鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷研究：提升半導(dǎo)體封裝質(zhì)量

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，小型化和集成化已成為行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。在這種背景下，鋁帶鍵合作為一種新型的半導(dǎo)體封裝工藝，因其優(yōu)良的導(dǎo)電性能、極小的接觸電阻以及較高的熱疲勞能力等特性，逐漸在功率器件中取代了傳統(tǒng)的粗鋁絲鍵合，尤其在小型貼片封裝SOP和PDFN中得到了批量性應(yīng)用。然而，鋁帶鍵合工藝在推廣應(yīng)用過程中，鍵合點(diǎn)根部損傷問題日益凸顯，成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文將對鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷的原因進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)的解決措施。

一、鋁帶鍵合工藝概述

鋁帶鍵合是引線鍵合工藝的一種，通過超聲鍵合技術(shù)將芯片焊接區(qū)與引線框架管腳焊接區(qū)域連接起來。與粗鋁線鍵合相比，鋁帶鍵合使用矩形截面的鋁帶替代了圓形截面的鋁線，從而提高了鍵合點(diǎn)的焊接強(qiáng)度和可靠性。鋁帶材料通常由純度高達(dá)99.99%的高純鋁線摻雜少量鎂、硅等微量元素制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐蝕性。

鋁帶鍵合過程主要包括以下幾個步驟：

設(shè)備圖像系統(tǒng)識別：芯片焊接區(qū)域被設(shè)備圖像系統(tǒng)識別，焊頭降至芯片焊接區(qū)域上方。

第一焊點(diǎn)鍵合：通過超聲焊接完成第一焊點(diǎn)的鍵合。

移動至框架管腳焊接區(qū)域：焊頭帶動鋁帶移動至框架管腳焊接區(qū)域上方。

第二焊點(diǎn)鍵合：再次通過超聲焊接完成第二焊點(diǎn)的鍵合。

切斷鋁帶：焊頭帶動鋁帶向后移動，切刀落下切斷鋁帶，完成整個焊接過程。

二、鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷原因分析

鋁帶鍵合點(diǎn)根部作為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，其機(jī)械強(qiáng)度相對較弱，容易發(fā)生損傷。以下是對鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷原因的具體分析：

2.1劈刀端面設(shè)計(jì)因素

不同型號的鋁帶劈刀端面設(shè)計(jì)對鍵合點(diǎn)根部損傷有顯著影響。窄間距的462系列劈刀采用密集凸點(diǎn)端面設(shè)計(jì)，可以在更小的焊接平面上帶來更高的焊接強(qiáng)度，但其兩側(cè)端面凸起同樣會導(dǎo)致鋁帶鍵合焊接點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度降低。此外，劈刀端面的磨損和鋁屑積累也會加劇鍵合點(diǎn)根部的損傷。

2.2劈刀端面沾污積鋁

鋁帶劈刀端面沾污積鋁是導(dǎo)致鍵合點(diǎn)根部損傷加劇的另一重要原因。隨著焊接次數(shù)的增加，劈刀端面會積累大量鋁屑，不僅會造成焊接強(qiáng)度損失，端面凸點(diǎn)面積增大同樣會加劇鋁帶焊點(diǎn)根部損傷。

2.3導(dǎo)線管高度與框架管腳壓合狀態(tài)

導(dǎo)線管高度過高會導(dǎo)致第一焊點(diǎn)鍵合點(diǎn)根部受到機(jī)械損傷。同時，引線框架管腳壓合狀態(tài)調(diào)試不當(dāng)會直接導(dǎo)致鋁帶根部斷裂。例如，在PDFN和SOP系列封裝中，由于框架管腳具有高密度、高精度和低厚度的特點(diǎn)，壓合狀態(tài)調(diào)試不當(dāng)極易造成焊接點(diǎn)根部斷裂。

2.4鍵合參數(shù)設(shè)置不當(dāng)

鍵合參數(shù)設(shè)置不當(dāng)也是導(dǎo)致鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷的重要原因。超聲功率、鍵合壓力和時間等參數(shù)的設(shè)置直接影響焊接效果。功率過大或時間過長會導(dǎo)致劈刀積鋁速度加快和鍵合點(diǎn)根部機(jī)械強(qiáng)度降低；而功率過小或時間過短則可能導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足或虛焊。

