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塑封模具材料和热处理 |
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作者：安徽铜陵三佳山田科技有限公司 汪宗华 来源：中国机械与金属 |
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随着市场经济的发展，半导体产业的迅猛发展给了众多电子模具制造商充分的机会，作为半导体行业，在吸收世界顶级半导体设备制造商的成功经验后，更是取得了突飞猛进的发展。先进的模具结构、优良的制造工艺，专业的模具选材是半导体行业塑封模具立足市场的根本，也是赢得客户的关键，了解和掌握塑封模具选材及热处理工艺，是模具制造者与使用者共同的目的。本着以质取胜的原则，我们对模具的内在品质更加看重，并不断吸收先进技术，完善处理手段。下面主要谈谈塑封模具材料和热处理手段上的几点认识。
塑封模具对材料性能的要求
塑封模具是一种低温热作、多腔位热固性挤塑模具，受工作环境和封装产品特点的影响，制作模具的核心镶件材料必须具有以下特性：
刚性
塑封模具，承受着几十吨的合模压力必然需要足够的强度支撑，一般认为必须获得HRC50以上的硬度。
耐磨损性
镶件不断地与含有石英砂的塑料相接触、摩擦。必须拥有良好的耐磨损性，甚至在某些特定部位（如浇口等）要通过镶入硬质合金拼块来保证耐磨性。
耐压痕性
耐压痕是指镶件表面与可能残余的塑料在合模时产生压痕的可能性大小，如耐压痕性差则易于产生压痕并不断地越积越多，造成镶件失效，模具溢料。通常认为在HRC62以上时，方可保证耐压痕性。
尺寸稳定性
这是塑封模具重要特性之一。塑封模具是一种高精密模具，其尺寸精度在±0.002 mm范围内，同时要保证高的尺寸稳定性，一般要求在经过-140℃<=>200℃，6次循环后其尺寸变化率在±10×10-6范围之内。通常采用多次深冷处理与高温回火来消除残余奥氏体，保证尺寸稳定。
良好的清模性
由于塑封模的工作频率很高，不好的清模性会造成型腔污损，产品产生废次品，因而必须通过提高型腔材料的耐蚀性，来提高清模性，并通过一些必要的表面处理。
优良的放电加工性和镜面加工
塑封模具多采用放电加工，随着激光打印的需要，型腔的表面粗糙度由原先的Ra1.6 ~ Ra2.4μm向Ra1.2 ~ Ra0.8μm发展，优良的放电加工性可以保证在细亚光面情况下，型腔均匀无乱纹，这就需要材料有好的放电加工性。通过电渣重熔冶炼法去除钢中杂质后的材料，不但达到放电加工使用要求，而且可以通过磨削达到镜面。
耐腐蚀性
镶件与塑料直接接触，与易于裂解的塑料反应产生腐蚀，这就要求材料具有良好的耐蚀性，并且通过表面电镀来改善耐腐蚀性。
塑封模具材料的发展历程和方向
作为塑封模具的材料，必须具有上述特点。国内外模具制造商都从自己的发展过程验证了这一点，并不断地使其完善，寻找更加优良的材料。
从半导体行业塑封模具材料的发展过程中我们可以看到，在上个世纪70年代末，我们最早使用的CrWMn具有一定的强度和抗蚀性，但随着模具技术要求的不断提升，我们也在不断地改进模具材料。
为了提高模具的耐蚀性，我们开始采用了不锈钢系列的9Cr18材料，进而兼顾耐磨损性，而使用了440C。同样为了提高耐磨损性，我们使用了D2钢、ASP23、高速钢和硬质合金。在通过与世界优秀半导体模具制造商的交流合作过程中，现阶段半导体行业更多地采用具有优良耐蚀性和耐磨损性集合的SAM97（C1.2—Cr17）和ELmax，更使半导体行业塑封模具精品化。
半导体行业塑胶模具材料发展史
模具材料的热处理手段
大家知道，材料本身所具有的性能，必须通过正确的热处理手段来达到。只有良好的热处理手段，才能实现我们预想的性能期望。
根据塑封模具材料性能要求，塑封模热处理手段主要是高温淬火、深冷处理、高温回火，并多次反复，通过这些不同的处理，达到最佳的模具性能。
高温淬火
为了提高材料的刚性和耐磨损性，一般材料均需加热到1,030℃以上。高温下，各种合金元素充分溶解于奥氏体内，以便在淬火时获得高的基体硬度，同时为了保证零件不发生脱碳氧化，相应采用了真空处理。目前半导体行业内使用的高速率气淬淬火炉，可以在高真空条件下通过氮气保护对工件进行加热，既保证了工件的脱碳氧化，又防止了合金元素的蒸发。同时采用200-500Kpa范围内可调节气体压力，对工件进行淬火冷却，在保证工件充分淬透的同时又减少了变形。
深冷处理与高温回火
高合金钢在淬火后，由于其马氏体转变点（Ms点）均高于室温，为了提高硬度，保证尺寸稳定性，通常要进行深冷处理和高温回火，以保证残余奥氏体充分转变为稳定的回火马氏体。我们将经过真空淬火后的工件，在室温至100℃之间进行校正（保证工件校正后变形不回弹），然后放入-140℃的深冷处理箱中进行深冷。工件在不出炉的情况下，可以在-140℃至230℃之间进行冷热循环，保证工件不会因为进出炉而产生变形或开裂。同时由于采用氮气保护也避免了工件在回火中的氧化开裂。目前对于D2类材料，我们通常在深冷设备中直接完成-140℃深冷至230℃回火的3次循环。对于高于230℃回火的钢种如SAM97、ELmax、ASP23等，我们采用了真空回火炉，在抽真空后，加入99.999%的高纯氮气作为介质，通过吹风方向的改变来形成对流，保证了工件的温度均匀性，同时节省了回火时间。
其它辅助手段
在提高了淬火回火及深冷处理质量的同时，我们同时对工件的其它环节给予了充分的重视，过去认为的热处理工件洁净度与处理无关的观点已经被抛弃，增加洁净预处理。即将未入炉零件，通过真空清洗机进行真空去油、脱脂、干燥。去除了工件的各类加工油污和碎屑，保证了入炉工件不会带入其它杂质，避免了在高温加热时杂质分解，污染炉内环境和工件本身，从微观上保证了工件的组织洁净度和处理质量的完美性，提高了工件的使用寿命。
结束语
模具材料在不断的发展，越来越多的新材料已经和正在运用于实践，我们也将不断地更新技术，以高质低耗满足客户要求，共同赢得市场。质量是企业的生命，通过自己不断的努力，吸收国际先进模具制造技术，从材料选择到热处理再到加工，不断提高完善，力争把完美的产品与服务奉献给用户。
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(6/12/2012) |
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