CN105458435B - 一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置和工艺，属于半导体功率器件封装制造技术领域。该装置即为激光焊线机，包括计算机主板、激光发生器、芯片及框架图像识别系统、送料系统和XY工作台；计算机主板用于控制焊线机的所有动作，以实现焊线工艺全过程的自动化、精确化；激光发生器用于输出所需功率和直径的激光斑点；送料系统用于在焊接动作执行前将框架、引线及钎焊丝精确输送至工作位置；该工艺是通过钎焊工艺实现引线连接，钎焊过程采用激光实现；本发明装置和工艺能直接融化润湿铝垫和框架实现三者之间稳定可靠的连接，避免了机械及热损伤和传统打线工艺存在的应力问题。

Description

一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置和工艺
技术领域
本发明涉及半导体功率器件封装制造技术领域，具体涉及一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置和工艺。
背景技术
在自然界中，铜的导电性和导热性仅次于银，居第二位，铜与人的亲和性仅次于钛，因此，铜在电的传输、热量交换和生活日用品领域获得了广泛的应用。
在半导体功率器件的封装制造过程中，考虑到功率器件大电流、高发热量、超高功率的特性，决定采用铜代替或部分代替铝线完成芯片和引脚的连接，而其中最为关键的一环，即是实现铜制焊丝(铜线或带状铜桥)和芯片铝垫及框架的稳定连接，但铜铝连接的可靠性问题一直困扰着学术界和制造业界。
目前连接铝铜的传统焊接方法包括熔化焊和超声压焊等，其中：
熔化焊：熔化焊是利用局部加热的方法将连接处的金属加热至熔化状态而完成连接的焊接方法。熔化焊方法在铝铜焊接中存在很大的困难，因为异种金属熔化焊时，接头的力学性能主要取决于熔化的焊缝金属，其次才是热影响区。铝铜熔化焊时，当焊缝中铜的质量分数超过33％时，会形成一定程度的低熔共晶，接头处形成一系列硬脆的化合物。这些化合物的强度都在15MPa以下，力学性能较差。就其工艺而言，铝和铜的熔化温度相差较大，往往铝熔化了而铜还处于固态，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大。在器件封装制造中，融化焊更是难以操作，对母材的部分融化会造成热损伤，对于温度敏感器件尤甚，过早的埋下可靠性隐患。
超声压焊：目前应用较成功的铝铜连接方法是超声压焊，包括超声热压焊(wirebonding)、摩擦焊、冷压焊、爆炸焊、电阻焊、扩散焊、热压焊和磁脉冲焊等，但这种工艺不适用于操作面积小、精度要求高的为电子制造领域。
钎焊：钎焊法是目前铝铜连接研究的热点之一。其原理是将焊件母材和比母材熔化温度低的钎料(填充金属)加热到高于钎料熔化温度，但低于母材熔化温度的温度，利用液相钎料润湿母材、填充接头间隙，并与母材相互扩散和发生冶金反应，而实现连接。由于钎焊反应只在母材数微米至数十微米以下界面进行，一般不牵涉母材深层的结构，因此特别有利于异种金属之间的连接。工业中钎焊一般会使用钎料，传统的Sn-Pb焊料由于焊料中的铅对环境和健康的危害性极大，已逐渐被世界各国禁用，而新型的Sn-Cu无铅焊料价格相对低廉，但是铜和铝之间存在1.644V电极电位差非常容易引起腐蚀现象，并且Cu与Al之间容易形成CuAl2脆性化合物，使焊点强度降低。
功率器件的封装制造过程中，为了兼顾成本和导热、耐流等电气特性，大规模使用金线不可取，细铝线耐流值不足，影响产品可靠性，因此考虑选用粗铝线和较细的铜线作为焊丝应用在产品中，介于物理特性的差异，就产生了适应于两种焊丝的不同钎焊料：铜焊丝的钎焊料和铝焊丝的钎焊料。
目前市场中的以粗铝线为主要应用耗材的焊线(键合)机速度慢(500ms/线)，隐患诸多，亟待改造提升。而Cu、Al都属易氧化金属，两者的焊接一直以来都是国际难题，所以传统意义上的焊接(熔焊和压焊)无法直接应用到微电子制造业中，而钎焊的优势则十分明显。
