厚度。

在根据本发明的模具的一个实施例中，嵌件的三维模制表面由聚合物材料制成，例如：由硫化合成橡胶或更具体地为氟橡胶制成。在常规变型中，嵌件包括FKM型橡胶。使用硫化合成橡胶，特别是氟橡胶作为嵌件的三维模制表面具有的优点是该类材料在加工模制材料的温度下具有耐热性，同时还具有柔韧性和耐化学性。由于将模制材料导入模腔期间通常需要100-200℃的加工温度，因此需要耐热性。氟橡胶通常具有更好的耐热性和耐化学性。

嵌件可以可拆卸地连接到模具部件，因此可更换嵌件。这样便可在生产运行期间封装不同布局的电子元件，而无需更换模具零件，也可以更换磨损的嵌件。

作为提高模具的多功能性的进一步方案，模具可以包括多个柔性嵌件，其具有用于面向电子元件的三维模制表面。因此，每个嵌件的三维模制表面可以具有不同的布局，使得不同布局的电子元件可以在同一模具中同时模制。但是，如果将待封装的电子元件组模制成具有相同形状的包装，则嵌件的模制表面可以具有相似的形状。使用多个嵌件的另一个优点是，在例如：磨损或损坏的情况下，可以相互独立地更换嵌件。

作为提高模具的多功能性的另一种方式，模具可以包括至少两个彼此相对的模具部件，模具部件的接触侧具有内凹的模腔，其中，所述模腔至少部分地由具有柔性三维模制表面的嵌件形成。通过在两个彼此相对的模具部件的接触侧设置模腔，可以在载体和/或载体的相对侧上的电子元件之间留有空间，以在模制期间填充模制材料。因此，可以同时封装(部分)载体和/或位于载体的相对侧上的电子元件。此外，由于两个模腔可以至少部分地由具有柔性三维模制表面的嵌件形成，因此模制电子元件的形状自由度和补偿电子元件高度公差的能力适用于安装在载体的相对侧的电子元件。

或者一对相对的嵌件的彼此相对的柔性三维模制表面中的一个可用作电子元件的柔性支撑表面，所述电子元件可被包装或不被包装在载体的一侧，而另一个彼此相对的柔性三维模制表面可形成模腔的至少一部分，该模腔在载体的另一相对侧上围住所述电子元件。因此，用作支撑表面的柔性三维模制表面优选具有遵循待支撑的电子元件和载体的拓扑的拓扑结构。采用嵌件的柔性三维模制表面作为支撑表面的优点是由所述支撑表面支撑的表面的形状具有自由度。此外，用作支撑表面的柔性三维模制表面能够补偿被支撑表面的尺寸公差，尤其是当被支撑表面包括已经封装的电子元件。通过根据本发明的模具的实施例，可以封装仅在载体一侧上的电子元件，而所述载体可具有安装在其相对侧上的电子元件。由此载体一侧上的电子元件有可能未封装，但在第一次模制操作之后将载体倒置，便可随后封装载体相对侧上的电子元件。

在根据本发明的模具的优选实施例中，嵌件的三维模制表面的ASTM D2240 A型硬度在70-100Sh-A之间，优选在80-90Sh-A之间。结果表明，在该硬度范围内的模具表面在柔性和尺寸稳定性之间达到适当的平衡。嵌件模制表面应具有足够的柔韧性，以适应电子元件的尺寸公差。通过其柔韧性，模制表面能够与包装后裸露的电子元件的各部分接触，而不会对电子元件施加高压。另一方面，嵌件模制表面应具有足够的刚度，以在模制过程中，尤其是在将模制材料插入模腔中时保持尺寸稳定。因此，该模制表面应紧密粘附在要保持裸露的电子元件的部分上，并因此清除(裸露)模制材料。这样确保了模制材料仅在需要的位置封装电子元件。

嵌件可包括承载柔性三维模制表面的刚性连接部件。该刚性连接部件由此可以由基本上刚性的材料诸如金属制成。通常，将刚性连接部件设置在面向待模制的电子元件的一侧的背面。嵌件的刚性连接部件为柔性模制表面提供受控支撑。这有利于嵌件的尺寸稳定性。此外，刚性连接部件可便于嵌件与模具的连接。为便于连接至模具部件，刚性连接部件可设置连接装置。

为确保插入模腔中的模制材料保持在模腔内部并且不会通过嵌件泄漏，优选嵌件的三维模制表面不能被模制材料渗透。通过使嵌件的三维模制表面不能被模制材料渗透，嵌件无需额外覆盖，例如：使用盖片或箔片，就可以实现模腔的良好密封。

