ITRM970277A1 - Complesso di stampo flessibile e procedimento per stampaggio di componenti elettronici con plastiche termoindurenti su supporto metallico con tecnologia"transfer" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di Brevetto d'invenzione avente per titolo: COMPLESSO DI STAMPO FLESSIBILE E PROCEDIMENTO PER STAMPAGGIO DI COMPONENTI ELETTRONICI CON PLASTICHE TERMOINDURENTI SU SUPPORTO METALLICO CON TECNOLOGIA

“TRANSFER”

La presente invenzione si riferisce al campo generale dello stampaggio di componenti elettronici e concerne, in modo più particolare, un originale stampo composito flessibile e relativo procedimento per stampare tali componenti elettronici con plastiche termoindurenti su supporto metallico con tecnologia “transfer”.

L'idea alla base della presente invenzione nasce da una esigenza produttiva di flessibilità nell’operazione di stampaggio dei contenitori plastici, nonché di riduzione del tempo di inizio di produzione, con il quale termine si intende il tempo totale che intercorre dalla definizione delle specifiche dello stampo al rilascio dello stampo in produzione. Attualmente entrambe le esigenze sono strettamente dipendenti dal numero di stampi utilizzati in relazione ad un particolare tipo di supporto da stampare. Ciò comporta forti limitazioni perché, in presenza di un picco produttivo, non è possibile utilizzare la capacità di stampaggio libera di altri stampi. Quindi, si verifica il caso di stampi liberi non utilizzati e non utilizzabili perchè incompatibili con il supporto da stampare, anche se il contenitore finale è lo stesso.

Inoltre la riduzione del tempo di inizio della produzione è vantaggiosa anche per il fatto che esso è legato al tempo di approvvigionamento dello stampo che di volta in volta dovrà essere preventivamente realizzato in relazione alle esigenze del supporto commissionato dal cliente. É quindi chiaro che una eccessiva dilatazione dei tempi necessari per l'inizio di produzione limita fortemente la possibilità di acquisizione delle commesse.

Come è noto, i dispositivi elettronici usati nelle più svariate applicazioni, dai televisori ai computer, dagli aerei alle automobili, sono costituiti da pezzi di silicio lavorati, collegati meccanicamente ed elettricamente a piedini metallici esterni, il tutto incapsulato in un contenitore, denominato package.

Il cuore del dispositivo è costituito da una piccola porzione di silicio denominata die che si ottiene attraverso la resezione di tante piccole parti di una fetta circolare di tale elemento chimico. La fetta (denominata wafer) è ottenuta attraverso una serie complessa di lavorazioni non formanti parte della presente invenzione.

La sequenza delle fasi produttive e l’uso dei diversi materiali sono condizionati dai parametri tipologici del dispositivo da realizzare.

Con il termine di package, si individua essenzialmente un piccolo contenitore per il dispositivo elettronico, che può essere costituito con vari materiali, per esempio plastica (di tipo termoindurente o termoplastico), ceramica, metallo o misto. Nella presente invenzione verrà fatto riferimento solo ai package plastici.

Il dispositivo elettronico che si trova all'interno del contenitore plastico viene collegato con una serie di lamine metalliche, denominate piedini, anch’esse annegate nel contenitore, ma sporgenti fuori di esso, cosi da costituire un unico corpo. I piedini consentono il collegamento meccanico ed elettrico, mediante saldatura, del dispositivo elettronico al sistema applicativo (ad esempio, la scheda madre di un calcolatore, la scheda di espansione di una memoria, etc.).

Il package garantisce al dispositivo elettronico contenuto al suo interno sia la consistenza meccanica, proteggendolo dai danneggiamenti, sia la protezione dagli agenti contaminanti o degenerativi dell’ambiente (quali l’umidità, la salsedine, etc.). La scelta del package viene definita in base al volume disponibile, alla densità di integrazione, cioè al numero dei pezzi per unità di superficie, alla difficoltà e/o alla fragilità di manipolazione dei pezzi, in ragione della loro forma e dimensione.

