CN109530838B - 一种激光焊接功率半导体芯片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，步骤为：a.焊接芯片与散热衬底，将第一焊料片放置于散热衬底与芯片之间，调节第一激光束在在散热衬底上的光斑直径完全覆盖第一焊料片，发射激光瞬间加热散热衬底；b.焊接跳线与芯片，将第二焊料片放置于跳线与芯片之间，调节第二激光束的光斑直径不超过跳线范围，发射激光瞬间加热跳线；c.焊接跳线与引脚。本发明的步骤ab中涉及芯片正反两面的焊接，焊接过程都属于低温焊接，避免了芯片高温损坏的可能，而且激光不会直接照射芯片，避免了硅材料局部受热后开裂或电学特性改变的问题。

Description

一种激光焊接功率半导体芯片的方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体地指一种功率半导体晶圆如MOSFET、IGBT的晶圆与引脚和散热衬底焊接的方法。

背景技术

随着现代科技的发展，半导体器件和组件在工程、商业上得到了广泛应用。半导体晶圆芯片(简称芯片)的封装焊接方法有很多，可以概括为金属合金焊接法(或称为低熔点焊接法)、树脂粘贴法两大类。其中树脂粘贴法多用于芯片和封装体之间，使用掺杂金属和胶合剂形成电和热的良导体；金属合金焊接法主要指的金硅、金锡、金锗等共晶焊接，共晶焊接法具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高的优点因此广泛应用与芯片与引脚焊接、芯片与散热衬底焊接等场合。如附图1-2所示功率半导体器件中跳线1与引脚4之间的焊接、跳线1与芯片2的焊接、芯片2与散热衬底3的焊接都可以采用共晶焊的方法进行。在中国电子集团公司第十三研究所所著的《半导体器件芯片焊接方法及控制》中描述：共晶焊接的优点就是机械强度高、稳定性好但其缺点也比较明显就是制造成本高。在小功率硅平面器件封装如TO-220、TO-262、D-PAK器件中特别是面向消费类电子产品价格敏感、工作温度仅需要满足普通商用温度(0-75℃)的特点常采用软焊料焊接取代共晶焊进行芯片2与散热衬底3之间的焊接、跳线1和引脚4之间的焊接。如小功率MOSFET功率器件常需要从芯片引出栅极、源极、漏极引脚，通常散热衬底3作为漏极直接将芯片2焊接在其上，源极和栅极需要通过跳线1从芯片2表面连接到引脚4上，而源级用于传输电流因此焊接接触面积通常较大。在实际批量生产中焊料焊接常采用锡合金的回流焊，回流焊由于存在预热、升温、焊接、回流、冷却等多个工序焊接时间需要至少30-60秒，缩短焊接时间往往会造成虚焊、爆锡等工艺问题。即使采用激光配合锡膏进行软焊料焊接，为避免激光照射锡膏后温度快速上升产生锡爆，仍需要将焊接时间控制在1秒以上。

公开号为CN 104103619 B、CN 105458434 B、CN 105914185 B的中国发明专利均公开了芯片焊接工艺，但都需要在引脚或框架上设置复杂的连接件，不利于工艺的简化。

因此，需要开发出一种操作简单、效率高、成本低、对芯片无损伤的激光焊接功率半导体芯片的方法。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种操作简单、效率高、成本低、对芯片无损伤的激光焊接功率半导体芯片的方法。

本发明的技术方案为：一种激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，它包括：

a.焊接芯片与散热衬底

将第一焊料片放置于散热衬底与芯片之间，发射激光瞬间加热散热衬底使第一焊料片熔化将芯片与散热衬底焊接；

b.焊接跳线与芯片

将第二焊料片放置于跳线与芯片之间，发射激光瞬间加热跳线使第二焊料片熔化将跳线与芯片焊接；

c.焊接跳线与引脚

将跳线紧贴在引脚上，发射激光将跳线和引脚共晶焊接。

优选的，所述步骤a中，焊接芯片与散热衬底之前，调节第一激光束在散热衬底远离芯片的一侧聚焦且在散热衬底上的光斑直径完全覆盖第一焊料片。

优选的，所述步骤b中，焊接跳线与芯片之前，调节第二激光束在跳线远离芯片的一侧聚焦且在跳线上的光斑直径不超过跳线范围。

优选的，所述步骤c中，焊接跳线与引脚之前，调节第三激光束的激光焦点位于跳线表面。

优选的，步骤a中，所述第一焊料片与芯片形状对应并将芯片覆盖。

进一步的，步骤b中，所述第二激光束的光斑直径为跳线在与芯片对应一端表面上最大内接圆直径的0.8-0.9倍。

更进一步的，跳线与芯片对应的一端设有圆形的连接头，所述第二焊料片为圆形且直径为连接头直径的0.8-0.9倍。

进一步的，步骤c中，沿跳线长度方向间隔发射第三激光束形成多个焊点，将跳线和引脚共晶焊接。

优选的，步骤a和步骤b中，激光的焊接时间均为10-15毫秒。

优选的，所述步骤a中采用的激光功率1400-1550W，脉宽8-12mS；步骤b中采用的激光功率800-1200W、脉宽2-7mS，；步骤c采用的激光功率2000-3000W、脉宽5-9mS。

