一種用于半導(dǎo)體功率器件封裝的引線焊接工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件封裝制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于半導(dǎo)體功率器 件封裝的引線焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 在自然界中，銅的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性僅次于銀，居第二位，銅與人的親和性僅次于 鈦，因此，銅在電的傳輸、熱量交換和生活日用品領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 在半導(dǎo)體功率器件的封裝制造過程中，考慮到功率器件大電流、高發(fā)熱量、超高功 率的特性，決定采用銅代替或部分代替鋁線完成芯片和引腳的連接，而其中最為關(guān)鍵的一 環(huán)，即是實(shí)現(xiàn)銅制焊絲（銅線或帶狀銅橋）和芯片鋁墊及框架的穩(wěn)定連接，但銅鋁連接的可 靠性問題一直困擾著學(xué)術(shù)界和制造業(yè)界。
[0004] 目前連接鋁銅的傳統(tǒng)焊接方法包括熔化焊和超聲壓焊等，其中：
[0005] 熔化焊：熔化焊是利用局部加熱的方法將連接處的金屬加熱至熔化狀態(tài)而完成連 接的焊接方法。熔化焊方法在鋁銅焊接中存在很大的困難，因?yàn)楫惙N金屬熔化焊時(shí)，接頭的 力學(xué)性能主要取決于熔化的焊縫金屬，其次才是熱影響區(qū)。鋁銅熔化焊時(shí)，當(dāng)焊縫中銅的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)超過33%時(shí)，會(huì)形成一定程度的低熔共晶，接頭處形成一系列硬脆的化合物。這些化 合物的強(qiáng)度都在15MPa以下，力學(xué)性能較差。就其工藝而言，鋁和銅的熔化溫度相差較大， 往往鋁熔化了而銅還處于固態(tài)，易形成未熔合和夾雜，焊接難度較大。在器件封裝制造中， 融化焊更是難以操作，對(duì)母材的部分融化會(huì)造成熱損傷，對(duì)于溫度敏感器件尤甚，過早的埋 下可靠性隱患。
[0006] 超聲壓焊：目前應(yīng)用較成功的鋁銅連接方法是超聲壓焊，包括超聲熱壓焊（wire bonding)、摩擦焊、冷壓焊、爆炸焊、電阻焊、擴(kuò)散焊、熱壓焊和磁脈沖焊等，但這種工藝不適 用于操作面積小、精度要求高的為電子制造領(lǐng)域。
[0007] 釬焊：釬焊法是目前鋁銅連接研究的熱點(diǎn)之一。其原理是將焊件母材和比母材熔 化溫度低的釬料（填充金屬）加熱到高于釬料熔化溫度，但低于母材熔化溫度的溫度，利用 液相釬料潤濕母材、填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散和發(fā)生冶金反應(yīng)，而實(shí)現(xiàn)連接。由于 釬焊反應(yīng)只在母材數(shù)微米至數(shù)十微米以下界面進(jìn)行，一般不牽涉母材深層的結(jié)構(gòu)，因此特 別有利于異種金屬之間的連接。工業(yè)中釬焊一般會(huì)使用釬料，傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料由于焊料 中的鉛對(duì)環(huán)境和健康的危害性極大，已逐漸被世界各國禁用，而新型的Sn-Cu無鉛焊料價(jià) 格相對(duì)低廉，但是銅和鋁之間存在1. 644V電極電位差非常容易引起腐蝕現(xiàn)象，并且Cu與A1 之間容易形成CuA12脆性化合物，使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低。
[0008] 功率器件的封裝制造過程中，為了兼顧成本和導(dǎo)熱、耐流等電氣特性，大規(guī)模使用 金線不可取，細(xì)鋁線耐流值不足，影響產(chǎn)品可靠性，因此考慮選用粗鋁線和較細(xì)的銅線作為 焊絲應(yīng)用在產(chǎn)品中，介于物理特性的差異，就產(chǎn)生了適應(yīng)于兩種焊絲的不同釬焊料：銅焊絲 的釬焊料和鋁焊絲的釬焊料。
[0009] 目前市場(chǎng)中的以粗鋁線為主要應(yīng)用耗材的焊線（鍵合）機(jī)速度慢（500ms/線），隱 患諸多，亟待改造提升。而Cu、A1都屬易氧化金屬，兩者的焊接一直以來都是國際難題，所 以傳統(tǒng)意義上的焊接（熔焊和壓焊）無法直接應(yīng)用到微電子制造業(yè)中，而釬焊的優(yōu)勢(shì)則十 分明顯。
[0010]另外，目前的聯(lián)線采用粗鋁線鍵合技術(shù)，該技術(shù)還存在以下三點(diǎn)缺陷：
[0011] 1.由于技術(shù)缺陷無法鍵合粗銅線使得導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能都更優(yōu)于鋁的銅無法應(yīng)用于 大功率半導(dǎo)體器件。
[0012] 2.鍵合工藝需要較大的力作用于芯片表面，容易導(dǎo)致器件芯片內(nèi)部產(chǎn)生微裂，使 得器件可靠性大大降低，尤其在汽車、電力機(jī)車、高壓輸變電路中無法使用。（隨著技術(shù)的發(fā) 展，器件芯片越來越薄，器件特性對(duì)外力愈發(fā)敏感。無作用力的聯(lián)線技術(shù)亟待開發(fā)。）
