一種用于半導(dǎo)體功率器件封裝的引線(xiàn)焊接釬料及其制備方法和應(yīng)用
【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(xiàn)焊接釬料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 在自然界中，銅的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?xún)H次于銀，居第二位，銅與人的親和性?xún)H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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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壓力焊等，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(guò)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(guò)早的埋 下可靠性隱患。
[0006] 壓力焊：目前應(yīng)用較成功的鋁銅連接方法是壓力焊，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(rùn)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(guó)禁用，而新型的Sn-Cu無(wú)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(guò)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(xiàn)不可取，細(xì)鋁線(xiàn)耐流值不足，影響產(chǎn)品可靠性，因此考慮選用粗鋁線(xiàn)和較細(xì)的銅線(xiàn)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(xiàn)為主要應(yīng)用耗材的打線(xiàn)機(jī)速度慢（500ms/線(xiàn)），隱患諸多， 亟待改造提升。而Cu、Al都屬易氧化金屬，兩者的焊接一直以來(lái)都是國(guó)際難題，所以傳統(tǒng)意 義上的焊接（熔焊和壓焊）無(wú)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] 釬焊工藝的加熱溫度比較低（通過(guò)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(guò)程是保證形變小的前提條件），容易保證焊件 的尺寸精度。
[0011] 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(kāi)了細(xì)小 Cu-Al焊接的國(guó)際難題。
[0012] 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)。
[0013] 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(guó)內(nèi)功率器件生產(chǎn)、國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)的 面貌極大改觀。
[0014] 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(xiàn)和焊盤(pán)的材質(zhì)進(jìn)行選擇。功率半導(dǎo)體器件連線(xiàn)連接的兩端通常是粗鋁線(xiàn)（或銅線(xiàn)） 和芯片上的電極鋁層，細(xì)小的鋁-鋁或銅-鋁焊接素來(lái)是一個(gè)國(guó)際性難題，無(wú)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(xiàn)連線(xiàn)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(xiàn)連接后的塑封工藝溫度之間。不 同的引線(xiàn)（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(wèn)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。
[0015] 可見(jiàn)，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(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 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(xiàn)，采用鋁線(xiàn)或銅線(xiàn)）與芯 片鋁墊或框架（銅材質(zhì)）的可靠連接問(wèn)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(xiàn)焊接釬料及其制備方法和應(yīng)用，所制備的釬料能直接融化潤(rùn)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(xiàn)工藝存在的應(yīng)力問(wèn)題。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0018] -種用于半導(dǎo)體功率器件封裝的引線(xiàn)焊接釬料，該釬料包括銅引線(xiàn)用釬焊料A 和鋁引線(xiàn)用釬焊料B，按重量百分含量計(jì)，銅引線(xiàn)用釬焊料A化學(xué)成分為：Cu 20-29 %， A1 10. 0-20. 0%，Ag 2. 0-11. 0%，Bi 2. 0-5. 0%，Sb 3. 0-9. 0%，In 3. 0-9. 0%，Sn 為余 量；鋁引線(xiàn)用釬焊料 B 化學(xué)成分為：Cu 21. 0-29.0 %，A1 18. 0-27%，Ag 2. 0-9.0%，Bi 2· 0-3. 5%，Sb 6· 0-8. 0%，In 6· 0-8. 0%，Sn 為余量。
[0019] 上述銅引線(xiàn)用釬焊料A化學(xué)成分優(yōu)選為（wt，％ ) :Cu 22-24%，A1 18. 0-20%，Ag 2.0-8.0%，Bi 2.0-5.0%，Sb 6·0-9·0%，Ιη 6.0-9.0%，511為余量；鋁引線(xiàn)用釬焊料8化 學(xué)成分優(yōu)選為（Wt, % ) :Cu 20. 0-22.0%，A1 22-25. 0%，Ag 2.0-9. 0%，Bi 2.0-3. 5%，Sb 6. 5-8. 0%，In 6. 0-8. 0%，Sn 為余量。
[0020] 上述銅引線(xiàn)用釬焊料A化學(xué)成分更優(yōu)選為（wt, % ) :Sn 34. 1%，Cu 22. 4%，A1 20%，Ag 2. 0%，Bi 3. 5%，Sb 9. 0%，Ιη 9. 0%;鋁引線(xiàn)用釬焊料B化學(xué)成分更優(yōu)選為 (wt，％ ) :Sn 34. 1%，Cu 21. 0%，A1 23. 4%，Ag 2. 0%，Bi 3. 5%，Sb 8. 0%，In 8. 0%。
[0021] 本發(fā)明上述引線(xiàn)焊接釬料的制備按照如下步驟進(jìn)行：
[0022] (1)按照所述釬料化學(xué)成分進(jìn)行配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉，制得合金鑄錠；熔煉 過(guò)程中，采用石墨坩堝對(duì)釬料合金進(jìn)行脫氣，保溫脫氣時(shí)間為20min。
[0023] (2)均勻化退火：均勻化溫度為520°C，保溫14h，隨爐冷卻；
[0024] (3)熱擠壓開(kāi)胚：擠壓機(jī)噸位為500,合金鑄錠加熱溫度為500°C，保溫時(shí)間為2h， 擠壓模具加熱溫度為400 °C，擠壓比為32，擠壓成規(guī)格50mm X 4mm (厚度）的板材；
[0025] (4)熱乳/中間退火：
[0026] 首先，將熱擠壓開(kāi)坯后所得板材加熱至480°C，保溫2h ;然后進(jìn)行熱乳制，第道次 熱乳下壓量為0. l-o. 3mm，每乳制3道次進(jìn)行一次中間退火處理，退火溫度480°C，退火時(shí)間 20min ;熱乳至釬料厚度為0. 2-0. 4