一种粗铝丝引线键合的实现方法技术

本发明专利技术涉及半导体封装技术领域，特别是一种粗铝丝引线键合的实现方法，该方法包括：劈刀的设计优化、芯片表面铝层厚度检测、键合工艺参数的优化匹配、键合强度检测四个重要的操作关键点；因粗铝丝不易氧化，生产工艺简化，可明显降低成本，同时具有接触电阻小，器件功耗低，键合强度高等优点，采用85%的磷酸溶液检查芯片铝层厚度，确保粗铝丝引线键合时铝层厚度满足大于5.0μm的要求，避免作业过程中出现弹坑；工艺参数上采用初始功率压力，再根据实际情况调整，避免弹坑的产生；采用克力计测量焊线的拉断力以判断焊接强度是否达标；本发明专利技术既能明显降低成本和降低器件功耗，又能提高产品的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体封装
，尤其是涉及半导体器件封装中使用粗铝丝引线键合的大功率肖特基、快恢复以及IGBT的实现方法。
技术介绍
金丝和铜丝引线键合是电子工业中应用最广泛的引线键合技术，但金丝和铜丝受成本和焊接工艺限制无法满足大功率器件、模块及IGBT等产品的键合技术要求。随着半导体行业的发展，封装器件的功率大大的提高，以适应市场的需求。器件功率的提高涉及到内引线的耐压能力和电流通量，半导体封装行业首先就采用了粗铝线来代替之前使用的金线、铜线。金线键合工艺虽已经非常的成熟，但其成本昂贵，同时我们在执行大功率器件封装时，使用的内引线线径一般都在500 μ m及以上，相对换算成50 μ m的金线，我们得同时焊接15条才能满足器件的封装要求，成本提高几倍、几十倍不等，相信没有任何一家封测企业是能够接受的。目前半导体行业铝线焊接其铝线直径只能做到500μπι以下，而我司通过研究能够焊接500 μ m-1000 μ m的铝线。对于铜线工艺，在金线的基础上能够节省一定的成本，但其在键合的过程中要求的条件比较复杂，因铜线在执行键合时，需要保护气体的保护，提高成本，增加工艺的难度。铜线焊接前需要电流烧结一个铜球，一旦铜球氧化，很容易在芯片铝层上留下弹坑，对产品的质量带来影响，也使产品的可靠性大打折扣。同时类似于金线，1000 μ m的粗铝线要用50 μ m的铜线焊接也需要25条以上，在执行芯片焊接时，更容易给芯片带来不利的影响，针对以上金线、铜线的利弊，我们提出一种500 μ m-1000 μ m以上粗铝线键合的实现方法，即能满足大功率器件对封装工艺的要求，同事也克服了金线、铜线的弊端，同时降低产品的功耗，提高产品可靠性，给半导体封装行业带来一大利益。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提出，以降低成本，提高键合焊线力学、电学性能，增强键合强度、减小产品键合接触电阻、降低器件功耗和半导体产品可靠性。本专利技术解决上述技术问题所才用的技术方案为 ，其特征在于如下操作条件 (I)劈刀的选取 劈刀的设计优化 因铝丝延展性较好，在生产线的作业过程中，扯丝时易造成脱焊，无法连续作业，必须按粗铝丝线径设计规格相匹配的劈刀，在配合设备组装的的切刀切线，使之保证生产线顺利作业。劈刀有几个部位需要进行修改，包括T尺寸、BL尺寸、ER&BF尺寸、H尺寸、W尺寸、VGW尺寸；另外劈刀材料的选择和表面光洁度的选择，保证劈刀有足够的强度来完成焊接过程而不易损耗；还有通过调节切刀与劈刀之间的距离，从而改变一焊尾丝和二焊尾丝的、长短，确保一焊和二焊焊点的焊接强度； 本专利技术在粗铝丝引线键合作业时采用如下规格的劈刀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)芯片表面铝层厚度检测 弹坑压焊时输出能量过大，使芯片焊区铝垫受损而留下小洞。具体试验方法为将压焊完成的芯片放在浓度为20%_40%是NaOH溶液中，常温浸泡4小时，然后取出用清水冲洗，再用滤纸吸干水分，放在高倍显微镜下观察，会发现压焊区有针孔大小的小洞，颜色呈彩色。