钎焊工艺的加热温度比较低(通过调整组分，可精确控制钎料熔点。因为不同的器件粘片、塑封的工艺温度会有所不同，所以需要有不同熔点的钎焊料)因此钎焊以后焊件的变形小(微小区域加热、瞬间完成焊接过程是保证形变小的前提条件)，容易保证焊件的尺寸精度。
钎焊工艺可适用于各种金属材料、异种金属、金属与非金属的连接，避开了细小Cu-Al焊接的国际难题。
可以一次完成多个零件或多条钎缝的钎焊，生产率较高，适合量产。
可以钎焊极薄或极细的零件，以及粗细、厚薄相差很大的零件，配合自动化程度高的自动钎焊机，我们可以期望这一改变足以使国内功率器件生产、国内半导体行业技术的面貌极大改观。
但前述亦提到，虽然技术上已经具备可行性，但钎材成分至关重要，钎料一般分为软钎料(低于450℃)和硬钎料(一般高于450℃)，芯片生产中自然会选用低温软钎料以减少热损伤，但半导体工艺流程长、工序繁多，所选钎料不但要配合Cu-Al钎焊要求且还需配合引线和焊盘的材质进行选择。功率半导体器件连线连接的两端通常是粗铝线(或铜线)和芯片上的电极铝层，细小的铝-铝或铜-铝焊接素来是一个国际性难题，无成熟配方可供参考。更为重要的，应该关注半导体各段工艺温度的梯度性，引线连线的工艺温度必须介于(芯片粘片工艺的工艺温度)芯片电极的退火温度和引线连接后的塑封工艺温度之间。不同的引线(铜丝或铝丝)焊接将需要用不同的钎焊料。若忽略这一点会引发许多问题，例如热应力导致的翘曲、高于扩散温度引发继续扩散而使得扩散深度超出产品设定值等。
可见，寻找一种可靠性高、成本低且适用于半导体功率器件封装制造中铜铝焊接的焊料已成为目前亟待解决的问题。
发明内容
为了解决目前半导体功率器件封装技术中焊丝(即引线，采用铝线或铜线)与芯片铝垫或框架(铜材质)的可靠连接问题，本发明的目的在于提供一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置和工艺，采用的激光焊接工艺通过本发明特定装置实现，并能直接融化润湿铝垫和框架实现三者之间稳定可靠的连接，其中铝垫和框架由于未达熔点不会融化，而只是预热使得表面充分伸展协助和液相钎料的结合，这就避免了热损伤和传统打线工艺存在的应力问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置，该装置即为激光焊线机，包括计算机主板、激光发生器、芯片及框架图像识别系统、送料系统和XY工作台；其中：
计算机主板：用于控制焊线机的所有动作，以实现焊线工艺全过程的自动化、精确化；
激光发生器：用于输出所需功率和直径的激光斑点，包括激光源、光纤导光系统和聚焦系统；
芯片及框架图像识别系统：用于为激光斑点提供精确导引，准确找到激光焊接点位(芯片和框架上的焊接点位)；包括芯片图像识别系统及框架图像识别系统；
送料系统：用于在焊接动作执行前将框架、引线及钎焊丝精确输送至工作位置，包括框架送料装置、引线送料装置及钎焊丝送料装置；引线框架是芯片的承载支架，焊线机上，框架必须经过间歇式的进给过程，才能源源不断地提供芯片实施焊接，然后经过收片装置统一集中在料盒中；
XY工作台：该工作台包括步进马达和滚珠丝杠，是精密的微移动、大行程工作台。
所述计算机主板还能够存储工艺参数、工艺程序及工艺操作历史数据，能够根据实际需要进行修改、整理，实现工艺历史数据的可追溯性。
所述激光发生器中，激光源发出激光，通过光纤导光系统及聚焦系统形成要达到的指定直径的激光斑点，其功率密度可通过激光源的功率进行调节。所述激光发生器为气体激光器或半导体激光器。所述激光发生器能够同时产生三束激光，通过计算机主板控制用于分别照射不同的位置。
利用上述装置进行引线焊接工艺，该工艺是通过钎焊工艺实现引线连接，钎焊过程采用激光实现；所述引线连接是指引线与芯片、引线与框架两个焊点的焊接过程的完成，具体包括如下步骤：
