專利名稱：一種粗鋁絲引線鍵合的實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體封裝技術領域，尤其是涉及半導體器件封裝中使用粗鋁絲引線鍵合的大功率肖特基、快恢復以及IGBT的實現(xiàn)方法。
背景技術：
金絲和銅絲引線鍵合是電子工業(yè)中應用最廣泛的引線鍵合技術，但金絲和銅絲受成本和焊接工藝限制無法滿足大功率器件、模塊及IGBT等產品的鍵合技術要求。隨著半導體行業(yè)的發(fā)展，封裝器件的功率大大的提高，以適應市場的需求。器件功率的提高涉及到內引線的耐壓能力和電流通量，半導體封裝行業(yè)首先就采用了粗鋁線來代替之前使用的金線、銅線。金線鍵合工藝雖已經非常的成熟，但其成本昂貴，同時我們在執(zhí)行大功率器件封裝時，使用的內引線線徑一般都在500 μ m及以上，相對換算成50 μ m的金線，我們得同時焊接15條才能滿足器件的封裝要求，成本提高幾倍、幾十倍不等，相信沒有任何一家封測企業(yè)是能夠接受的。目前半導體行業(yè)鋁線焊接其鋁線直徑只能做到500μπι以下，而我司通過研究能夠焊接500 μ m-1000 μ m的鋁線。對于銅線工藝，在金線的基礎上能夠節(jié)省一定的成本，但其在鍵合的過程中要求的條件比較復雜，因銅線在執(zhí)行鍵合時，需要保護氣體的保護，提高成本，增加工藝的難度。銅線焊接前需要電流燒結一個銅球，一旦銅球氧化，很容易在芯片鋁層上留下彈坑，對產品的質量帶來影響，也使產品的可靠性大打折扣。同時類似于金線，1000 μ m的粗鋁線要用50 μ m的銅線焊接也需要25條以上，在執(zhí)行芯片焊接時，更容易給芯片帶來不利的影響，針對以上金線、銅線的利弊，我們提出一種500 μ m-1000 μ m以上粗鋁線鍵合的實現(xiàn)方法，即能滿足大功率器件對封裝工藝的要求，同事也克服了金線、銅線的弊端，同時降低產品的功耗，提高產品可靠性，給半導體封裝行業(yè)帶來一大利益。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術現(xiàn)狀而提出一種粗鋁絲引線鍵合的實現(xiàn)方法，以降低成本，提高鍵合焊線力學、電學性能，增強鍵合強度、減小產品鍵合接觸電阻、降低器件功耗和半導體產品可靠性。本發(fā)明解決上述技術問題所才用的技術方案為
一種粗鋁絲引線鍵合的實現(xiàn)方法，其特征在于如下操作條件
(I)劈刀的選取 劈刀的設計優(yōu)化
因鋁絲延展性較好，在生產線的作業(yè)過程中，扯絲時易造成脫焊，無法連續(xù)作業(yè)，必須按粗鋁絲線徑設計規(guī)格相匹配的劈刀，在配合設備組裝的的切刀切線，使之保證生產線順利作業(yè)。劈刀有幾個部位需要進行修改，包括T尺寸、BL尺寸、ER&BF尺寸、H尺寸、W尺寸、VGW尺寸；另外劈刀材料的選擇和表面光潔度的選擇，保證劈刀有足夠的強度來完成焊接過程而不易損耗；還有通過調節(jié)切刀與劈刀之間的距離，從而改變一焊尾絲和二焊尾絲的、長短，確保一焊和二焊焊點的焊接強度；
本發(fā)明在粗鋁絲引線鍵合作業(yè)時采用如下規(guī)格的劈刀
T 1000 μ m-1800 μ m、BL 510 μ m-1060 μ m、ER&BF 250 μ m_500 μ m、
H 750 μ m-1500 μ m、W : 1000 μ m-2000 μ m、VGW 548 μ m-1093 μ m ；
(2)芯片表面鋁層厚度檢測
彈坑壓焊時輸出能量過大，使芯片焊區(qū)鋁墊受損而留下小洞。具體試驗方法為將壓焊完成的芯片放在濃度為20%_40%是NaOH溶液中，常溫浸泡4小時，然后取出用清水沖洗，再用濾紙吸干水分，放在高倍顯微鏡下觀察，會發(fā)現(xiàn)壓焊區(qū)有針孔大小的小洞，顏色呈彩色。失鋁壓焊時輸出能量過大，使芯片焊區(qū)鋁墊撕裂。檢驗方法同彈坑，檢驗后芯片鋁層會有脫落現(xiàn)象，顏色呈黑色制造大圓片時，因為蒸鋁工藝上的問題或出于成本表的考慮會導致一批大圓片出現(xiàn)壓焊區(qū)鋁層結合不致密或太薄，當壓焊時，劈刀在鋁墊上摩擦就比較容易將鋁墊撕裂(產生失鋁)或留下空洞(產生彈坑)，導致產品失效。將芯片放置在純度大于85%的磷酸溶液中，根據(jù)鋁層的溶解時間與標準樣本的對t匕，計算得到芯片表面鋁層的厚度；檢測出來的芯片表面鋁層厚度大于5 μ m時，才使用粗鋁線引線鍵合。(3)關鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配
