將IC注塑到一個(gè)連接器或消耗品內(nèi)

摘要：注塑是將集成電路(IC)嵌入到醫(yī)療傳感器或者消耗品中的常見(jiàn)方法。這篇應(yīng)用筆記討論了在選擇塑料材質(zhì)時(shí)應(yīng)特別注意的事項(xiàng)。同時(shí)也討論了在注塑過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度以避免連接IC和基座的焊膏發(fā)生融化或液化。本文列舉了多種注塑材料，解釋了為什么并不是所有材料都能滿足醫(yī)療設(shè)備殺菌過(guò)程的要求。僅有少數(shù)幾種殺菌方式能同時(shí)兼顧注塑材料和IC的特性。文中還列舉了在消耗品中完成IC注塑的例子。

引言

在醫(yī)療傳感器、消耗品及線纜中嵌入集成電路(IC)已屢見(jiàn)不鮮。這項(xiàng)技術(shù)的概念及優(yōu)勢(shì)已得到廣泛認(rèn)知1。但是，僅有少數(shù)幾家公司掌握了相關(guān)的制造技術(shù)并且能夠根據(jù)應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)淖⑺懿牧?。本文介紹了注塑過(guò)程以及關(guān)鍵的溫度參數(shù)，探討了如何為具體應(yīng)用選擇適合的注塑材料。

什么是注塑?

注塑是強(qiáng)制融化了的注塑材料通過(guò)一個(gè)噴口注入到塑模腔的過(guò)程。塑模腔起初可以是空腔，也可以包含由注塑材料包圍的物體。圖1所示為簡(jiǎn)化的注塑機(jī)示意圖2。注塑材料以顆粒狀進(jìn)入注塑機(jī)，然后通過(guò)螺旋狀活塞將顆粒傳送至一個(gè)連接到噴口的加熱管道，沿管道方向通常有三個(gè)加熱區(qū)域，稱為后區(qū)、中區(qū)和前區(qū)。前區(qū)鄰近噴口，是溫度最高的部分。在注入噴口途中，注塑顆粒逐漸融化并且密度均勻，在高壓下它們被注入到塑模腔，隨后注塑材料被迅速冷卻硬化。之后打開(kāi)塑模腔，即可取出注塑好的物體，進(jìn)行下一次注塑操作。注塑材料的數(shù)據(jù)資料將會(huì)給出注塑過(guò)程條件下的區(qū)域以及塑模溫度要求。

圖1. 注塑機(jī)典型結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵溫度

除了壓力和填充速度外，溫度也是注塑過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，溫度對(duì)注塑物體來(lái)說(shuō)也很重要。IC本身可以在短時(shí)間內(nèi)承受最高300°C的高溫而不會(huì)損壞。如果被塑封的IC通過(guò)引線連接到基座(電路板)或該IC采用帶有彎曲引腳的塑料封裝，或其封裝是帶有裸焊盤(pán)的SFN封裝時(shí)3，允許出現(xiàn)300°C的高溫。但如果IC芯片焊接到電路板上，那么注塑溫度將與IC封裝是否含鉛(Pb)有關(guān)。無(wú)鉛IC (塑料封裝或管芯焊球，也稱倒裝芯片、UCSP?或WLP)需要無(wú)鉛焊劑，熔點(diǎn)溫度約為217°C。傳統(tǒng)的塑料封裝IC或是符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的管芯焊球需要標(biāo)準(zhǔn)焊劑(Sn/Pb 63/37)，其熔點(diǎn)溫度約為183°C。熔點(diǎn)溫度不可與回流箱溫度設(shè)置混淆，對(duì)無(wú)鉛產(chǎn)品來(lái)說(shuō)回流箱溫度設(shè)置在235°C，而標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)置在215°C。

正確選擇注塑材料

大約有30,000種不同類型的注塑材料可供選擇4，找到一種合適的注塑材料似乎并不容易。然而，一旦了解了不同材料的特性，這項(xiàng)任務(wù)就變得輕松了5。

市面上有熱凝性塑料，它們只能一次性加熱并通過(guò)注塑機(jī)。環(huán)氧樹(shù)脂，一種常見(jiàn)的IC封裝塑料就是這種熱凝性塑料。一旦進(jìn)入處理流程，無(wú)論外界溫度多少，熱凝性塑料都將保持固體狀態(tài)。市面上也有一些熱融性塑料，加熱后即可融化。熱融性塑料具有無(wú)定形或半晶體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將影響它們的穩(wěn)定性、化學(xué)性質(zhì)/抗腐性6, 7，這些結(jié)構(gòu)也決定了它們是否適合某種殺菌方式。表1列舉了注塑可用的塑料材質(zhì)。

表1. 常用的注塑塑料材質(zhì)

