CN101862897A - 一种功率器件的铜线键合方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率器件的铜线键合方法，包括铜线(91)与芯片(511)的焊点键合，包括如下步骤：铜线下端头(9)烧成球状；在铜线的球状端头施加预压力，将铜线球压扁以增加铜线球与芯片的接触面积；通过超声波焊接将铜线球焊接到芯片的键合区。优选预压力大小为80-120克，预压力作用时间为80-150ms。接触面积的增大，增加了铜线与芯片焊接的稳定性和可靠性，键合生产顺利、不断线、不断焊点、不停机，键合不损伤芯片、且铜线与芯片、管脚的结合强度高。本发明采用铜线代替金线进行键合，键合金属线成本下降了约84％，产品整体成本下降了5.7-8.6％；降低了产品的饱和压降参数值，增加了产品可靠性；铜线的导电能力比金线提高了约20％，增加了产品的可靠性。

Description

一种功率器件的铜线键合方法
技术领域
本发明涉及半导体分立器件封装工艺，特别是涉及采用铜线代替金线的键合工艺，即用铜线将芯片的B、E两极与引线框架的两个管脚连接的工艺方法。
背景技术
键合是指用金线(或铜线)以超声波焊接的方式将芯片的B、E两极与引线框架的两个管脚连接的工序，为了增加金线(或铜线)与芯片的接触面积，提高铜线和芯片、管脚结合强度和导电性能，在芯片焊点键合前，键合设备通过打火杆施放高压电将金线(或铜线)端头烧成球状，再通过超声波焊接到芯片的键合区，而管脚不需要烧球就可以保证键合强度，且管脚不用考虑键合损伤。现有技术中，美国KULICKE&SOFFA公司Kns1488plus型号的设备被很多半导体分立器件封装企业在键合工序中应用，如图1a、图1b所示，该Kns1488plus设备下部设有滑动底座1，机身的上部设有显微镜6，机身中部则装有打火杆固定座8，固定座上向瓷嘴下方伸出一个打火杆2，机身上还设有送线器5、用来送铜线或者金线，在送线器的下方是换能器4，换能器的外端向下连接有瓷嘴3，铜线或金线自送线器5下行穿过瓷嘴3、金线或铜线下端头9位于打火杆2的外端处。键合时，打火杆施放高压电，将金线或铜线下端头9烧成球状，换能器4用超声波焊使金线球或铜线球与芯片焊点键合。用该设备进行键合的工艺顺序如图2a-图2f所示，如图2a所示，施放金线或铜线的下端到打火杆2外端处；如图2b所示，打火杆2施放高压电，将金线或铜线下端头9烧成球状；如图2c所示，用超声波焊使金线球或铜线球与芯片511焊点键合；图2d为金线球或铜线球与芯片511键合完毕的示意图；图2e为金线或铜线与引线框架51的管脚512连接示意图；图2f为键合完毕的功率器件示意图。
该Kns1488plus设备用金线键合的稳定性和可靠性很高，因为金为惰性金属，在烧球时不会被氧化，金线球仍可保持金的原有特性，但由于全球黄金资源的短缺，黄金的价格很高且不断上涨，加上半导体分立器件市场价格的恶劣竞争，以铜线替代金线在半导体分立器件中实现键合生产成为了必然趋势。相对于金线，铜线的特点是：导电能力强、价格低、硬度高、机械性能好，但极易氧化，铜线的烧球氧化会导致铜线球表面硬度升高，在键合时对半导体芯片造成损伤，并且因为氧化层的阻隔造成铜线球与芯片的结合力下降和导电能力降低。而Kns1488plus用于铜线键合的稳定性和可靠性也一直是困扰企业的难题，特别是在铜线与芯片的焊点键合稳定性和可靠性上，更加困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用铜线代替金线与芯片的焊点键合的工艺方法，键合的可靠性和稳定性高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种功率器件的铜线键合方法，包括铜线与芯片的焊点键合，所述铜线与芯片的焊点键合包括如下步骤：①铜线下端头烧成球状；②通过超声波焊接将铜线球焊接到芯片的键合区；其特征在于，所述步骤①和②之间，在铜线的球状端头施加预压力，将铜线球压扁以增加铜线球与芯片的接触面积。
所述预压力大小为80-120克，预压力作用时间为80-150ms。
所述步骤②中压扁的铜线球与芯片的超声波焊接压力为50-70克。
所述步骤①之前开启铜线烧球气体保护，在整个键合过程中持续地用N2和H2混合气体对烧球位置实施吹气保护，以防止铜线烧球氧化。
对烧球位置实施吹气保护的装置为双管吹气装置；所述双管吹气装置包括连通保护气源的两根吹气管，为第一吹气管和第二吹气管，两根吹气管的出气口相对地位于所述瓷嘴下端的两侧。