因為粗鋁線焊接時要求的功率壓力較大，又考慮到芯片鋁層厚度的關系，在執(zhí)行粗鋁絲引線鍵合的時候會遇到類似于彈坑等情況，解決此類問題遵循下面的原則。 先調整參數(shù)是一焊焊點打不粘，然后逐步增加功率，壓力以及壓焊時間，直到焊點和焊點拉力達到工藝要求為止。同時不能過分追求過大的拉力，而追求焊點拉力的CPK值。實際生產中，不同線徑的粗鋁絲焊點和焊點拉力的工藝要求也不盡相同。在粗鋁絲引線鍵合過程中，因粗鋁絲不易氧化，生產工藝得到簡化，在常溫下進行焊接作業(yè)，且不需要任何保護氣體等保護焊線的措施。鋁層厚度大于5.0 μ m，粗鋁絲Φ500μπΓ 000μπι，優(yōu)化后的工藝參數(shù)
一焊時間3_9 ms ;一焊功率5-10 W ;一焊壓力4_10· 5N ；
二焊時間3_9 ms ;二焊功率5-10· 5 W ;二焊壓力4· 5-11 N ；
本發(fā)明即按照優(yōu)化后的工藝參數(shù)，進行芯片與粗鋁絲引線鍵和的操作。(4)鍵合強度檢測
為進一步保障產品的可靠性，增加焊線拉斷力的檢測手段，通過測量焊線的拉斷力檢測一焊和二焊的焊接強度，具體拉力規(guī)定如下
Φ500ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡700g ;Φ800ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡775g ；
Φ600ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡725g ; Φ900ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡800g ；
Φ700ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡750g ; OlOOOum粗鋁絲的焊點拉力彡825g ；
本發(fā)明選用粗鋁線鍵合具有很多優(yōu)勢
(O價格優(yōu)勢引線鍵合的各種鋁絲其成本只有同線徑金絲的1/20 ; (2)焊接設備優(yōu)勢由于銅絲硬度大，需要燒球等工藝，還需要氮氫混合氣保護，銅絲在燒球過程又易氧化；而鋁線焊接設備相對簡化許多；(3)電學性能和熱學性能比較大線徑的鋁線能承載更大的電流；(4)機械性能比較粗鋁線相對比較銅線拉力大；(5)焊點接觸強度及可靠性比較A1/A1界面的金屬間擴散效果優(yōu)于Au/Al或Cu/Al。由于鋁線成本和工藝等諸多優(yōu)勢，目前20mil以下的鋁線鍵合技術已經普及，隨著肖特基、快恢復、IGBT等功率器件功率和模塊化要求越來越高，對鍵合鋁線電流及其功率要求相應增加，同時粗鋁線焊接存在很多技術難點導致無法推廣使用。目前大功率產品只能用多根小鋁線焊接替代粗鋁線，這樣多次焊接芯片應力無法釋放，產品可靠性存在一定隱患，多線焊接對芯片尺寸要求較大，焊接生產效率也打折扣。若20mil以上的粗鋁線鍵合能夠推廣使用，大功率半導體產品效率、成本、可靠性優(yōu)勢更加明顯，粗鋁線在大功率器件封裝上的普及面將更廣泛。焊接20mil_40mil的粗鋁線鍵合要求封裝技術的發(fā)展，特別是焊接面積較大的功率器件封裝中，鋁絲引線鍵合具有很多優(yōu)勢(I)鋁絲引線鍵合在常溫下就可進行作業(yè)，同時鋁絲引線鍵合前不用燒球，不用保護氣體，可明顯降低生產成本，簡化作業(yè)手法；(2)在焊接面積較大的功率器件中使用直徑更大的鋁絲，可承載更大的電流；(3)對于金或銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤，其接口組織的顯微結構顯示，Au/Al或Cu/Al接口的金屬間因擴散速率不同形成的化合物，降低了焊點力學性能和電學性能，因此，鋁絲引線鍵合的可靠性要高于金絲引線鍵合和銅絲引線鍵合，這是半導體產品可靠性上的一大優(yōu)勢。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
