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铝线键合
功率半导体器件包括模块的主要内互联方式是铝线超声波冷压焊，为了解如何制作功率器件的封装，有必要详细充分理解一下铝线工艺的技术特点，为学习其他技术提供基础。分述如下:
超声波冷压焊概述
焊接参数
焊接材料的影响
焊接工具的影响
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超声波冷压焊概述
超声波冷压焊（又称楔焊）是一种独特的焊接工艺，它与热超声引线键合在多个方面存在显著差异。以下是对该工艺的详细分述：
工艺概述
超声波冷压焊通过超声波振动和压力的共同作用，实现金属线材与半导体焊盘之间的焊接。焊点形状类似楔形，焊头工具也相应设计得类似。在焊接过程中，焊丝并未经过加热，但金属表面仍能达到熔融成型的效果。
焊接材料
焊丝：多采用含硅的铝丝。
焊盘：焊盘表面通常覆盖有一层薄薄的铝金属面，用于与焊丝进行焊接。
焊接过程
大致可概述为：压紧→超声振动→金属原子扩散→污染物排除→键合。也可用下图表示
超声波冷压焊是一种高效、精确的焊接工艺，广泛应用于功率器件等半导体产品的制造中。通过优化焊接材料、焊接工具和焊接夹具的设计，可以进一步提高焊接质量和生产效率。
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焊接参数
焊接参数的选择对于确保焊接质量和可靠性至关重要，它们主要包括超声能量、作用于焊接工具的压力以及焊接作用时间。以下是对这些参数及其影响的详细分述：
超声能量
超声能量在焊接过程中起着关键作用，它使焊丝变软并发生塑性变形，从而影响焊点的形状和质量。
理想情况：当超声能量设置恰当时，焊点下方只有较小的挤出。
能量过高：如果超声能量设置过高，会导致过多的铝从焊点挤出，形成耳朵状结构，边缘部分可能烧焦。此外，焊点的根部会产生凹陷，容易在温度循环试验中失效。
能量过低：相反，如果超声能量设置过低，焊点会显得不牢固。尽管外观可能良好，但内部结合不紧密。
下图由左至右对应理想情况、能量过高。
焊接压力
焊接压力通过焊接工具施加到焊接加工表面，以确保工件表面的良好接触。
压力适中：适当的焊接压力可以促进金属间的相对扩散，从而实现牢固的焊接。
压力过高：如果焊接压力过高，会使焊丝变得平坦，并从焊接工具中被挤出。可能存在较大的未焊区，导致弱焊点和脱落。
压力过低：过低的焊接压力会在施加超声能量时使焊丝来回滑动，降低焊接工具寿命和焊点质量。
焊接时间
焊接时间是超声作用的持续时间，它必须足够长以完成焊接过程。
时间适中：适当的焊接时间可以确保焊丝有足够的塑性变形时间，从而完成焊接。
时间过长：如果焊接时间过长，会导致焊丝过多的挤出，并在焊点边缘周围形成黑色的氧化物区域。
时间过短：过短的焊接时间则无法使焊丝发生足够的塑性变形，导致焊点脱落或非常弱。
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焊接材料的影响
在实际生产过程中，焊接材料的表面状况和铝线的金属力学性能对焊接性能质量具有显著影响，特别是对于细铝丝而言。以下是对这两个方面的详细分析：
一、引线框架表面状况分析
引线框架是半导体封装中的关键材料，其表面状况对焊接质量至关重要。
表面粗糙度：
一般来说，较光滑的表面有利于原子间的结合和扩散，但适当的粗糙度可以增加材料的可焊性和接头的机械强度。过大会阻碍材料的相互位移，从而降低焊接的容易性和接头的机械特性。
电镀质量：
框架表面的电镀层对焊接质量有直接影响。不良的电镀质量可能导致焊接接头机械性能差和抗热疲劳程度降低。
表面清洁程度：
表面的氧化污染程度也会影响焊接质量。氧化层会阻碍金属间的结合，因此需要确保焊接前表面的清洁度。
二、铝线金属力学性能分析
铝线的力学性能对焊接过程及其结果同样具有重要影响。
退火处理：
铝线经过冷拉后需要进行退火消应力处理。退火温度和时间的增加会导致铝线的断裂强度下降，而塑性略有增加。含硅型铝线的变化更为显著。
金属拉伸特性：
了解铝线的金属拉伸特性（如应力-应变曲线）有助于预测其变形和断裂的趋势。
掺硅的铝线机械特性与纯铝有很大区别，具体表现在机械强度明显高于纯铝。
在实际生产过程中，必须严格控制焊接材料的表面状况和铝线的金属力学性能，以确保焊接质量。同时，通过信赖性老化试验等测试方法，可以进一步验证焊接接头的可靠性和耐久性。
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焊接工具的影响
焊接工具，特别是针对金线和铝线焊接所用的劈刀，是直接影响焊点成型的关键因素。以下是对焊接工具影响分析的详细重整分述：
一、劈刀的设计与制造
材料选择：
铝线的焊接工具通常由钨钢特制而成，这种材料具有高强度、高硬度和良好的耐磨性，能够满足焊接过程中的高负荷要求。
结构设计：
劈刀的设计需要确保中间能够穿过铝线，并且其形状和尺寸要与焊接区域相匹配，以避免在焊接过程中造成电路功能的失效，如短路等。
功率传输：
劈刀需要与变幅杆一起工作，以确保超声频率能够达到共振的范围，从而实现有效的焊接功率传输。
寿命设计：
劈刀需要满足生产过程中的长寿命要求，因此需要进行合理的寿命设计，包括材料选择、热处理工艺等。
表面处理：
根据需要，劈刀还可以进行表面热处理或电镀等处理，以提高其耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命。
焊接工具的设计和制造对焊接质量具有重要影响。在设计和制造过程中，需要充分考虑焊接材料和工艺本身以及环境限制和周围的条件限制。
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