Ogni tipo di supporto utilizzato nell’operazione di stampaggio è costituito da una banda metallica o non metallica, preincisa secondo schemi predeterminati, in un numero fisso di figure denominate leadframe o comici delle connessioni. La funzione del supporto, tra l’altro, è quella di sostenere e proteggere il dispositivo elettronico prima delle operazioni di taglio e messa in forma finale. In tale fase produttiva, una parte del supporto viene eliminata, mentre la parte residua rimane quale parte integrante del package nella forma finale.

L'operazione di stampaggio delle materie plastiche è parte del flusso produttivo di assemblaggio tipico dei componenti elettronici in package plastico. Il flusso produttivo tipico ha luogo con il seguente svolgimento:

- taglio e resezione dei die sulle fette di silicio,

- riconoscimento, prelievo e montaggio dei die sulle leadframe, - collegamento dei die ai piedini interni della leadframe,

- stampaggio dei supporti,

- placcatura,

- taglio e piega dei piedini in forma finale,

- collaudo elettrico,

- controllo meccanico del package.

Particolarmente importante è l'operazione di stampaggio che viene effettuata in varie fasi progressive con degli stampi metallici montati su presse. Lo svolgimento tipico della sequenza operativa è il seguente:

a. pulitura dello stampo tramite aspirazione o soffiatura e/o spazzolatura,

b. carico dei supporti sullo stampo,

c. chiusura dello stampo,

d. carico delle pasticche di plastica , che possono anche essere preriscaldate, nello stampo,

e. iniezione della plastica nelle cavità dello stampo (matarozza) attraverso la pressione esercitata da uno o più pistoni,

f. riempimento completo delle cavità,

g. aumento della pressione per compattare la plastica,

h. indurimento della plastica attraverso l'inizio della polimerizzazione,

i. apertura dello stampo e distacco/sollevamento dei supporti stampati dallo stampo,

l. scarico dello stampo e spostamento dei supporti stampati alla stazione di degating, cioè di rottura del punto di iniezione della plastica sul package,

m. rottura della matarozza e separazione dei supporti stampati dalla matarozza,

n. scarico degli sfridi, e

o. scarico dei supporti nei contenitori di trasporto.

Ogni stampo, qualunque sia la sua costruzione meccanica è costituito da varie parti, in particolare dalle cavità, dagli estrattori, dalle resistenze per il riscaldamento controllato dello stampo, nonché dai pistoni (in numero di uno o più) e relativi cilindri per l'iniezione delle plastiche.

Attualmente, l'operazione di stampaggio si effettua con presse di vario tipo: meccanico, elettromeccanico, pneumatico, oleodinamico. La scelta della pressa è legata al tipo di stampo da utilizzare, all’ambiente di lavoro, alla cadenza di stampa oraria, alle dimensioni dello stampo, etc.

Se ci si riferisce al tipo di caricamento delle presse, si possono individuare tre tipi: a caricamento manuale, a caricamento semiautomatico ed a caricamento completamente automatico, in funzione dei tipo di intervento umano necessario all’operazione. Di norma per pressa si intende non solo la macchina in quanto tale, ma anche il complesso degli accessori che permettono lo stampaggio delle plastiche, quali i caricatori automatici dei supporti, i caricatori delle pasticche di resine, i sistemi di iniezione della resina ed i sistemi di bloccaggio dei supporti durante l'iniezione.

Con riferimento agli stampi di tipo transfer, essi possono esser suddivisi in due grandi categorie in base al numero dei punti di iniezione e quindi al numero di pistoni esistenti:

-a un pistone, vedere la Figura 1 ,

- a più pistoni, vedere la Figura 2,

Nella prima categoria si individuano, in genere, gli stampi a caricamento manuale, di dimensioni molto grandi ed a molte cavità (più di 100 cavità); nella seconda categoria si individuano stampi completamente automatici, a più punti di iniezione, di dimensioni ridotte ed con poche cavità (meno di 100 cavità).

Su ogni pressa, qualunque sia la tipologia costruttiva, attualmente viene integrato rigidamente in genere un solo stampo (di rado si hanno integrazioni a due stampi) in modo tale che lo stampo e la pressa diventano un corpo unico regolato per il tipo di supporto da stampare.

