三極管封裝關(guān)鍵技術(shù)探析

張克琦

摘要：三極管封裝即三極管的外殼，關(guān)系到三極管運(yùn)行的電熱性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和壽命。因此要不斷提升技術(shù)創(chuàng)新和工藝水平，滿足當(dāng)前電路系統(tǒng)向微型化和小型化發(fā)展的方向。本文對(duì)三極管封裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)新材料和新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：三極管;封裝;引腳;關(guān)鍵技術(shù)

三極管外部封裝既給內(nèi)部芯片提供了結(jié)構(gòu)保護(hù)，也提升了其使用的方便性，更容易實(shí)現(xiàn)安裝、焊接等工藝，對(duì)于三極管的性能、質(zhì)量和安全可靠性都有非常大的影響。衡量三極管封裝技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是三極管面積與封裝面積之比，比值越接近于1越好。傳統(tǒng)三極管的額定功率越大，其體積也就越大。在電路系統(tǒng)小型化的發(fā)展趨勢(shì)下，三極管的封裝體積也越來越小，對(duì)于其運(yùn)行、散熱和封裝技術(shù)水平的要求更高。因此文章對(duì)于其封裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，希望能夠改進(jìn)封裝工藝。

1 三極管封裝技術(shù)的主要工藝環(huán)節(jié)

1.1 芯片貼裝

1.1.1 共晶粘貼法

利用金-硅共晶（Eutectic） 粘結(jié)，IC芯片與封裝基板之間的粘結(jié)在陶瓷封裝中有廣泛的應(yīng)用，在塑料封裝中因此方法難以消除IC芯片與銅引腳架間的應(yīng)力，故使用較少。

1.1.2 焊接粘接法

焊接粘結(jié)法是另一種利用合金反應(yīng)進(jìn)行芯片的粘結(jié)方法，其優(yōu)點(diǎn)是熱傳導(dǎo)性好。焊接粘結(jié)法與前述的共晶粘結(jié)法均利用合金反應(yīng)形成粘結(jié)。因粘結(jié)的媒介是金屬材料，所具有良好熱傳導(dǎo)性質(zhì)使其適合高功率元件的封裝。焊接粘結(jié)法的工藝應(yīng)在熱氮?dú)饣蚰芊乐寡趸臍夥罩羞M(jìn)行，以防止焊料的氧化及孔洞的形成。

1.1.3 導(dǎo)電膠粘接法

導(dǎo)電膠是大家熟悉的填充銀的高分子材料聚合物，是具有良好導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的環(huán)氧樹脂。導(dǎo)電膠粘貼法不要求芯片背面和基板具有金屬化層，芯片粘貼后，用導(dǎo)電膠固化要求的溫度時(shí)間進(jìn)行固化，可在潔凈的烘箱中完成固化，操作起來簡便易行。因此成為塑料封裝常用的芯片粘貼法。

1.2 內(nèi)部互連

內(nèi)部互連是將芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O引線或基板上的金屬布線焊區(qū)相連接，只有實(shí)現(xiàn)芯片與封裝結(jié)構(gòu)的電路連接才能發(fā)揮已有的功能。三極管的內(nèi)部互連大多數(shù)采用打線鍵合，主要包括超聲波鍵合、熱壓鍵合和熱超聲波焊接三種類型。

1.2.1 超聲波鍵合

目前，通過Al絲的引線連接，幾乎都采用超聲波鍵合法。這種方法可在常溫下實(shí)現(xiàn)鍵合，不僅適用于MCM，特別對(duì)熱敏感的CCD（Charge Coupled Device， 電荷耦合器件）及液晶顯示器件等單片LSI的引線連接。Al絲用60KHz。

1.2.2 熱壓鍵合

先穿過預(yù)熱至溫度300至400℃的氧化鋁（Alumina，Al2O3）或炭化鎢（Tungsten Carbide，WC）等高溫耐火材料所制成的毛細(xì)管狀鍵合工具（Bonding Tool/Capillary，也稱為瓷嘴或焊針）的金屬線末端，再以電子點(diǎn)火（Electronic Flame-off， EFO）或氫焰（Hydrogen Torch）將金屬線燒斷并利用熔融金屬的表面張力效應(yīng)使線之末端灼燒成球（其直徑約金屬線直徑之2至3倍），鍵合工具再將金屬球下壓至已預(yù)熱至約150至250℃的第一金屬鍵合點(diǎn)上進(jìn)行球形鍵合（Ball Bond）。