與現(xiàn)行的金絲引線或銅絲引線鍵合技術相比，不僅可以降低成本，而且因為沒有脆性金屬化合物形成，大大提高了鍵合的強度，采用鋁絲鍵合新工藝不但能降低器件制造成本，而且其互連強度比金絲或銅絲都還要好。因而，在今后的微電子封裝發(fā)展中，特別是焊接面積較大的功率器件封裝中，鋁絲引線鍵合會成為主流技術。鋁絲與傳統(tǒng)的芯片上鋁金屬化焊區(qū)的鍵合，可減低成本，同時粗鋁絲因其鍵合面大，大大降低了焊點電阻，使功率器件VF降低，提高可靠性。


圖I是采用本發(fā)明進行粗鋁絲焊接的示意 附圖標記說明1-劈刀；2-切刀；3-線弧拱高；4- 一焊焊點；5-切點；6- —焊尾絲長度；7-扯絲高度
圖2是本發(fā)明的劈刀正面和側面外觀 圖3是本發(fā)明的劈刀頭部放大的正面 圖4是本發(fā)明的劈刀頭部放大的縱向局部剖視 圖5是本發(fā)明的劈刀頭部放大的俯視 圖6是本發(fā)明的劈刀頭部放大的立體 圖7是本發(fā)明的試驗流程 圖8是本發(fā)明的焊線拉斷力測量示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對發(fā)明作進一步詳細描述。按照圖I進行焊接時，采用本發(fā)明進行粗鋁絲引線鍵合的實現(xiàn)方法，其操作條件、如下
(一)劈刀的選取
因鋁絲延展性較好，在生產線的作業(yè)過程中，扯絲時易造成脫焊，無法連續(xù)作業(yè)，必須按粗鋁絲線徑設計規(guī)格相匹配的劈刀，在配合設備組裝的的切刀切線，使之保證生產線順利作業(yè)。劈刀有幾個部 位需要進行修改，包括T尺寸、BL尺寸、ER&BF尺寸、H尺寸、W尺寸、VGW尺寸；另外劈刀材料的選擇和表面光潔度的選擇，保證劈刀有足夠的強度來完成焊接過程而不易損耗；還有通過調節(jié)切刀與劈刀之間的距離，從而改變一焊尾絲和二焊尾絲的長短，確保一焊和二焊焊點的焊接強度；
本發(fā)明在粗鋁絲引線鍵合作業(yè)時采用如下規(guī)格的劈刀
T 1000 μ m-1800 μ m、BL 510 μ m-1060 μ m、ER&BF 250 μ m_500 μ m、
H 750 μ m-1500 μ m、W : 1000 μ m-2000 μ m、VGW 548 μ m-1093 μ m ；
粗鋁絲引線建合劈刀的外形具體尺寸，如圖2-6所示。優(yōu)化后的20mil_30mil粗鋁絲引線鍵合劈刀關鍵尺寸列表如下
權利要求
1.一種粗鋁絲引線鍵合的實現(xiàn)方法，其特征在于如下操作條件 (1)劈刀的選取 在粗鋁絲引線鍵合作業(yè)時采用如下規(guī)格的劈刀T 1000 μ m-1800 μ m、BL 510 μ m-1060 μ m、ER&BF 250 μ m_500 μ m、H 750 μ m-1500 μ m、W : 1000 μ m-2000 μ m、VGW 548 μ m-1093 μ m ； (2)芯片表面鋁層厚度檢測 將芯片放置在純度大于85%的磷酸溶液中，根據(jù)鋁層的溶解時間與標準樣本的對比，計算得到芯片表面鋁層的厚度；檢測出來的芯片表面鋁層厚度大于5 μ m時，使用粗鋁線引線鍵合； (3)關鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配 粗鋁絲Φ500μπΓ 000μπι，優(yōu)化后的工藝參數(shù) 一焊時間3_9 ms ;一焊功率5-10 W ;一焊壓力4_10· 5N ； 二焊時間3_9 ms ;二焊功率5-10· 5 W ;二焊壓力4· 5-11 N ； (4)鍵合強度檢測 采用克力計測量焊線的拉斷力進行判斷焊接強度是否滿足后工序工藝要求，測量時拉點選擇在整個焊線的中間部位； 按照優(yōu)化后的工藝參數(shù)，進行芯片與粗鋁絲引線鍵合的操作。
2.根據(jù)權利要求I所述的實現(xiàn)方法，其特征在于所述的芯片表面鋁層厚度檢測采用的標準樣本為 鋁層厚度1.4μπκ平均溶解時間155s、時間范圍145-165S、平均溶解速度90A/s 鋁層厚度1.5μπκ平均溶解時間175s、時間范圍165-185S、平均溶解速度86A/s 鋁層厚度I. 7 μ m、平均溶解時間205s、時間范圍195_210s、平均溶解速度83A/s 鋁層厚度2. 4 μ m、平均溶解時間265s、時間范圍230_285s、平均溶解速度91A/s 鋁層厚度3. 4 μ m、平均溶解時間510s、時間范圍480_560s、平均溶解速度67A/s 鋁層厚度3. 6 μ m、平均溶解時間555s、時間范圍540_590s、平均溶解速度61A/s 鋁層厚度3. 