金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法

專利名稱：：金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法
技術領域：
：本發明涉及電子元件
技術領域：
，尤其涉及一種金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法。
背景技術：
：場效應管(FieldEffectTransistor)是一種利用電場效應來控制電流大小的半導體器件。場效應管體積小、重量輕、耗電省、壽命長，并具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單等優點，因而應用范圍廣。在場效應管的加工制造過程中，鍵合是一道重要的工藝工序，它是將芯片上的焊點(PAD)與引線框架(LEADFRAME)進行導通連接。傳統上，通常采用金線球焊接或常溫超聲焊接兩種方法進行鍵合。其中因為鋁線在高壓電流打火下不容易形成球，所以只能采取常溫超聲焊接；而金線因為其自身具有導電性能好、硬度小、耐酸、耐腐蝕、不易氧化、易成球的物理特性，廣泛應用于球焊接。金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的應用電流比較大，如果采用金線球焊法，故需用比較粗的金線鍵合，因為金比較昂貴，于是就產生一個問題，用此方法生產此MOSFET的成本非常之高。如果使用鋁線超聲鍵合，因為鋁線的導電性能遠不如金，所以此方法相比于金線需要更粗的鋁線，如今，大部分MOSFET的加工采用這種辦法。但是由于鍵合粗鋁線的自動設備效率很低，且價格昂貴，對于很多小企業來說根本無法實現自動生產，于是部分企業都采用人工手動鍵合，而用人工鍵合的產品雖然不需要昂貴的設備但是同樣效率低并且可靠性沒有自動鍵合的高。
發明內容有鑒于此，有必要針對傳統的鍵合方法產生的成本高或者效率低的問題，提供一種金屬氧化物半導體場效應晶體管的4建合方法。此外，還提供了一種使用上述方法制造的金屬氧化物半導體場效應晶體管。為解決上述技術問題，提出了以下技術方案一種金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法包括如下步驟對金屬氧化物半導體場效應晶體管進行預熱處理；使用電打火的方式將銅線靠近芯片的一端熔化成焊球；將焊球與芯片的焊點接觸并施加超聲與壓力將焊球焊接在所述芯片上；使用超聲與壓力將銅線的另一端焊接在金屬氧化物半導體場效應晶體管的框架上。其中，還包括在所述焊球的周圍通保護氣體的步驟，所述銅線的線尾位于通保護氣體的氣嘴的中心偏上位置。其中，所述保護氣體為氫氮比為0.05-0.2的氫氮混合氣體，流量為0.2-1.0L/min。其中，所述電打火的打火電流為120-180mA，隔空電壓為4500-7000V，打火時間為1500-2500nS。其中，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括搜索芯片上的焊點的步驟，在搜索芯片上的焊點的過程中所述超聲功率P的數值為10-30,其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數值為15-80,壓力為60-180g，持續時間為2-15ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數值為40-100,壓力為80-180g，持續時間為15-45ms,其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數值為0-85，壓力為200-280g，持續時間為3醫15ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數值為卯-180,壓力為180-360g，持續時間為20-40ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。一種金屬氧化物半導體場效應晶體管，包括芯片、框架及焊接在所述芯片及框架之間以電連接所述芯片及框架的銅線，所述銅線釆用上述任意一項的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法焊接在所述芯片及框架之間。上述金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法中采用了銅絲焊接，由于銅絲的導電性能優良于金及鋁，用銅絲替代金絲可以降低成本，并且相對于鍵合較粗的鋁絲的自動設備，鍵合銅絲的效率可以大幅度的提高。圖1為銅線鍵合設備的示意圖2為銅線鍵合過程的焊頭、工作臺、功率、壓力的控制曲線示意圖。具體實施方式下面結合具體的實施例進行詳細的描述，在以下的實施方式中，采用銅線替換傳統的金線或者鋁線，達到降低成本及加工難度的目的。銅有一個顯著的優點就是它的導電性能優良于金更是遠高與鋁，因此，可以減少銅線的用量，以降低原材料使用的成本。通過計算，鍵合一個MOSFET需要用3mil的銅線6根，分別是柵極(G)l根，源極(S)5根。由于銅的價格相對金的價格低廉很多，因此，可以大幅度的降低原材料成本。但是，銅相對于金具有硬度大，易氧化的特點，在加工制造的過程中會給鍵合帶來一定的困難，下面結合的MOSFET鍵合方法進行詳細描述。如圖1所示，MOSFET包括芯片110及框架120。鍵合設備包括打火桿210、焊頭220及氣嘴230。鍵合設備將銅線310鍵合在芯片110與框架120上，實現芯片110與框架120的電連接。