三、解決措施與優(yōu)化方案

針對鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷問題，本文提出以下解決措施和優(yōu)化方案：

3.1劈刀選型及管控

針對劈刀選型問題，在芯片表面焊接面積足夠的情況下，優(yōu)先選用470系列劈刀，該型號劈刀端面設(shè)計(jì)相對平緩，可以有效降低鋁帶根部損傷的風(fēng)險(xiǎn)。如果必須使用462型號劈刀，應(yīng)通過批量性的清洗壽命驗(yàn)證試驗(yàn)后，同比降低該型號劈刀的單次上機(jī)使用壽命和總壽命，以保證劈刀端面的清潔度和磨損程度在可控范圍內(nèi)。

此外，加強(qiáng)對劈刀端面的定期檢查和清洗，減少鋁屑積累。可以采用壓縮氣吹劈刀端面的方法，進(jìn)一步清除端面殘留物。

3.2導(dǎo)線管高度與框架管腳壓合狀態(tài)調(diào)試

合理設(shè)置導(dǎo)線管高度，避免導(dǎo)線管高度過高導(dǎo)致的第一焊點(diǎn)根部機(jī)械損傷。同時，加強(qiáng)對框架管腳壓合狀態(tài)的調(diào)試和驗(yàn)證，確?？蚣芄苣_在焊接過程中被牢牢鎖定，避免焊接區(qū)域傾斜和非垂直狀態(tài)導(dǎo)致的根部斷裂。

在框架管腳設(shè)計(jì)方面，可以采用倒梯型墊塊的設(shè)計(jì)方案，通過V型墊塊卡住框架管腳的重要位移方向，并配備壓爪機(jī)械壓合固定其他方向的位移，確?？蚣芄苣_在焊接過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3鍵合參數(shù)優(yōu)化

通過DOE（試驗(yàn)設(shè)計(jì)）方法確定最佳焊接參數(shù)窗口，包括超聲功率、鍵合壓力和時間等參數(shù)。在量產(chǎn)過程中不斷調(diào)整和優(yōu)化這些參數(shù)，確保在提供足夠焊接強(qiáng)度的同時，避免對鍵合點(diǎn)根部造成過應(yīng)力損傷。

同時，注意爬坡時間、超聲功率和鍵合力的平衡關(guān)系，避免過大的功率和壓力導(dǎo)致鋁帶受損或根部斷裂。在設(shè)定鍵合線弧度時，應(yīng)確保鋁線距離鍵合面邊緣的高度至少滿足兩倍線徑要求，以減少因弧度設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的熱循環(huán)應(yīng)力集中和微裂紋擴(kuò)展。

3.4超聲清洗與污染控制

針對鋁帶鍵合過程中的污染問題，可以采用超聲清洗方法去除焊接區(qū)域的助焊劑、錫膏等有機(jī)物污染。選擇合適的清洗劑和清洗工藝參數(shù)（如超聲頻率、功率和時間）可以有效提高鋁帶焊接強(qiáng)度和焊接區(qū)域的一致性。通過全流程封裝驗(yàn)證確保清洗后的產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求并提高封裝良率。

四、結(jié)論與展望

鋁帶鍵合作為一種新型的半導(dǎo)體封裝工藝，在提高焊接強(qiáng)度和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢。然而，鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷問題制約了其進(jìn)一步發(fā)展和推廣。通過對劈刀選型及管控、導(dǎo)線管高度與框架管腳壓合狀態(tài)調(diào)試、鍵合參數(shù)優(yōu)化以及超聲清洗與污染控制等方面的深入研究和實(shí)踐探索，可以有效降低鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷的風(fēng)險(xiǎn)并提高封裝良率。

未來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步和封裝工藝的持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)新，鋁帶鍵合工藝有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣。同時，針對鋁帶鍵合點(diǎn)根部損傷等關(guān)鍵問題的深入研究也將推動半導(dǎo)體封裝技術(shù)的整體進(jìn)步和發(fā)展。