CN106229306A - 一种功率器件芯片的稳定化上芯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率器件芯片的稳定化上芯方法，属于功率器件处理技术领域。为了解决现有的稳定性差和空洞率过高的问题，提供一种功率器件芯片的稳定化上芯方法，该方法包括在氢氮混合气体的保护下，使铜框架进行预加热处理；再进入点焊区进行点焊处理，使在焊盘上形成锡球；再进入压模区对锡球进行整形，使锡球铺开在铜框架的焊盘上；然后进入焊接区将芯片放置在相应的焊盘锡球上进行焊接，使芯片的背面焊接在焊盘上；再进入后加热区进行加热处理后，再进行冷却处理后，完成功率器件芯片的上芯。本发明能够提高操作的稳定性，且能够有效防止焊锡出现体积收缩现象，实现保证低空洞率和倾斜度低的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率器件芯片的稳定化上芯方法，属于功率器件处理技术领域。
背景技术
功率器件封装通常包括划片(切片)、上芯(粘片)、压焊、塑封、打印、管脚上锡、老化、切盘、测试、检测和包装等工序过程，而对于功率器件的上芯工序是尤为重要的一道工序。而目前对于功率器件封装采用的上芯主要采用软焊料热焊接的手段，即在高温加热轨道内将焊锡料熔化在铜框架上，再将芯片焊接在上面达到电路连接功能。因此，对于轨道温度的控制、焊料与框架和芯片的结合度控制有着极高的要求。现有的上芯工艺中普遍存在的几个问题为：1.芯片空洞率大，芯片空洞率指得就是芯片与焊锡料结合面有未完全结合的区域，此区域面积过大会导致功率器件在正常工作状态下散热能力变差，热量集中，导致器件失效。2.芯片焊锡厚度不均匀，芯片倾斜度较大，焊锡厚度同样影响器件散热能力，焊锡厚度太厚增加该区域导通电阻大小，增加能耗；焊锡厚度不均匀导致芯片倾斜度偏大，影响下一工序焊线的稳定性。3.焊锡易氧化，熔化不开：由于现有的上芯工艺中轨道温度都保持在360℃～390℃之间，温度较高且生产效率较快，极易造成框架和焊锡氧化，引起焊锡化不开，无法全部覆盖芯片底面，造成芯片与框架表面接触不良，最后表现为散热能力差，热阻偏大，极易在工作状态下引起炸管。如中国专利申请(公开号CN：105609483A)公开的一种上芯方法，其即直接将引线框架在330℃～380℃的高温轨道中加热并通有氮氢混合保护气体，再通过高导热软焊料将两个肖特基芯片焊接在各自对应的基岛上，来实现上芯。虽然整个加热过程中在氢氮保护气体作用下进行，但由于整个过程均在高温进行，仍很容易造成框架或焊料的膨胀，使产生变形，从而影响上芯的稳定性，导致芯片焊接处理出现空洞或倾斜现象，影响上芯产品的稳定性能。
发明内容
本发明针对以上现有技术中存在的缺陷，提供一种功率器件芯片的稳定化上芯方法，解决的问题是如何提高上芯的稳定性且减小出现空洞率和减小芯片倾斜度。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的，一种功率器件芯片的稳定化上芯方法，该方法包括以下步骤：
A、在氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架先经过上芯工序加热轨道中的预热区进行预加热处理，使铜框架经过预热区后的温度升温至320℃～350℃；
B、经过预热区后，再使铜框架进入点焊区进行点焊处理，使在铜框架的焊盘上形成锡球；
C、点焊完成后，再使铜框架进入压模区对锡球进行整形，使锡球铺开在铜框架的焊盘上；
D、然后进入焊接区将芯片放置在相应的焊盘锡球上进行焊接，使芯片的背面焊接在焊盘上；
E、焊接完成后进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在180℃～200℃，然后再进入冷却区进行冷却处理后，完成功率器件芯片的上芯。
本功率器件芯片的稳定化上芯方法，通过先使铜框架经过预热区进行预加热目的是为了使铜框架在经过预热区能够被均匀的加热，避免铜框架因急剧加热膨胀而导致轨道中卡料的现象，从而使更有利于稳定化操作，同时，通过预热区加热处理后，不会出现因膨胀而导致卡料现象，从而使后续的操作不会因为卡料而使每次操作的误差过大，提高了操作的稳定性。通过在氮氢气体保护下，氮气的加入目的是为了防止后续的焊锡氧化，氢气的加入目的是为了将有部分氧化的铜框架进行还原，也能够减少出现空洞率和提高产品的稳定性。但是由于在焊接区焊接完成后直接冷却出样，由于温度的急剧变化容易出现热胀冷缩现象，使焊锡体积收缩，而导致焊锡的厚度变的不均匀，易出现空洞率现象，也会使芯片的倾斜角度增大，影响性能，本发明通过在焊接完成之后，先进行加热区处理使温度在180℃～200℃处理一般时间后，再进行冷却处理，很好的解决了因焊锡收缩而出现的空洞率过高和倾斜角度过大的问题，实现减小空洞率和减小倾斜度的效果。