摘要 ：

随着功率半导体技术的飞速发展，尤其是碳化硅（SiC）等第三代半导体材料的广泛应用，封装技术面临更为苛刻的要求。传统 Wire Bonding 技术面临热应力、机械损伤及键合质量不稳定等挑战。

本文探讨搭配高速闭环温控的激光辅助加热系统，结合热超声键合，在功率半导体封装中的优势与实现路径。实验验证表明，激光辅助加热在增强键合强度、缩短工艺时间及降低机械应力等方面的展现出显著效果，为功率半导体封装提供了新思路。

功率半导体封装背景

功率半导体器件作为电能转换与控制的核心元件，在新能源汽车、智能电网、工业电机驱动等领域发挥着关键作用。SiC 等第三代半导体材料因其优异的电学性能和高热导率，逐渐成为功率半导体器件的主流选择。

然而，SiC 的高硬度和高熔点给封装技术带来了新挑战，如超声能量需求增加、热应力问题加剧及键合质量波动等。为应对这些挑战，本文引入了激光辅助加热技术，并探讨了其在功率半导体封装中的创新应用。

Wire Bonding 技术挑战

超声波楔形引线键合是电力电子电气连接中的一种成熟工业工艺，通过超声振动促进金属间化合物的相互扩散与形成，从而实现键合。传统上，绝大多数使用铝或铜线的楔形键合均在室温下进行。而对于球形和楔形键合中的细金线应用，通常采用热超声技术，将界面和整个设备加热至约 125 至 220°C。这种工艺也越来越多地应用于铜线球形键合，同时利用了热能和超声波能。

在热超声引线键合的现有应用中，热量通过夹具提供，夹具夹持着待键合的产品。这种设置存在明显弊端：整个产品都被加热，因此其设计必须能够承受材料极限和热机械应力方面的温度升高，这在许多应用中难以实现。此外，产品达到目标温度并开始键合过程需要一定时间，降低了生产效率。

在 SiC 等材料封装过程中，传统 Wire Bonding 技术面临的挑战更加凸显 ：

1）高超声能量需求：SiC 的高硬度要求更高的超声能量以实现有效键合，但高能量可能导致基板损伤，基板裂纹发生率高。200°C 以上的工作温度导致传统焊点 IMC层过度生长，<100μm 的芯片厚度要求键合压力 <0.3N。

2）热应力问题：SiC 的高热导率，同时 SiC 与铜线CTE 差异大，使得封装过程中的热应力问题更加突出，影响器件可靠性和寿命。

3）键合质量不稳定：传统加热方式难以实现温度的精确控制，导致键合质量不稳定。全局加热引发塑封材料老化。

激光加热技术引入与演进

激光加热技术以其局部精确加热、非接触式能量传递及毫秒级响应速度等优势，为 Wire Bonding 提供了新解决方案。结合高速闭环温控系统，激光加热技术能实现键合工具温度的精确控制，进一步提高键合质量和效率。 

激光技术演进历程如下 ： 

萌芽期（1990-2005）：美国 K&S 公司首次提出激光局部加热概念，但受限于温控精度（±15°C），仅应用于金线键合。 

突破期（2005-2015）：日本新川开发出首台商用激光键合设备，将温控精度提升至 ±5°C，推动铜线键合产业化。 

成熟期（2015- 至今）：德国 Hesse 等企业实现更高精度的温控（±2°C 以内），并成功应用于 SiC 功率模块量产线。

激光辅助加热系统设计与实现

系统架构

激光辅助加热系统由激光源、光纤、光学系统、键合工具及闭环温控系统组成。激光束通过光纤传输至聚焦光学元件，聚焦后照射在键合工具尖端，实现局部快速加热。（图 1）闭环温控系统实时高速监测工具温度并调整激光功率，确保温度稳定，符合设定的温度曲线。（图 2）（图 3）

图1：激光辅助加热结合热超声键合

图2：结合高速闭环温控的激光辅助加热系统

图3：闭环温控实时曲线

键合工具设计

键合工具是激光加热系统的核心部件，设计需考虑激光吸收效率、热传导性能及机械强度。采用特殊材料制成的键合工具，表面涂有高吸收率的激光吸收层，提高激光能量吸收效率。工具内部设计热传导通道，确保热量快速均匀传递至键合区域。

闭环温控系统

闭环温控系统通过红外高温计实时监测工具尖端温度，采用相关 AI 算法高速调整激光的实时功率，使工具温度稳定在设定值范围内（±2℃）。系统具备温度异常报警和自动停机功能，确保操作安全。

实验验证与分析

实验材料与方法实验选用 

500μm 直径的铝线和铜线作为键合材料，SiC 晶圆作为基板。采用带有激光辅助加热的自动键合机进行键合实验。设置不同的工具温度和超声参数，评估激光辅助加热对键合质量的影响。

键合强度分析

实验结果表明，激光辅助加热显著提高键合强度。以铝线为例，在相同超声参数下，工具温度为 400°C 时的键合强度比室温下提高约 30%。进一步增加工具温度至600°C，键合强度略有提升。这表明在一定范围内提高工具温度能有效增强键合强度。

工艺时间优化

激光加热显著缩短键合时间。以铜线为例，在相同键合强度要求下，采用激光加热技术的键合时间比传统方法缩短约 50%。

机械应力降低

激光辅助加热技术通过减少超声振幅和正常力，有效降低键合过程中的机械应力。实验数据显示，在相同键合强度下，采用激光辅助加热技术的超声振幅和正常力分别比传统方法降低约 20% 和 10%。

键合界面形貌分析

扫描电子显微镜（SEM）观察显示，激光辅助加热后的键合界面更加平整、均匀。这得益于激光辅助加热的局部精确控制特性。 

需要补充的是，闭环温控系统也同时带有过程控制系统。这样也方便针对不同的材料进行键合温度（温度曲线）和时间的参数设定和优化。

讨论与展望

技术优势总结

激光辅助加热技术在 Wire Bonding 中的应用，特别是在功率半导体封装领域，展现出显著的技术优势。结合高速闭环温控系统，激光加热技术实现了键合工具温度的精确控制，有效缩短了工艺时间，通过减小超声振动幅度和 / 或法向力降低了基材中的机械应力，并显著提高了键合剪切强度。这些优点与经典的热超声引线键合相似，但避免了全局加热这一主要缺陷。

未来研究方向

尽管激光辅助加热技术取得初步成果，但仍有许多问题有待深入研究。 

多材料适应性研究 ：探索激光辅助加热技术在多种不同材料组合键合中的应用效果，优化工艺参数等。 

系统集成与优化 ：研究激光辅助加热系统与现有热超声键合设备的集成方式，优化系统结构和控制算法。

结论

本文通过综合分析与实验验证，展示了激光辅助加热技术在功率半导体 Wire Bonding 封装中的创新应用与显著优势，为功率半导体封装技术的发展提供了新的思路与方向。

【本文转自《一步步新技术》杂志，作者许灵敏，黄燕雄，龙大为，作者单位是骋电电子科技（深圳）有限公司，转载仅供学习交流。】