(1)芯片送料装置将芯片送至指定工位，芯片图像识别系统确认找准芯片焊垫(铝)上的预焊工位；引线送料装置将引线待焊端送至芯片焊垫(铝)预焊工位上方2mm处；钎焊丝送料装置将钎焊丝送至芯片焊垫预焊工位上方1mm处；
(2)激光发生器产生所需功率和直径的激光斑点分别对准芯片焊垫、引线和钎焊丝，先对引线和芯片焊垫(铝)预热，引线预热温度280℃，芯片焊垫(铝)预热温度250℃；然后对钎焊丝在290℃加热至熔化；熔化的同时，引线向下压至芯片焊垫，熔化的钎焊丝同时润湿焊垫和引线形成球状焊点；关闭激光发生器，冷却，即完成第一焊点的焊接；
(3)切断第一焊点上的钎焊丝；
(4)XY工作台移动框架，使框架预焊工位在激光发生器焊头下方，框架图像识别系统找准框架预焊工位；引线送料装置将引线待焊端送至框架(铜)预焊工位上方2mm处，钎焊丝送料装置将钎焊丝送至框架(铜)预焊工位上方1mm处；
(5)激光发生器产生所需功率和直径的激光斑点分别对准框架、引线和钎焊丝，首先对引线和框架进行预热，引线预热温度280℃，框架预热温度250℃；再将钎焊丝送至框架(铜)预焊工位上方1mm处，对钎焊丝在290℃加热至熔化；熔化的同时，引线向下压至框架(铜)，熔化的钎焊丝同时润湿框架(铜)和引线形成球状焊点；关闭激光发生器，冷却；即完成第二焊点的焊接
(6)切断第二焊点上的钎焊丝和引线，即完成第二焊点焊接；从而完整焊接好一条引线。
上述焊接工艺中，所述引线为铜引线或铝引线，引线规格为直径350-500微米；所述钎焊丝为丝状钎焊料，其规格为直径0.05-0.3mm。
上述焊接工艺中，引线、框架和芯片焊垫的预热由激光斑点直接照射加热，光斑直径5mm，激光照射时间1s。
上述焊接工艺中，钎焊丝的加热由激光斑点直接照射加热，光斑直径1mm，激光照射时间10ms。
上述焊接工艺中，所用钎焊料包括铜引线用钎焊料A和铝引线用钎焊料B，按重量百分含量计，铜引线用钎焊料A化学成分为：Cu 20-29％，Al 10.0-20.0％，Ag 2.0-11.0％，Bi 2.0-5.0％，Sb 3.0-9.0％，In 3.0-9.0％，Sn为余量；铝引线用钎焊料B化学成分为：Cu21.0-29.0％，Al 18.0-27％，Ag 2.0-9.0％，Bi 2.0-3.5％，Sb 6.0-8.0％，In 6.0-8.0％，Sn为余量。
上述引线焊接钎料的制备按照如下步骤进行：
(1)按照所述钎料化学成分进行配料，采用真空感应炉熔炼，制得合金铸锭；熔炼过程中，采用石墨坩埚对钎料合金进行熔炼。
(2)均匀化退火：均匀化温度为520℃，保温14h，随炉冷却；
(3)热挤压开胚：挤压机吨位为500，合金铸锭加热温度为500℃，保温时间为2h，挤压模具加热温度为400℃，挤压比为32，挤压成规格50mm×4mm(厚度)的板材；
(4)热轧/中间退火：
首先，将热挤压开坯后所得板材加热至480℃，保温2h；然后进行热轧制，每道次热轧下压量为0.1-0.3mm，每轧制3道次进行一次中间退火处理，退火温度480℃，退火时间20min；热轧至钎料厚度为0.2-0.4mm；
(5)冷(精)轧：冷轧至直径为0.05-0.3mm(0.2最佳)的丝状铜铝焊接钎料。
本发明上述引线焊接钎料应用于半导体功率器件封装技术中的铜铝焊接工艺中，具体为引线(铝线或铜线)与芯片上电极铝层的焊接，以及引线(铝线或铜线)与框架(铜材质)的焊接；本发明引线焊接钎料的焊接温度范围为280-320℃。
本发明引线焊接装置和工艺设计原理及有益效果如下：
1、本发明焊接装置采用可控性高的激光发生器，以一定强度的激光束照射特殊钎材(第三部分介绍)与被焊件，采用总控计算机控制斑点大小、能量密度以及照射时间等参数，可以做到在短时间内完成钎焊，初步测试结果良好，热影响区域小，焊接成本低、效率高，非常适合高集成度的焊接工艺。
