CN101383304B - 沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管及其键合方法 - Google Patents

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Abstract

一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法包括如下步骤：将铜线靠近芯片的一端熔化成焊球；施加超声与压力将焊球焊接在所述芯片上；使用超声与压力将铜线的另一端焊接在沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管的框架上。上述沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管及其键合方法中采用了铜丝焊接，由于铜丝的导电性能优良于金及铝，用铜丝代替金丝，可大大降低成本。上述制造方法突破了传统的铜丝球焊不能用于Trench MOSFET的工艺禁区。此外，还提供了一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管。

Description

沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管及其键合方法
【技术领域】
本发明涉及电子元件技术领域，尤其涉及一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管及其键合方法。
【背景技术】
场效应管(Field Effect Transistor)是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。场效应管体积小、重量轻、耗电省、寿命长，并具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而应用范围广。
在场效应管的加工制造过程中，键合是一道重要的工艺工序，它是将芯片上的焊点(PAD)与引线框架(LEADFRAME)进行导通连接。传统上，通常采用金线球焊接或常温超声焊接两种方法进行键合。其中因为铝线在高压电流打火下不容易形成球，所以只能采取常温超声焊接；而金线因为其自身具有导电性能好、硬度小、耐酸、耐腐蚀、不易氧化、易成球的物理特性，广泛应用于球焊接。
场效应管中的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管(Trench MOSFET)的应用电流比较大，如果采用金线球焊法，故需用比较粗的金线键合，因为金比较昂贵，于是就产生一个问题，用此方法生产此Trench MOSFET的成本非常之高。如果使用铝线超声键合，因为铝线的导电性能远不如金，所以此方法相比于金线需要更粗的铝线，于是加在芯片的键合功率、压力就会比较大，又由于Trench MOSFET的构造结构特点在较大的功率和压力下很容易造成芯片损伤，且键合窗口很小，加工非常困难。
【发明内容】
有鉴于此，有必要针对传统的键合方法产生的成本高或者加工困难的问题，提供一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管的键合方法。
此外，还提供了一种使用上述方法制造的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管。
为解决上述技术问题，提出了以下技术方案：
一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，所述沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管包括芯片及框架，包括如下步骤：将铜线靠近所述芯片的一端熔化成焊球；施加超声与压力将焊球焊接在所述芯片上；使用超声与压力将铜线的另一端焊接在沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管的框架上；其中，所述将焊球焊接在所述芯片上的步骤中包括搜索芯片上的焊点的步骤、焊球与芯片的接触阶段、焊球与芯片的焊接阶段，在搜索芯片上的焊点的过程中所述超声功率P的数值为15-30；在接触阶段中超声功率P的数值为0-80，压力为60-180g，持续时间为2-10ms；在焊接阶段中超声功率P的数值为30-80，压力为80-180g，持续时间为15-40ms；所述超声功率的计算方式为(P/255)2*3.2瓦。
其中，还包括在所述焊球的周围通保护气体的步骤。
