鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷研究

潘明東 朱悅 楊陽(yáng) 徐一飛 陳益新

（長(zhǎng)電科技宿遷股份公司）

摘要：

鋁帶鍵合作為粗鋁線鍵合的延伸和發(fā)展，鍵合焊點(diǎn)根部損傷影響了該工藝的發(fā)展和推廣，該文簡(jiǎn)述了鋁帶鍵合工藝過程，分析了導(dǎo)致鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷的制程因素：不同型號(hào)鋁帶劈刀端面設(shè)計(jì)對(duì)鍵合點(diǎn)根部損傷的影響；鋁帶劈刀端面沾污積鋁會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)根部損傷加??；導(dǎo)線管高度過高會(huì)導(dǎo)致第一焊點(diǎn)鍵合點(diǎn)根部機(jī)械損傷；引線框架管腳壓合狀態(tài)調(diào)試不當(dāng)會(huì)直接導(dǎo)致鋁帶根部斷裂；鍵合參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)對(duì)鍵合點(diǎn)根部過應(yīng)力損傷。

0 引言

近些年鋁帶來作為一種新型的焊接材料，因?yàn)榫哂懈鼉?yōu)良的導(dǎo)電性能、極小的接觸電阻、較高熱疲勞能力等特性，在功率器件中逐漸取代傳統(tǒng)的粗鋁絲鍵合，特別隨著小型化和集成化的發(fā)展，已經(jīng)在小型貼片封裝SOP 和PDFN 中批量性地發(fā)展起來[1]。但在大規(guī)模推廣應(yīng)用階段發(fā)現(xiàn)鋁帶鍵合根部極易發(fā)生斷裂和損傷，如圖1 所示，并影響產(chǎn)品最終的電性測(cè)試。

因?yàn)殇X帶鍵合點(diǎn)根部是鋁帶整段線弧中受過機(jī)械外力擠壓摩擦且厚度最薄的區(qū)域，使用Dage4000 對(duì)鋁帶產(chǎn)品線弧部分進(jìn)行推力測(cè)試，80%產(chǎn)品斷裂區(qū)域均位于鋁帶鍵合點(diǎn)根部，所以鋁帶鍵合點(diǎn)根部是整個(gè)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度最弱的地方。對(duì)鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷產(chǎn)品進(jìn)行電性測(cè)試，異常產(chǎn)品的Rdson 電性參數(shù)均超出規(guī)范；因此如何增強(qiáng)鋁帶鍵合點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度并避免鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷，已經(jīng)成為制約鋁帶鍵合工藝發(fā)展和推廣的主要難題。本文分析了鋁帶鍵合工藝原理和過程，確認(rèn)了導(dǎo)致鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷的主要原因，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 鋁帶鍵合工藝介紹

作為粗鋁線鍵合的發(fā)展和延伸，鋁帶鍵合同樣屬于引線鍵合工藝的一種，是在常溫下通過超聲鍵合接將芯片焊接區(qū)與引線框架管腳焊接區(qū)域使用鋁帶連接起來的工藝技術(shù)。

從材質(zhì)角度分析，鋁帶材料組成和機(jī)械特性與粗鋁線幾乎一致，均采用純度99.99%摻雜少量鎂、硅等微量元素的高純鋁線。

從線徑角度劃分，因?yàn)殇X帶的矩形截面取代了鋁線的圓形截面，按鋁帶的厚度和寬度確認(rèn)其線徑，鋁帶寬度指標(biāo)有20mil、30mil、40mil、60mil 和80mil 等，鋁帶厚度指標(biāo)有4mil、6mil、8mil 和10mil 等。

從輔助材料分析，鋁帶鍵合焊接所用劈刀與鋁線鍵合材質(zhì)相同，均為碳化鎢鋼，但劈刀端面是矩形，端面由不同圖案的凸點(diǎn)構(gòu)成，根據(jù)線徑的不同同樣需要設(shè)計(jì)不同性質(zhì)的鋁帶劈刀，其他配套的輔助工具，如導(dǎo)線管(wire guide),穿線管(tube)以及切斷粗鋁線的特制切刀(cutter)等與鋁線工藝鍵合一致，僅形狀略有差異。