2、本发明激光焊线机是典型的多工位、多参数、复杂时序且精密的自动机械系统。是集计算机自动控制、图像识别、机械精密加工于一体的精确系统。
3、本发明放弃W/B的传统打线工艺，使用粗Cu线或粗Al线，和芯片之间通过低温钎焊的方式连接，不存在应力损伤，还会为产品带来更高的耐流值、独特的封装电阻值以及更高的可靠性。目前，工业钎焊常常处理的是一定尺寸、接触面积较大的构件的连接，很难做到将操作区域集中在如芯片如此微小的面积上，且焊接、尤其群焊时加热时间长、温度过高，这是许多热敏元器件所不能承受的，易引发热应力、热损伤和许多更严重的问题。本发明采用工业上成熟应用的低温软钎焊技术，避开Cu-Al焊接的国际难题，调配钎料成分以控制焊接温度，实现在恰当的温度完成工序。低温(280-320℃)局部加热，非接触，无热损伤，热影响区小，因此可适用于热敏元件。
4、本发明将钎焊丝送至接近结合处的点位，激光发生器产生激光，分别照射焊垫、焊线和钎焊丝，其中钎焊丝预热直至接近融化，以至少部分的填充结合处，形成钎焊连接(球状焊点)，完成第一焊点。由于温度未达熔点故焊垫和焊线不会融化，而只起到预热作用，使得表面伸张与液相钎料粘合更加充分。同理将焊线接近框架欲焊工位，形成结合处，将钎焊丝移至结合处，激光照射，钎焊丝至熔融状态以至少部分填充结合处，焊线和框架同样仅存在于热过程而不熔化，至此完成第二焊点。激光照射时间和输出功率易控，成品率高，重复操作稳定性好，且激光预热快速精确，加热效果好、加热时间短，冷却速度快，将尤其显著的减少温度敏感元件在生产过程中出现的热损伤。
5、本发明采用的钎料用于焊接引线与芯片及框架时，能直接融化润湿铝垫和框架实现三者之间稳定可靠的连接，其中铝垫和框架由于未达熔点不会融化，而只是预热使得表面充分伸展协助和液相钎料的结合，这就避免了热损伤和传统打线工艺的应力问题。目前工业中广泛使用的焊料为Sn96Ag3.5Cu0.5或Sn63Pb37，前者熔点较高，一般217℃，润湿性较差，后者加入Pb，熔点更低(约183℃)润湿性较前者更优，但两种钎焊料都不符合280℃到320℃的温度工作区间，且含Pb合金焊料存在环境和健康隐患。
所以在以Cu、Al和Sn为主要成分的前提下，调配Cu、Al配比提升和不同焊丝的亲和度，并加入Bi、Sb、In三种稀土元素，其中：
(1)Sn含量过高材料脆性变大，加工性能恶化，故本发明钎料中适当降低Sn含量，使得焊料更易加工成材，并在Sn中加入适量的Ag、Cu形成共晶合金使得焊料熔点处于280℃到320℃的要求温度工作区间。
(2)本发明钎料中的铜钎焊时流动性较好，能够减小和铝制衬垫及框架合金的润湿角，使得液相钎料能更充分的填充到结合处实现连接，且增加了和铜材料的亲和度，在使用铜焊丝时，Cu-Cu，Cu-Al焊接效果更优，更换粗铝线为焊丝时，适当调配Cu、Al配比，提高Al元素含量，亦可达到提升材料亲和度的效果，起到助焊作用。
(3)本发明钎料中添加少量元素Sb和In能增加Cu和Al的溶解度，替代Pb材料提高润湿性和附着力，使得钎料能够在母材表面充分铺展形成牢固致密的焊点，能一定程度上减小焊接缺陷，抑制气泡和产生金属氧化物，提高致密度和钎缝的纯净程度。
(4)本发明钎料中少量元素Bi能提升焊点切向力，少量加入能够使得焊点更牢固。
(5)本发明钎焊技术的引入将从根本上取代传统的wire bonding工艺，带来半导体功率器件制备工艺的变革，并极大降低设备成本。本发明钎料通过调配铜铝和少数元素配比也可实现其他一些合金和一种金属的焊接，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明引线焊接工艺示意图；图中：(a)形成焊点前操作位置；(b)形成焊点结构图。
图2为本发明引线焊接焊点部位示意图。
图3为焊接引线力度测试示意图。
图4为本发明焊接装置结构示意图。
图4中：1-激光源；2-计算机主板；3-XY工作台；4-透镜。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