以上方案中：

跳线指的是一种连接芯片与引脚的导体或导线，其材料可以是铜、铜合金、铜包铝、铜镀金、铝的线材，跳线的直径与通过的电流有关与本发明所述的方法无关。

芯片指的是功率半导体器件芯片，如场效应管、晶体管、二极管这类分离半导体，由其自身散热和导电要求焊接在散热衬底和跳线上，表面通常镀有金层加强与焊料浸润，芯片的功能、引脚数量与本发明所述的方法无关，芯片的镀层材料可与焊料浸润无特别材料要求。

散热衬底指的封装时的散热体，其作用是将芯片自身发出的热量传导到其他材料上，散热衬底的材料为铜、铜镀镍、铜镀金，散热衬底的形状与是否作为导电电极与本发明所述的方法无关，散热衬底的材料及表面镀层只需要与焊料发生浸润其详细配方规格与本发明所述的方法无关。

引脚指的是功率器件封装后用于焊接电路板的导体，可以是直插、贴片其，实现形式与本发明所述的方法无关。

激光器指的是一种能产生激光的设备，其功率范围500-3000W、激光发射脉宽1-12mS、光纤耦合输出、波长1060-1070nM，可以是半导体激光器、光纤激光器或固体泵浦激光器其具体种类与本发明所述的方法无关。

第一焊料片、第二焊料片均为一种软焊料，通常是锡、铜、银、助焊剂按照一定比例配置的合金材料，将这种软焊料制作成为片状其厚度在0.15-0.3mM，其具体材料配方与形状、面积与本发明所述的方法无关。

本发明的有益效果为：

1.第一步和第二步中涉及芯片正反两面的焊接，焊接过程都属于低温焊接，避免了芯片高温损坏的可能，而且激光不会直接照射芯片，避免了硅材料局部受热后开裂或电学特性改变的问题。

2.第一步和第二步中焊接原理为：通过激光瞬间将跳线或散热衬底加热到远高于锡合金熔点的温度后停止发射激光，再由跳线或散热衬底通过热传递熔化焊料片，焊接时间≤15毫秒，生产效率大大提高。与传统的激光低温焊料焊接相比，由于传统的激光低温焊料焊接都是逐渐加热工件和焊料待两者充分浸润后再停止发射激光，因此焊接时间远远长于本发明；与传统的激光配合锡膏或锡片焊接相比，激光配合锡膏焊接时间需要数秒，激光配合锡片焊接需要1秒左右，本发明焊接时间大大缩短。

3.跳线与引脚之间的激光焊接仍旧属于共晶焊接，在不增加设备成本的前提下依旧得到传统摩擦焊、超声波焊接的效果，整个焊接过程仅仅只需要一种规格激光器即可实现器件封装过程中的所有焊接工序。

4.在进行第二步焊接时由于激光作用时间短热量还未传递到散热衬底上之前即完成焊接，这避免了在焊接跳线时芯片与散热衬底的焊料重新熔化造成虚焊或芯片脱落的问题。

附图说明

图1为现有技术中芯片的共晶焊接示意图(剖面)

图2为现有技术中芯片的共晶焊接结构(俯视)

图3为本发明中步骤a激光加热示意图

图4为本发明中步骤b激光加热示意图

图5为本发明中步骤b中跳线、第二焊料片焊接示意图(俯视)

图6为本发明中步骤c共晶焊接示意图

图7为本发明中步骤c焊点示意图(俯视)

其中：1-跳线 2-芯片 3-散热衬底 4-引脚 5-第一焊料片 6-第一激光束 7-第二焊料片 8-第二激光束 9-第三激光束 10-连接头 11-激光器 12-光纤 13-聚焦头 14-焊点。

具体实施方式

下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-2所示，为现有的共晶焊接结构，已在背景技术中作了详细说明，于此不再赘述。

实施例1

本发明提供一种激光焊接功率半导体芯片的方法，待焊接小功率器件封装TO-220，步骤为：

a.焊接芯片2与散热衬底3

如图3所示，将第一焊料片5放置于散热衬底3与芯片2之间，第一焊料片5与芯片2形状对应并将芯片2刚好覆盖，调节第一激光束6在散热衬底3远离芯片2的一侧(图3中散热衬底3上方)聚焦且在散热衬底3上的光斑直径完全覆盖第一焊料片5，发射激光(第一激光束6)10-15毫秒加热散热衬底3，使第一焊料片5熔化将芯片2与散热衬底3焊接。

b.焊接跳线1与芯片2

如图4-5所示，将第二焊料片7放置于跳线1与芯片2之间，跳线1与芯片2对应的一端设有圆形的连接头10，第二焊料片7为圆形且直径为连接头10直径的0.8-0.9倍，第二焊料片7不超过连接头10范围。