所述保护气体为1∶5至1∶19的氢氮混合气体，流量为0.2-1.0L/min。
所述焊球由打火杆产生，其中，打火电流为100-300mA，隔空电压为3000-10000V，打火时间为1000-3000μS。
所述将铜线的另一端焊接在框架上的步骤中包括铜线与框架的接触阶段，在接触阶段中超声功率P的数值为0-80，压力为160-620g，持续时间为3-15ms，其中，超声功率的计算方式为(P/255)2*3.2瓦。
所述将铜线的另一端焊接在框架上的步骤中包括铜线与框架的焊接阶段，在焊接阶段中超声功率P的数值为90-160，压力为220-360g，持续时间为25-60ms，其中，超声功率的计算方式为(P/255)2*3.2瓦。
一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管，包括芯片、框架及焊接在所述芯片及框架之间以电连接所述芯片及框架的铜线，所述铜线采用上述沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法焊接在所述芯片及框架之间。
上述沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管及其制造方法中采用了铜丝焊接，由于铜丝的导电性能优良于金及铝，可以减少铜丝的用量降低成本，并且不需要较粗的铝丝，可以降低加工难度。
铜丝焊接可以降低铜丝的使用数量，焊接速度有了提高，从而提高了生产效率。
【附图说明】
图1为铜线键合设备的示意图；
图2为铜线键合过程的焊头、工作台、功率、压力的控制曲线示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体的实施例进行详细的描述，在以下的实施方式中，采用铜线替换传统的金线或者铝线，达到降低成本及加工难度的目的。
铜有一个显著的优点就是它的导电性能优良于金更是远高与铝，因此，可以减少铜线的用量，以降低原材料使用的成本。由于Trench MOSFET是功率管，在实际应用中电流很大，且受技术所限，球焊所用线径最大不超过3mil(1mil为千分之一英寸，金线通常只能应用2mil)，所以此方法实际上需要焊接2mil的金线多达12根甚至更多，因此成本极高，且效率很低。基于降低成本和提高效率的考虑，将实现3mil粗铜线多根在其小窗口内高密度键合，使整个芯片表面均匀承受键合功率和压力，从而使单位面积上作用的功率压力降低，以达到良好的键合效果。通过计算，键合一个Trench MOSFET需要用3mil的铜线6根，分别是栅极(G)1根，源极(S)5根。由于铜的用量少，并且铜本身价格相对金的价格低廉很多，因此，可以大幅度的降低原材料成本。并且铜线使用数量少，可以减少键合的时间，提高键合的效率。
但是，铜相对于金具有硬度大，易氧化的特点，在加工制造的过程中会给键合带来一定的困难，下面结合的Trench MOSFET制造方法进行详细描述。
如图1所示，Trench MOSFET包括芯片110及框架120。键合设备包括打火杆210、焊头220及气嘴230。键合设备将铜线310键合在芯片110与框架120上，实现芯片110与框架120的电连接。
打火杆210用于产生高压和大电流使铜线310的线尾312，即铜线靠近芯片110的一端产生高温熔化成焊球。本实施例中，在环境温度为200摄氏度左右，打火杆210的打火参数为打火电流(EFO Current)100-300mA，隔空电压(GapVoltage)3000-10000V，打火时间(EFO Time)1000-3000μS。其中，实验获得的最理想的参数为打火电流180mA，隔空电压6000V，打火时间2500μS。
焊头220包括劈刀222及换能杆224。换能杆224用于在焊接的过程中将电能转化为超声，本实施方式中，超声的频率为138KHz。劈刀222用于夹持铜线310、使铜线310产生向芯片110的压力及移动铜线。打火杆210输出高压对劈刀222下的铜线310通过作用一定的时间和电流，形成一个特定的焊球。然后劈刀222下降到芯片110的焊点(PAD)上，设备输出能量通过换能杆224转化为超声，此超声配合上焊头220往下的压力，作用上一定的时间，将焊球粘连到芯片110表面的焊接点。
由于铜具有易氧化的特点，特别是在高温熔化的状态下更容易加速氧化，因此在劈刀222的一侧设置气嘴230，在焊球的周围通保护气体。安装时，使铜线尾312位于气嘴230的出气口的中心偏上位置，这样才能形成良好的软性的铜球。本实施方式中，气嘴230内口径为3mm，气嘴内通上0.2-1.0L/min的1∶5至1∶19的氢氮混合气体，以保护形成的铜球不被氧化。氢氮混合气体中的氢气起还原作用，氮气为排空氧气作用。保护气体也可以采用高纯度的氮气或者惰性气体。当然，如果在真空环境或者无氧气环境生产，可以不需要保护气体。
