CN100454507C - 改良的半导体芯片与引出线焊接模 - Google Patents

改良的半导体芯片与引出线焊接模 Download PDF

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Abstract

本发明是对电子行业半导体器件，如二极管、三极管、桥堆等半导体芯片与引出线焊接用模具的改进，其特征是采用陶瓷原料细粉，尤其是冷热急变性好、热膨胀系数小、收缩性小的如莫来石、堇青石、二氧化硅、金属硅粉、碳化硅、氮化硅、赛隆中的一种，作主原料经模具一次成型，而后烧结制成。不仅制造简便，而且一次成型，精度及尺寸控制好，产品精确度高，成品率相对较高，生产成本低；尤其是陶瓷模具，为不变形的高温绝缘体，硬度和高温强度好，耐磨性、耐腐蚀和耐氧化性好，长期反复使用不变形，实际使用寿命长，经实验证实，实际使用寿命较石墨焊接模可提高5-10倍，是金属模的4-6倍。采用冷热急变性好、热膨胀系数小、收缩性小的陶瓷物料作主原料，更是提高了产品的烧结成品率，而且导热性好，耐冷热急变性优良，热膨胀小，具有更长的使用寿命。

Description

改良的半导体芯片与引出线焊接模
技术领域
本发明是对电子行业半导体器件，如二极管、三极管、桥堆等半导体芯片与引出线焊接用模具的改进，尤其涉及一种重复使用寿命长，且对焊接芯片安全性好的焊接模。
背景技术
电子行业如二极管、三极管、桥堆等半导体芯片与引出线焊接、封装用模具(又称焊接转换模、焊接板、焊接舟、芯片焊接器)，在平焊接板上密集分布有众多排列的细孔和/或各种异型槽，芯片、引出线焊接时通过二块焊接模具对夹，放入炉内加温(300-700℃)使引线与芯片达到焊接连接。由于焊接模孔、异型槽排列密度大(如150×120×3-10mm平板上，均匀分布有Φ0.6mm的孔大约有1495个，相邻孔中心距仅2.5×2.5mm)，而且孔、异型槽及排列精度要求极高，并且要求模板具有较高的平整度，对合既不能出现孔不对位，又不能出现凹凸不平缝隙。因此现有技术均认为唯一只能通过采用机械挖凿加工方法制作，否则难以达到上述要求，所以长期以来，均是在成型的石墨或金属板上通过机械打孔、开槽逐个加工出所需的孔、异型槽。如美国专利US5718361公开的一种用于浇注焊接成型模具，特别指出理想的模具材料为石墨(Graphite)，虽然认为模具可以从包含“氮化硼、陶瓷、铜、环氧材料、玻璃、石墨、金属、金属陶瓷、钼、塑料、聚酰亚胺、硅树脂的一组材料中选取”，但并未具体说明如何应用这些材料制备。然而机械挖凿加工成型，且因孔、槽密集且异型，精度要求又高，不仅加工难度较大，加工过程中稍有不慎，就容易出现报废，加工成品率较低；而且实际使用寿命均不长。如石墨焊接模，由于材料硬度较低，莫氏硬度仅为1-2，极不耐磨，频繁使用过程中孔眼及表面较易磨损，使用寿命较短，一般使用寿命只有几个月，并且由于石墨具有导电性，磨损掉落的石墨微粒落在芯片表面，还容易造成芯片报废。金属焊接模，重复使用在温度交变环境中，容易导致变形起翘，对夹后存在缝隙，导致有些半导体芯片与引线不能得到很好焊接，并且孔洞、异型槽也不够耐磨，使用一段时间后会产生不希望产生的磨损印痕，因而实际可使用寿命也不长。因此，焊接模使用寿命短，加工难度大，成品率低，已成为行业中一大技术难题，长期以来均未得到有效解决，所以目前实际生产只有使用石墨或金属焊接模。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种使用寿命长，不易变形、耐磨损，可长时间反复使用，制造成品率高的半导体芯片与引出线焊接模。
本发明目的实现，根据孔密集且排列精度要求极高，而且使用为两块对合成对的产品特点，经大量试验选择了采用莫来石、堇青石、二氧化硅、金属硅粉、碳化硅、氮化硅、赛隆细粉一种或其组合或为主成份的陶瓷原料细粉，经模具一次成型，而后烧结制成。具体说，本发明半导体芯片与引出线焊接模，由陶瓷材料制成，其特征在于所述陶瓷材料为莫来石、堇青石、二氧化硅、金属硅粉、碳化硅、氮化硅、赛隆细粉一种或其组合或为主成份，经模具一次成型，而后烧结。
本发明所述主成份，是指产品组成原料中该组份量至少大于55％(WT)以上，其中较好是大于70％上。根据陶瓷原料特性，本发明陶瓷焊接模，可以是用上述一种主成份原料成型，也可以是以上述主成份原料为主，再配以其他组份原料，以减少烧结过程中的膨胀或收缩，提高烧结成品率。
经试验，本发明焊接模优选采用80-99％的金属硅，和1-20％的氧化铝或氧化锆或锂化合物组成，其耐磨性和硬度更好，使用寿命更长，并且在炉内加温焊接过程中，无对芯片有不良影响的挥发物产生。本发明所述锂化合物，可以是陶瓷中常用的各种锂化合物，为简便、经济，本发明优选采用天然含锂矿物原料，例如锂辉石(spodumene)、锂磷铝石(amblygonite)等矿物。