[0013] 3.粗鋁線鍵合機(jī)性價(jià)比太低。大大妨礙功率器件制造成本的降低。
[0014] 釬焊工藝的加熱溫度比較低（通過調(diào)整組分，可精確控制釬料熔點(diǎn)。因?yàn)椴煌?器件粘片、塑封的工藝溫度會(huì)有所不同，所以需要有不同熔點(diǎn)的釬焊料）因此釬焊以后焊 件的變形?。ㄎ⑿^(qū)域加熱、瞬間完成焊接過程是保證形變小的前提條件），容易保證焊件 的尺寸精度。
[0015] 釬焊工藝可適用于各種金屬材料、異種金屬、金屬與非金屬的連接，避開了細(xì)小 Cu-Al焊接的國際難題。
[0016] 可以一次完成多個(gè)零件或多條釬縫的釬焊，生產(chǎn)率較高，適合量產(chǎn)。
[0017] 可以釬焊極薄或極細(xì)的零件，以及粗細(xì)、厚薄相差很大的零件，配合自動(dòng)化程度高 的自動(dòng)釬焊機(jī)，我們可以期望這一改變足以使國內(nèi)功率器件生產(chǎn)、國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)的 面貌極大改觀。
[0018] 但前述亦提到，雖然技術(shù)上已經(jīng)具備可行性，但釬材成分至關(guān)重要，釬料一般分為 軟釬料（低于450°c)和硬釬料（一般高于450°C)，芯片生產(chǎn)中自然會(huì)選用低溫軟釬料以減 少熱損傷，但半導(dǎo)體工藝流程長(zhǎng)、工序繁多，所選釬料不但要配合Cu-Al釬焊要求且還需配 合引線和焊盤的材質(zhì)進(jìn)行選擇。功率半導(dǎo)體器件連線連接的兩端通常是粗鋁線（或銅線） 和芯片上的電極鋁層，細(xì)小的鋁-鋁或銅-鋁焊接素來是一個(gè)國際性難題，無成熟配方可供 參考。更為重要的，應(yīng)該關(guān)注半導(dǎo)體各段工藝溫度的梯度性，引線連線的工藝溫度必須介于 (芯片粘片工藝的工藝溫度）芯片電極的退火溫度和引線連接后的塑封工藝溫度之間。不 同的引線（銅絲或鋁絲）焊接將需要用不同的釬焊料。若忽略這一點(diǎn)會(huì)引發(fā)許多問題，例 如熱應(yīng)力導(dǎo)致的翹曲、高于擴(kuò)散溫度引發(fā)繼續(xù)擴(kuò)散而使得擴(kuò)散深度超出產(chǎn)品設(shè)定值等。
[0019] 可見，尋找一種可靠性高、成本低且適用于半導(dǎo)體功率器件封裝制造中銅鋁焊接 的焊料已成為目前亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 為了解決目前半導(dǎo)體功率器件封裝技術(shù)中焊絲（即引線，采用鋁線或銅線）與芯 片鋁墊或框架（銅材質(zhì)）的可靠連接問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于半導(dǎo)體功率器 件封裝的引線焊接工藝，該工藝通過采用特定釬料和激光焊接工藝能直接融化潤濕鋁墊和 框架實(shí)現(xiàn)三者之間穩(wěn)定可靠的連接，其中鋁墊和框架由于未達(dá)熔點(diǎn)不會(huì)融化，而只是預(yù)熱 使得表面充分伸展協(xié)助和液相釬料的結(jié)合，這就避免了熱損傷和傳統(tǒng)打線工藝存在的應(yīng)力 問題。
[0021] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0022] 一種用于半導(dǎo)體功率器件封裝的引線焊接工藝，該工藝是通過釬焊工藝實(shí)現(xiàn)引線 連接，釬焊過程采用激光實(shí)現(xiàn)；所述引線連接是指引線與芯片、引線與框架兩個(gè)焊點(diǎn)的焊接 過程的完成；該焊接工藝具體過程如下：
[0023] (1)第一焊點(diǎn)焊接：將引線待焊端送至芯片焊墊（鋁）預(yù)焊工位上方2mm處，對(duì)引 線和芯片焊墊（鋁）預(yù)熱，引線預(yù)熱溫度280°C，芯片焊墊（鋁）預(yù)熱溫度250°C;再將釬焊 絲送至芯片焊墊預(yù)焊工位上方1mm處，對(duì)釬焊絲在290°C加熱至熔化；最后引線向下壓至芯 片焊墊，熔化的釬焊絲同時(shí)潤濕焊墊和引線形成球狀焊點(diǎn)；冷卻后，即完成第一焊點(diǎn)焊接；
[0024] (2)第二焊點(diǎn)焊接：將引線待焊端送至框架（銅）預(yù)焊工位上方2mm處，對(duì)引線和 框架進(jìn)行預(yù)熱，引線預(yù)熱溫度280°C，框架預(yù)熱溫度250°C;再將釬焊絲送至框架（銅）預(yù)焊 工位上方1mm處，對(duì)釬焊絲在290°C加熱至熔化；最后引線向下壓至框架（銅），熔化的釬焊 絲同時(shí)潤濕框架（銅）和引線形成球狀焊點(diǎn)；冷卻后，即完成第二焊點(diǎn)焊接；從而完整焊接 好一條引線。
[0025] 上述焊接過程中，所述引線為銅引線或鋁引線，引線規(guī)格為直徑350-500微米；所 述釬焊絲為絲狀釬焊料，其規(guī)格為直徑0. 05-0. 3mm。
[0026] 上述焊接過程中，引線、框架和芯片焊墊的預(yù)熱由激光斑點(diǎn)直接照射加熱，光斑直 徑1mm，激光照射時(shí)間10ms。
[0027] 上述焊接過程中，釬焊絲的加熱由激光斑點(diǎn)直接照射加熱，光斑直徑1mm，激光照 射時(shí)間l〇ms。
[0028] 上述焊接過程中，所用釬焊料包括銅引線用釬焊料A和鋁引線用釬