SOT82功率產(chǎn)品的熱阻控制

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(méi)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(lái)用TO-220封裝的產(chǎn)品可以改為SOT82封裝，相對(duì)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(duì)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(shí)，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(gè)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(guò)程中，起主導(dǎo)作用的為上芯過(guò)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(duì)熱阻起關(guān)鍵作用，如圖3。本文從這些方面進(jìn)行了研究分析，尤其是針對(duì)一些老設(shè)備的生產(chǎn)穩(wěn)定性進(jìn)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(duì)于裸銅框架而言，其表面增加了一層鍍鎳層。因?yàn)殒嚨目寡趸约捌浞€(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(duì)于電鍍鎳而言，采用次磷酸鈉作為還原劑的化學(xué)鍍鎳過(guò)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(qiáng)，且低磷鍍層具有良好的可焊性。

所以相對(duì)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(guò)程中的各種歐姆接觸，從而降低整個(gè)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(diǎn)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(kuò)散的過(guò)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(méi)有及時(shí)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(guò)程中，因壓模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素及焊料層厚度要求，壓模頭底端有一個(gè)一定深度的內(nèi)槽，這個(gè)槽用來(lái)保證焊料分布的形狀及厚度要求。然而，在壓模頭下壓的過(guò)程中，這個(gè)內(nèi)槽與焊料層之間存在一個(gè)空氣層，雖然在壓模頭的底端側(cè)部開(kāi)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(huì)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(huì)進(jìn)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(huì)因空氣的不及時(shí)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(shí)，當(dāng)熱量無(wú)法通過(guò)正常途徑傳遞出去時(shí)，封裝體內(nèi)局部位置溫度過(guò)高，形成燒點(diǎn)，從而造成產(chǎn)品失效。

對(duì)于封裝過(guò)程來(lái)說(shuō)，空洞的控制一般可從如下幾個(gè)方面進(jìn)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(guò)上芯軌道溫度及過(guò)位速度的配合，保證框架運(yùn)行到點(diǎn)錫、壓錫、固芯位置時(shí)，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(hù)：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(zhǔn)：保證固芯時(shí)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(duì)壓模頭進(jìn)行清潔。在清潔壓模頭時(shí)，可選用玻璃纖維進(jìn)行清潔，切不可用金屬硬物刮除壓模頭表面，避免對(duì)壓模頭造成物理?yè)p傷，影響使用效果。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明（實(shí)驗(yàn)案例：4A60S），如空洞控制在2%以內(nèi)，則對(duì)應(yīng)的熱阻DVT穩(wěn)定在一個(gè)較集中的范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 空洞控制對(duì)熱阻的影響

3.3 改善措施

通過(guò)以上因素的分析，我們確定了影響熱阻最嚴(yán)重的一個(gè)因素作為改進(jìn)對(duì)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(hào)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(xì)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。

3.3.1 點(diǎn)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(duì)固定。如果需要一個(gè)固定的錫層厚度范圍，那么理論上可通過(guò)計(jì)算來(lái)得出點(diǎn)錫的長(zhǎng)度范圍。

如使用4 5 7.2 μ m的焊料來(lái)得到一個(gè)30μm～50μm、3mm×3mm的錫層，則所需的焊料長(zhǎng)度為：πR2×L= 錫層厚度×焊料分布面積，計(jì)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(diǎn)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(shí)際送出的錫料長(zhǎng)度確為0.7mm。

（1）點(diǎn)錫頭孔徑的匹配：采用457.2μm直徑的錫線，則需要對(duì)應(yīng)457.2μm ～508μm孔徑的點(diǎn)錫頭，這樣可以有效避免錫線在送線過(guò)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(huì)熔化，在達(dá)到設(shè)定的長(zhǎng)度和時(shí)間后，步進(jìn)馬達(dá)會(huì)帶動(dòng)壓輪縮回一部分錫線，同時(shí)錫線的前端會(huì)形成一個(gè)小小的錫球，這個(gè)回旋的長(zhǎng)度會(huì)影響到錫球的尺寸，一般來(lái)說(shuō)，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(diǎn)錫完畢后進(jìn)入壓錫環(huán)節(jié)，壓錫的水平度及壓錫頭的大小會(huì)直接影響到固芯時(shí)的錫層厚度。

ESEC2005的壓模頭不同于ESEC2007，ESEC2007為萬(wàn)向式壓模頭，設(shè)備可自動(dòng)校準(zhǔn)壓錫水平，而ESEC2005只能進(jìn)行機(jī)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(guò)采取以上措施，ESEC2005也可以達(dá)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(yǔ)

本文對(duì)封裝過(guò)程中可能引起熱阻失效的一些原因進(jìn)行了分析，并對(duì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)一些細(xì)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(cè)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(gè)具體案例，以供大家參考。