SOT82功率產品的熱阻控制

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，要保證功率器件產品的熱穩定性能，對產品封裝內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，功率產品一般采用焊料上芯，鋁線焊接。當產品處于工作狀態時，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品的內部電阻。這個電阻的阻值大小直接影響了產品發熱產生的能量大小。

排除芯片本身的影響外，在裝配過程中，起主導作用的為上芯過程：產品的空洞狀況、焊料厚度、傾斜狀況、焊料結合情況等都對熱阻起關鍵作用，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備的生產穩定性進行了分析改善。

圖2 功率產品焊接示意圖

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

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定的物理特性，鍍鎳框架在鋁線鍵合穩定性、產品可靠性上均要優于裸銅框架。

另外，銅基框架的表面鍍鎳方式一般分為兩種：電鍍鎳和化學鍍鎳。相對于電鍍鎳而言，采用次磷酸鈉作為還原劑的化學鍍鎳過程得到的是Ni-P合金，化學鍍鎳的鍍層致密、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在芯片與框架之間的結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，因壓模頭結構設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，這個內槽與焊料層之間存在一個空氣層，雖然在壓模頭的底端側部開有一些排氣槽，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，空氣是熱的不良導體。受這些空洞的影響，產品在工作時，當熱量無法通過正常途徑傳遞出去時，封裝體內局部位置溫度過高，形成燒點，從而造成產品失效。

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定在焊料的最佳工作溫度——熔融態溫度。

（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，則對應的熱阻DVT穩定在一個較集中的范圍內，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備型號為ESEC2005HR，設備較陳舊，在設備的參數控制方面比較單一，所以我們主要從一些外部細節上進行優化，來保證生產過程的穩定性。

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。考慮到設備老化的誤差，取整后設備上的點錫參數solder length設定為0.7mm。

在設定好設備參數后，關鍵是如何保證設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彎折異常。

（2）reverse length的設定：錫線在接觸到高溫軌道后會熔化，在達到設定的長度和時間后，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設定為solder length的一半為宜。

3.3.2 壓模頭的控制

設備在點錫完畢后進入壓錫環節，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，設備可自動校準壓錫水平，而ESEC2005只能進行機械調平，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 調整后上芯效果

4 結語

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鍵點進行監控，通過一些細節上的改善，采用較陳舊的設備同樣也能得到較好的生產穩定效果，SOT82后續的測試良率穩定在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。