在本发明的模具的另一实施例中，具有模腔并且配置成用于容纳模具嵌件的模具部件包括开口。该开口因此将模腔以及与其相连的嵌件连接至模具的外部。该开口可以连接至低压装置，以在模腔内产生局部真空，并且特定情况下在嵌件的柔性三维模制表面处产生局部真空。为将开口连接到所述嵌件模制表面，可在嵌件和其中一个模具部件中凹陷的模腔的侧面之间留有空间。或者或另外，嵌件可以设有从模制表面延伸至嵌件与模制表面相对的后侧的抽吸孔。如果将箔层插入到嵌件的三维模制表面和待封装的电子元件之间，则施加的在模制表面和箔层之间的压力将吸附模制表面上的箔层。这样确保了箔层将遵循模制表面的三维形貌。所述箔层的应用尤其可以促进模制电子元件与模腔的分离。

本发明还涉及一种用于本发明的模具的嵌件，该嵌件包括柔性三维模制表面，其优点已在上文关于本发明的模具中进行了说明。

本发明还涉及一种制造本发明的嵌件的方法，该方法包括通过将聚合物材料与固化剂一起模制在刚性连接部件和对模之间，从而将聚合物材料硫化到刚性连接部件上。通过将聚合物材料硫化到刚性连接部件上，可使柔性三维模制表面和刚性连接部件牢固结合。在硫化期间，聚合物链之间形成交联，显着提高了聚合物材料的强度和耐用性，从而提高了嵌件的柔性三维模制表面的强度和耐用性。然而，为达到最佳固化效果，可能需要使用高压养护等后固化工艺。

最后，本发明还涉及一种使用根据本发明的模具来封装安装在载体上的电子元件的方法，包括以下处理步骤：a)将装有一个或多个电子元件的载体定位在两个模具部件之间，使电子元件面向模腔，b)使所述模具部件彼此相对移动，以将载体夹持在模具部件之间，至少一个所述模腔围住待封装的所述电子元件，并且所述嵌件接触所述电子元件和/或载体中的至少一个，c)将模制材料导入所述模腔，d)使所述模具部件彼此分离，从所述模具部件中取出装有模制电子元件的所述载体，从而从所述电子元件上取下所述嵌件。通过实施该方法，获得封装产品，其中除了在模制期间嵌件与电子元件和/或载体接触的至少一个位置外，用模制材料至少部分地包覆电子元件和载体。如前所述，由于使用了柔性嵌件模制表面，嵌件可通过有限变形来补偿电子元件尺寸中的高度公差。这样可防止在模制期间对电子元件施加过大压力。通过使用本发明的嵌件，甚至可以补偿高达50μm的高度公差。

在装有一个或多个电子元件的载体被夹紧在模具部件之间之前，可以在模腔中使箔层至少部分包覆嵌件的柔性三维模制表面。所述箔层可用作离型箔，以便于将部分模制的电子元件从模腔中分离。尤其是在处理步骤c)期间，模具部件彼此相对移动的同时，将所述箔层夹持在嵌件与电子元件和/或载体之间。优选情况下，通过模具部件的开口向箔层和嵌件的柔性三维模制表面之间施加负压。通过负压确保箔层紧贴模制表面的三维形貌，并在整个模制过程中保持在模制表面上。

在根据本发明的用于封装安装在载体上的电子元件的方法的一个实施例中，通过对模制材料施加压力，将液态模制材料转移到封闭电子元件的模腔中，将模具部件根据该方法步骤b)彼此相对移动后，根据该方法步骤c)将模制材料导入模腔。该方法也称为“传递模制”。因此，在使模具部件彼此分离之前，固化至少部分的模制材料，使得模制产品在脱模时不会变形。在另一种模制工艺中，可以在根据方法步骤b)将模具零件彼此相对移动之前，根据方法步骤c)将封装材料导入模腔。这种模制过程也被称为“压缩模制”。本发明可以独立于特定类型的模制工艺来实施。通常，在模制工艺之前和/或期间加热封装材料，但并不限制本发明。

