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铝线邦定的可靠性及其应用

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高志刚：铝线邦定的可靠性及其应用　

文章编号：１００６—６２６８（２００７）０９－００２６—０４　

铝线邦定的可靠性及其应用　

高志刚　

（厦门宏发电声有限公司，厦门３６１０２１）　

摘要：通过对铝线邦定在芯片上的可靠性进行研究和试验，结果表明影响其可靠性的因素非　

常多．如邦定功率、压力以及时间等。本文引用了国际上数篇有关邦定论文的结论，从实际应用　

出发．阐述了它们的失效状态、干扰因素及控制方法。最后介绍了邦定线在实际应用中的判定方　

法和技术革新．从而使工程师们在实际应用中能够进一步了解其特性。　

关键词：铝线邦定；芯片；可靠性　

中图分类号￣ＴＮ３０５．９４　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　Ａ１　ｗｉｒｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　

Ｇａｏ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ　（Ｘｉａｍｅｎ　Ｈｏｎｇｆａ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｌｔｄ．，Ｘｉａｍｅｎ　３６１　０２１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ　Ｊｏｎｇ　ｔｅｒｍ．ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ　ａｒｅ　ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ＡＩ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ＣＯＵＩｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｓｕｃｈ　ａｓ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ，ｐｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｅｔｃ．ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　

ｅｘｃｅｒｐｔｅｄ　ｓｏｍｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｄｉｓｃｏｕｒｓｅ　ｆｒＯｍ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｅｄ　ｓｔａｔｅ，　

ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｍｏｌｅｓｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｆｔｅｒ　ｂｏｎｄｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｓｏｍｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　

ｊｕｄｇｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｕｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｆｏｒｍ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａ１　ｗｉｒｅ　ｂｏｎｄｉｎｇ；ｃｈｉｐ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　

１　概述　

长期以来，人们不断地对铝线邦定在芯片上的可　靠性进行研究、试验，结果表明，影响其可靠性的因素　非常多，如邦定功率、压力以及时间等。本文引用了国　

际上数篇有关邦定论文的结论，从实际应用出发，阐　述了它们的失效状态、干扰因素及控制方法。最后介　

绍了邦定线在实际应用中的判定方法和技术革新，从　而使应用工程师们能够进一步了解其特性。　２影响铝线邦定在芯片可靠性的因素　

及机理　

２．１　ＡＩ线邦定的热疲劳失效　

试验１：（见图１）将直径为３００　ｕ　ｍ的纯铝线按　

图１中的温度加热１　ｈ。我们可看到它们的金相组织　

发生了明显的变化。　试验２：通过温度循环试验，可以快速评价Ａｌ线　

２６现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｓｅｐ．，２００７，总第７９期　收稿日期：２００７—０６－２１

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图１　不同温度下的金相组织结构　

和芯片的接合强度。它的温度范围７－２—７－１＝△Ｔ　

＝２００Ｋ左右，见图２和图３。图２表明，邦定线的结　合强度与循环次数有关；接合形状和接合面积对它　的热疲劳强度影响较大。　

经过功率循环后，邦定铝线与ＤＣＢ板接合处结　晶变厚，并呈现黑色结晶，如图３所示。由图３可看　到铝线周围有明显的裂痕。由于Ｓｉ和Ａｌ的热应力　作用，热循环后，他们的接合强度下降。△７．越大，接　合强度下降得越快。　

图２不同循环次数后的铝线断面　

图３　热循环后邦定线的结合面　２．１．１　超声波邦定功率（温度）的大小对可靠性的　影响　当温度升高到一定值时，抗拉强度下降。原因是　

Ａｌ线的金相组织粗大化，使结合面强度下降，且温度　越高，抗拉强度越低。对于Ｓｊ和ＡＩ接合强度下降的　原因是因为热应力的作用所致；但是，超声波邦定功　率（温度）又不能太小，否则结合强度同样会下降。实　

践证明，对于不同的铝线，超声波邦定功率（温度）与　压力都对应一组最佳值。　

２．２．２　ＡＩ线邦定通电能力　判断热应力影响能力的大小常用的方法是功率　循环试验方法，即对带载的功率器件加上通断信号，　使之发热。此时用红外线测温仪观察功率器件发射　