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤A中所述预热区依次包括第一预热区、第二预热区和第三预热区，且所述第一预热区的温度设定为220℃～240℃；所述第二预热区的温度设定为260℃～280℃；所述第三预热区的温度设定为320℃～340℃。通过设定三个预热区，且使三个预热区的温度呈一定的梯度设定，能够使铜框架经过整个预热区时温度均匀的升高，从而进一步保证不会出现膨胀现象，使不会出现卡料现象，提高上芯的稳定性。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤A中所述铜框架经过预热区的时间为450ms～550ms。能够与设定的预热区之间形成更好的配合作用，使温度呈逐渐增加的方式升温，进一步保证上芯的稳定性。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤D中所述芯片的边长延长线与焊盘上相对应的边形成的夹角角度为10゜～15゜。本发明人发现通过使芯片与焊盘之间形成一定的夹角有利于减小空洞率和提高芯片的平整度，使减小芯片的倾斜，另一方面，通过使芯片倾斜一定角度能够使后续焊接引线过程中使引线的长度基本一致，从而不会出现因引线长度不同而导致的电阻不同的问题，同样能够提高芯片的稳定性。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，所述芯片正面上最高点与焊盘表面之间的距离和芯片正面上的最低点与焊盘表面之间的距离差≤50μm。通过控制芯片的水平倾斜度能够减少出现空洞率的效果。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步聚E中所述冷却区依次包括第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区，且所述第一冷却区的温度设定为155℃～165℃；所述第二冷却区的温度设定为135℃～145℃；所述第三冷却区的温度设定为100℃～120℃。通过设定三个冷却区目的是为了使呈逐步降温的方式，防止焊锡因冷却过快而导致收缩现象，保证实现减小空洞率和减小倾斜度的效果，提高上芯的稳定性。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤B中所述点焊区的温度设定为360℃～390℃。有利于提高点焊的稳定化，使形成的锡球均匀，有利于后续的芯片焊接。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤C中所述压模区的温度设定为360℃～390℃。使锡球能够更均匀的铺展开，使焊接后厚度更均匀，保证芯片的倾斜角度，提高上芯的稳定性。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤D中所述焊接区的温度设定为360℃～390℃。有利于焊接的稳定性，使芯片更好的焊接的焊盘上，保证空洞率和具有较小的倾斜度，提高产品上芯后的性能。
在上述功率器件芯片的稳定化上芯方法中，作为优选，步骤C中所述对锡球进行整形通过采用压模头对锡球进行整形，且所述压模头的大小与单个芯片的大小相匹配。最好使压模头与锡球接触的面积大于芯片表面面积的1.2倍，采用该方式能够确保焊锡料的覆盖率。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本功率器件芯片的稳定化上芯方法，通过设定预热区，能够有效防止因出现膨胀现象而导致卡料现象，提高操作的稳定性；通过设定后加热区能够有效防止焊锡出现体积收缩现象，实现保证低空洞率和倾斜度低的效果。
2.本功率器件芯片的稳定化上芯方法，通过使芯片与焊盘之间形成一定的夹角有利于减小空洞率和提高芯片的平整度，使减小芯片的倾斜，能够提高芯片的稳定性。
3.本功率器件芯片的稳定化上芯方法，通过控制芯片的倾斜度，相当于使芯片上四个角处相对于焊盘表面的最高点处与最低点处的高度差，使能够减小空洞率的效果，提高上芯的稳定性。
附图说明
图1是本发明所用铜框架的单个结构示意图。
图2是本发明所用铜框架的焊盘放置焊接芯片的结构示意图。
图3是本发明功率器件芯片的稳定化上芯方法的加工工艺流程示意图。
图中，1、铜框架；12、焊盘；2、芯片。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中芯片的上芯方法如下：