本发明陶瓷原料细粉模具一次成型，其成型方法可以有三种：一种为陶瓷原料细粉料外加常规量的有机粘结剂，例如聚乙烯醇(PVA)、甲基纤维素(CMC)拌和或造粒，也可以外加常规量的高温烧结结合剂，如粘土类矿物，经模具压制成型(干压成型)；另一种是陶瓷原料细粉，外加常规量的石蜡(例如13-26％)制成浆饼，然后采用模具热压注浆成型；再一种是陶瓷原料细粉，加水和/或粘结剂制成泥坯，经模压成型。本发明产品成型，其中尤以干压成型为佳，不仅成型简单，并可获得密度相对较高，质量优良，烧制收缩率极小，成品率高的的产品。
本发明半导体芯片与引出线焊接模具，克服了人们的偏见，选择采用冷热急变性好、热膨胀系数和收缩性小、耐磨性优的陶瓷细粉经模具一次成型，不仅使得制造简便，而且一次成型，精度及尺寸控制好，产品(孔)精确度高，成品率相对较高，省略了大量繁锁的机械逐孔加工，大大降低了生产成本；尤其是陶瓷模具，为不变形的高温绝缘体，硬度和高温强度好，耐磨性、耐腐蚀和耐氧化性均好，长期反复使用不变形，实际使用寿命长，并无导电微粒产生，不会损坏焊接芯片，经实验证实，实际使用寿命较石墨焊接模可提高5-10倍，是金属模的4-6倍。尤其是采用冷热急变性好、热膨胀系数和收缩性小、耐磨性优的陶瓷物料作主原料，更是提高了产品的烧结成品率，而且耐冷热急变性优良，热膨胀极小，硬度高，耐磨性好，具有更长的使用寿命。金属硅和氧化铝或氧化锆或锂化合物组成，所得模具耐磨性和硬度更好，使用寿命更长，并且在炉内加温焊接过程中，无对芯片有不良影响的挥发物产生。本发明为如二极管、三极管、桥堆等半导体芯片与引出线焊接，提供了优良的焊接模具，解决了长期以来未能得到解决的技术障碍。
附图说明
图1为常用焊接模俯视结构示意图。
图2-图7为各种孔型剖视结构示意图。
具体实施方式
实施例1：Li2O 8.5％，Al2O331.5％，SiO260％。处理成细粉后，加粘结剂(如聚乙烯醇)，经干压成型，采用正常氧化焰烧结。
实施例2：Li2O 8.5％，Al2O313.7％，SiO277.8％。处理成细粉后，加粘结剂拌和造粒，经干压成型后，采用正常氧化焰烧结。
实施例3：市购合成堇青石90％，Li2O6％，高岭土(高温粘结剂)4％，处理成细粉，外加石蜡制成浆饼，经热压注浆成型，排蜡后，氧化焰烧结。
实施例4：合成堇青石95％，高岭土5％，处理成细粉，外加石蜡制成浆饼，经热压注成型，排蜡后，氧化焰烧结。
实施例5：合成莫来石70％，碳化硅25％，高岭土5％，处理成细粉，加粘结剂拌和造粒，经干压成型后，氧化焰烧结。
实施例6：合成莫来石95％，高岭土5％，处理成细粉，加水制成泥坯，模压成型干燥后，氧化焰烧结。
实施例7：金属硅粉，外加聚乙烯醇粘结剂，经干压成型后，氮气反应烧结。
实施例8：金属硅粉80％，Si3N420％，外加粘结剂，经干压成型后，氮气反应烧结。
实施例9：金属硅粉70％，SiC 30％，外加聚乙烯醇粘结剂，经干压成型后，氮气反应烧结。
实施例10：金属硅粉85％，氧化铝15％，处理成细粉，外加4％PVA粘结剂，经干压成型后，氮气反应烧结。
实施例11：金属硅粉90％，天然锂辉石矿物10％，处理成细粉，外加4％PVA粘结剂，经干压成型后，氮气反应烧结。
实施例12：金属硅粉95％，氧化锆5％，处理成细粉，外加4％PVA粘结剂，经干压成型后，氮气反应烧结。
实施例13：Si3N425％，SiC 75％，外加聚乙烯醇粘结剂，经干压成型后，重结晶烧结。
实施例14：Sialon 85％，SiC 15％，处理成细粉，加粘结剂拌和造粒，经干压成型后，埋设于氮化硅与氧化硅混合粉中烧结。
本发明成型模，视焊接模具体孔型等，有所不同。
本发明所述百分量为重量(WT)百分量。

Claims (8)

1、一种半导体芯片与引出线焊接模，由陶瓷材料制成，其特征在于所述陶瓷材料为莫来石、堇青石、二氧化硅、金属硅粉、碳化硅、氮化硅、赛隆细粉一种或其组合，或其中一种为主成份，经模具一次成型，而后烧结制成。
2、根据权利要求1所述半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于所说主成份为原料组成中该组份量至少大于55wt％以上。
3、根据权利要求2所述半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于所说主成份原料至少大于70wt％以上。
4、根据权利要求1、2或3所述半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于由80-99wt％的金属硅，1-20wt％的氧化铝或氧化锆或锂化合物组成。
5、根据权利要求4所述半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于所说锂化合物为含锂矿物。
6、根据权利要求5所述半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于所说含锂矿物为锂辉石。
7、根据权利要求1、2、3、5或6中所述任一半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于所说一次成型为干压成型。
8、根据权利要求4中所述任一半导体芯片与引出线焊接模，其特征在于所说一次成型为干压成型。
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