Qualunque sia il tipo di pressa da utilizzare, è lo stampo che definisce il prodotto finale, in quanto attraverso le sue caratteristiche costruttive (forma delle cavità, forma della matarozza, etc.) si ottiene il package plastico.

Lo stampo viene costruito in base ai disegni del package da realizzare (disegni delle cavità), alle dimensioni del supporto su cui sono montati i die , ai risultati delle simulazioni al calcolatore del comportamento della plastica durante l'iniezione ed il riempimento delle cavità ed alle caratteristiche fisiche della plastica utilizzata (viscosità, spirai flow, tempo di gelificazione, usura dei punti di iniezione, etc.), in modo che, alla temperatura di iniezione della plastica, le dimensioni dei supporti e delle cavità dello stampo coincidano perfettamente, così da eliminare la possibilità di stampaggio decentrato tra package e leadframe, la velocità di iniezione della resina, calcolata in funzione del tipo di plastica da iniettare, sia tale da non danneggiare i fili micrometrici di collegamento tra il die ed il supporto metallico, il riempimento delle cavità avvenga il più possibile contemporaneamente ed il riempimento delle parti di cavità inferiori e superiori avvenga contemporaneamente, in modo che la giunzione avvenga nel punto di separazione.

Riassumendo, quindi, ogni stampo è definito dalle dimensioni del supporto, dal passo tra le figure o leadframe del supporto, dal numero di tali figure e dal tipo di materiale del supporto.

Tutto quanto sopra descritto fa sì che lo stampo risulti estremamente rigido, con quasi impossibilità di procedere ad alcun cambiamento dei materiali. Ciò è tanto vero che, a parità di forma del contenitore e di identità della plastica utilizzata, viene normalmente ed univocamente costruito un solo stampo.

Tale rigidità dello stampo costringe gli utilizzatori ad acquistare un numero di stampi e relative presse o kit di conversione, in relazione al numero di supporti da stampare, con risultante ridondanza di attrezzature e quindi costi maggiori, essendo gli stampi estremamente costosi.

Inoltre, le limitazioni costringono ulteriormente l’utilizzatore a dotarsi di una capacità produttiva maggiore di quella corrispondente effettivamente alla sua produzione media, allo scopo di far fronte ai picchi di produzione, in quanto la capacità installata, a parità di contenitore in esame, è dedicata unicamente ad un singolo supporto specifico.

in buona sostanza, si potranno avere tante piccole capacità installate, però non intercambiabili tra loro.

Un ulteriore aspetto da non sottovalutare è che la specializzazione delle attrezzature causata dalla mancanza di flessibilità, oltre a provocare un aumento dei costi, determina un sensibile aumento dello spazio necessario ed una dilatazione dei tempi di inizio della produzione, che sono legati ai tempi di approvvigionamento degli stampi.

In vista di quanto sopra, lo scopo generale della presente invenzione è di realizzare un sistema di stampaggio flessibile che consenta l’adeguamento dello stampo stesso contestualmente alla variazione dei supporti.

Questo scopo viene raggiunto a mezzo di un complesso di stampo flessibile per stampaggio di contenitori o package per componenti elettronici con plastiche termoindurenti su supporto metallico recante una serie di figure o leadframe, caratterizzato dal fatto che consiste di una o due file di ministampi indipendenti, distanziati uno dall’altro di una distanza regolabile in stretta corrispondenza della dimensione di una figura, ognuno composto da due cavità che riproducono il contenitore da stampare e comprendente gli estrattori e due condotti di iniezione confluenti in un unico punto di iniezione della plastica di stampaggio, ogni ministampo incorporando inoltre nella sua struttura costruttiva i termoriscaldatori, le relative sonde di controllo della temperatura, i pistoni e relativi cilindri per l'iniezione della resina.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati, in cui è rappresentata a titolo illustrativo e non restrittivo la preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

la Figura t mostra uno stampo di tipo transfer ad un pistone secondo la tecnica precedente,

la Figura 2 mostra uno stampo di tipo transfer a più pistoni secondo la tecnica precedente,

la Figura 3 mostra un esempio di stampo a sedici cavità, ministampi, parte superiore e parte inferiore, secondo la presente invenzione,

la Figura 4 mostra la parte superiore dei ministampi secondo la presente invenzione,

la Figura 5 mostra la parte inferiore dei ministampi secondo la presente invenzione.