鋁帶鍵合焊接過程如下：

(1)設(shè)備圖像系統(tǒng)識(shí)別芯片焊接區(qū)域，焊頭降至芯片焊接區(qū)域上方，超聲焊接完成第一焊點(diǎn)鍵合；

(2)焊頭帶動(dòng)鋁帶移動(dòng)至框架管腳焊接區(qū)域上方，超聲焊接完成第二焊點(diǎn)鍵合；

(3)焊頭帶動(dòng)向后移動(dòng)，切刀落下切斷鋁帶，完成產(chǎn)品焊接過程。

鋁帶鍵合過程示意圖如圖2 所示。

2 失效過程原因分析

2.1 劈刀端面設(shè)計(jì)差異

根據(jù)鋁帶鍵合劈刀端面凸點(diǎn)設(shè)計(jì)不同，窄間距的462 系列和寬間距的470 系列如圖3 所示，其中窄間距的462系列鋁帶劈刀采用密集凸點(diǎn)端面設(shè)計(jì)，與470 劈刀相比可以在更小的焊接平面上帶來更高的焊接強(qiáng)度，但兩側(cè)端面凸起同樣會(huì)導(dǎo)致鋁帶鍵合焊接點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度降低。

2.2 劈刀端面粘鋁沾污

鋁帶在鋼制劈刀的固定下與焊接區(qū)域金屬層摩擦、形變完成焊接過程，傳輸過程中劈刀端面同樣會(huì)與鋁帶摩擦并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此隨著焊接次數(shù)的增加，如圖4 所示鋁帶劈刀端面的磨損和鋁屑會(huì)越積越多，大量的鋁屑累積在劈刀端面，不僅會(huì)造成焊接強(qiáng)度損失，端面凸點(diǎn)面積增大同樣會(huì)加劇鋁帶焊點(diǎn)根部損傷。

2.3 焊接時(shí)線弧夾角過大

鋁帶焊接的過程示意圖如5 所示，鋁帶第一焊點(diǎn)焊接過程中鋁條帶被導(dǎo)線管固定住方向和角度，鍵合點(diǎn)與線弧產(chǎn)生折角α，其受力點(diǎn)為鋁帶鍵合點(diǎn)根部；所以鋁鍵合點(diǎn)與線弧間的折角α同樣會(huì)影響鍵合點(diǎn)根部的機(jī)械強(qiáng)度，折角α 角度越大鍵合點(diǎn)根部的機(jī)械強(qiáng)度損傷越小。

2.4 壓合狀態(tài)不良

鋁帶鍵合采用的是常溫超聲壓合焊接，對(duì)壓合狀態(tài)要求極高，而與傳統(tǒng)的TO 系列分立器件不同，貼片式PDFN 和SOP 系列封裝使用的框架更具有高密度、高精度和低厚度的特點(diǎn)，Lead frame 的厚度僅有0.25mm，作業(yè)難度極高。

以PDFN 框架管腳壓合為例，設(shè)計(jì)師采用的是倒梯型墊塊的設(shè)計(jì)方案如圖6 所示，V 型墊塊卡住框架管腳最重要的Y方向的位移，管腳兩側(cè)配備壓爪機(jī)械壓合固定X 和Z 軸的位移，如圖7 所示框架管腳平面的6 個(gè)方向均被牢牢鎖定，可以保證在不損傷超薄框架的情況下完成超聲焊接。

經(jīng)驗(yàn)證框架管腳固定不牢會(huì)導(dǎo)致焊接點(diǎn)強(qiáng)度偏低，框架管腳焊接區(qū)域傾斜且與焊頭非垂直時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋁帶焊點(diǎn)根部斷裂如圖8 所示。

2.5 焊接參數(shù)過焊接

為了保證鍵合點(diǎn)的焊接強(qiáng)度，最直接的方式就是增加鋁帶鍵合過程中的焊接參數(shù)功率、壓力和時(shí)間，忽略了焊接參數(shù)增加帶來的鍵合點(diǎn)深度降低和劈刀積鋁速度加快等問題，這些都會(huì)導(dǎo)致鋁帶鍵合點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度的加劇損傷。

3 制程過程控制

3.1 劈刀選型及管控

鋁線劈刀端面沾污積鋁問題目前業(yè)內(nèi)還無法完全解決，目前通過卡控單次上機(jī)壽命和總壽命對(duì)鋁帶劈刀安排循環(huán)使用，可以保證劈刀端面在積鋁和磨損嚴(yán)重之前被更換；