7 μ m、平均溶解時間605s、時間范圍580_620s、平均溶解速度61A/s 鋁層厚度4. I μ m、平均溶解時間625s、時間范圍595_650s、平均溶解速度68A/s 鋁層厚度4. 2 μ m、平均溶解時間690s、時間范圍625_715s、平均溶解速度61A/s 鋁層厚度4. 5 μ m、平均溶解時間830s、時間范圍780_860s、平均溶解速度54A/s 鋁層厚度5. I μ m、平均溶解時間910s、時間范圍855-965S、平均溶解速度56A/s 鋁層厚度5. 3 μ m、平均溶解時間1025s、時間范圍930_1075s、平均溶解速度50A/s 鋁層厚度5. 6 μ m、平均溶解時間1090s、時間范圍990-1145s、平均溶解速度51A/s。
3.根據(jù)權利要求I所述的實現(xiàn)方法，其特征在于所述的芯片表面鋁層厚度檢測包括如下步驟 (I)將50ml的磷酸溶液倒入干凈的150ml的燒杯中，打開電爐電源，將裝有300ml自來水的500ml的燒杯放在電爐上加熱，然后將所述150ml的燒杯放入所述500ml的燒杯中，分別在兩燒杯中放入溫度計，觀察溫度的變化情況，待到500ml燒杯中的水溫達到65°C時，關掉電爐電源，輕輕搖動150ml燒杯，同時觀察150ml燒杯中溫度計讀數(shù)，當達到60°C以上時將粘片完成的框架放入150ml燒杯的磷酸溶液中；(2)將粘片完成的框架放入磷酸溶液中后，確?？蚣苌系男酒辽儆幸活w完全浸沒在磷酸溶液中，然后用秒表開始計時，觀察芯片表面氣泡產生以及150ml燒杯中溫度計的讀數(shù)，若溫度超過65°C，則要將150ml燒杯從500ml燒杯中提出來，并控制150ml燒杯的溫度在60°C _65°C之間，當觀察到芯片表面有部分顏色變暗，這表明芯片表面鋁層即將溶解完畢，準備記錄溶解時間，待芯片白色鋁層褪盡，表面無氣泡產生時，表明溶解完畢，按下秒表停止鍵，記錄下整個溶解過程所用的時間； (3)記錄下溶解時間，再根據(jù)鋁層厚度檢測標準樣本對比數(shù)據(jù)，確定其鋁層厚度；若未能確定，則先確定厚度范圍，再根據(jù)該范圍的平均溶解速度計算其鋁層厚度值；計算公式鋁層厚度=(溶解時間-最臨近標準樣本溶解時間)*該范圍平均溶解速度+該標準樣本厚度。
4.根據(jù)權利要求I所述的實現(xiàn)方法，其特征在于所述鍵合強度檢測中的焊線拉斷力規(guī)定原則為 Φ500ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡700g ;Φ800ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡775g ； Φ600ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡725g ;Φ900ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡800g ； Φ700ιιπι粗鋁絲的焊點拉力彡750g ; OlOOOum粗鋁絲的焊點拉力彡825g。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體封裝技術領域，特別是一種粗鋁絲引線鍵合的實現(xiàn)方法，該方法包括劈刀的設計優(yōu)化、芯片表面鋁層厚度檢測、鍵合工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配、鍵合強度檢測四個重要的操作關鍵點；因粗鋁絲不易氧化，生產工藝簡化，可明顯降低成本，同時具有接觸電阻小，器件功耗低，鍵合強度高等優(yōu)點，采用85%的磷酸溶液檢查芯片鋁層厚度，確保粗鋁絲引線鍵合時鋁層厚度滿足大于5.0μm的要求，避免作業(yè)過程中出現(xiàn)彈坑；工藝參數(shù)上采用初始功率壓力，再根據(jù)實際情況調整，避免彈坑的產生；采用克力計測量焊線的拉斷力以判斷焊接強度是否達標；本發(fā)明既能明顯降低成本和降低器件功耗，又能提高產品的可靠性。
文檔編號H01L21/66GK102637613SQ20121014177
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權日2012年5月9日
發(fā)明者李科, 蔡少峰, 陳鳳甫 申請人:四川立泰電子有限公司