Con riferimento ora ai disegni ed in particolare alle Figure 3, 4 e 5, si vede che il sistema di stampaggio secondo la presente invenzione è costituito da uno stampo particolare unitamente a tutti i sistemi di movimentazione, regolazione del passo (cioè della distanza tra figura a figura) ed iniezione che sono necessari per il suo funzionamento.

Il cuore del sistema secondo la presente invenzione è costituito da una serie di ministampi indipendenti, ognuno composto da due cavità, assemblati in modo tale che sia possibile regolare la distanza tra gli stessi. Ciò permette al sistema di stampaggio così realizzato di adattarsi perfettamente a qualsiasi tipo di supporto, comunque disegnato.

Si vede in particolare che questo nuovo tipo di stampo composito è costituito da due file di ministampi indipendenti, distanziati uno dall’altro di una distanza strettamente corrispondente alla dimensione di una figura o leadframe. In altre parole, ogni supporto viene stampato in modo alternato (cioè una figura si ed una no) in due passaggi i cicli parziali, su due file di ministampi a distanza complementare.

Esempio applicativo: se il supporto comprende otto figure o leadframe, lo stampo composito della presente invenzione comprenderà due file, ciascuna di quattro ministampi da due cavità, per un totale di sedici cavità e nello stampo composito saranno contemporaneamente presenti quattro supporti.

In ogni ciclo produttivo, quindi, verranno lavorati contemporaneamente quattro supporti: due supporti per ogni fila di ministampi.

Ogni ciclo di funzionamento è diviso in due sottocicli contemporanei e complementari: mentre una fila di ministampi stampa una figura si ed una no su due supporti, l’altra file stampa le figure rimanenti su altri due supporti già semilavorati

Con riferimento alla Figura 5, si vede che ogni ministampo è costituito da due cavità che riproducono il package da stampare, dagli estrattori e da due rami confluenti in un unico punto di iniezione. Inoltre, il ministampo incorpora nella sua struttura costruttiva i termoriscaldatori, le relative sonde di controllo della temperatura, i pistoni ed i relativi cilindri per l'iniezione della resina.

Ogni ministampo riproduce esattamente, seppure in scala ridotta, le condizioni di funzionamento di uno stampo attuale di dimensioni maggiori ed ogni ministampo verrà via via disegnato esattamente come un normale stampo attuale.

Poiché le figure dei supporti sono riunite in una striscia ed i ministampi sono separati ed indipendenti, ma, tuttavia, debbono operare sulle figure alternate di detti supporti e poiché le dimensioni dei supporti ed in particolare il passo di dette figure sono variabili, i sistemi di regolazione della distanza tra i ministampi e la centratura del supporto costituiscono insieme ai ministampi la parte fondamentale del sistema.

La distanza tra i ministampi può essere regolata sia manualmente (tramite appositi meccanismi), sia tramite motori ipasso -passo. I ministampi possono essere inseriti in modo scorrevole in una guida metallica che agevoli la regolazione della distanza. Essendo consentito il solo movimento parallelo all’asse, ne segue che il posizionamento dei ministampi avviene con maggiore precisione.

La centratura del supporto sullo stampo avviene nello spazio libero tra due ministampi, dove i fori del supporto possono essere facilmente raggiunti da un braccio meccanico regolabile e termoriscaldato nei due assi. L’operazione effettiva di centratura viene eseguita manualmente attraverso lo spostamento del braccio di fissaggio, in modo da consentire che l’intera fila di ministampi venga correttamente posizionata contemporaneamente.

Questa operazione viene effettuata soltanto in fase di inizializzazione dello stampo verso il supporto e non viene ripetuta durante il corso della lavorazione. Solo in fase di manutenzione preventiva durante il controllo della centratura degli stampi, può essere, in caso di necessità, regolata la distanza.