說(shuō)明：

AUT：非常適合高壓滅菌場(chǎng)合的材料。

ETO：非常適合乙烷滅菌場(chǎng)合的材料。

CD：非常適合二氧化氯消毒滅菌場(chǎng)合的材料。

VHP：非常適合汽化過(guò)氧化氫滅菌場(chǎng)合的材料。

RAD：非常適合伽馬射線或電子束滅菌場(chǎng)合的材料。

(rad)：這種材質(zhì)的特性會(huì)改變，比如在伽馬射線或電子束環(huán)境下，這種材料會(huì)褪色。

上表中的溫度數(shù)據(jù)取自RTP公司網(wǎng)站11。隨著壓力和注塑溫度的不同，每種材料又有不同的變體。其它的供應(yīng)商也可提供相同類型的塑料材料，但處理要求略有不同。諸如加強(qiáng)纖維、干粉顏料、阻燃復(fù)合物、導(dǎo)電增強(qiáng)劑之類的添加劑也會(huì)影響到注塑處理流程。作為一個(gè)基本原則，用戶應(yīng)根據(jù)注塑流程規(guī)定的噴口溫度或前區(qū)溫度要求來(lái)選擇合適的塑料材質(zhì)。如果注塑溫度是183°C，那么可選擇的塑料材質(zhì)將很有限。如果是217°C，表1中多數(shù)材料都可以使用。諸如尼龍(PA)或聚苯二甲酸乙二醇酯(PET)這類材料，只能用于IC沒(méi)有焊接到基板的情況下。注塑材料在注塑腔內(nèi)迅速冷卻，總之，用戶應(yīng)當(dāng)確保當(dāng)塑料材質(zhì)進(jìn)入注塑流程后，其環(huán)境溫度不會(huì)超出關(guān)鍵溫度要求。

殺菌要求

醫(yī)療產(chǎn)品通常需要滅菌，在產(chǎn)品有效使用期限內(nèi)，這樣的過(guò)程通常會(huì)有一次或多次。常見(jiàn)的滅菌方法有：高壓滅菌、乙烷(ETO)滅菌、二氧化氯(CD)消毒滅菌、過(guò)氧化氫(VHP)殺菌、過(guò)氧化氫等離子滅菌、以及伽馬射線或電子束滅菌。表1中的滅菌過(guò)程的兼容性信息摘自不同出版物。過(guò)氧化氫等離子滅菌的相關(guān)報(bào)告在編寫(xiě)本文時(shí)并未找到。任何情況下，在測(cè)試方法及細(xì)節(jié)未完全確定之前，都應(yīng)謹(jǐn)慎處理。對(duì)于包含IC的產(chǎn)品，比較適合的滅菌方式是ETO和CD。盡管高壓滅菌、過(guò)氧化氫殺菌過(guò)程中高溫或真空狀態(tài)會(huì)影響內(nèi)部電池或浮柵存儲(chǔ)器單元，但總的來(lái)說(shuō)這兩種方法也可以接受。由于過(guò)氧化氫氣體等離子體滅菌、放射線(伽馬射線或電子束)滅菌過(guò)程會(huì)損壞IC，不推薦使用這兩種方法。

超出關(guān)鍵溫度限制時(shí)

如果當(dāng)塑料進(jìn)入注塑過(guò)程時(shí)所處的環(huán)境溫度過(guò)高，那么焊接IC的焊劑將會(huì)融化或液化。高溫塑料進(jìn)入注塑腔后，它們就會(huì)推動(dòng)IC使其脫離基板的焊盤(pán)。焊劑會(huì)進(jìn)入注塑材料或造成IC短路，最終使產(chǎn)品報(bào)廢或不可靠。因此，設(shè)置合適的溫度非常關(guān)鍵。

任何時(shí)候都有可能發(fā)生注塑溫度超出焊接熔點(diǎn)溫度的情況。這種情況下，用戶可以考慮使用兩步注塑法：首先使用低于門(mén)限的溫度處理;然后使用高于門(mén)限的溫度處理塑料。這樣，通過(guò)合理選擇尺寸和時(shí)機(jī)進(jìn)行溫度回流，第一步所用材料的熱慣性會(huì)保護(hù)IC不被第二步中的過(guò)高溫度所損壞。

實(shí)例

應(yīng)用筆記47021描述了一個(gè)內(nèi)含采用TO92封裝的1-Wire?器件的DB9連接器。應(yīng)用中，TO92封裝的IO和GND引腳連接到DB9連接器中的2個(gè)引腳，NC (無(wú)連接)引腳被切除。這樣的結(jié)構(gòu)使得塑料材質(zhì)的可選范圍最大化，因?yàn)闆](méi)有任何焊接部分。圖2給出了注塑之前的DB9連接器，在圖中可以清楚的看到TO92封裝。

圖2. 注塑前的DB9連接器及內(nèi)置的TO92封裝1-Wire器件

結(jié)論

注塑是將IC芯片嵌入醫(yī)療傳感器及消耗品中的常用方法。在選擇塑料材質(zhì)時(shí)要特別謹(jǐn)慎，因?yàn)樗芰喜馁|(zhì)的熔點(diǎn)溫度不能融化連接IC和基板的焊劑;同時(shí)所選塑料材質(zhì)也許并不適合醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)合，因此僅有少數(shù)幾種滅菌過(guò)程能夠滿足塑料材質(zhì)和IC的要求。