一種用于半導體功率器件封裝的引線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體功率器 件封裝的引線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，銅的導電性和導熱性僅次于銀，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，因為異種金屬熔化焊時，接頭的 力學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，當焊縫中銅的質(zhì) 量分數(shù)超過33%時，會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 合物的強度都在15MPa以下，力學性能較差。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，對母材的部分融化會造成熱損傷，對于溫度敏感器件尤甚，過早的埋 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，并與母材相互擴散和發(fā)生冶金反應(yīng)，而實現(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)中釬焊一般會使用釬料，傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料由于焊料 中的鉛對環(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 格相對低廉，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，使焊點強度降低。
[0008] 功率器件的封裝制造過程中，為了兼顧成本和導熱、耐流等電氣特性，大規(guī)模使用 金線不可取，細鋁線耐流值不足，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] 目前市場中的以粗鋁線為主要應(yīng)用耗材的打線機速度慢（500ms/線），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)勢則十分明顯。
[0010] 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。因為不同的 器件粘片、塑封的工藝溫度會有所不同，所以需要有不同熔點的釬焊料）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。
[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，避開了細小 Cu-Al焊接的國際難題。
[0012] 可以一次完成多個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的零件，以及粗細、厚薄相差很大的零件，配合自動化程度高 的自動釬焊機，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)中自然會選用低溫軟釬料以減 少熱損傷，但半導體工藝流程長、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)進行選擇。功率半導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，細小的鋁-鋁或銅-鋁焊接素來是一個國際性難題，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。若忽略這一點會引發(fā)許多問題，例 如熱應(yīng)力導致的翹曲、高于擴散溫度引發(fā)繼續(xù)擴散而使得擴散深度超出產(chǎn)品設(shè)定值等。
[0015] 可見，尋找一種可靠性高、成本低且適用于半導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】

[0016] 為了解決目前半導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體功率器 件封裝的引線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濕鋁墊和框架實 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熔點不會融化，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。
[0017] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0018] -種用于半導體功率器件封裝的引線焊接釬料，該釬料包括銅引線用釬焊料A 和鋁引線用釬焊料B，按重量百分含量計，銅引線用釬焊料A化學成分為：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；鋁引線用釬焊料 B 化學成分為：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] 上述銅引線用釬焊料A化學成分優(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；鋁引線用釬焊料8化 學成分優(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] 上述銅引線用釬焊料A化學成分更優(yōu)選為（wt, % ) :Sn 34. 1%，Cu 22. 4%，A1 20%，Ag 2. 0%，Bi 3. 5%，Sb 9. 0%，Ιη 9. 0%;鋁引線用釬焊料B化學成分更優(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)明上述引線焊接釬料的制備按照如下步驟進行：
[0022] (1)按照所述釬料化學成分進行配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉，制得合金鑄錠；熔煉 過程中，采用石墨坩堝對釬料合金進行脫氣，保溫脫氣時間為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)熱擠壓開胚：擠壓機噸位為500,合金鑄錠加熱溫度為500°C，保溫時間為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，將熱擠壓開坯后所得板材加熱至480°C，保溫2h ;然后進行熱乳制，第道次 熱乳下壓量為0. l-o. 3mm，每乳制3道次進行一次中間退火處理，退火溫度480°C，退火時間 20min ;熱乳至釬料厚度為0. 2-0. 4