打火桿210用于產生高壓和大電流使銅線310的線尾312，即銅線靠近芯片110的一端產生高溫熔化成焊球。本實施例中，對MOSFET進行預熱處理，在環境溫度為200攝氏度左右，打火桿210的打火參數為打火電流(EFOCurrent)120-180mA,隔空電壓(GapVoltage)4500-7000V，打火時間(EFOTime)1500-2500MS。焊頭220包括劈刀222及換能桿224。換能桿224用于在焊接的過程中將電能轉化為超聲，本實施方式中，超聲的頻率為138KHz。劈刀222用于夾持銅線310、使銅線310產生向芯片IIO的壓力及移動銅線。打火桿210輸出高壓對劈刀222下的銅線310通過作用一定的時間和電流，形成一個特定的焊^1。然后劈刀222下降到芯片110的焊點(PAD)上，設備輸出能量通過換能桿224轉化為超聲，此超聲配合上焊頭220往下的壓力，作用上一定的時間，將焊球粘連到芯片IIO表面的焊接點。由于銅具有易氧化的特點，特別是在高溫熔化的狀態下更容易加速氧化，因此在劈刀222的一側設置氣嘴230,在焊球的周圍通保護氣體。安裝時，使銅線尾312位于氣嘴230的出氣口的中心偏上位置，這樣才能形成良好的軟性的銅球。本實施方式中，氣嘴230內口徑為3mm,氣嘴內通上氬氮比為0.05-0.2的氬氮混合氣體，流量為0.2-1.0L/min，最佳流量為0.6L/min，以保護形成的銅球不被氧化。氬氮混合氣體中的氬氣起還原作用，氮氣為排空氧氣作用。保護氣體也可以采用高純度的氮氣或者惰性氣體。當然，如果在真空環境或者無氧氣環境生產，可以不需要保護氣體。一根銅線有兩個坪點，其中，一焊在芯片110上，二焊在框架120上，只有一焊和二焊都符合要求，才能實現芯片110與框架120的電連接。為使鍵合后的產品質量合格必須保證二焊牢固無虛焊，更重要的是一焊既要牢固無虛焊，同時要保證芯片無損傷。由于一焊在芯片110上進^"，芯片IIO如果受過大的壓力和超聲功率，容易受損而降低產品的良率。因此，在一焊的過程中需要打火桿210產生焊球。而二焊在框架120上進行，框架120通常為金屬材料，可以承受較大的壓力和超聲功率，因此，一般不需打火桿210產生悍球。當然，在二焊的過程中也可以產生焊球。焊接一根銅線是一個時間，壓力，功率共同作用，并且由帶動MOSFET的工作臺及帶動銅線310的焊頭220配合動作的過程。如圖2所示，曲線22表示焊頭220在豎直方向(Z方向，即遠離/靠近MOSFET的方向)的運動。曲線22在水平線下方表明焊頭220往下(靠近MOSFET的方向)運動，水平線上方則往上(遠離MOSFET的方向)動作。在水平線下方，曲線22還往下則表示為焊頭220加速往下；在水平線下方，曲線往上則表明焊頭220往下減速運動。同理，在水平線上方，曲線還往上則是往上加速過程；水平線上方，曲線往下則表明焊頭220往上減速。曲線22在水平線上則表示焊頭220在Z方向靜止。曲線24表示工作臺在水平面方向(X、Y方向)的運動過程。工作臺的運動主要用于切換不同的焊點以完成一焊和二焊；焊頭220的運動主要用于將銅線310分別與芯片110或4匡架120接觸。X、Y、Z三個方向的動作相互配合，使其完成焊接的機械運動。再配合上換能桿224產生的超聲功率與劈刀222產生的壓力完成一條線的焊接，圖2中曲線26及曲線28及分別表示功率和壓力的變化情況。將曲線22、24、26、28分成14個區間，如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上表中功率P的數值是為了表示和設置方便，其實際功率值為(P/255)2*3.2瓦。當然功率、壓力、時間參數之間是相輔相成的關系，P為可調節值，范圍從0到255。為了表示和設置方便，表中壓力的單位為克(g)，時間的單位為毫秒(ms)。區間1之前，工作臺會移動MOSFET到預定位置。區間1為MOSFET到達預定位置后，焊頭220下降至第一焊點的搜索高度。在該區間內，焊頭220以較快的速度，移動到第一焊點的搜索高度，該搜索高度離芯片110的焊點較近。區間2為第一焊點的搜索。在該區間內，焊頭220以較慢的速度移動，直到熔化的銅球接觸到芯片110的焊點。將焊頭220的移動分成區間1及區間2的目的在于，防止在過快的移動過程中碰到芯片110而損傷芯片110，而區間1中的搜索高度是不會碰觸到芯片110的。在區間2中，超聲功率為10-30。區間3為第一焊點接觸階段。在該區間內，焊頭220停止移動，焊球與焊點接觸，超聲功率為15-80,焊頭施加的壓力為60-180g，區間3的持續時間為2國15ms。區間4為第一焊點焊接階段。在該區間內，提高功率與壓力，并延長時間，以將銅線310焊接在芯片上。本實施方式中，超聲功率為40-100，焊頭施加的壓力為80-180g，區間4的持續時間為15-45ms。區間5，焊頭220從焊接完一焊點處上升到返回高度，返回高度可以根據需要設置。區間6,焊頭220靜止，由工作臺移動，使焊頭220相對MOSFET移動一個返回距離，返回距離可以根據需要設置。區間7,焊頭220沿Z方向繼續上升，上升距離為需要的整條焊線的長度。該焊線的長度足以連接芯片110的焊點與MOSFET的框架120。'區間8,焊頭220靜止，由工作臺移動，使焊頭220相對MOSFET移動。區間9至區間12中，焊頭220的移動與區間l至區間4的移動類似，只是速度與距離有所不同。在區間9至區間10中，工作臺繼續移動4吏得焊頭220到達框架120需要焊接的位置。各區間的功率、壓力及時間如表中所示。對比第二焊點與第一焊點可以發現，第二焊點的功率、壓力及時間都大于第一焊點的功率、壓力及時間。二焊的過程可以不需要形成焊球，因此表中關于二焊的接觸、焊接為銅線直接與框架120接觸、焊接。