所述铜线键合设备的机身上部设有显微镜，所述第一吹气管上端连接在机身上、位于显微镜的外侧，第一吹气管自上而下向瓷嘴处伸出；所述第二吹气管上端连接在所述打火杆固定座上，自上而下向瓷嘴处伸出，所述打火杆的一端焊接在所述第二吹气管的出气口端内壁、另一端则略伸出第二吹气管的出气口。
所述第一吹气管和第二吹气管中的气体为N2和H2的混合气体，混合气体中H2的体积百分含量为8-15％；第一吹气管内的气体流量为0.3-0.5升/分钟，第二吹气管内的气体流量为0.5-0.7升/分钟。
当铜线键合使用的引线框架为点镀银引线框架时，所述步骤①之前或之后，且在步骤②之前，还开启载片区气体保护，在整个键合过程中持续地用N2和H2混合气体对引线框架的载片区实施吹气保护，以防止引线框架的载片区氧化。
所述对载片区实施吹气保护的装置包括上压板的吹气结构：所述上压板的板体上设有可外接气源的气嘴，板体内还设有与气嘴连通的一条主气流通道，板体上还设有与主气流通道相通、可向引线框架的载片区吹气的多个吹气口。
在所述步骤①之前，将连成一排的多个引线框架紧固在上压板与下压板之间，调节上压板上的每一个调节螺钉，使每个调节压片压牢每一个待键合的引线框架管脚。
本发明采用铜线代替金线进行键合，键合金属线成本(含保护用H2、N2混合气体费用)下降了约84％，产品整体成本下降了5.7-8.6％；降低了产品的饱和压降参数值，增加了产品可靠性；铜线的导电能力比金线提高了约20％，增加了产品的可靠性。
一、关于预压力的技术效果
在本领域的现有技术中，一般对键合参数设定的惯有指导思想是在保证键合稳定性的前提下将功率、时间、压力调整到越小对芯片的损伤就越小，故不对铜线球施加预压力，即预压力的压力大小和预压力时间都设为零。本发明克服了上述惯有思维，施加预压力，在芯片键合过程中增大铜线球与芯片的接触面积。增大铜线球与芯片的接触面积，一方面可以减小铜线球对芯片的损伤，未施加和施加预力的对比示意图如图5a和图5b所示，未加预压力铜线球为球状(如图5a)，接触芯片面积较小，在超声功率作用后易引起芯片损伤；而施加预压力后铜线球被压扁(图5b)，与芯片的接触面积增大，在键合超声功率作用时不易损伤芯片。另一方面，铜线球与芯片接触面积越大结合强度也会越好。所以本发明在键合超声功率作用前先对铜线球施加一个较大的预压力将铜线球压扁，以增加铜线球与芯片的接触面积，从而增加铜线与芯片焊接的稳定性和可靠性。
稳定性指的是键合生产顺利、不断线、不断焊点、不停机；可靠性指的是键合对芯片的损伤程度和铜线与芯片、管脚的结合强度，检验键合可靠性的方法主要有压点推力检验、引线张力检验、弹坑腐蚀检验和参数测试。
a.压点推力检验：如图6所示，通过推力计901(楔形刀)推去压点的推力大小的和推去压点后在显微镜下观察芯片是否氧失铝(芯片表面的铝层被损伤可看见芯片硅层)来判定焊点是否合格。
b.引线张力的检验，如图7a所示，以克力计在键合铜线91的中间垂直向上勾断铜线，读数，检验焊接点结合力是否达到同直径金线标准。图7b为合格断点示意图；图7c为自芯片511处脱开的不合格断点示意图；图7d为自引线框架的管脚512处脱开的不合格断点示意图。
c.弹坑腐蚀是指将铜线键合完成的产品放入90～100℃的5％～10％的NaOH溶液中浸煮10～15分钟，腐去芯片表面的铝层和铜球压点。在显微镜下观察压点下的芯片硅层有无损伤。
d.参数测试：a、b、c三种检验方式是破坏性检验，只能实验阶段检验或正常生产中小比例抽检，对封装成品可以通过参数测试将部分损伤较严重的器件识别出来。
按照表一所示设定Kns1488plus设备的功率、时间、压力参数，进行1.5mil铜线与华晶1.48*1.48芯片的压焊实验(在以下各组参数下各做20只)，记录结果如表一所示：
由表一可见，第18、19组参数实验结论最理想，因此我们可以确定功率为45-55、时间为20、压力为70的条件下键合稳定性和可靠性最好。在该参数条件下用1.5mil铜线和现有技术中适合的参数下用1.5mil金线分别在KNS1488PLUS设备上各键合生产1000只产品(采用华晶1.48*1.48芯片)，封装后测试结果如表二所示。
表二中铜线键合VFbe、VFbc、hFEmin、VCESAT参数的失效1.4％，而金线键合VFBE、VFBC、HFEmin、VCESAT参数失效0.4％，(其他参数失效与键合无直接关系，)铜线键合虚焊(铜线与芯片结合强度不够)和芯片损伤比例比金线高，可见在不施加预压力的条件下虽然可以调整到让键合稳定生产，却并不能保证键合完全可靠。
本发明在超声波焊接之前对铜线球施加预压力，实施简单、易于操作，产品可靠性有非常大的提高。