一根铜线有两个焊点，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，才能实现芯片110与框架120的电连接。为使键合后的产品质量合格必须保证二焊牢固无虚焊，更重要的是一焊既要牢固无虚焊，同时要保证芯片无损伤。由于一焊在芯片110上进行，芯片110如果受过大的压力和超声功率，容易受损而降低产品的良率。因此，在一焊的过程中需要打火杆210产生焊球。而二焊在框架120上进行，框架120通常为金属材料，可以承受较大的压力和超声功率，因此，一般不需打火杆210产生焊球。当然，在二焊的过程中也可以产生焊球。
焊接一根铜线是一个时间，压力，功率共同作用，并且由带动TrenchMOSFET的工作台及带动铜线310的焊头220配合动作的过程。
如图2所示，曲线22表示焊头220在竖直方向(Z方向，即远离/靠近TrenchMOSFET的方向)的运动。曲线22在水平线下方表明焊头220往下(靠近TrenchMOSFET的方向)运动，水平线上方则往上(远离Trench MOSFET的方向)动作。在水平线下方，曲线22还往下则表示为焊头220加速往下；在水平线下方，曲线往上则表明焊头220往下减速运动。同理，在水平线上方，曲线还往上则是往上加速过程；水平线上方，曲线往下则表明焊头220往上减速。曲线22在水平线上则表示焊头220在Z方向静止。
曲线24表示工作台在水平面方向(X、Y方向)的运动过程。工作台的运动主要用于切换不同的焊点以完成一焊和二焊；焊头220的运动主要用于将铜线310分别与芯片110或框架120接触。X、Y、Z三个方向的动作相互配合，使其完成焊接的机械运动。再配合上换能杆224产生的超声功率与劈刀222产生的压力完成一条线的焊接，图2中曲线26及曲线28及分别表示功率和压力的变化情况。将曲线22、24、26、28分成14个区间，如下表所示：
  区间序号   动作   功率(P)   压力   时间
  1   焊头下降至第一焊点的搜索高度
  2   第一焊点的搜索   15-30
  3   第一焊点接触阶段   0-80   60-180   2-10
  4   第一焊点焊接阶段   30-80   80-180   15-40
  5   返回高度
  6   返回距离
  7   估计线长度
  8   搜索延迟
  9   焊头下降至第二焊点的搜索高度
  10   第二焊点的搜索   10-30
  11   第二焊点接触阶段   0-80   160-320   3-15
  12   第二焊点焊接阶段   90-160   220-360   25-60
  13   尾线长度
  14   回到初始位置
上表中功率P的数值是为了表示和设置方便，其实际功率值为：(P/255)2*3.2瓦。当然功率、压力、时间参数之间是相辅相成的关系，P为可调节值，范围从0到255。为了表示和设置方便，表中压力的单位为克(g)，时间的单位为毫秒(ms)。
区间1之前，工作台会移动Trench MOSFET到预定位置。
区间1为Trench MOSFET到达预定位置后，焊头220下降至第一焊点的搜索高度。在该区间内，焊头220以较快的速度，移动到第一焊点的搜索高度，该搜索高度离芯片110的焊点较近。
区间2为第一焊点的搜索。在该区间内，焊头220以较慢的速度移动，直到熔化的铜球接触到芯片110的焊点。将焊头220的移动分成区间1及区间2的目的在于，防止在过快的移动过程中碰到芯片110而损伤芯片110，而区间1中的搜索高度是不会碰触到芯片110的。在区间2中，超声功率为15-30。
区间3为第一焊点接触阶段。在该区间内，焊头220停止移动，焊球与焊点接触，超声功率为0-80，焊头施加的压力为60-180g，区间3的持续时间为2-10ms。
区间4为第一焊点焊接阶段。在该区间内，提高功率与压力，并延长时间，以将铜线310焊接在芯片上。本实施方式中，超声功率为30-80，焊头施加的压力为80-180g，区间4的持续时间为15-40ms。
区间5，焊头220从焊接完一焊点处上升到返回高度，返回高度可以根据需要设置。
区间6，焊头220静止，由工作台移动，使焊头220相对Trench MOSFET移动一个返回距离，返回距离可以根据需要设置。
区间7，焊头220沿Z方向继续上升，上升距离为需要的整条焊线的长度。该焊线的长度足以连接芯片110的焊点与Trench MOSFET的框架120。
