1 引言

功率电子的封装正向着低成本、小尺寸、高性能以及高可靠性发展，D-PAK（JEDEC）封装形式在移动电子产品以及汽车电子中都有着广泛的应用，其中，除了金线，0.05mm-0.125mm的铝线由于其成本优势应用也很普遍，但是，因为铝线机械属性相对脆弱，小直径的铝线容易发生引脚跟断裂，导致器件失效，特别在电子封装材料无铅化的推动下，导致回流焊温度曲线发生变化时，这一问题更加严峻。

在回流焊温度曲线变化所带来的可靠性问题方面，许多人作了研究，R.L.Shook[1]和Yizhe Elisa Huang[2]研究发现，在水汽存在时，温度变化分层现象会更加严重，Zhenwei Hou[1]和Chunyan Yin[4]研究了回流焊温度变化对倒装芯片可靠性的影响等等，对于焊接线而言，S.Ramminger[5]曾经从引线键合工艺产生的机械应用的角度讨论了铝线的引脚跟断裂问题，实际上，注塑工艺以及回流焊中的热应力对引脚跟断裂的影响也不容忽视，本文分析了回流焊工艺对引脚跟断裂的影响，并通过在不同温度曲线下的比较，得到铝线受到的不同程度的影响。

2 引脚跟断裂

实验中的样品是D-PAK（JEDEC）的MOSFET产品，栅极引线用的是0.125mm铝线，生产工艺条件（引线键合、注塑等工艺）是完全相同的，表1是它们的栅源电阻，电阻值介于正常值与失效值之间，但都通过了断路/短路测试，表2是通过了3次IR回流焊之后样品的栅源电阻值，其中有8个样品的电阻值有了极大的增长--大约是回流焊之间的40倍。

在化学剥除环氧树脂之后，我们在6个样品的栅极发现了引脚跟断裂（图1）。经研究，引脚跟断裂的形成主要有三个原因：（1）在引线键合工艺时，在引脚跟处形成的塑性变形；（2）注塑工艺的对铝线的冲击；（3）回流焊时由于芯片、铝线和环氧树脂之间不同的热膨胀系数（CTE）产生的热应力以及随之产生的塑性变形。通常情况下，前两个原因使引脚跟断裂成为潜在可能，但为了得到一个可靠的引线键合，这些又是不可避免的，往往可以通过调节工艺参数，实现对铝线的最小影响，但是由于回流焊热应力对铝线的影响一直以来没有引起足够的重视，而且在无铅化的过程中，这种影响将会影响越来越显著，下面我们用有限元的方法来分析回流焊工艺对铝线的影响，进而分析无铅化所带来的新挑战。

3 3D有限元模型

根据JEDEC D-PAK的标准，封装尺寸是9.98mm×6.54mm×2.3mm，在栅极用的是0.125mm铝连线，因为引脚跟断裂总是发生在栅极PAD处，可以在模型中忽略源极引线，降低复杂度，其他模型中的关键尺寸如下（图2）：

芯片：1.58mm×1.56mm×0.2mm；

贴片（焊锡）：1.58mm×1.56mm×0.076mm；

引线框架DAP：5.33mm×3.84mm×0.51mm。

铝线的弯曲形状以及高度都根据实际产品的状况，整个系统是一个非线性的过程，表3中列出了所有的材料的热、机械属性。

为了简化模型分析，忽略了产品前各道工艺的残余应力，回流焊工艺可以达到比较均匀的温度分布，在仿真时，认为产品各个部分的温度是相同的。

4 回流焊对引脚跟断裂的影响

图3中显示的是铝线引脚跟区域与其他区域在回流焊过程中，热应力与塑性变形的比较，引脚跟区域的平均热应力是其他区域的4倍，最大的应力集中于铝线与栅PAD的界面处，而裂纹的产生往往是由于塑性应变以及高强度的应力集中超过材料的断裂强度造成的，说明引脚跟断裂是从该界面向上延伸的，分布热循环测试也充分证明了这一点，实际上，引线键合工艺中，超声振动以及压力的作用不可避免会在铝线引脚跟处产生塑性应变，致使其断裂强度较铝线其他位置要低。所以在做引线抗拉测试时，断裂的地方往往是引脚跟处。而且，在注塑工艺时产生的冲击应力也会产生潜在的引脚跟断裂，这些潜在的引脚跟断裂在测试中是很难测到的，但往往对可靠性造成不可忽视的影响。

从图3中可以看到当回流焊温度达到170℃，也就是环氧树脂的玻璃化温度时，热应力开始下降，当随后低于玻璃化温度时，又随之上涨，这是由于环氧树脂在玻璃化温度上下，热膨胀系数发生了较大的变化，如表3所示[6]，铝线的塑性变形随着回流焊温度的变化，先是一段缓慢的增长，然后会有一个急剧的上升，然后趋于稳定，最后下降，材料的疲劳损伤往往是由这样周期性的塑性变形造成的[5]。

5 不同的回流焊温度曲线的比较

无铅化是一个全球化的过程，最直接的影响就是回流焊温度曲线的变化，主要表现为峰值温度和浸润时间的变化[7]，这也给功率电子的封装带来了各式各样的问题，引脚跟断裂就是其中一个，我们利用有限元分析的方法比较了三种温度曲线对铝线的影响：（1）220℃（峰值温度），80s（浸润时间）；（2）240℃，100s；（3）260℃，100s。从结果可以看到（图4），随着峰值温度的上升，应力和应变都随之上升，260℃相比于220℃的回流焊工艺来讲，塑性变形增大20%，铝线的寿命可以通过coffin-manson方程表示[5]：

其中，εp1是铝线最大的塑性变形，C1=16.55和C2=1.83是常数，Nf表示在此塑性变形的周期作用下铝线的寿命，从图5可以看到，随着峰值温度从220℃到260℃，铝线的寿命下降了大约28.4%，无铅化带给功率电子的影响已不容忽视。

6 结论

通过以上实验以及有限元方法对铝线引脚跟断裂的分析与研究，我们可以得出除了引线键合工艺，注塑工艺可以导致引脚跟断裂外，回流焊工艺产生的热应力对引脚跟断裂也有很大的影响，现实中，往往是这三者共同作用的结果，而且随着无铅化的到来，对产品可靠性的影响将会越来越明显。为了解决这一问题，首先我们应该从各个工艺上减少对铝线引脚跟的损伤，另外可以通过缩小测试中栅源电阻值的窗口，淘汰易于发生引脚跟断裂的产品，此项工作在更进一步的研究之中。