再进行实验，选用华晶1.48*1.48芯片20只、1.5mil铜线，在预压力作用完成、铜线球被压扁后，再对铜线球施加超声功率进行键合。因表一显示，功率在45～55、时间在20、压力在70时键合的稳定性最好，在此基础上，本实验优选功率为50、时间为20、压力为70，预压力以50、100、150、预压力时间分别选50、100、150组合实验，实验结果如表三所示。表三中虽然在预压力为50和100条件下检验引线张力断点在芯片(为图7c所示的不合格断点)且引线张力值较低，但芯片并未失铝，可见键合功率较低或压力较高(失铝通常发生在超声震动时，压力较高时，球压扁，接触面大了，反而不易失铝，同时易焊不牢)。
调整功率到55、60，时间20，压力降到60，预压力设定为50、100、150，预压力分别为50、100、150，进行组合实验，如表四所示。从表四中整体可见，在功率较高的状态下，预压力参数反应尤其明显，检验显示第5、6组实验参数最优，而第6组实验中由于时间较长、键合速度较慢，不适合生产。
故再按表四中第5组实验参数基准，用1.5mil铜线、华晶1.48*1.48芯片在KNS1488PLUS上生产2000只产品，且在现有技术中适合的参数下用1.5mil金线、华晶1.48*1.48芯片在KNS1488PLUS上生产2000只产品，测试对比如表五所示。表五中铜线键合VFbe、VFbc、hFEmin、Vcesat参数的失效0.45％，而金线键合VFbe、VFbc、hFEmin、Vcesat参数失效0.3％，(其他参数失效与键合无直接关系)，整体来说，铜线键合的不良率比金线键合高0.15％，相对生产成本来说该比例为可接受范围。另外，对比表5和表2可以发现，铜线键合的功率器件VFbe、VFbc、hFEmin、Vcesat参数的失效率表5中比表二中低0.95％。
另外，发明人采集了铜线键合和金线键合所有合格产品Vcesat(饱和压降)数据，各取平均值，铜线为0.36V，金线为0.41V，两者之差0.41-0.36＝0.05V，从以上数据可以看出，在相同的反压分布下，采用铜线键合的饱和压降比采用金线的饱和压降要小50mv左右。
另外，从表三、表四中也可以看出，可适当增加超生波焊接时铜线球与芯片的接触面积，但预压力过大也不行，如表三-表四中预压力设定到150时，键合不能正常，有虚焊或芯片压伤。
可靠性及线路应用验证：
①3米高空跌落实验
取铜线、金线键合合格产品各100只，从3米高空自由跌落在大理石地面上，复测均无不良品产生，结论均为合格。
②高温老化实验
取铜线、金线键合合格品各1000只进氮气(N2)循环保护烘箱和作150℃保温，随箱冷却至常温，复测无明显差异，结论均为合格。
③一个月常态保存实验
将铜线、金线键合合格品各10000只，在常态同等条件下保存一个月后，复测无明显差异，结论均为合格。
④线路应用实验
以10000只铜线键合合格品试用，工作情况均为正常，结论均为合格。
另外，本发明上述键合方法对KNS1488PLUS以外的其他超生波键合设备也有通用性。
二、关于双管吹气防止铜线烧球氧化的技术效果
本发明的进一步技术方案中还开启铜线烧球气体保护，采用双管吹气的技术方案，在整个键合过程中持续地在瓷嘴两侧相对地吹送N2和H2的混合气体，对烧球位置实施吹气保护，铜线不会被吹歪，真正更好地保护铜线烧球时不氧化，得到烧球良好的铜线球。
三、关于载片区吹气保护的技术效果
上压板内设置有吹气结构，当铜线键合使用的引线框架为点镀银引线框架时，开启载片区气体保护，在整个键合过程中持续地用N2和H2混合气体对引线框架载片区吹气，可以防止引线框架载片区氧化，可以安全地采用点镀银引线框架，降低材料成本。
另外，引线框架与上压板的固定方法及上压板紧固片的结构改进，每一个紧固片是独立可调的，每一个管脚对应一个调节压片，利用调节螺钉分别调整每一个调节压片的压紧程度，可确保每个管脚都被压紧，即使各个引线框架稍有差异或者上、下压板略有变形，也能保证每个管脚是被压紧的，从而防止因管脚弹动造成的键合虚焊、键合不可靠、不稳定等问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
图1a为背景技术的Kns1488plus设备主视示意图；图1b为图1a的右视示意图。
图2a为背景技术的功率器件键合过程中烧球前的示意图；图2b为已烧球的示意图；图2c为铜线球与芯片焊点键合示意图；图2d为铜线球与芯片键合完毕示意图；图2e为铜线与引线框架的管脚连接示意图；图2f为键合完毕的功率器件示意图。
图3a为本发明的Kns1488plus设备主视示意图；图3b为图3a的右视示意图。
图4为本发明铜线烧球时各部件关系示意图。
图5a为本发明的未施加预压力的圆形铜线球与芯片接触的示意图；图5b为本发明施加了预压力的扁的铜线球与芯片接触的示意图。
图6为本发明的压点推力检验示意图。
