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        SOT82功率產(chǎn)品的熱阻控制

        2011-05-31 06:15:06鄢勝虎
        電子與封裝 2011年10期
        關(guān)鍵詞:焊料鍍鎳熱阻

        鄢勝虎

        (汕頭華汕電子器件有限公司,廣東 汕頭,515041)

        1 引言

        如圖1所示,SOT82外形類似于市面上的TO-126ML,因SOT82載芯板上沒有散熱圓孔,載芯板有效面積比TO-126大1~2倍,可裝配的芯片尺寸界于TO-126和TO-220之間,約在3.0mm×3.0mm以下。

        圖1 SOT82外形

        部分原來用TO-220封裝的產(chǎn)品可以改為SOT82封裝,相對于TO-220而言,SOT82的散熱面積小了約50%,散熱能力有所減弱,要保證功率器件產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性能,對產(chǎn)品封裝內(nèi)部的熱阻控制提出了更高的要求。

        2 影響因素分析

        如圖2所示,功率產(chǎn)品一般采用焊料上芯,鋁線焊接。當(dāng)產(chǎn)品處于工作狀態(tài)時,框架、焊料、芯片、鋁線等材料自身的阻值及各材料之間的歐姆接觸就共同組成了產(chǎn)品的內(nèi)部電阻。這個電阻的阻值大小直接影響了產(chǎn)品發(fā)熱產(chǎn)生的能量大小。

        排除芯片本身的影響外,在裝配過程中,起主導(dǎo)作用的為上芯過程:產(chǎn)品的空洞狀況、焊料厚度、傾斜狀況、焊料結(jié)合情況等都對熱阻起關(guān)鍵作用,如圖3。本文從這些方面進行了研究分析,尤其是針對一些老設(shè)備的生產(chǎn)穩(wěn)定性進行了分析改善。

        圖2 功率產(chǎn)品焊接示意圖

        圖3 影響熱阻的因素

        3 原因分析及改善措施

        3.1 框架材質(zhì)

        SOT82封裝一般選用銅基鍍鎳框架。鍍鎳框架相對于裸銅框架而言,其表面增加了一層鍍鎳層。因為鎳的抗氧化性及其穩(wěn)定的物理特性,鍍鎳框架在鋁線鍵合穩(wěn)定性、產(chǎn)品可靠性上均要優(yōu)于裸銅框架。

        另外,銅基框架的表面鍍鎳方式一般分為兩種:電鍍鎳和化學(xué)鍍鎳。相對于電鍍鎳而言,采用次磷酸鈉作為還原劑的化學(xué)鍍鎳過程得到的是Ni-P合金,化學(xué)鍍鎳的鍍層致密、孔隙率低、耐腐蝕性強,且低磷鍍層具有良好的可焊性。

        所以相對于普通的裸銅框架而言,采用化學(xué)鍍鎳方式的鍍鎳框架更能夠有效減少封裝過程中的各種歐姆接觸,從而降低整個封裝體內(nèi)部的接觸電阻。

        3.2 空洞形成及其影響

        如圖1所示,空洞的形成主要出現(xiàn)在芯片與框架之間的結(jié)合面以及焊料層自身的孔洞。

        3.2.1 焊料與框架

        首先在框架上點上焊料,然后焊料經(jīng)壓模頭擠壓后,形成均勻的焊料層。在焊料受擠壓擴散的過程中,因框架表面的粗糙度及氧化程度不一,框架與焊料之間的一些空氣沒有及時排出,從而構(gòu)成孔洞。

        3.2.2 焊料層自身

        在上述壓模頭擠壓的過程中,因壓模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計因素及焊料層厚度要求,壓模頭底端有一個一定深度的內(nèi)槽,這個槽用來保證焊料分布的形狀及厚度要求。然而,在壓模頭下壓的過程中,這個內(nèi)槽與焊料層之間存在一個空氣層,雖然在壓模頭的底端側(cè)部開有一些排氣槽,但是這些排氣槽并不能100%地將空氣排出,部分空氣受擠壓后,會殘留在焊料層中形成孔洞。此外,如壓模頭底部存在異物或是殘留的錫渣,會進一步加劇空洞的產(chǎn)生。

        3.2.3 芯片與焊料

        受芯片背面金屬粗糙度、固芯水平度以及焊料表面氧化程度的影響,同3.2.1,也同樣會因空氣的不及時排出形成孔洞。

        眾所周知,空氣是熱的不良導(dǎo)體。受這些空洞的影響,產(chǎn)品在工作時,當(dāng)熱量無法通過正常途徑傳遞出去時,封裝體內(nèi)局部位置溫度過高,形成燒點,從而造成產(chǎn)品失效。