在10wt％～15wt％的氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架1先经过上芯工序中上芯机的加热轨道中的预热区进行预加热处理，该预热区包括第一预热区、第二预热区和第三预热区，使设定第一预热区的温度为220℃，第二预热区的温度为设定为260℃，第三预热区的温度为设定为330℃，使铜框架1经过整体预热区后的温度升温至320℃，使铜框架1经过整个预热区的时间为500ms，其中，铜框架1的温度可以通过在铜框架1上贴热电偶进行跟踪测量；经过预热区后，再使铜框架1通过加热轨道输送到点焊区进行点焊处理，使在铜框架1的焊盘12上形成锡球；点焊区的温度设定为370℃；焊完锡球后，再使铜框架1通过加热轨道输送到压模区对锡球进行整形，使锡球铺开在铜框架1的焊盘12上，整形过程中采用压模头进行整形，且使压模头的大小与芯片2的大小相匹配，压模区的温度设定为360℃；整形完成后，使输送到焊接区将芯片2放置在相应的焊盘12对应的锡球上进行焊接，使芯片2的背面焊接在焊盘12上，焊接区的温度设定为370℃；焊接完成后输送进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在180℃，使铜框架1经过后加热区的时间为300ms，然后再依次经过冷却区进行冷却处理后，完成功率器件芯片的上芯。将得到的产品进行相应的性能测试，空洞率低于0.5％，且芯片相对于焊盘表面的倾斜度小于50μm。
实施例2
本实施例中芯片的上芯方法如下：
在10wt％～15wt％的氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架1先经过上芯工序中上芯机加热轨道中的预热区进行预加热处理，该预热区包括第一预热区、第二预热区和第三预热区，使设定第一预热区的温度为240℃，第二预热区的温度为设定为280℃，第三预热区的温度为设定为340℃，使铜框架1经过整体预热区后的温度升温至330℃，使铜框架1经过整个预热区的时间为450ms，其中，铜框架1的温度可以采用深常规的方法通过在铜框架1上贴热电偶进行跟踪测量；经过预热区后，再使铜框架1通过加热轨道输送到点焊区进行点焊处理，使在铜框架1的焊盘12上形成锡球，点焊区的温度设定为390℃；焊完锡球后，再使铜框架1通过加热轨道输送到压模区对锡球进行整形，压模区的温度设定为360℃；使锡球铺开在铜框架1的焊盘12上，整形过程中采用压模头进行整形，且使压模头的大小与芯片2的大小相匹配；整形完成后，使输送到焊接区将芯片2放置在相应的焊盘12对应的锡球上进行焊接，使芯片2的背面焊接在焊盘12上，焊接区的温度设定为390℃，焊接完成后输送进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在200℃，使铜框架1经过后加热区的时间为300ms，然后再依次经过第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区进行冷却处理后，其中，第一冷却区的温度设定为165℃，第二冷却区的温度设定为135℃，第三冷却区的温度设定为100℃，冷却结束后，完成功率器件芯片的上芯。将得到的产品进行相应的性能测试，空洞率低于0.5％，且芯片相对于焊盘表面的倾斜度小于50μm。
实施例3
本实施例中芯片的上芯方法如下：
在10wt％～15wt％的氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架1先经过上芯工序中上芯机加热轨道中的预热区进行预加热处理，该预热区包括第一预热区、第二预热区和么三预热区，使设定第一预热区的温度为230℃，第二预热区的温度为设定为270℃，第三预热区的温度为设定为320℃，使铜框架1经过整体预热区后的温度升温至310℃，使铜框架1经过整个预热区的时间为550ms，其中，铜框架1的温度可以采用深常规的方法通过在铜框架1上贴热电偶进行跟踪测量；经过整个预热区后，再使铜框架1通过上芯机的加热轨道输送到点焊区进行点焊处理，使在铜框架1的焊盘12上形成锡球，点焊区的温度设定为370℃；焊完锡球后，再使铜框架1通过加热轨道输送到压模区对锡球进行整形，压模区的温度设定为380℃；使锡球铺开在铜框架1的焊盘12上，整形过程中采用压模头进行整形，且使压模头的大小与芯片2的大小相匹配；整形完成后，使输送到焊接区将芯片2放置在相应的焊盘12对应的经过整形后的锡球上进行焊接，使芯片2的背面焊接在焊盘12上，焊接区的温度设定为360℃，使芯片2的一边边长延长线与焊盘边形成的夹角角度为10゜，且使芯片2正面上最高点与焊盘12表面之间的距离和芯片2正面上的最低点与焊盘12表面之间的距离差≤50μm；焊接完成后输送进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在190℃，使铜框架1经过后加热区的时间为400ms，然后再依次经过第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区进行冷却处理后，其中，第一冷却区的温度设定为155℃，第二冷却区的温度设定为145℃，第三冷却区的温度设定为120℃，冷却结束后，完成功率器件芯片的上芯。将得到的产品进行相应的性能测试，空洞率低于0.5％，且芯片相对于焊盘表面的倾斜度小于50μm。