极及附近的邦定线的温度。试验证明，经过约　５０，０００个循环后，在Ａｌ线和ＤＣＢ的接合处附近的　结晶增加了１０倍，且Ａｌ线的金相组织粗大。由于结　

晶的变化，使ＡＩ线变硬；而金相组织粗大化，使电流　密度增加发热，从而导致Ａｌ线断裂（见图４）。　

图４功率循环试验后金相图　

此外，功率循环后产生两种失效：一种是融化　点；另一种是邦定点脱落。如果分析它的金相图，那　么可以看到有黑色的结晶。这是因为电流密度集中　在其周围，从而导致融化所致。　因此，通过功率循环试验可知，对功率较大的半　导体器件，采用较粗的邦定铝线比较细的耐热冲击　

更强。　（１）Ａｌ线和ＤＣＢ的结合强度下降。　Ａｌ线和ＤＣＢ的结合强度下降，主要由ＡＩ、Ｃｕ　

Ｓｅｐ．，２００７，总第７９期　现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　

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之间的金属化合物混合层的厚度所决定。评价方法　为两个参数：金属化合物的厚度和接合强度，在　

４２３～５２３Ｋ时形成金属化合物，其厚度的增加使接　合强度下降。　图５中可看到ＡＩ、Ｃｕ之间的金属化合物混合　

层及由科肯达尔效应所产生的空洞，因此导致断　裂线。　ＤＡ１　Ａ１　

Ｋｉｒｋｅｎｄａｉｌ　空洞　

Ｃｕ　Ｄｃｕ　图５　ＫｉｒｋｅｎｄａＵ空洞断裂线在铝线邦定时ＤＣＢ板　上的示意图　（２）ＡＩ线径和金属结构的影响。　在４２３Ｋ，１　０００ｈ老化后，纯铝线（９９．９９％）和加入　５０ｐｐｍ　ＮｉＡＩ的剪切强度和伸张强度有明显的不同。　

加入微量Ｓｉ（５０ｐｐｍ）的ＡＩ线，可以改善高温　储存（４２３Ｋ）这种热应力作用Ｏ因为它可以抑制金相　组织粗大化。老化试验后，可发现９９．９９％的纯铝的　剪切强度会下降，而加入微量Ｓｉ的ＡＩ线的剪切强　度不会下降　但在热疲劳（２２３～４２３Ｋ的循环）试验　后，发现随着循环次数的增加，两种邦定线的剪切强　度都将减少Ｏ　

（３）ＡＩ线折弯弧度对其强度的影响。　在图６中可看到，第一邦定点不能垂直向上后　再到第二邦定点，通常角度不大于４５。Ｏ现代的邦　定机多数能自动控制它的角度和高度，然而，在手动　

操作时必须注意控制。　邦定楔子　

邦定　

图６　Ａ１线折弯弧度示意图　（４）ＡＩ线长度对其强度的影响。　图７表明了ＡＩ线长度和高度与线径之间的关　系。虽然高度在某些高档机中可自动控制，但如果邦　定的距离定的太长，那么将影响它的强度。因此设计　时邦定线长应不大于１　００Ｄ。　