Secondo la presente invenzione, i sistemi di iniezione della resina sono costituiti da singoli pistoni, uno per ogni cavità dello stampo, controllati elettronicamente nei parametri di pressione e spostamento del punto di iniezione. Tali sistemi possono essere movimentati sia contemporaneamente, sia a coppia.

La diversità del sistema secondo la presente invènzione rispetto ai sistemi della tecnica precedente consiste, in termini generali, nell'aver previsto e sezionato il meccanismo unico di iniezione in una molteplicità di sottosistemi perfettamente identici ed indipèndenti, ciascuno dei quali, però, può controllare un solo pistonè. Ciò, comunque, garantisce la regolazione degli stampi lasciando inalterate le condizioni di iniezione della resina, come negli stampi attuali.

Sotto l’aspetto operativo, il procedimento di stampaggio eseguito con il sistema della presente invenzione viene leggermente modificato rispetto alla sequenza tipica, in quanto, per ogni ciclo operativo, vengono stampati sul supporto la metà dei contenitori; quindi, per stampare completamente un supporto, sono necessari due cicli parziali di lavorazione per ogni supporto, i quali avvengono contemporaneamente su due file di ministampi, così ripartiti:

Primo ciclo parziale:

- pulitura della prima fila di stampi mediante aspirazione;

- carico dei supporti sugli stampi della prima fila,

- chiusura degli stampi,

- carico delle pasticche nei cilindri,

- iniezione della plastica nelle cavità, attraverso la pressione esercitata dai pistoni,

-riempimento completo delie cavità,

- aumento della pressione per compattare la plastica, indurimento della plastica mediante inizio; della polimerizzazione,

- apertura degli stampi e distacco/sollevamento dei supporti stampati,

- scarico degli stampi e spostamento dei supporti stampati alla stazione di degating,

- rottura delle matarozze e separazione dei supporti stampati dalla matarozza,

- scarico degli sfridi

Secondo ciclo parziale:

- pulitura dello stampo tramite aspirazione,

- carico dei supporti parzialmente stampati, sfalsati di una figura, sulla seconda fila di stampi (completamento stampaggio dei due supporti),

- chiusura della seconda fila di stampi,

- carico delle pasticche nei cilindri,

- iniezione della plastica nelle cavità attraverso la pressione esercitata dai pistoni,

- riempimento completo delle cavità,

- aumento della pressione per compattare la plastica,

indurimento della plastica mediante inizio della polimerizzazione,

- apertura degli stampi e separazione dei supporti stampati dalla matarozza,

- scarico degli stampi,

- scarico degli sfridi,

- carico dei supporti nei contenitori di trasporto.

Dalle caratteristiche precedentemente delineate, si deduce che (a struttura di stampo secondo la presente invenzione può . essere adattata ad ogni tipo di supporto e ciò costituisce la soluzione a tutti i problemi di rigidità applicativa, sia di natura dimensionale,' sia di tipologia dei materiali utilizzati. La flessibilità totale della capacità operativa installata consente all'utilizzatore, a parità di package lavorati, una serie di notevoli vantaggi:

- quello immediato della riduzione dei costi di produzione, legato alla possibilità di acquistare un minor numero di costosissimi stampi,

- la riduzione dei tempi di inizio della produzione, perchè non vi è più la necessità di reperire gli stampi adatti ad ogni produzione, ma basta adattare quelli già disponibili,

- la riduzione del tempio di campionamento di nuovi prodotti, per cui diventa possibile acquisire contemporaneamente nuove commesse, anche diverse.

Le caratteristiche principali della soluzione secondo la presente invenzione possono così essere riepilogate:

- adattabilità del sistema ad ogni tipo di supporto,

- adattabilità dello stampo ad ogni tipo di materiale,

- possibilità di disegnare ed acquisire gli stampi, per un certo tipo di contenitore, in anticipo, così da ridurre al minimo i tempi di inizio di produzione,

- flessibilità della capacità installata, grazie alla possibilità di adattare gli stampi ai supporti, con conseguente riduzione dei costi fissi delle macchine,

- eliminazione dei costi di conversione dei trasporti delle presse,

- riduzione dello spazio globale occupato,

- aumento dell’indice di utilizzazione delle macchine, con conseguente riduzione del costo di ammortamento.