实施例4
本实施例中芯片的上芯方法如下：
在10wt％～15wt％的氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架1先经过上芯工序中上芯机加热轨道中的预热区进行预加热处理，该预热区包括第一预热区、第二预热区和么三预热区，使设定第一预热区的温度为240℃，第二预热区的温度为设定为280℃，第三预热区的温度为设定为340℃，使铜框架1经过整体预热区后的温度升温至320℃，使铜框架1经过整个预热区的时间为450ms，其中，铜框架1的温度可以采用深常规的方法通过在铜框架1上贴热电偶进行跟踪测量；经过整个预热区后，再使铜框架1通过上芯机的加热轨道输送到点焊区进行点焊处理，使在铜框架1的焊盘12上形成锡球，点焊区的温度设定为380℃；焊完锡球后，再使铜框架1通过加热轨道输送到压模区对锡球进行整形，压模区的温度设定为370℃；使锡球铺开在铜框架1的焊盘12上，整形过程中采用压模头进行整形，且使压模头的大小与芯片2的大小相匹配；整形完成后，使输送到焊接区将芯片2放置在相应的焊盘12对应的经过整形后的锡球上进行焊接，使芯片2的背面焊接在焊盘12上，焊接区的温度设定为360℃，使芯片2的一边边长延长线与焊盘边相交形成的夹角角度为15゜，且使芯片2正面上最高点与焊盘12表面之间的距离和芯片2正面上的最低点与焊盘12表面之间的距离差≤50μm；焊接完成后输送进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在180℃，使铜框架1经过后加热区的时间为350ms，然后再依次经过第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区进行冷却处理后，其中，第一冷却区的温度设定为160℃，第二冷却区的温度设定为140℃，第三冷却区的温度设定为100℃，冷却结束后，完成功率器件芯片的上芯。将得到的产品进行相应的性能测试，空洞率低于0.5％，且芯片相对于焊盘表面的倾斜度小于50μm。
比较例1
本比较例主要是为了说明后续后加热区处理对于芯片的空洞率和倾斜度的影响，本比较例的芯片的上芯方法如下：
在10wt％～15wt％的氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架1先经过上芯工序中上芯机加热轨道中的预热区进行预加热处理，该预热区包括第一预热区、第二预热区和么三预热区，使设定第一预热区的温度为240℃，第二预热区的温度为设定为280℃，第三预热区的温度为设定为340℃，使铜框架1经过整体预热区后的温度升温至320℃，使铜框架1经过整个预热区的时间为450ms，其中，铜框架1的温度可以采用深常规的方法通过在铜框架1上贴热电偶进行跟踪测量；经过整个预热区后，再使铜框架1通过上芯机的加热轨道输送到点焊区进行点焊处理，使在铜框架1的焊盘12上形成锡球，点焊区的温度设定为380℃；焊完锡球后，再使铜框架1通过加热轨道输送到压模区对锡球进行整形，压模区的温度设定为370℃；使锡球铺开在铜框架1的焊盘12上，整形过程中采用压模头进行整形，且使压模头的大小与芯片2的大小相匹配；整形完成后，使输送到焊接区将芯片2放置在相应的焊盘12对应的经过整形后的锡球上进行焊接，使芯片2的背面焊接在焊盘12上，焊接区的温度设定为360℃，使芯片2的边长延长线与焊盘边形成的夹角角度为15゜，且使芯片2正面上最高点与焊盘12表面之间的距离和芯片2正面上的最低点与焊盘12表面之间的距离差≤50μm；焊接完成后不经过后加热区处理，直接经过第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区进行冷却处理后，其中，第一冷却区的温度设定为160℃，第二冷却区的温度设定为140℃，第三冷却区的温度设定为100℃，冷却结束后，完成功率器件芯片的上芯。将得到的产品进行相应的性能测试，空洞率为1.0％左右，且芯片相对于焊盘表面的倾斜度大于50μm，在60μm左右。
比较例2
本比较例主要是为了说明芯片相对于焊盘倾斜一定角度对芯片的空洞率和倾斜度的影响，本比较例的芯片的上芯方法如下：