两点对称　

焊接长度　取决于楔　

Ｃ＿　

图７　ＡＩ线长度和高度与线径之间的关系　

（５）ＤＣＢ基板镀层的影响。　在过去的工艺中，为了防止ＤＣＢ的敷铜一次焊　

接后不被氧化，常常在表面上镀镍。但实际生产中，　

一旦氧化，对邦定和焊接将会造成非常恶劣的后果。　随着真空焊接机的出现，逐渐对ＤＣＢ表层不镀镍处　理，而保持原状，结果邦定效果非常好。注意的是　

ＤＣＢ裸露的时间不能太长。目前欧洲几家主要模块　生产商都采用这种工艺。　

３实际应用中的故障和控制　

综上所述，我们可看到，影响邦定寿命和可靠性　

的因素主要有邦定线成分、焊接功率（温度）、热应力　及加工工艺等；而产生结果是附着力差、接合部断　

裂、接合强度不稳定、接合部周围破损及金相组织破　坏等。对此我们可做一些控制方案，见表１。　

４实际应用中的判断方法　

４．１　用夹子垂直上拉测试法　

用夹子垂直上拉测试法通常用在专用仪器中，　

２８现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｓｅｐ．，

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表１故障和控制表　

失效状态　干扰因素　控制方案　

附着力差　加工工艺　邦定线种类选择　

脱落　震动　邦定线径　

接合部断裂　焊接温度　超声波功率、压力及时间　

接合部细小　焊接温度、压力　超声波功率、压力及时间　

接合强度不稳定　邦定线成分：氧化　ＤＣＢ敷铜板　

接合部周围破损　电流通断时的热应力　芯片的平行度　

金相组织破坏　邦定后的热处理　

邦定线弯曲高度　

邦定线两端形状　

引线端子　

它是用仪器上的夹头夹住邦定铝线，然后垂直向上　运动，直至将铝线拉断或脱落。拉力的计算常常由　ＭＣＵ处理。在实际生产中使用较少，通常在品质部　

门使用。　

图８　用夹子垂直上拉测试法示意图　

４．２平行推拉法　

平行推拉法通常用在专用仪器中，它是将仪器　上的头部垂直向下到邦定铝线平面，然后将邦定铝　

线平面向邦定点的反方向运动，直至将铝线推落。拉　力的计算由ＭＣＵ处理。与上面夹子垂直上拉测试　法相同，在实际生产中使用较少，通常用于检验。　

些　

图９平行推拉法示意图　４．３用钩子垂直上拉测试法　

用钩子垂直上拉测试法通常用手工操作中，在　实际生产中使用较多。通常是用一个拉力表，读出其　

拉力。值得注意的是，此时拉断的力为绑定线两点的　合力（各种铝线线径的拉力可查厂家提供的数据）。　

图１０用钩子垂直上拉测试法示意图　

４．４变形判断法　

从图１　１可知，Ａ和Ｂ铝线邦定后的最高点的宽　度和剪切点的宽度不一样。显然在超声波功率一样　的情况下，Ｂ点的压力大于Ａ点。虽然不能立刻判断　哪一点最合适，但可判断其中有一点不符合要求。具　

