一種用于半導體功率器件封裝的引線焊接工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體功率器件封裝制造技術領域，具體涉及一種用于半導體功率器 件封裝的引線焊接工藝。
【背景技術】
[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域獲得了廣泛的應用。
[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，而其中最為關鍵的一 環，即是實現銅制焊絲（銅線或帶狀銅橋）和芯片鋁墊及框架的穩定連接，但銅鋁連接的可 靠性問題一直困擾著學術界和制造業界。
[0004] 目前連接鋁銅的傳統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。鋁銅熔化焊時，當焊縫中銅的質 量分數超過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，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] 超聲壓焊：目前應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生冶金反應，而實現連接。由于 釬焊反應只在母材數微米至數十微米以下界面進行，一般不牽涉母材深層的結構，因此特 別有利于異種金屬之間的連接。工業中釬焊一般會使用釬料，傳統的Sn-Pb焊料由于焊料 中的鉛對環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，大規模使用 金線不可取，細鋁線耐流值不足，影響產品可靠性，因此考慮選用粗鋁線和較細的銅線作為 焊絲應用在產品中，介于物理特性的差異，就產生了適應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用耗材的焊線（鍵合）機速度慢（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 以傳統意義上的焊接（熔焊和壓焊）無法直接應用到微電子制造業中，而釬焊的優勢則十 分明顯。
[0010]另外，目前的聯線采用粗鋁線鍵合技術，該技術還存在以下三點缺陷：
[0011] 1.由于技術缺陷無法鍵合粗銅線使得導電、導熱性能都更優于鋁的銅無法應用于 大功率半導體器件。
[0012] 2.鍵合工藝需要較大的力作用于芯片表面，容易導致器件芯片內部產生微裂，使 得器件可靠性大大降低，尤其在汽車、電力機車、高壓輸變電路中無法使用。（隨著技術的發 展，器件芯片越來越薄，器件特性對外力愈發敏感。無作用力的聯線技術亟待開發。）
[0013] 3.粗鋁線鍵合機性價比太低。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 件的變形小（微小區域加熱、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，避開了細小 Cu-Al焊接的國際難題。
[0016] 可以一次完成多個零件或多條釬縫的釬焊，生產率較高，適合量產。
[0017] 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功率器件生產、國內半導體行業技術的 面貌極大改觀。
[0018] 但前述亦提到，雖然技術上已經具備可行性，但釬材成分至關重要，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，應該關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許多問題，例 如熱應力導致的翹曲、高于擴散溫度引發繼續擴散而使得擴散深度超出產品設定值等。
[0019] 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。
【發明內容】
[0020] 為了解決目前半導體功率器件封裝技術中焊絲（即引線，采用鋁線或銅線）與芯 片鋁墊或框架（銅材質）的可靠連接問題，本發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 框架實現三者之間穩定可靠的連接，其中鋁墊和框架由于未達熔點不會融化，而只是預熱 使得表面充分伸展協助和液相釬料的結合，這就避免了熱損傷和傳統打線工藝存在的應力 問題。
[0021] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：
[0022] 一種用于半導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現引線 連接，釬焊過程采用激光實現；所述引線連接是指引線與芯片、引線與框架兩個焊點的焊接 過程的完成；該焊接工藝具體過程如下：
[0023] (1)第一焊點焊接：將引線待焊端送至芯片焊墊（鋁）預焊工位上方2mm處，對引 線和芯片焊墊（鋁）預熱，引線預熱溫度280°C，芯片焊墊（鋁）預熱溫度250°C;再將釬焊 絲送至芯片焊墊預焊工位上方1mm處，對釬焊絲在290°C加熱至熔化；最后引線向下壓至芯 片焊墊，熔化的釬焊絲同時潤濕焊墊和引線形成球狀焊點；冷卻后，即完成第一焊點焊接；
[0024] (2)第二焊點焊接：將引線待焊端送至框架（銅）預焊工位上方2mm處，對引線和 框架進行預熱，引線預熱溫度280°C，框架預熱溫度250°C;再將釬焊絲送至框架（銅）預焊 工位上方1mm處，對釬焊絲在290°C加熱至熔化；最后引線向下壓至框架（銅），熔化的釬焊 絲同時潤濕框架（銅）和引線形成球狀焊點；冷卻后，即完成第二焊點焊接；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，引線規格為直徑350-500微米；所 述釬焊絲為絲狀釬焊料，其規格為直徑0. 05-0. 3mm。
[0026] 上述焊接過程中，引線、框架和芯片焊墊的預熱由激光斑點直接照射加熱，光斑直 徑1mm，激光照射時間10ms。
[0027] 上述焊接過程中，釬焊絲的加熱由激光斑點直接照射加熱，光斑直徑1mm，激光照 射時間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