图7a为本发明的引线张力的检验方法示意图；图7b为合格断点示意图；图7c为自芯片处脱开的不合格断点示意图；图7d为自引线框架的管脚处脱开的不合格断点示意图。
图8为本发明的可调弹片式吹气压板正面的立体外形示意图。
图9为本发明的可调弹片式吹气压板反面的立体外形示意图。
图10为本发明的可调弹片式吹气压板反面的平面示意图。
具体实施方式
本发明对Kns1488plus设备进行了改进。如图3a、图3b和图4所示，是本发明的铜线键合设备，是在现有的金线键合设备Kns1488plus基础上改进的，与现有Kns1488plus设备相同的是，其设有滑动底座1，机身的上部安装有显微镜6，机身中部则装有打火杆固定座8，送线器5自所述打火杆固定座的下方向外侧伸出，而换能器4位于送线器的下方，换能器的外端向下连接着所述瓷嘴3，瓷嘴正对送线器5外端的下方，铜线自送线器5下行穿过瓷嘴3，铜线下端头9位于打火杆外端处。在此基础上，本发明在原用于金线键合的设备上为铜线键合增加了可防止铜线烧球氧化的双管吹气装置。
该双管吹气装置由连通的气源(图中未示出)、气流控制阀(图中未示出)、两根输气软管(图中未示出)、第一吹气管10和第二吹气管20。所述第一、第二吹气管均为外径为3mm、内径为2mm的金属管，可以是铜管，也可以是不锈钢管，它们的上端为进气口端、分别通过输气软管与气源连通。气源、气流控制阀、输气软管可采用现有常规技术方案，安装或安放在适当的位置即可。
所述第一吹气管10上端连接在机身上部、位于显微镜6的外侧，该第一吹气管10自上而下内弯状伸出，下端伸到瓷嘴3下端的侧面，其出气管口到瓷嘴3外表面的最近水平距离小于2mm(例如1.8mm，1.5mm，1.2mm，0.5mm，0.2mm，均可行)，距离越小吹气效果越好，但要考虑不妨碍瓷嘴的动作。所述第二吹气管20的上端焊接在铜线键合设备的打火杆固定座8上，自上而下内弯状伸出，第二吹气管与打火杆固定座是可通电的，所述打火杆2的内端焊接在所述第二吹气管20的内壁(参阅图4中虚线所示)，打火杆的外端则略伸出第二吹气管20的出气口，伸出的长度为1-1.5mm(例如1.0mm、1.2mm、1.5mm，均可行)，伸出的最末端与瓷嘴3外表面的最近水平距离小于1mm(例如0.9mm，0.5mm，0.1mm，均可行)，一方面要保证打火杆正常工作，另一方面，第二吹气管口到瓷嘴的距离不可过大，以加强吹气保护的效果。在本实用新型铜线的键合设备上，对固定在上压板41与下压板42之间的引线框架51及芯片进行键合，如图4所示是在进行铜线烧球时各部件关系示意图。
为在原设备上加装第一、第二吹气管，可以将吹气管进行适当的弯曲以适应原设备的结构、形状和工作状态。第一吹气管位于与打火杆2相对的那一侧、第二吹气管则位于打火杆所在的那一侧。这两根吹气管的出气口相对地位于所述瓷嘴3下端的两侧、可对瓷嘴3下的铜线下端头9吹气，进行烧球保护。
第一吹气管和第二吹气管中的气体为N2和H2的混合气体，混合气体中H2的体积百分含量范围在8％到15％均可，优选10％；第一吹气管内的气体流量为0.3-0.5升/分钟(例如0.3升/分钟，0.4升/分钟，0.5升/分钟，均是可行的)，第二吹气管内的气体流量为0.5-0.7升/分钟(例如0.5升/分钟，0.6升/分钟，0.7升/分钟均可行)。
上述双管吹气装置不限于在现有Kns1488plus型号设备上实施。
在上述设备上进行铜线与芯片的焊点键合，各实施例的参数和试验结果如表六、表七、表八所示，表六中的实施例1～9均采用1.5mil铜线与华晶1.48×1.48芯片；表七中的实施例10～18均采用1.2mil铜线、深爱公司1.3*1.3芯片；表八中的实施例19～27均采用1mil铜线、华微公司0.81*0.81芯片。
实施例1
按照表六中实施例1对应的参数进行功率器件的键合，步骤如下：
1.开启第一吹气管10和第二吹气管20，使N2和H2的混合气体对烧球位置持续吹气、实施吹气保护(可参阅图4)，第一吹气管内的气体流量为0.3-0.5升/分钟，第二吹气管内的气体流量为0.5-0.7升/分钟均可；
2.送线器5施放铜线穿过瓷嘴3，铜线下端头9伸出，位于打火杆2外端处；
3.打火杆2施放高压电，将铜线下端头9烧成球状，因有N2和H2的混合气体的保护，铜线球未被氧化；
4.以瓷嘴3对铜线的球状端头施加预压力，施加的预压力为80克，预压力做用时间为80ms，铜线球被压扁，这样就增加了铜线球与芯片的接触面积；
5.采用本领域现有超声波焊接方法，将压扁的铜线球焊接到芯片511的键合区。超声波焊接的工艺参数为：功率50瓦、时间18ms、压力50克键合过程中需记录键合稳定性，如键合生产顺利、不断线、不断焊点、不停机，则为稳定性好，表六中记录为“√”。