体判断可通过一种行之有效的ＳＮ比判定法。　

图１１　铝线邦定后的最高点的宽度比较图　

５元器件对可靠性的影响及技术创新　

５．１　系统设计革新　

（１）树脂对邦定应力的分散。　从整个系统考虑减少邦定应力，如邦定后选择不　同性质的树脂胶来减少由于冷热产生的应力。实践　

表明，较好的树脂胶和较差的相比，能使产品在　

一３０￣８５ｏｃ的冷热循环可靠性试验时相差１０倍。　

（２）邦定前的清洗流程。　从整个系统工艺来考虑提高邦定后的可靠性。　（下转第２５页１　

Ｓｅｐ．，２００７，总第７９期　现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　２９　口口　一　口　

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关于铝合金电缆的应用

关于铝合金电缆的应用

关于铝合金电缆的应用

1、 《住宅建筑电气设计规范》 JGJ 242-2011

6.4.1 住宅套内的电源线应选用铜材质导体。

故：住宅套内均应选用铜线，不能选用铝合金电缆。2、 《民用建筑电气设计规范》 JGJ 16-2008

13．10．1 消防线路的导线选择及其敷设，应满足火灾时连续供电或传

输信号的需要。所有消防线路，应为铜芯导线或电缆。

故：楼内消防负荷（消防风机、消防电梯、消防水泵、应急照明等消

防负荷）均应选用铜线，不能选用铝合金电缆。

3、《住宅建筑电气设计规范》 JGJ 242-2011

7.2.3 敷设在钢筋混凝土现浇楼板内的线缆保护导管最大外径不应大于

楼板厚度的1 / 3 ，敷设在垫层的线缆保护导管最大外径不应大于垫层厚

度的1 / 2 。线缆保护导管暗敷时，外护层厚度不应小于1 5 mm ;消防设

备线缆保护导管暗敷时，外护层厚度不应小于3 0 m m

故：从电表箱至户内配电箱间导线若换成铝合金电缆则需要铝合金电

线2*16+E16需穿SC32管（外径40mm）,一般住宅标准层板厚为

100mm，且还有消防、弱电管线的交叉，换成铝合金电线后，结构专

业不允许SC32管在板内敷设，即使允许敷设，也会致使外护层厚度小

于15mm，会造成结构板裂缝。不建议换。3、 《民用建筑电气设计规范》 JGJ 16-2008

7．4．1 低压配电导体选择应符合下列规定：

1 电缆、电线可选用铜芯或铝芯，民用建筑宜采用铜芯电缆或电线；下

列场所应选用铜芯电缆或电线：

1)易燃、易爆场所；（变配电室不能换）

2)重要的公共建筑和居住建筑；

3)特别潮湿场所和对铝有腐蚀的场所；（换热站水泵房不能换）

4)人员聚集较多的场所；（活动中心、商业属于人员聚集较多场所不能

换）

5)重要的资料室、计算机房、重要的库房；（小区消防控制室、弱电总

机房、监控室不能换）

6)移动设备或有剧烈振动的场所；（发电机房不能换）

7)有特殊规定的其他场所。

综上所述：

1、 电业负荷（住户用电）室外部分及楼内预分支电缆，在当地电力局

应用铝合金电缆

应用铝合金电缆

用铜还是用铝

----让我们正确理解市场上对于应用铝合金电缆的质疑

长久以来，人们对建筑用低压电缆的选择，通常是以铜为主。认为铜导体在电气性能及可靠程度上都高于其他导体，是用作电缆材料的不二选择。但铜作为地球上的一种稀缺资源，尤其是在我们国家，矿藏量十分有限，铜矿石大量依赖进口。在倡导节能环保、可持续发展的大环境下，我们是不是应该突破固有的使用习惯，在适用的条件下，去接受更加经济且环保的铝合金电缆呢？

众所周知，任何新事物、新科技的产生，必然会触动既有行业经济团体的利益，以致招来大量非议，受到同行及竞争对手排挤、打压。但随着越来越多的人逐渐了解并接受这种新鲜事物，以往陈旧的理念理所当然地会被历史的洪流所淘汰。就像现在，众多的设计师和业主基于其性能可靠，经济节约，绿色环保等考虑，纷纷开始选用铝合金电力电缆，恰恰说明铝合金电力电缆适用于中国市场，是非常符合中国国情的产物，同时能够满足很多场合应用的需求，有着广阔的市场和生命力。

关于铝合金电缆在国外住宅项目中应用的质疑

8000系列铝合金导体不同于以往的纯铝导体，经过一系列的工艺技术，通过在纯铝中添加铁、镁及其他一些金属元素后，其电气性能与纯铝基本相当，机械性能大幅改善，在抗蠕变、柔韧性、耐腐蚀及屈服强度上均接近甚至超越了铜导体。在8000系铝合金导体的发源地北美地区，有很多企业都在生产并销售以铝合金为导体的电缆产品，早在30多年前铝合金电缆就已经被广泛应用于包括住宅、 商业、工业及军事等众多项目中，并且运行良好。

下图是美国业绩表中的关于住宅业绩一页（截止到2000年，美国业绩表中典型安装项目共有71页，具有代表性的住宅工程有近150项；加拿大的典型安装工程有35页，具有代表性的住宅工程有近160项）下右图是加拿大业绩表中关于住宅业绩的一页。（可以看到早在1973年卡尔加里的洲际公寓二期的应用）。

所有这些业绩表明以铝合金为导体电力电缆是经过多年实际应用验证了的，是可靠的﹑安全的﹑稳定的﹑性价比高的配电线缆。除住宅外，合金电缆在工业﹑宾馆﹑商业建筑﹑机场﹑超高层建筑都有着广泛的应用。所以，针对于合金电缆在北美地区广泛应用的质疑都是没有根据的，是站不住脚的。

铝线电缆电流口诀详解

铝线电缆电流口诀详解

铝线电缆电流口诀详解

以铝线电缆电流口诀详解为题，本文将从铝线电缆的优势、电流传输特性以及相关注意事项等方面进行详细阐述。

铝线电缆是一种电力传输线路常用的导线材料，其具有重量轻、成本低的优势。然而，铝线电缆在电流传输方面存在一些特性需要我们注意。下面将通过一个口诀来详细解释这些特性。