失铝压焊时输出能量过大，使芯片焊区铝垫撕裂。检验方法同弹坑，检验后芯片铝层会有脱落现象，颜色呈黑色制造大圆片时，因为蒸铝工艺上的问题或出于成本表的考虑会导致一批大圆片出现压焊区铝层结合不致密或太薄，当压焊时，劈刀在铝垫上摩擦就比较容易将铝垫撕裂(产生失铝)或留下空洞(产生弹坑)，导致产品失效。将芯片放置在纯度大于85%的磷酸溶液中，根据铝层的溶解时间与标准样本的对t匕，计算得到芯片表面铝层的厚度；检测出来的芯片表面铝层厚度大于5 μ m时，才使用粗铝线引线键合。(3)关键工艺参数的优化匹配 因为粗铝线焊接时要求的功率压力较大，又考虑到芯片铝层厚度的关系，在执行粗铝丝引线键合的时候会遇到类似于弹坑等情况，解决此类问题遵循下面的原则。 先调整参数是一焊焊点打不粘，然后逐步增加功率，压力以及压焊时间，直到焊点和焊点拉力达到工艺要求为止。同时不能过分追求过大的拉力，而追求焊点拉力的CPK值。实际生产中，不同线径的粗铝丝焊点和焊点拉力的工艺要求也不尽相同。在粗铝丝引线键合过程中，因粗铝丝不易氧化，生产工艺得到简化，在常温下进行焊接作业，且不需要任何保护气体等保护焊线的措施。铝层厚度大于5.0 μ m，粗铝丝Φ500μπΓ 000μπι，优化后的工艺参数 一焊时间3_9 ms ;一焊功率5-10 W ;一焊压力4_10· 5N ； 二焊时间3_9 ms ;二焊功率5-10· 5 W ;二焊压力4· 5-11 N ； 本专利技术即按照优化后的工艺参数，进行芯片与粗铝丝引线键和的操作。(4)键合强度检测 为进一步保障产品的可靠性，增加焊线拉断力的检测手段，通过测量焊线的拉断力检测一焊和二焊的焊接强度，具体拉力规定如下 Φ500ιιπι粗铝丝的焊点拉力彡700g ;Φ800ιιπι粗铝丝的焊点拉力彡775g ； Φ600ιιπι粗铝丝的焊点拉力彡725g ; Φ900ιιπι粗铝丝的焊点拉力彡800g ； Φ700ιιπι粗铝丝的焊点拉力彡750g ; OlOOOum粗铝丝的焊点拉力彡825g ； 本专利技术选用粗铝线键合具有很多优势 (O价格优势引线键合的各种铝丝其成本只有同线径金丝的1/20 ; (2)焊接设备优势由于铜丝硬度大，需要烧球等工艺，还需要氮氢混合气保护，铜丝在烧球过程又易氧化；而铝线焊接设备相对简化许多；(3)电学性能和热学性能比较大线径的铝线能承载更大的电流；(4)机械性能比较粗铝线相对比较铜线拉力大；(5)焊点接触强度及可靠性比较A1/A1界面的金属间扩散效果优于Au/Al或Cu/Al。由于铝线成本和工艺等诸多优势，目前20mil以下的铝线键合技术已经普及，随着肖特基、快恢复、IGBT等功率器件功率和模块化要求越来越高，对键合铝线电流及其功率要求相应增加，同时粗铝线焊接存在很多技术难点导致无法推广使用。目前大功率产品只能用多根小铝线焊接替代粗铝线，这样多次焊接芯片应力无法释放，产品可靠性存在一定隐患，多线焊接对芯片尺寸要求较大，焊接生产效率也打折扣。若20mil以上的粗铝线键合能够推广使用，大功率半导体产品效率、成本、可靠性优势更加明显，粗铝线在大功率器件封装上的普及面将更广泛。焊接20mil_40mil的粗铝线键合要求封装技术的发展，特别是焊接面积较大的功率器件封装中，铝丝引线键合具有很多优势(I)铝丝引线键合在常温下就可进行作业，同时铝丝引线键合前不用烧球，不用保护气体，可明显降低生产成本，简化作业手法；(2)在焊接面积较大的功率器件中使用直径更大的铝丝，可承载更大的电流；(3)对于金或铜引线键合到铝金属化焊盘，其接口组织的显微结构显示，Au/Al或Cu/Al接口的金属间因扩散速率不同形成的化合物，降低了焊点力学性能和电学性能，因此，铝丝引线键合的可靠性要高于金丝引线键合和铜丝引线键合，这是半导体产品可靠性上的一大优势。与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李科，蔡少峰，陈凤甫，
申请(专利权)人：四川立泰电子有限公司，
类型：发明
国别省市：