6.芯片511与铜线91键合之后，送线器5送线，瓷嘴3转移到管脚512处，再将铜线91与引线框架51的管脚512键合。这就完成了一根铜线的键合。
之后按照上述步骤2-6继续第二根铜线的键合，键合完成之后的芯片可参阅图2f所示。
然后将该键合完毕的功率器件进行引线张力试验，压力推力试验，弹坑实验，(同发明内容部分的试验方法)并记录试验结果如表六中实施例1的数据所示。从实施例1对应的试验数据可以看出，采用这样的参数进行键合是可行的。
实施例2～9
分别按照表六中实施例2～9的试验参数，采用同实施例1的步骤进行键合，得到的试验结果如表六中实施例2～9各自对应所示，可以看出，采用1.5mil铜线与华晶1.48×1.48芯片在实施例2～9的参数下进行键合是可行的。
混合气体的流量可以采用0.5升/分钟、0.6升/分钟、0.7升/分钟，在0.5-0.7升/分钟范围内均可行。
实施例10～18
分别按照表七中的实施例10～18的试验参数，采用同实施例1的步骤进行键合，得到的试验结果如表七中的实施例10～18各自对应所示，可以看出，采用1.2mil铜线、深爱公司1.3×1.3芯片，在实施例10～18的参数下进行键合均是可行的。
实施例19～27
分别按照表八中的实施例19～27的试验参数，采用同实施例1的步骤进行键合，得到的试验结果如表八中的实施例19～27各自对应所示，可以看出，采用采用1mil铜线、华微公司0.81×0.81芯片，在实施例19～27的参数下进行键合均是可行的。
另外，采用本发明的技术方案在现有其他键合设备上——如香港ASM公司的AB339、Eagle 60、日本Tosok公司的2210E型号设备——进行键合均是可行的。
实施例28
本发明采用的设备除了如上所述的技术方案之外，再如图8-10所示，是本实施例功率器件键合时用到的上压板41，包括上压板的板体4110，板体的两侧是高出板体的固定部4150，用来与键合设备连接，在板体的中部设有一个方形的大通孔4120，键合时，多个引线框架51的管脚512和载片区513及其上的芯片511从这个大通孔4120露出以便对其进行超声波焊接。一排多个紧固片4130自板体上大通孔的一侧边向大通孔内伸出，超声波焊接时用来压住引线框架管脚，防止管脚弹动。本实施例采用点镀银引线框架，为了防止引线框架载片区氧化，在吹气压板上设置了吹气结构4140。
所述吹气结构4140是，在所述板体4110上设有可外接气源的气嘴4141，气嘴为中空，如图10的虚线所示，板体4110内还设有与气嘴连通的主气流通道4142，在所述通孔一侧边的板体上，于紧固片4130的对面，设有与主气流通道4142相通、可向紧固片4130方向吹气的多个吹气口4143。作为优选的实施例，所述气嘴为两个，设在板体4110上与紧固片4130相对的一侧，且分别位于板体的两端，而主气流通道4142设在与气嘴4141同侧的板体4110内，为沿着板体长度方向的横向主气流通道，所述吹气口4143正对调节压片，且与调节压片4132一一对应；从图4中可见，引线框架51压在上压扳41的下面，为保证载片区513能被N2和H2混合气体充分吹到不被氧化，所述吹气口4143气流通道外高内低、向调节压片倾斜45度角。
这样，外部气源(例如H2、N2混合气体，优选H2占10％的体积百分比；该外部气源可以是和双管吹气装置同一气源)自气嘴接入，经横向主气道通道流向吹气口，由于吹气口向调节压片方向有45°倾斜，H2、N2混合气体由吹气口直接吹到引线框架载片区513，从而载片区表面减轻、甚至防止了载片区氧化。
每个紧固片4130为可单独调节的弹片，用有弹性的硅钢材料制成，贴在板体4110下表面，每个紧固片4130包括一体的连接部4131和调节压片4132，所述紧固片4130外端的连接部4131通过紧固螺钉4134拆卸地连接在板体4110下表面。每个紧固片4130上调节压片4132所在的中间位置被冲切形成开口，开口两边各一个调节压片4132，所述连接部4131和两个调节压片4132形成“Y”状。两个调节压片可压在同一个引线框架两侧管脚上。每个调节压片4132的外端头伸入大通孔4120内用来压引线框架管脚，自所述板体4110上表面向下穿设有多个与调节压片4132一一对应的调节螺钉4133，每个调节螺钉的末端可碰触到一个调节压片4132。
在如实施例1所述的步骤1之前，先将连成一排的多个引线框架51紧固在上压板41与下压板51之间(请参阅图4)，要调节上压板41上的每一个调节螺钉4133，使每个调节压片4132压牢每一个待键合的引线框架管脚512。这样，就可以根据每一个管脚的需要而调节对应的调节螺钉向下压管脚的幅度，从而实现单独调整每一个管脚的压紧程度，确保每一个管脚都被压紧。然后才开启双管吹气装置和开启连接上压板气嘴的气源，对铜线烧球和引线框架载片区分别进行持续的吹气保护。然后才按照实施例1的参数进行键合。除了得到实施例1对应的实验结果之外，引线框架载片区得到了很好的防氧化保护。