如图4所示，本发明用于半导体功率器件封装的引线焊接装置包括计算机主板1、激光发生器、芯片及框架图像识别系统、送料系统和XY工作台3；其中：
计算机主板：用于控制焊线机的所有动作，以实现焊线工艺全过程的自动化、精确化；并能够存储工艺参数、工艺程序及工艺操作历史数据，能够根据实际需要进行修改、整理，实现工艺历史数据的可追溯性。
激光发生器：用于输出所需功率和直径的激光斑点，包括激光源1、光纤导光系统和聚焦系统(透镜4)；所述激光发生器中，激光源发出激光，通过光纤导光系统及聚焦系统形成要达到的指定直径的激光斑点，其功率密度可通过激光源的功率进行调节。所述激光发生器为气体激光器或半导体激光器。所述激光发生器能够同时产生三束激光，通过计算机主板控制用于分别照射不同的位置。
芯片及框架图像识别系统：用于为激光斑点提供精确导引，准确找到激光焊接点位(芯片和框架上的焊接点位)；包括芯片图像识别系统及框架图像识别系统；
送料系统：用于在焊接动作执行前将框架、引线及钎焊丝精确输送至工作位置，包括框架送料装置、引线送料装置及钎焊丝送料装置；
XY工作台：该工作台包括步进马达和滚珠丝杠，是精密的微移动、大行程工作台。
以下实施例中所用钎焊料的制备过程如下：
(1)按照各实施例中钎料化学成分进行配料，采用真空感应炉熔炼，制得合金铸锭；
采用非真空熔炼，极易带入杂质，且In、Sn都是易氧化元素，在非真空状态下熔炼，将增加钎料合金中的氧化物相，影响钎料塑性。因此，本发明选择真空熔炼，并采用高纯度、高强度、高致密的石墨坩埚对钎料合金进行脱气，保温脱气时间为20min，大幅度降低了金属液体中的含气量，减少了铸锭缺陷，保证了Al-Cu-Sn(主要成分)焊料的清洁性和良好的溅散性。
(2)均匀化退火：均匀化温度为520℃，保温14h，随炉冷却；
为了减少枝晶偏析及其它非平衡脆性相的生成，铸锭随炉冷却后应将其进行均匀化退火。均匀化退火使合金内部原子充分扩散，减少了非平衡结晶所造成的晶内组织不均匀性，使组织接近平衡；另外，组织中的枝晶网胞也部分溶解，改善了脆性相的形状与分布，使合金塑性得到提高，改善了合金钎料的加工性能。
(3)热挤压开胚：考虑到Ag-Cu-Sn钎料合金系钎料热加工高塑性区位于400～500℃之间，将合金铸锭在该温区采取了强制大变形热挤压开坯，挤压机吨位为500，铸锭加热温度为500℃，保温时间为2h，挤压模具加热温度为400℃，挤压比为32，挤压成规格50mm×4mm(厚度)的板材。
(4)热轧/中间退火：
a.为了使合金达到最佳的热塑性，降低金属对塑性变形的抗力，应该使合金内外温度均匀。因此，热轧前将钎料加热至480℃，保温2h。以后每轧3次后重新保温20min再继续轧制，最初的热轧下压量为0.3mm，随着道次的增加变形量减小。热轧完成后，钎料厚度为0.2-0.4mm。
b.轧制过程中，由于加工硬化，致使材料脆性增加，钎料边部出现裂纹，为了获得较为稳定的组织结构，增加了中间退火以改善组织状态。在退火温度400℃下保温2h后会发现晶粒变细，但钎料的加工组织还是比较明显，显然，退火温度不够，故继续升温进行480℃保温退火。
(5)冷(精)轧：冷轧至直径为0.2mm的丝状铜铝焊接钎料。
以下实施例中引线连接过程如图1-2所示，通过钎焊工艺实现引线连接，钎焊过程采用激光实现；选择1064nm，90W的新型光纤激光器进行焊接，其转换效率可达60-70％，且它能与光纤耦合，便于借助分割多路系统将一束激光传输给多个工位，实现激光加工柔性化。
激光器主要技术指标如下：
激光功率：90W
激光波长：1064nm
最小光斑直径：200μm
脉冲宽度：0.3ms～10ms
输入电压：220V
电压调节范围：0～1000V。
本发明所述引线连接是指引线与芯片、引线与框架两个焊点的焊接过程的完成；该焊接工艺具体过程如下：