口诀一：铝线电缆电流大，选择得当需谨慎。

铝线电缆的电流传输能力较铜线电缆较低，因此在选择铝线电缆时需要慎重考虑。铝线电缆的电流容量一般为铜线电缆的60%左右，因此在高负荷情况下，铝线电缆可能会出现过载问题。

口诀二：电流大，导热差。

相比铜线电缆，铝线电缆的导热性能较差。铝的导热系数约为铜的一半，这意味着铝线电缆在电流传输时会产生较多的热量，导致温升过高。因此，在安装铝线电缆时，应注意散热条件，避免因温度过高而导致线缆老化、短路等问题。

口诀三：接触电阻大，连接要准。

铝线电缆的接触电阻较大，这意味着在连接过程中需要更加准确和可靠。不良的连接会导致接触电阻增加，从而产生过热、火灾等安全隐患。因此，在接线时应注意使用专用的连接器，并确保连接牢固、接触良好。

口诀四：氧化快，保护要好。

铝线电缆易受氧化影响，因此需要进行良好的保护措施。铝的表面会形成一层氧化膜，这层氧化膜导致电流传输的阻力增加。为了减少氧化对电流传输的影响，可以采取涂层保护、使用特殊连接器等措施来防止铝线电缆氧化。

口诀五：铝线电缆重要事项，选择、连接、保护，都要慎重。

铝线电缆的选择、连接和保护都是非常重要的事项，需要慎重对待。在选择铝线电缆时，要根据实际需求和预算合理选择。在连接过程中，要使用专用的连接器，并确保连接牢固可靠。在保护方面，要采取适当的措施，防止铝线电缆受到氧化和其他外部因素的影响。

铝线电缆在电流传输方面存在一些特性需要我们注意。通过选择合适的铝线电缆、正确连接和保护，可以最大程度地发挥其优势，确保电力传输的安全可靠。铝线电缆不仅在电力传输领域广泛应用，也在建筑、航空航天等领域发挥着重要作用。因此，了解铝线电缆的电流传输特性，对于提高电力传输效率和安全性具有重要意义。

铝线对接的正确方法

铝线对接的正确方法

- 1 - 铝线对接的正确方法

铝线是随着建设市场的发展而越来越受到欢迎，它在建设工程中拥有重要作用，例如：在建筑物中用作电缆和照明系统，在机械设备中用作组件和装置，还可以用来传输能量、信号和信息。正确的铝线接头方法非常重要，不仅可以降低能耗，还能有效地减少危险的可能性。

第二段：

一般来说，正确连接铝线的方法首先包括三个步骤：铝线的清洗，铝线的剥皮以及铝线的接头。首先，需要确保用放在接头的铝线没有污垢，如果有，可以用有机溶剂清洗，然后把铝线取出来，用刮刀将油脂和污垢表面剥离，以保证铝线和接头之间的贴合。

第三段：

然后，需要对接头进行检查，确保它是完整的，没有划伤、裂痕等缺陷，并用手摘下表面的污垢或油脂。接下来，就可以开始铝线接头压接了。测量铝线接头长度，根据铝线的外径和接头的类型，选择合适的压接工具，然后将铝线插入接头，对齐接头的内部环，用压接工具将铝线接头压接在一起，完成一次压接。

第四段：

最后，为了确保压接接头的准确性，应检查接头外观，确保其表面平整，没有放射线、鼓包等缺陷，以及缝隙处的熔断状态，熔断处的颜色应与其他部位的颜色一致。检查完毕后，就可以将铝线接头安装到墙壁上，完成铝线的接头工作了。 - 2 - 第五段：

铝线的正确接头方法虽然很简单，但也需要仔细认真地执行，以确保安全性和可靠性。此外，在接头工作中，应避免用影响接头质量的不合格工具，避免使用损坏接头的材料，并确保接头连接牢固，以免发生失火、断电等情况。正确的铝线接头方法可以最大限度地提高安全性，减少火灾或其他事故的发生，可以有效地减少能源损耗，保证设备正常运行，从而提高工作效率。