表一
Figure GSA00000046555400101
Figure GSA00000046555400111
注：表一中“√”为全部通过，“×”为未全部通过，“/”为前一项不合格未做测试，引线张力不能全部达15g(金线标准)或断点不合格为“×”，表中引线张力数值为20只样品得到的平均值。
表二
Figure GSA00000046555400112
Figure GSA00000046555400121
(注：VFbe是指基极-发射极正向压降、VFbc是指基极-集电极正向压降、BVceo是指集电极-发射极电压、BVcbo1是指集电极-基极电压、BVcbo2是指集电极-基极电压、ABSDEL1是指BVcbo1减BVcbo2的数值、BVeb1是指发射极-基极电压、BVeb2是指发射极-基极电压、ABSDEL2是指BVebo1减BVebo2的数值、Iceo是指集电极-发射极截止电流、Icbo是指集电极-基极截止电流、Iebo是指发射极-基极截止电流、Vcesat1是指集电极-发射极饱和压降、Vcesat2是指集电极-发射极饱和压降、Vbesat是指基极-发射极饱和压降、hFEstd是指电流放大倍数、hFEmin是指电流放大倍数、hFEmax是指电流放大倍数。
表三
  序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  1   50   20   70   50   50   √   ×   /   /   F
  2   50   20   70   50   100   √   ×   /   /   F
  3   50   20   70   50   150   √   16.3   ×   /   F
  4   50   20   70   100   50   √   13.8   √   √   P
  5   50   20   70   100   100   √   14.7   √   √   P
  6   50   20   70   100   150   √   11.8   √   √   P
  7   50   20   70   150   50   ×   /   ×   /   F
  8   50   20   70   150   100   ×   /   /   /   F
  9   50   20   70   150   150   ×   /   /   /   F
表四
  序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  1   55   20   60   50   50   √   ×   ×   /   F
  2   55   20   60   50   100   √   ×   ×   /   F
  3   55   20   60   50   150   √   ×   √   /   F
  4   55   20   60   100   50   √   18.7   √   √   P
  5   55   20   60   100   100   √   22.9   √   √   P
  6   55   20   60   100   150   √   23.2   √   √   P
  7   55   20   60   150   50   ×   /   /   /   F
  8   55   20   60   150   100   ×   /   /   /   F
  9   55   20   60   150   150   ×   /   /   /   F
  1   60   20   60   50   50   √   ×   /   /   F
  2   60   20   60   50   100   √   ×   /   /   F
  3   60   20   60   50   150   √   ×   /   /   F
  4   60   20   60   100   50   √   16.8   √   √   P
  5   60   20   60   100   100   √   17.7   √   √   P