(1)第一焊点焊接：将引线待焊端送至芯片焊垫(铝)预焊工位上方2mm处，对引线和芯片焊垫(铝)预热，引线预热温度280℃，芯片焊垫(铝)预热温度250℃；再将钎焊丝送至芯片焊垫预焊工位上方1mm处，对钎焊丝在290℃加热至熔化；最后引线向下压至芯片焊垫，熔化的钎焊丝同时润湿焊垫和引线形成球状焊点；冷却后，即完成第一焊点焊接；
(2)第二焊点焊接：将引线待焊端送至框架(铜)预焊工位上方2mm处，对引线和框架进行预热，引线预热温度280℃，框架预热温度250℃；再将钎焊丝送至框架(铜)预焊工位上方1mm处，对钎焊丝在290℃加热至熔化；最后引线向下压至框架(铜)，熔化的钎焊丝同时润湿框架(铜)和引线形成球状焊点；冷却后，即完成第二焊点焊接；从而完整焊接好一条引线。
上述焊接过程中，所述引线为铜引线或铝引线，引线规格为直径350-500微米；所述钎焊丝为丝状钎焊料，其规格为直径0.05-0.3mm。
上述焊接过程中，引线、框架和芯片焊垫的预热由激光斑点直接照射加热，光斑直径1mm，激光照射时间10ms。
上述焊接过程中，钎焊丝的加热由激光斑点直接照射加热，光斑直径1mm，激光照射时间10ms。
实施例1：
本实施例为铜焊丝与芯片铝垫，以及铜焊丝与框架的软钎焊焊接，采用钎焊料A进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Sn 34.1％，Cu 22.4％，Al 20％，Ag 2.0％，Bi 3.5％，Sb9.0％，In 9.0％。
铜焊丝与芯片铝垫焊接形成第一焊点，预热温度220℃，焊接温度290℃，铜焊丝与铜框架焊接形成第二焊点，预热温度220℃，焊接温度300℃。
对比例1
与实施例1不同之处在于：采用钎焊料A进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Sn34.1％，Cu 18.6％，Al 20％，Ag 2.0％，Bi 3.5％，Sb 9.8％，In 9.0％。
实施例2：
本实施例为铜焊丝与芯片铝垫，以及铜焊丝与框架的软钎焊焊接，采用钎焊料A进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Cu 23.1％，Al 18.7％，Ag 3.5％，Bi 3.5％，Sb 8.3％，In8.0％，Sn余量。
铜焊丝与芯片铝垫焊接形成第一焊点，预热温度220℃，焊接温度290℃，铜焊丝与铜框架焊接形成第二焊点，预热温度220℃，焊接温度300℃。
对比例2
与实施例2不同之处在于：采用钎焊料A进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Cu23.1％，Al 18.7％，Ag 3.5％，Bi 3.5％，Sb 5.4％，In 8.0％，Sn余量。
实施例3：
本实施例为铝焊丝与芯片铝垫，以及铝焊丝与框架的软钎焊焊接，采用钎焊料B进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Sn 34.1％，Cu 21.0％，Al 23.4％，Ag 2.0％，Bi 3.5％，Sb8.0％，In 8.0％。
铝焊丝与芯片铝垫焊接形成第一焊点：预热温度220℃，焊接温度290℃。铝焊丝与铜框架焊接形成第二焊点：预热温度220℃，焊接温度300℃。
对比例3
与实施例3不同之处在于：采用钎焊料B进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Cu20.0％，Al 23.4％，Ag 2.0％，Bi 3.5％，Sb 8.5％，In 8.0％，Sn余量。
实施例4：
本实施例为铝焊丝与芯片铝垫，以及铝焊丝与框架的软钎焊焊接，采用钎焊料B进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Cu 21.6％，Al 24.0％，Ag 3.5％，Bi 2.8％，Sb 7.0％，In7.6％，Sn余量。