在10wt％～15wt％的氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架1先经过上芯工序中上芯机加热轨道中的预热区进行预加热处理，该预热区包括第一预热区、第二预热区和么三预热区，使设定第一预热区的温度为240℃，第二预热区的温度为设定为280℃，第三预热区的温度为设定为340℃，使铜框架1经过整体预热区后的温度升温至320℃，使铜框架1经过整个预热区的时间为450ms，其中，铜框架1的温度可以采用深常规的方法通过在铜框架1上贴热电偶进行跟踪测量；经过整个预热区后，再使铜框架1通过上芯机的加热轨道输送到点焊区进行点焊处理，使在铜框架1的焊盘12上形成锡球，点焊区的温度设定为380℃；焊完锡球后，再使铜框架1通过加热轨道输送到压模区对锡球进行整形，压模区的温度设定为370℃；使锡球铺开在铜框架1的焊盘12上，整形过程中采用压模头进行整形，且使压模头的大小与芯片2的大小相匹配；整形完成后，使输送到焊接区将芯片2放置在相应的焊盘12对应的经过整形后的锡球上进行焊接，使芯片2的背面焊接在焊盘12上，焊接区的温度设定为360℃，使芯片2的边与焊盘上对应的边形成平行，即相当于使芯片2正放置在焊盘上；焊接完成后输送进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在180℃，使铜框架经过后加热区的时间为350ms，然后再依次经过第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区进行冷却处理后，其中，第一冷却区的温度设定为160℃，第二冷却区的温度设定为140℃，第三冷却区的温度设定为100℃，冷却结束后，完成功率器件芯片的上芯。将得到的产品进行相应的性能测试，空洞率为1.0％左右，且芯片相对于焊盘表面的倾斜度大于50μm，在60μm左右。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
Claims (9)
1.一种功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、在氢氮混合气体的保护下，使需要上芯的铜框架(1)先经过上芯工序加热轨道中的预热区进行预加热处理，使铜框架(1)经过预热区后的温度升温至320℃～350℃；
B、经过预热区后，再使铜框架(1)进入点焊区进行点焊处理，使在铜框架(1)的焊盘(12)上形成锡球；
C、点焊完成后，再使铜框架(1)进入压模区对锡球进行整形，使锡球铺开在铜框架(1)的焊盘(12)上；
D、然后进入焊接区将芯片(2)放置在相应的锡球上进行焊接，使芯片(2)的背面焊接在焊盘(12)上；
E、焊接完成后进入后加热区进行加热处理后，且使后加热区的温度设定在180℃～200℃，然后再进入冷却区进行冷却处理后，完成功率器件芯片的上芯。
2.根据权利要求1所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步骤A中所述预热区依次包括第一预热区、第二预热区和第三预热区，且所述第一预热区的温度设定为220℃～240℃；所述第二预热区的温度设定为260℃～280℃；所述第三预热区的温度设定为320℃～340℃。
3.根据权利要求2所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步骤A中所述铜框架(1)经过预热区的时间为450ms～550ms。
4.根据权利要求1所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步骤D中所述芯片(2)的边长延长线与焊盘(12)上相对应的边形成的夹角角度为10゜～15゜。
5.根据权利要求1或4所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，所述芯片(2)正面上最高点与焊盘(12)表面之间的距离和芯片(2)正面上的最低点与焊盘(12)表面之间的距离差≤50μm。
6.根据权利要求1或4所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步聚E中所述冷却区依次包括第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区，且所述第一冷却区的温度设定为155℃～165℃；所述第二冷却区的温度设定为135℃～145℃；所述第三冷却区的温度设定为100℃～120℃。
7.根据权利要求1所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步骤B中所述点焊区的温度设定为360℃～390℃。
8.根据权利要求1所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步骤C中所述压模区的温度设定为360℃～390℃。
9.根据权利要求1所述功率器件芯片的稳定化上芯方法，其特征在于，步骤D中所述焊接区的温度设定为360℃～390℃。
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