1.2.3 熱超聲波鍵合

熱超聲波鍵合為熱壓鍵合與超音波鍵合的混合技術(shù)。熱超聲波鍵合必須先在金屬線末端成球，再使用超聲波脈沖進(jìn)行導(dǎo)線材與金屬接墊間的接合。在熱超聲波結(jié)合的過程中接合工具不被加熱而僅接合的基板維持在100～150℃的溫度，此方法除了能抑制鍵合界面介金屬間化合物（Intermetallic Compounds）的成長外，并可降低基板的高分子材料因溫度過高而產(chǎn)生劣化變形，因此熱超聲波接合通常應(yīng)用于接合難度較高的封裝連線。金線為熱超聲波鍵合最常被使用的材料。 1.3 成型技術(shù)

成型技術(shù)有金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等，但是從成本的角度和其他方面綜合考慮，塑料封裝是最為常用的封裝方式，它占據(jù)了90%左右的市場。

1.3.1 塑封成型技術(shù)

塑封成型技術(shù)一般采用熱固性聚合物材料，主要是環(huán)氧樹脂及各種添加劑等。

1.3.2 金屬封裝技術(shù)

金屬封裝是傳統(tǒng)的氣密性封裝結(jié)構(gòu)，主要采用儲(chǔ)能焊的工藝形成最后的封裝結(jié)構(gòu)。

1.3.2 陶瓷金屬化封裝技術(shù)

陶瓷金屬化封裝技術(shù)也是高可靠性氣密性封裝結(jié)構(gòu)，主要采用平行縫焊的工藝形成最后的封裝結(jié)構(gòu)。

2 三極管封裝新材料和新技術(shù)的創(chuàng)新

2.1 新材料的使用

2.1.1 芯片粘貼材料

為了達(dá)到無鉛環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的無鉛焊料開始應(yīng)用，各種金基、銦基和銀基焊料均得到了廣泛的應(yīng)用。

金Au基系列焊料在電子封裝行業(yè)具有很長的使用歷史。其抗蝕性強(qiáng)、蒸氣壓低、流動(dòng)性及潤濕性好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，常用作軍工等高可靠性、氣密封裝、芯片封裝等場景。常用的金基釬料有金錫釬料、金鍺釬料和金銅釬料。

銀Ag基釬料通常是以銀或銀基固溶體為主的合金。這類釬料具有優(yōu)異的工藝性能，熔點(diǎn)不高，潤濕性能及填縫性能良好，強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電、耐蝕等性能優(yōu)異，可用來釬焊除鋁、鎂及其它低熔點(diǎn)金屬外的幾乎所有黑色金屬和有色金屬，因而得到廣泛的應(yīng)用。

銀基釬料的種類繁多，但常用的銀基釬料幾乎都含有銅。為降低熔點(diǎn)和減少銀含量，通常加入鋅、鎳、鎘等合金元素，構(gòu)成三元或多元合金。

銦In熔點(diǎn)較低（為157℃），可與Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔點(diǎn)共晶焊料，能夠避免在封裝焊接過程中高溫因素對(duì)產(chǎn)品的影響，銦In基焊料對(duì)堿性介質(zhì)有較高的抗腐蝕性，對(duì)金屬和非金屬都具有良好的的潤濕能力，形成的焊點(diǎn)具有電阻低、塑性高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不同熱膨脹系數(shù)材料的匹配封裝。因而銦In基焊料主要應(yīng)用于電真空器件、玻璃、陶瓷和低溫超導(dǎo)器件的封裝上。純銦In和銦In基合金焊料具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性，低熔點(diǎn)，極好的柔軟和延展性等特點(diǎn)，常用于如陶瓷元件搭接到PCB的連接材料和熱傳導(dǎo)材料。

銦In基焊料具有良好的物理性能，其焊點(diǎn)抗疲勞性好，機(jī)械強(qiáng)度，拉伸度可靠。對(duì)堿性和鹽介質(zhì)有較高的抗腐蝕性，適用于焊接氯堿工業(yè)設(shè)備。同時(shí)它的導(dǎo)電性高，銦In基焊料具有與Sn-Pb合金接近和更高的電導(dǎo)率，可以避免電信號(hào)在焊點(diǎn)上的損耗，符合電子連接的要求。它還具有良好的兼容性，使用銦In基焊料過程中，與PCB焊盤的銅，錫，銀，金，鎳等鍍層、元器件引腳鍍層有良好的釬合性能。另外，還可以兼容不同類型的助焊劑。銦焊料能防止金脆現(xiàn)象，在焊接鍍金產(chǎn)品時(shí)，如果使用錫基焊料會(huì)把鍍金元件的金吸過來，則會(huì)形成脆性的金屬化合物;在這種情況下，一般建議使用銦In基焊料，能夠防止金的流失與滲透，增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性。由于有著與非金屬良好的潤濕能力，銦焊料可應(yīng)用于電子、低溫物理和真空系統(tǒng)中的玻璃制品、陶瓷制品、石英制品、陶瓷制品等的焊接。其寬泛的熔點(diǎn)區(qū)域能根據(jù)不同的配比，可以生產(chǎn)出熔點(diǎn)從幾十度到300多度的不

