键合引线的存储寿命老化研究

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

键合引线超过半年就必须丢弃吗？本文深度解析ASTM针对金丝与铝丝长达两年的老化研究，揭示退火态引线在恒温存储下的“硬核”稳定性。从细线延伸率波动到粗铝丝的再结晶机理，为您拆解引线长期贮存的性能演变，助力企业平衡物料成本与生产良率。

采用精益管理模式的大批量生产制造商，会按时接收运送的键合引线，并在到货后的一周至一个月内完成使用，因此通常不会关注引线在保存期限内的老化性能。但对于小型生产商，或是仅偶尔使用某种特定型号、规格引线的生产商而言，就需要重点关注多种型号键合引线的长期贮存（老化）性能。部分生产商为避免因引线冶金性能变化，影响现有键合设备设置条件下的生产产量，会直接丢弃超过特定期限（如3个月或6个月）的引线。

20世纪80年代中期，ASTM（F1.07委员会）组织多家引线生产商，开展了针对线径25μm（1mil）的键合金丝和铝丝实际老化性能的系统研究。研究中将缠绕在5cm（2in）线轴上的引线，置于22.8℃±1.6℃（73°F±3°F）的温度环境下贮存两年，并定期进行性能测试。结合更新后的ASTM键合引线标准，作者近期与多家引线生产商进行了沟通，这些生产商均认可当前引线的常规老化特性，且预期现阶段保存的引线仍能保持有效，其老化特性甚至应与球形键合用金丝的主要冶金性能变化保持一致，下文将对此展开深入探讨。

通常情况下，硬态、拉拔态引线的拉断力会在生产后的6周内快速下降（降幅在5%~15%之间），因此从可重复生产性的角度出发，大批量生产中几乎不推荐使用硬态引线。当贮存时间超过两年后，由于引线在室温下会发生自退火现象，拉断力会持续下降，但老化速度会显著放缓。而应力消除态及退火态的所有铝丝和金丝，在整个两年的测试周期内，其拉断力始终保持在规定范围内。

含1%硅的铝丝，其延伸率特性相较于拉断力更为不确定，可能出现升高或降低的情况，但始终处于规定的极限范围内，且通常在测试结束时会恢复至中间值。这些测试数据已被整理并发布于ASTM F487标准（铝，1%硅）及F72标准（金合金，铍、铜掺杂）中。图1和图2分别给出了（1%硅）铝丝和（铍掺杂量＜10ppm）金丝的老化数据；对于含1%镁的铝丝及含铜的金丝等其他引线，由于这类引线目前已很少使用，且已从ASTM标准中剔除，因此本文不再重复讨论，相关资料可查阅ASTM最初的研究成果。若读者需要了解更多关于键合引线规范和性能的详细数据，可直接查阅ASTM标准。

从保存期限研究中可得出如下结论：通常而言，经退火或应力消除处理的细引线（非硬态、拉拔态），可在长达两年的时间内正常使用，且其拉断力仅发生微小变化；尽管铝丝的延伸率波动相对较大，但仍处于整体规定的范围之内。需要特别注意的是，引线的贮存环境必须保持近乎恒定的室温，同时需避免阳光直射、敞门通风以及存在热源的环境，防止引线性能提前老化。

即便在ASTM试验证实引线可长期贮存后，仍有部分用户倾向于处理掉贮存约6个月的引线，其主要原因有两点：一是两年贮存期内，引线的存放环境和常规处理流程无法始终得到有效保证；二是自上次ASTM获取老化数据以来，现代金丝的微观冶金性能已发生改变，而目前尚未针对新型引线的老化特征开展相关研究。值得注意的是，这一期间细金丝的性能得到了大幅提升，变得更加稳定、强度更高，且颈部和弧形特征更优；与之相反，铝丝仍主要采用含1%硅的合金，至今未发生实质性变化，仅在性能一致性和可重复生产性方面有所改进。

目前，针对线径100μm（4mil）以上的粗键合引线，其等效老化性能的相关研究较为有限。但现阶段，大部分用于功率器件的粗铝丝，其成分为99.99%，且通常处于退火状态（延伸率＞5%）。基于上述细引线的老化性能测试结果，可以推测这类退火态粗引线的拉断力在两年贮存期内的变化会非常微小。图3给出了不同退火条件下粗引线的典型拉断力和延伸率示例，该曲线反映了不同热处理时间下引线的性能变化：曲线左侧的点对应热处理时间更短、温度更低，例如，制备典型粗引线时，可在250℃条件下退火45min（99.99%铝丝曲线可获得约15%的延伸率）。通过不同时间和温度条件的重复退火过程，绘制出完整的性能曲线。目前，大多数应用中所使用的粗铝丝，均处于曲线中高延伸率（＞5%）、拉断力平缓的区域，且这类铝丝在常规使用温度下能够保持性能稳定。

部分粗引线会添加约50ppm的镍作为掺杂元素，以改善其对包封塑料的耐腐蚀性。然而，实际应用中发现，大部分粗引线产品仍采用标准的99.99%铝丝。当前行业内主流使用的粗引线，线径最高可达500μm（20mil），延伸率处于10%~20%之间，这也是现阶段粗键合引线的主流应用参数。

图4所示为含1%硅、线径25μm（1mil）铝丝的退火曲线。硅掺杂的细线与粗线，其退火曲线差异显著，这种引线的具体曲线形状，会随退火温度、冷却时间以及各生产商的工艺过程不同而发生变化，在某些情况下，引线延伸率的波动幅度会比图4中的波动大几倍。这种延伸率波动的原因，与引线晶体结构的变化相关，即引线轴向从拉拔态〈110〉向再结晶〈111〉（热处理）过程的转变。