區間13中，焊頭220上升，預留尾線長度。區間14中，焊頭220上升，工作臺移動，回到初始位置。區間1到區間14所花費的時間就是焊接一條線的時間。焊接完成后，銅線成為MOSFET的一部分，即TrenchMOSFE包括芯片110、框架120及焊接在芯片110及框架120之間以電連接芯片110及框架120的銅線310。上述功率及壓力參數是通過多次反復的實驗及理論分析獲得，測試表明，采用上述參數焊接獲得的MOSFET工作穩定可靠。上述金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法中采用了銅絲焊接，由于銅絲的導電性能優良于金及鋁，用銅絲替代金絲可以降低成本，并且相對于鍵合較粗的鋁絲的自動設備，鍵合銅絲的效率可以大幅度的提高。傳統的使用鋁絲時的產量效率為4-5萬/24小時，而本實施方式使用銅絲時的效率為6-7萬/24小時。銅線鍵合設備為傳統的鋁線自動鍵合設備一年的折舊費用的25°/。以下，從而降低整個產品的成本。另外考慮金屬間的生長，銅與鋁合金焊盤鍵合后不容易產生金屬間生長，生產出來的產品使用或者放置一段時間(通常是一年以上)，焊接點與芯片不容易產生金屬間化合物，因此產品在放置和使用一段時間后也不容易失效。因此銅線鍵合生產的產品可靠性高。上述鍵合方法突破了傳統的銅絲球焊不能用于MOSFET的工藝禁區。以上所迷實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。權利要求1、一種金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，包括如下步驟對金屬氧化物半導體場效應晶體管進行預熱處理；使用電打火的方式將銅線靠近芯片的一端熔化成焊球；將焊球與芯片的焊點接觸并施加超聲與壓力將焊球焊接在所述芯片上；使用超聲與壓力將銅線的另一端焊接在金屬氧化物半導體場效應晶體管的框架上。2、根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，還包括在所述焊球的周圍通保護氣體的步驟，所述銅線的線尾位于通保護氣體的氣嘴的中心偏上位置。3、根據權利要求2所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述保護氣體為氫氮比為0.05-0，2的氫氮混合氣體，流量為0.2-1.0L/min。4、根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述電打火的打火電流為120-180mA,隔空電壓為4500-7000V，打火時間為1500-2500iaS。5、根據權利要求l所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括搜索芯片上的焊點的步驟，在搜索芯片上的焊點的過程中所述超聲功率P的數值為10-30，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。6、根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數值為15-80,壓力為60-180g，持續時間為2-15ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦7、根據權利要求l所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數值為40-100，壓力為80-180g，持續時間為15-45ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。8、根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數值為0-85，壓力為200-280g,持續時間為3-15ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。9、根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數值為90-180，壓力為180-360g,持續時間為20-40ms，其中，超聲功率的計算方式為(P/255)2*3.2瓦。10、一種金屬氧化物半導體場效應晶體管，包括芯片及框架，其特征在于，還包括焊接在所述芯片及框架之間以電連接所述芯片及框架的銅線，所述銅線采用權利要求1至9中任意一項所述的金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法焊接在所述芯片及框架之間。全文摘要一種金屬氧化物半導體場效應晶體管鍵合方法包括如下步驟對金屬氧化物半導體場效應晶體管進行預熱處理；使用電打火的方式將銅線靠近芯片的一端熔化成焊球；將焊球與芯片的焊點接觸并施加超聲與壓力將焊球焊接在所述芯片上；使用超聲與壓力將銅線的另一端焊接在金屬氧化物半導體場效應晶體管的框架上。上述金屬氧化物半導體場效應晶體管及其鍵合方法中采用了銅絲焊接，由于銅絲的導電性能優良于金及鋁，用銅絲替代金絲可以降低成本，并且相對于鍵合較粗的鋁絲的自動設備，鍵合銅絲的效率可以大幅度的提高。上述鍵合方法突破了傳統的銅絲球焊不能用于MOSFET的工藝禁區。此外，還提供了一種金屬氧化物半導體場效應晶體管。文檔編號B23K20/10GK101388352SQ20081021704公開日2009年3月18日申請日期2008年10月22日優先權日2008年10月22日發明者廖志強,楠譚,賴輝朋申請人:深圳市晶導電子有限公司