铝焊丝与芯片铝垫焊接形成第一焊点：预热温度220℃，焊接温度290℃。铝焊丝与铜框架焊接形成第二焊点：预热温度220℃，焊接温度300℃。
对比例4
与实施例4不同之处在于：采用钎焊料B进行焊接，其化学成分为(wt.％)：Cu30％，Al 24.0％，Ag 3.5％，Bi 2.8％，Sb 7.0％，In 7.6％，Sn余量。
对上述实施例及对比例进行性能检测如下：
1、剪切强度测试：
本发明中的钎焊采用软钎焊技术，焊接温度低于450℃，钎焊量约为15mg，焊球电特性良好，和W/B工艺产出产品连接效果相当，进行推球实验连接头的(拉力)剪切强度可达1-2N(表1)，可靠性甚至更为优异。
表1焊点(拉力)剪切强度
样品编号 引线类别 第一焊点剪切强度 第二焊点剪切强度
实施例1 铜焊丝 1.81N 1.80N
实施例2 铜焊丝 1.75N 1.81N
实施例3 铝焊丝 1.90N 1.90N
实施例4 铝焊丝 1.88N 1.90N
2、焊接引线力度测试：
目前有多种方法与测试环境对焊接引线力度进行测试，但运用最多最广泛的方法是拉线测试。如图3所示，该方法将拉钩置于已经焊接在芯片和封装材料两端的引线下方(即，其中一端为引线与芯片之间的焊接点，另一端为引线与封装材料之间的焊接点)。拉钩通常置于引线弧度的最高点，拉扯力度方向与芯片表面垂直(若芯片表面为一平面)，焊点恰好脱落时为可承受最大拉力，每组成分完成10组重复实验，记录数据如表2。
实验选用两种引线材料：铝线和铜线，分别选用两种线径：500和380微米。目前大功率半导体器件最常用的线径，只是由于键合技术的局限只能用铝线。导电及导热性都优于铝、金的铜却不能应用于大功率半导体器件封装中，所以我们特别选用铜和铝进行比照实验。
表2焊接引线力度
由表2实验数据可以看出，采用本发明焊料后，引线材料为铝时，力度测试数据能够满足工艺要求。当引线材料为铜时，其引线力度数据与引线材料为铝时极为接近，说明采用本发明钎料后，导电和导热性能更为优异的铜作为半导体器件封装制造中的引线使用得以实现。
3、成分对比试验：
通过焊接引线力度测试试验比较焊料成分对焊接引线力度的影响，试验中所用引线规格均为500μm，每个成分完成10组重复试验，试验结果如表3所示。
表3焊接引线力度
本发明焊料成分是通过多次优化制备得到，其中均含有较多的Cu，导热和耐流特性要比常规焊料好，Cu和Sb的相互扩散过程同时发生在焊料内部和表层，生成熔点较低和强度较高的Cu-Sb化合物，由表2-3实验数据可看出当两种焊料成分中的Sb与Cu含量在所限定范围内时，形成的Cu-Sb化合物在熔点低和烧结强度高中取得较好平衡性。

Claims (9)

1.一种用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：该引线焊接工艺是利用引线焊接装置实现，该装置即为激光焊线机，包括计算机主板、激光发生器、芯片及框架图像识别系统、送料系统和XY工作台；其中：
计算机主板：用于控制焊线机的所有动作，以实现焊接工艺全过程的自动化、精确化；
激光发生器：用于输出所需功率和直径的激光斑点，包括激光源、光纤导光系统和聚焦系统；
芯片及框架图像识别系统：用于为激光斑点提供精确导引，准确找到激光焊接点位；包括芯片图像识别系统及框架图像识别系统；
送料系统：用于在焊接动作执行前将框架、引线及钎焊丝精确输送至工作位置，包括框架送料装置、引线送料装置及钎焊丝送料装置；
XY工作台：该工作台包括步进马达和滚珠丝杠；
该引线焊接工艺是通过钎焊实现引线连接，钎焊过程采用激光实现；所述引线连接是指引线与芯片、引线与框架两个焊点的焊接过程的完成，具体包括如下步骤：
（1）框架是芯片的承载支架，通过框架送料装置将芯片送至指定工位，芯片图像识别系统确认找准芯片焊垫上的预焊工位；引线送料装置将引线待焊端送至芯片焊垫预焊工位上方2mm处；钎焊丝送料装置将钎焊丝送至芯片焊垫预焊工位上方1mm处；