区间8，焊头220静止，由工作台移动，使焊头220相对Trench MOSFET移动。
区间9至区间12中，焊头220的移动与区间1至区间4的移动类似，只是速度与距离有所不同。在区间9至区间10中，工作台继续移动使得焊头220到达框架120需要焊接的位置。各区间的功率、压力及时间如表中所示。对比第二焊点与第一焊点可以发现，第二焊点的功率、压力及时间都大于第一焊点的功率、压力及时间。二焊的过程可以不需要形成焊球，因此表中关于二焊的接触、焊接为铜线直接与框架120接触、焊接。
区间13中，焊头220上升，预留尾线长度。
区间14中，焊头220上升，工作台移动，回到初始位置。
区间1到区间14所花费的时间就是焊接一条线的时间。
焊接完成后，铜线成为Trench MOSFET的一部分，即Trench MOSFE包括芯片110、框架120及焊接在芯片110及框架120之间以电连接芯片110及框架120的铜线310。
上述功率及压力参数是通过多次反复的实验及理论分析获得，测试表明，采用上述参数焊接获得的Trench MOSFET工作稳定可靠。上述Trench MOSFET与传统的采用键合12根2mil金丝相比，采用3mil铜线键合6根，键合用丝成本降低了90％以上，从而降低整个产品的成本。同时因为只需要焊接6根线，焊接速度有了提高，从而提高了生产效率。上述制造方法突破了传统的铜丝球焊不能用于Trench MOSFET的工艺禁区。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，所述沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管包括芯片及框架，其特征在于，包括如下步骤：
将铜线靠近所述芯片的一端熔化成焊球；
施加超声与压力将焊球焊接在所述芯片上；
使用超声与压力将铜线的另一端焊接在沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管的框架上；
其中，所述将焊球焊接在所述芯片上的步骤中包括搜索芯片上的焊点的步骤、焊球与芯片的接触阶段、焊球与芯片的焊接阶段，在搜索芯片上的焊点的过程中所述超声功率P的数值为15-30；在接触阶段中超声功率P的数值为0-80，压力为60-180g，持续时间为2-10ms；在焊接阶段中超声功率P的数值为30-80，压力为80-180g，持续时间为15-40ms；所述超声功率的计算方式为(P/255)2*3.2瓦。
2.根据权利要求1所述的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，其特征在于，还包括在所述焊球的周围通保护气体的步骤。
3.根据权利要求2所述的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，其特征在于，所述保护气体为1∶5至1∶19的氢氮混合气体，流量为0.2-1.0L/min。
4.根据权利要求1所述的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，其特征在于，所述焊球由打火杆产生，其中，打火电流为100-300mA，隔空电压为3000-10000V，打火时间为1000-3000μS。
5.根据权利要求1所述的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，其特征在于，所述将铜线的另一端焊接在框架上的步骤中包括铜线与框架的接触阶段，在接触阶段中超声功率P的数值为0-80，压力为160-320g，持续时间为3-15ms，其中，超声功率的计算方式为(P/255)2*3.2瓦。
6.根据权利要求1所述的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法，其特征在于，所述将铜线的另一端焊接在框架上的步骤中包括铜线与框架的焊接阶段，在焊接阶段中超声功率P的数值为90-160，压力为220-360g，持续时间为25-60ms，其中，超声功率的计算方式为(P/255)2*3.2瓦。
7.一种沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管，包括芯片及框架，其特征在于，还包括焊接在所述芯片及框架之间以电连接所述芯片及框架的铜线，所述铜线采用权利要求1至6中任意一项所述的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管键合方法焊接在所述芯片及框架之间。
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