針對(duì)劈刀選型問題，在芯片表面焊接面積足夠的情況下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員優(yōu)先選用470 系列劈刀，可以有效從設(shè)計(jì)端降低鋁帶根部損傷的風(fēng)險(xiǎn), 如果必須采用462型號(hào)劈刀，可以在批量性的清洗壽命驗(yàn)證試驗(yàn)后，同比降低該型號(hào)劈刀的單次上機(jī)使用壽命和總壽命，借此來保證鋁帶鍵合產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2 工夾具調(diào)試要求

參考圖9 所示，影響鋁帶焊接時(shí)鍵合點(diǎn)與線弧間的折角α 角度大小，第一焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是導(dǎo)向管的調(diào)節(jié)高度，第二焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)品的弧度和弧高；因此定義導(dǎo)線管調(diào)節(jié)高度上限和產(chǎn)品弧高上限，即可保證鋁帶鍵合焊接點(diǎn)的根部機(jī)械強(qiáng)度。

3.3 壓合狀態(tài)及框架精度管控

貼片式PDFN 和SOP 系列封裝使用的薄型框架需要進(jìn)行更高的精度管控，影響框架管腳區(qū)域尺寸列入檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)圖紙，并統(tǒng)計(jì)確認(rèn)不同批次的框架。

產(chǎn)品導(dǎo)入調(diào)試時(shí)，設(shè)備工程人員嚴(yán)格按照壓合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，校準(zhǔn)并測(cè)量壓爪、墊塊、框架和芯片的相對(duì)間距，保證均處于安全間距范圍之內(nèi)。

產(chǎn)品調(diào)試完成后，設(shè)備工程人員檢驗(yàn)框架的壓合狀態(tài)，框架管腳壓痕印記形狀和位置進(jìn)行檢查，壓合印記要求呈清晰線狀壓痕，且同一行的產(chǎn)品壓爪印記位置相同；

產(chǎn)品驗(yàn)收和量產(chǎn)階段，操作人員固定時(shí)間或固定數(shù)量進(jìn)行抽檢確認(rèn)，并在制程變更時(shí)，送樣進(jìn)行破壞性檢測(cè)，由QC 監(jiān)控鋁帶弧度的推力數(shù)據(jù)是否超出SPEC。

3.4 鍵合參數(shù)DOE 驗(yàn)證

鋁帶鍵合焊接參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，量產(chǎn)過程中通常會(huì)采用DOE 試驗(yàn)的方法確定最佳焊接參數(shù)窗口，具體方案如下：

(1)材料及設(shè)備準(zhǔn)備：采用OE 原廠的7200 設(shè)備和462 型號(hào)劈刀，鋁線選用SPM 40*4 鋁帶；

(2)試驗(yàn)因子選擇：經(jīng)驗(yàn)證StartPower/Bond Power/StartForce/Bond Force 品的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，參數(shù)過小接近下限會(huì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度過低甚至虛假焊接，參數(shù)過大接近上限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致劈刀積鋁速度過快和鍵合點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度減低；芯片和管腳的焊接參數(shù)需要區(qū)分管控，因不同型號(hào)芯片鋁層厚度不一，芯片焊接參數(shù)DOE 試驗(yàn)時(shí)需考慮鋁層脫落、一焊點(diǎn)不沾和壓區(qū)彈坑等問題[2]，本文僅以框架管腳的焊接參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，因子水平表如表1 所示，保證無焊接失效和鍵合點(diǎn)根部損傷等問題。

(3)響應(yīng)變量確認(rèn)：綜合上文所述，采用Dage4000對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鍵合點(diǎn)焊接強(qiáng)度測(cè)試(Wedge Shear)和弧度推力測(cè)試(Wire Shear)，綜合比對(duì)數(shù)據(jù)的均值、方差和cpk等確認(rèn)最佳參數(shù)窗口。

(4)最終的優(yōu)化參數(shù)窗口如表2 所示，合格產(chǎn)品如圖10 所示。

4 結(jié)論

鋁帶鍵合點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度受劈刀端面狀況、工夾具調(diào)試水平、焊接平面壓合狀態(tài)和焊接參數(shù)等影響較大，為了避免鍵合點(diǎn)根部損傷，需要在劈刀端面設(shè)計(jì)、劈刀壽命管控、框架尺寸精度和焊接工藝參數(shù)等方面進(jìn)行加嚴(yán)管控，方可保證鋁帶產(chǎn)品的質(zhì)量。