同類型的銦In基合金產(chǎn)品，適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求。

在持續(xù)的微型化趨勢(shì)下，封裝體變得越來越復(fù)雜、功能越來越豐富，亟需合適的細(xì)間距焊錫膏。水溶性無鹵素焊錫膏。由于與生俱來的出色流變性，它具有優(yōu)異的印刷性，可實(shí)現(xiàn)卓越的細(xì)間距印刷效果。

傳統(tǒng)倒裝芯片凸點(diǎn)焊接和BGA封裝采用助焊劑形成焊點(diǎn)，因此常常出現(xiàn)各種影響良率的缺陷，例如冷焊、焊點(diǎn)不完整、頂部的錫帽蔓延到銅柱上、BGA焊球缺失等。金屬含量較低的浸漬或針轉(zhuǎn)移焊膏，專為倒裝芯片凸點(diǎn)焊接和BGA封裝而開發(fā)。

2.1.2 鍵合絲材料

對(duì)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)和更苛刻的條件的需求推動(dòng)著鍵合金絲技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于現(xiàn)今的應(yīng)用領(lǐng)域，有豐富的金鍵合絲品類以滿足不同領(lǐng)域的各種需求。廣泛多樣化的球形、楔形和螺柱形鍵合線產(chǎn)品組合，包括4N 99.99 / 3N 99.9 / 2N 99.0鍵合金絲類型。

小直徑楔焊鍵合鋁絲采用優(yōu)質(zhì)AlSi1 合金（99 %的鋁和1%硅）。其主要應(yīng)用在汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及計(jì)算機(jī)。相比用于傳送電能的粗鋁線，硅鋁絲專用于信號(hào)傳輸和處理。通常用于板上芯片（COB）的應(yīng)用。硅鋁絲包括與IC焊盤的鋁的兼容性，特別是在細(xì)間距應(yīng)用。它可以輕松在室溫環(huán)境下鍵合，節(jié)約成本，是高完整性接合的理想方案，同時(shí)不損傷敏感設(shè)備。硅鋁絲的電和熱傳導(dǎo)性能也十分出色，應(yīng)用廣泛。

鍵合銅絲相對(duì)于昂貴的金絲方案，在許多應(yīng)用領(lǐng)域不失為一種極佳的解決方案。超細(xì)直徑（ 0.6密耳或15微米）尺寸，適用于非常小的超微間距結(jié)構(gòu)。通過對(duì)裸銅絲添加合金元素或使用CuPd / AFPC芯銅線，鍵合絲顯示出絕佳的可靠性和很好的粘結(jié)力。在許多應(yīng)用中，銅線能夠展現(xiàn)出比金線更出色的性能和可靠性。在低含量保護(hù)性氣體環(huán)境中，銅絲非常適合在球焊/楔焊工藝中鍵合。同時(shí)，能在楔型/楔焊工藝中進(jìn)行處理。

在材料上，仍然需要不斷進(jìn)行創(chuàng)新，比如使用超薄二維材料代替三維硅材料，能夠極大程度上降低尺寸，實(shí)現(xiàn)納米工藝，而且速度更快，節(jié)能性更好?？紤]到金屬材料缺乏一定的缺陷，在封裝中可以采用熱塑性結(jié)果符合材料，比如新配方樹脂，典型代表如短切碳纖維技術(shù)，其強(qiáng)度可以超過高強(qiáng)鋼。

2.2 新技術(shù)的應(yīng)用

首先是提高封裝的強(qiáng)度，尤其是確保引腳不斷裂。比如采用KyronMax注模技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜成型，避免了傳統(tǒng)技術(shù)中三極管容易斷裂的問題。其次是提高散熱性能，為了利于散熱，其封裝應(yīng)該盡量薄，在必要條件下加強(qiáng)散熱片等裝置。比如在絕緣封裝體和基座上設(shè)置凹槽，在凹槽上放置導(dǎo)熱桿，在水平和豎直方向同時(shí)提高散熱效率。第三是節(jié)能器件技術(shù)，可以將三極管晶片等部件封裝在一個(gè)膠體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)集成封裝，節(jié)約傳統(tǒng)器件，縮短接線長度。采用該封裝方式，還能夠減小外部線路帶來的干擾，其性能更強(qiáng)。第四是低能耗技術(shù)，通過該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，比如采用倒裝方式，降低能耗。最后是便于封裝技術(shù)，除了貼片技術(shù)等之外，還可以采用連接桿和旋轉(zhuǎn)軸等技術(shù)，方便其拆卸和封裝。

結(jié)語

隨著三極管封裝體積的不斷減小，各類新工藝、新材料和新技術(shù)不斷發(fā)展，在關(guān)鍵技術(shù)上也要不斷突破，提升封裝的效率、性能和可靠性。

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