  序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  6   60   20   60   100   150   √   18.4   √   √   P
  7   60   20   60   150   50   ×   /   /   /   F
  8   60   20   60   150   100   ×   /   /   /   F
  9   60   20   60   150   150   ×   /   /   /   F
表五
Figure GSA00000046555400131
表六
  实施例序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  1   50   18   50   80   80   √   19.7   √   √   P
  2   50   20   60   100   100   √   18.1   √   √   P
  3   50   22   70   120   120   √   16.6   √   √   P
  4   55   18   50   80   80   √   18.8   √   √   P
  5   55   20   60   100   100   √   22.8   √   √   P
  6   55   22   70   120   120   √   19.3   √   √   P
  7   60   18   50   80   80   √   17.6   √   √   P
  8   60   20   60   100   100   √   18.3   √   √   P
  实施例序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  9   60   22   70   120   120   √   20.4   √   √   P
〔注：表六中“√”为全部通过，“×”为未全部通过，“/”为前一项不合格未做测试，引线张力不能全部达15g(参照金线实际测试数据)或断点不合格为“×”，表中引线张力数值为20只样品得到的平均值。〕
表七
  实施例序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  10   45   18   50   80   80   √   14.9   √   √   P
  11   45   20   60   100   100   √   13.8   √   √   P
  12   45   22   70   120   120   √   12.4   √   √   P
  13   48   18   50   80   80   √   14.7   √   √   P
  14   48   20   60   100   100   √   15.3   √   √   P
  15   48   22   70   120   120   √   15.1   √   √   P
  16   50   18   50   80   80   √   13.3   √   √   P
  17   50   20   60   100   100   √   14.5   √   √   P
  18   50   22   70   120   120   √   15.1   √   √   P
〔注：表七中“√”为全部通过，“×”为未全部通过，“/”为前一项不合格未做测试，引线张力不能全部达10g(参照金线实际测试数据)或断点不合格为“×”，表中引线张力数值为20只样品得到的平均值。〕
表八
  实施例序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  19   45   15   50   80   80   √   9.7   √   √   P
  20   45   18   60   100   100   √   8.7   √   √   P
  21   45   20   70   120   120   √   6.7   √   √   P
  22   48   15   50   80   80   √   8.1   √   √   P
  23   48   18   60   100   100   √   9.9   √   √   P
  24   48   20   70   120   120   √   7.7   √   √   P