        對于封裝過程來說,空洞的控制一般可從如下幾個方面進行改善:

        (1)上芯軌道溫度控制:不同規(guī)格、成分的焊料都有其特定的工作溫度,通過上芯軌道溫度及過位速度的配合,保證框架運行到點錫、壓錫、固芯位置時,框架的表面溫度能夠穩(wěn)定在焊料的最佳工作溫度——熔融態(tài)溫度。

        (2)軌道氣體保護:軌道中通以合適的N2、H2混合氣,保證框架焊料不受氧化。

        (3)Bondhead水平度校準:保證固芯時bondhead能將芯片水平、平穩(wěn)地放置在焊料層上。

        (4)壓模頭的定期清潔:定期對壓模頭進行清潔。在清潔壓模頭時,可選用玻璃纖維進行清潔,切不可用金屬硬物刮除壓模頭表面,避免對壓模頭造成物理損傷,影響使用效果。

        通過實驗證明(實驗案例:4A60S),如空洞控制在2%以內(nèi),則對應(yīng)的熱阻DVT穩(wěn)定在一個較集中的范圍內(nèi),如圖4所示。

        圖4 空洞控制對熱阻的影響

        3.3 改善措施

        通過以上因素的分析,我們確定了影響熱阻最嚴重的一個因素作為改進對象——錫層厚度控制及芯片傾斜狀況。因我們所使用的上芯設(shè)備型號為ESEC2005HR,設(shè)備較陳舊,在設(shè)備的參數(shù)控制方面比較單一,所以我們主要從一些外部細節(jié)上進行優(yōu)化,來保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

        3.3.1 點錫量的固定

        SOT82框架載芯板的有效尺寸是一定的,所能適應(yīng)的芯片尺寸也相對固定。如果需要一個固定的錫層厚度范圍,那么理論上可通過計算來得出點錫的長度范圍。

        如使用4 5 7.2 μ m的焊料來得到一個30μm~50μm、3mm×3mm的錫層,則所需的焊料長度為:πR2×L= 錫層厚度×焊料分布面積,計算得出L≈0.411mm~0.686mm??紤]到設(shè)備老化的誤差,取整后設(shè)備上的點錫參數(shù)solder length設(shè)定為0.7mm。

        在設(shè)定好設(shè)備參數(shù)后,關(guān)鍵是如何保證設(shè)備實際送出的錫料長度確為0.7mm。

        (1)點錫頭孔徑的匹配:采用457.2μm直徑的錫線,則需要對應(yīng)457.2μm ~508μm孔徑的點錫頭,這樣可以有效避免錫線在送線過程中出現(xiàn)彎折異常。

        (2)reverse length的設(shè)定:錫線在接觸到高溫軌道后會熔化,在達到設(shè)定的長度和時間后,步進馬達會帶動壓輪縮回一部分錫線,同時錫線的前端會形成一個小小的錫球,這個回旋的長度會影響到錫球的尺寸,一般來說,reverse length設(shè)定為solder length的一半為宜。

        3.3.2 壓模頭的控制

        設(shè)備在點錫完畢后進入壓錫環(huán)節(jié),壓錫的水平度及壓錫頭的大小會直接影響到固芯時的錫層厚度。

        ESEC2005的壓模頭不同于ESEC2007,ESEC2007為萬向式壓模頭,設(shè)備可自動校準壓錫水平,而ESEC2005只能進行機械調(diào)平,如圖5所示,框架上留有清晰均勻的壓錫痕跡。

        圖5 框架上留有的壓錫痕跡

        另外,壓錫頭的尺寸須略大于芯片尺寸,選用3.3mm×3.3mm,內(nèi)槽深度為15μm~20μm。

        通過采取以上措施,ESEC2005也可以達到類似ESEC2007的上芯效果,如圖6所示。

        圖6 調(diào)整后上芯效果

        4 結(jié)語

        本文對封裝過程中可能引起熱阻失效的一些原因進行了分析,并對過程中的一些關(guān)鍵點進行監(jiān)控,通過一些細節(jié)上的改善,采用較陳舊的設(shè)備同樣也能得到較好的生產(chǎn)穩(wěn)定效果,SOT82后續(xù)的測試良率穩(wěn)定在99%以上,熱阻失效得到明顯改善。本文主要是提出了一個具體案例,以供大家參考。

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