根据以下附图所示的非限制性示例性实施例进一步阐述本发明，其中：

图1示出本发明的模具的横截面，该模具夹持装有电子元件的载体，

图2a-2d示出通过本发明的模具封装安装在载体一侧上的电子元件的方法步骤的示意图，

图3a-3d示出通过本发明的模具封装安装在载体的两个相对侧上的电子元件的方法步骤的示意图。

图1示出本发明的模具(1)的横截面，该模具(1)夹持装有多个电子元件(3)的载体或基板(2)，以装入到单个包装中。所述模具(1)包括两个模具部件(4，5)，上模具部件(5)的接触侧(7)凹陷形成型腔(6)。模腔(6)的一侧由嵌件(8)限定，所述嵌件(8)具有柔性的三维模制表面(9)，该表面(9)面向电子元件(3)。在与三维模制表面(9)相对的面向上模具部件(5)的一侧，所述嵌件(8)包括一个刚性连接部件(10)，其用于支撑模制表面(9)。嵌件(8)通过作为连接装置的螺栓(11)可拆卸地连接到上模具部件(5)，螺栓(11)设置在刚性连接部件(10)上。所述上模具部件(5)还设有抽吸孔(12)，抽吸孔(12)的一端连接到与低压装置(13)相连的模具(1)的外部。所述孔(12)穿过模腔(6)，其中在嵌件(8)和模腔(6)的侧面之间留有空间，该空间确保在柔性三维模制表面(9)和箔层(14)之间施加负压。所述箔层(14)既可夹持在嵌件(8)与电子元件(3)之间，又可夹持在嵌件(8)与载体(2)之间，从而至少部分地覆盖了柔性三维模制表面(9)。与箔层(14)接触的电子元件(3)的表面(15)和载体(2)的表面(16)在模制后裸露。当装有模制电子元件(3)的载体(2)从模具部件(4，5)上脱模时，箔层(14)将用作离型箔。

图2a至2d示出通过本发明的模具封装安装在载体一侧上的电子元件的方法步骤的示意图。图中，由相似的附图标记表示相似的元件。如图1，图2a-2d示出了模具嵌件(20)，该模具嵌件(20)封闭模具的一部分模腔(21)(未在图中进一步示出)。所述嵌件(20)包括柔性三维模制表面(22)和连接到柔性三维模制表面(22)的刚性连接部件(23)。所述刚性连接部件(23)配置成用于连接至模具部件。柔性三维模制表面(22)面向一侧设有多个电子元件(25，26，27)的载体或基板(24)。图2a示出两个电子元件(26，27)具有诸如生产公差和/或电子元件类型的差异产生的高度差(h)。图2b示出了模具部件彼此相对移动之后的情况，其中嵌件(20)的柔性三维模制表面(22)接触电子元件(25，26，27)。从图中可以看出，高度差(h)通过柔性模制表面(22)得到补偿。将载体(24)和安装在其上的电子元件(25，26，27)封闭在模具部件之间之后，如图2c所示，将模制材料(28)导入模腔(21)，其中箭头(29)指示导入方向。在完全填充模腔(21)之后，使模具部件彼此分离，从电子元件(25，26，27)上提起柔性三维模制表面(22)。图2d示出了由本发明的方法得到的封装产品(30)，其中部分电子元件(25，26，27)被模制材料(28)封装。电子元件(25，26，27)在模制过程中被柔性三维模塑表面(22)覆盖的部分因此保持裸露。

图3a至3d示出通过本发明的模具的另一实施例封装安装在载体或基板(44)的两个相对侧上的电子元件(45，46，47，48，49，50)的方法步骤的示意图。图中，同样由相似的附图标记表示相似的元件。图3a-3d中所示的方法步骤与图2a-2d中所示的方法步骤非常相似，然而一个重要的差异在于，此处模具(未在图中进一步示出)包括两个模具嵌件(40，41)，每个模具嵌件(40，41)形成两个相对的模腔(42，43)中的不同模腔的一部分。模腔(42，43)由此配置成分别封闭载体或基板(44)的两个相对侧之一，所述相对侧分别包括电子元件(45，46，47，48，49，50)和载体(44)待封装的部分。所述嵌件(40，41)均包括柔性三维模制表面(51，52)和连接到柔性三维模制表面(51，52)的刚性连接部件(53，54)。图3b示出了模具部件彼此相对移动后的情况，其中一个嵌件(40)的柔性三维模制表面(51)与载体一侧的电子元件(45，46，47)接触，另一嵌件(41)的柔性三维模制表面(52)与载体(44)另一侧的电子元件(48，49，50)接触。另外，最后提及的嵌件(41)的三维模制表面(52)接触载体(44)的一部分(55)，因此该部分将在模制之后裸露。图3c示出了在模腔(42，43)中导入模制材料(56)的连续步骤，由箭头(57)指示导入方向。模腔(42，43)完全填充后，模具部件彼此分离，从电子元件(45，46，47，48，49，50)上提起柔性三维模制表面(51，52)。图3d示出了所得的封装产品(58)，其中部分电子元件(45，46，47，48，49，50)被模制材料(56)封装。电子元件(45，46，47，48，49，50)和载体(44)在模制期间被柔性三维模制表面(51，52)覆盖的部分(55)因此保持裸露。