（2）激光发生器产生所需功率和直径的激光斑点分别对准芯片焊垫、引线和钎焊丝，先对引线和芯片焊垫预热，引线预热温度280℃，芯片焊垫预热温度250℃；然后对钎焊丝在290℃加热至熔化；熔化的同时，引线向下压至芯片焊垫，熔化的钎焊丝同时润湿芯片焊垫和引线形成球状焊点；关闭激光发生器，冷却，即完成第一焊点的焊接；
（3）切断第一焊点上的钎焊丝；
（4）XY工作台移动框架，使框架预焊工位在激光发生器焊头下方，框架图像识别系统找准框架预焊工位；引线送料装置将引线待焊端送至框架预焊工位上方2mm处，钎焊丝送料装置将钎焊丝送至框架预焊工位上方1mm处；
（5）激光发生器产生所需功率和直径的激光斑点分别对准框架、引线和钎焊丝，首先对引线和框架进行预热，引线预热温度280℃，框架预热温度250℃；再将钎焊丝送至框架预焊工位上方1mm处，对钎焊丝在290℃加热至熔化；熔化的同时，引线向下压至框架，熔化的钎焊丝同时润湿框架和引线形成球状焊点；关闭激光发生器，冷却；即完成第二焊点的焊接；
（6）切断第二焊点上的钎焊丝和引线，即完成第二焊点焊接；从而完整焊接好一条引线。
2.根据权利要求1所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述计算机主板还能够存储工艺参数、工艺程序及工艺操作历史数据，能够根据实际需要进行修改、整理。
3.根据权利要求1所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述激光发生器中，激光源发出激光，通过光纤导光系统及聚焦系统形成要达到的指定直径的激光斑点，其功率密度可通过激光源的功率进行调节。
4.根据权利要求1或3所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述激光发生器为气体激光器或半导体激光器。
5.根据权利要求1所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述激光发生器能够同时产生三束激光，通过计算机主板控制用于分别照射不同的位置。
6.根据权利要求1所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述引线为铜引线或铝引线，引线规格为直径350-500微米；所述钎焊丝为丝状钎焊料，其规格为直径0.05-0.3mm。
7.根据权利要求1所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述焊接过程中，引线、框架和芯片焊垫的预热由激光斑点直接照射加热，光斑直径1mm，激光照射时间10ms。
8.根据权利要求1所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述焊接过程中，钎焊丝的加热由激光斑点直接照射加热，光斑直径1mm，激光照射时间10ms。
9.根据权利要求6所述的用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺，其特征在于：所述焊接过程中，所用钎焊料包括铜引线用钎焊料A和铝引线用钎焊料B，按重量百分含量计，铜引线用钎焊料A化学成分为：Cu 20-29％，Al 10.0-20.0％，Ag 2.0-11.0％，Bi 2.0-5.0％，Sb 3.0-9.0％，In 3.0-9.0％，Sn为余量；铝引线用钎焊料B化学成分为：Cu 21.0-29.0％，Al 18.0-27％，Ag 2.0-9.0％，Bi 2.0-3.5％，Sb 6.0-8.0％，In 6.0-8.0％，Sn为余量。
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