调节第二激光束8在跳线1远离芯片2的一侧(图4中跳线1上方)聚焦且在跳线1上的光斑直径不超过跳线1范围，第二激光束8的光斑直径为跳线1在与芯片2对应一端的表面最大内接圆直径的0.8-0.9倍(因连接头10为圆形，第二激光束8的光斑直径直接为连接头10直径的0.8-0.9倍)，避免了激光直接照射于芯片上。发射激光(第二激光束8)10-15毫秒加热跳线1，使第二焊料片7熔化将跳线1与芯片2焊接。

c.焊接跳线1与引脚4

如图6-7所示，将跳线1紧贴在引脚4上，调节第三激光束9的激光焦点位于跳线1表面，沿跳线1长度方向间隔发射第三激光束9形成多个焊点14，发射激光将跳线1和引脚4共晶焊接。

第一激光束6、第二激光束8、第三激光束9均由功率范围500-3000W、激光发射脉宽1-12mS、光纤耦合输出、波长1060-1070nM的激光器11发出。激光器11发射的激光通过传输光纤12进入聚焦头13将激光汇聚，调节聚焦头13分别与散热衬底3、跳线1对应芯片端、跳线1对应引脚端的距离从而对第一激光束6、第二激光束8、第三激光束9的光斑直径进行调节。

本实施例中，第一激光束6采用的激光功率1400-1550W，特别是1500W、脉宽8-12mS，特别是10mS；第二激光束8采用的激光功率800-1200W，特别是1000W、脉宽2-7mS，特别是5mS；第三激光束9采用的激光功率2000-3000W，特别是2500W、脉宽5-9mS，特别是8mS。

第二焊料片7直径为连接头10直径的0.85倍，第二激光束8的光斑直径为连接头10直径的0.9倍，第一激光束6、第二激光束8发射时间为15毫秒。

第一激光束6、第二激光束8均为焦点后形成的光斑，如此操作是通过增大距离调节光斑时避免能量聚集产生高温损坏芯片。

焊接后经检测：跳线1、芯片2、散热衬底3都已经牢固焊接在一起且跳线表面无烧糊发黑等问题；跳线1和引脚4已通过激光熔接在一起并在上面形成了轮廓清晰的熔池。

实施例2

除以下参数外：第二焊料片7直径为连接头10直径的0.8倍，第二激光束8的光斑直径为连接头10直径的0.8倍，第一激光束6、第二激光束8发射时间为12毫秒，本实施例焊接方法与实施例1相同。

实施例3

除以下参数外：第二焊料片7直径为连接头10直径的0.9倍，第二激光束8的光斑直径为连接头10直径的0.85倍，第一激光束6、第二激光束8发射时间为10毫秒，本实施例焊接方法与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，它包括：

a.焊接芯片(2)与散热衬底(3)

将第一焊料片(5)放置于散热衬底(3)与芯片(2)之间，发射激光瞬间加热散热衬底(3)使第一焊料片(5)熔化将芯片(2)与散热衬底(3)焊接，激光的焊接时间为10-15毫秒；

b.焊接跳线(1)与芯片(2)

将第二焊料片(7)放置于跳线(1)与芯片(2)之间，调节第二激光束(8)在跳线(1)远离芯片(2)的一侧聚焦且在跳线(1)上的光斑直径不超过跳线(1)范围，所述第二激光束(8)的光斑直径为跳线(1)在与芯片(2)对应一端表面上最大内接圆直径的0.8-0.9倍，跳线(1)与芯片(2)对应的一端设有圆形的连接头(10)，所述第二焊料片(7)为圆形且直径为连接头(10)直径的0.8-0.9倍，发射激光瞬间加热跳线(1)使第二焊料片(7)熔化将跳线(1)与芯片(2)焊接，激光的焊接时间为10-15毫秒；

c.焊接跳线(1)与引脚(4)

将跳线(1)紧贴在引脚(4)上，发射激光将跳线(1)和引脚(4)共晶焊接。

2.如权利要求1所述激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，所述步骤a中，焊接芯片(2)与散热衬底(3)之前，调节第一激光束(6)在散热衬底(3)远离芯片(2)的一侧聚焦且在散热衬底(3)上的光斑直径完全覆盖第一焊料片(5)。

3.如权利要求1所述激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，所述步骤c中，焊接跳线(1)与引脚(4)之前，调节第三激光束(9)的激光焦点位于跳线(1)表面。

4.如权利要求1所述的激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，步骤a中，所述第一焊料片(5)与芯片(2)形状对应并将芯片(2)覆盖。

5.如权利要求3所述的激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，步骤c中，沿跳线(1)长度方向间隔发射第三激光束(9)形成多个焊点，将跳线(1)和引脚(4)共晶焊接。

6.如权利要求1所述的激光焊接功率半导体芯片的方法，其特征在于，所述步骤a中采用的激光功率1400-1550W，脉宽8-12mS；步骤b中采用的激光功率800-1200W、脉宽2-7mS；步骤c采用的激光功率2000-3000W、脉宽5-9mS。

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