  实施例序号   功率(瓦)   时间(ms)   压力(克)   预压力(克)   预压力时间(ms)   键合稳定性   引线张力平均值(克)   压力推力实验   弹坑实验   结论
  25   50   15   50   80   80   √   6.3   √   √   P
  26   50   18   60   100   100   √   7.1   √   √   P
  27   50   20   70   120   120   √   7.4   √   √   P
(注：表八中“√”为全部通过，“×”为未全部通过，“/”为前一项不合格未做测试，引线张力不能全部达5g(参照金线实际测试数据)或断点不合格为“×”，表中引线张力数值为20只样品得到的平均值。

Claims (10)

1.一种功率器件的铜线键合方法，包括铜线(91)与芯片(511)的焊点键合，所述铜线与芯片的焊点键合包括如下步骤：①铜线下端头(9)烧成球状；②通过超声波焊接将铜线球焊接到芯片(511)的键合区；其特征在于，所述步骤①和②之间，在铜线的球状端头施加预压力，将铜线球压扁以增加铜线球与芯片的接触面积。
2.根据权利要求1所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，所述预压力大小为80-120克，预压力作用时间为80-150ms。
3.根据权利要求1或2所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，所述步骤②中压扁的铜线球与芯片的超声波焊接压力为50-70克。
4.根据权利要求1所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，所述步骤①之前开启铜线烧球气体保护，在整个键合过程中持续地用N2和H2混合气体对烧球位置实施吹气保护，以防止铜线烧球氧化。
5.根据权利要求4所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，对烧球位置实施吹气保护的装置为双管吹气装置；所述双管吹气装置包括连通保护气源的两根吹气管，为第一吹气管(10)和第二吹气管(20)，两根吹气管的出气口相对地位于所述瓷嘴(3)下端的两侧。
6.根据权利5要求所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，所述铜线键合设备的机身上部设有显微镜(6)，所述第一吹气管(10)上端连接在机身上、位于显微镜的外侧，第一吹气管(10)自上而下向瓷嘴(3)处伸出；所述第二吹气管(20)上端连接在所述打火杆固定座(8)上，自上而下向瓷嘴(3)处伸出，所述打火杆(2)的一端焊接在所述第二吹气管的出气口端内壁、另一端则略伸出第二吹气管(20)的出气口。
7.根据权利6要求所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，所述第一吹气管(10)和第二吹气管(20)中的气体为N2和H2的混合气体，混合气体中H2的体积百分含量为8-15％；第一吹气管内的气体流量为0.3-0.5升/分钟，第二吹气管内的气体流量为0.5-0.7升/分钟。
8.根据权利1要求所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，当铜线键合使用的引线框架(51)为点镀银引线框架时，所述步骤①之前或之后，且在步骤②之前，还开启载片区气体保护，在整个键合过程中持续地用N2和H2混合气体对引线框架的载片区(513)实施吹气保护，以防止引线框架的载片区氧化。
9.根据权利8要求所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，所述对载片区实施吹气保护的装置包括上压板(41)的吹气结构(4140)：所述上压板的板体(4110)上设有可外接气源的气嘴(4141)，板体内还设有与气嘴连通的一条主气流通道(4142)，板体上还设有与主气流通道相通、可向引线框架的载片区吹气的多个吹气口(4143)。
10.根据权利1要求所述的功率器件的铜线键合方法，其特征在于，在所述步骤①之前，将连成一排的多个引线框架(51)紧固在上压板(41)与下压板(51)之间，调节上压板(41)上的每一个调节螺钉(4133)，使每个调节压片(4132)压牢每一个待键合的引线框架管脚(512)。
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