In conclusione, l’impiego di ministampi a due cavità secondo la presente invenzione, su file parallele ed operanti in contemporanea su due supporti sfalsati, da un lato, è equivalente ad un sistema rigido secondo la tecnica precedente, da un punto di vista produttivo e qualitativo, e, dall'altro lato, permette al complesso dello stampo di adattarsi e di non dover essere disegnato appositamente per ogni tipo di supporto.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Complesso di stampo flessibile per stampaggio di contenitori o package per componenti elettronici con plastiche termoindurenti su supporto metallico recante una serie di figure o leadframe, caratterizzato dal fatto che consiste di una o due file di ministampi indipendenti, distanziati uno dall'altro di una distanza regolabile in stretta corrispondenza della dimensione di una figura, ognuno composto da due cavità che riproducono il contenitore da stampare e comprendente gli estrattori e due condotti di iniezione confluenti in un unico punto di iniezione della plastica di stampaggio, ogni ministampo incorporando inoltre nella sua struttura costruttiva i tenmoriscaldatori, le relative sonde di controllo della temperatura, i pistoni e relativi cilindri per l'iniezione della resina. 2.- Complesso di stampo flessibile secondo la Figura 1, caratterizzato dal fatto che detti ministampi sono montati in modo scorrevole su una guida metallica e la distanza fra di essi è regolabile lungo detta guida con mezzi manuali oppure mediante motori passopasso. 3.- Complesso di stampo flessibile secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende sistemi di iniezione della resina costituiti da singoli pistoni, uno per ogni cavità dello stampo, controllati elettronicamente nei parametri di pressione, temperatura e spostamento del punto di iniezione della resina, tali sistemi essendo movimentabili sia in modo contemporaneo, sia a coppia. 4 - Procedimento per lo / Stampaggio di componenti elettronici con plastiche termoindurenti su supporto metallico recante una molteplicità di figure a mezzo di una o due file di ministampi indipendenti distanziati di una figura uno dall’altro secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che ogni supporto viene stampato in modo alternato, una figura si ed una no, in due passaggi o cicli parziali di lavorazione su due file di ministampi a distanza complementare. 5 - Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto primo ciclo parziale di lavorazione comprende le seguenti operazioni: - pulitura della prima fila di stampi mediante aspirazione, - carico dei supporti sugli stampi della prima fila, - chiusura degli stampi, - carico delle pasticche nei cilindri, - iniezione della plastica nelle cavità, attraverso la pressione esercitata dai pistoni, -riempimento completo delle cavità, - aumento della pressione per compattare la plastica, indurimento della plastica mediante inizio della polimerizzazione, - apertura degli stampi e distacco/sollevamento dei supporti stampati, - scarico degli stampi e spostamento dei supporti stampati alla stazione di degating, - rottura delle matarozze e separazione dei supporti stampati dalla matarozza, - scarico degli sfridi. 6.- Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto secondo ciclo parziale di lavorazione comprende le seguenti operazioni: - pulitura dello stampo tramite aspirazione, - carico dei supporti parzialmente stampati, sfalsati di una figura, sulla seconda fila di stampi (completamento stampaggio dei due supporti), - chiusura della seconda fila di stampi, - carico delle pasticche nei cilindri, - iniezione della plastica nelle cavità attraverso la pressione esercitata dai pistoni, - riempimento completo delle cavità, - aumento della pressione per compattare la plastica, indurimento della plastica mediante inizio della polimerizzazione, - apertura degli stampi e separazione dei supporti stampati dalla matarozza, - scarico degli stampi, - scarico degli sfridi, - carico dei supporti nei contenitori di trasporto. 7.- Complesso di stampo flessibile e procedimento per stampaggio di componenti elettronici con plastiche termoindurenti su supporto metallico secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1 - 3 e 4 - 6, rispettivamente, e sostanzialmente come descritti e rappresentati.