CN110718470A - 一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，包括以下步骤：S1、材料组装：将铝基板、芯片和功率端子按顺序组装到模治具中；S2、回流焊接：将组装好材料的模治具进行高温烧结，通过焊料熔化进行互连，得到半成品；S3、铝线键合：将焊接后的半成品进行铝线键合，铝线一端连接芯片上表面，另一端连接铝基板的覆铜层；S4、后处理。本发明的优点在于：采用铝基板，降低材料成本，替代了传统的铜底板和陶瓷覆铜板，减少了材料种类和数量，简化了后道装配难度。同时采用铝线键合技术，替代了传统的衬片和铜连桥，降低了芯片结构应力，材料也从稀有金属和需要特殊处理的铜连桥变成了常规的铝线，进一步降低成本，极大的提升了产品竞争力。

Description

一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺
技术领域
本发明涉及功率半导体器件的制备技术领域，特别是一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺。
背景技术
目前国内外制造功率半导体器件主流使用的工艺有两种：第一种是铜底板+ 陶瓷覆铜板+芯片+衬片+铜连桥+功率端子通过含铅焊料融化焊接在一起形成，该制造方法存在材料组成多，材料需要特殊处理，特别是铜连桥需要高温退火软化，以降低结构应力；同时为了进一步降低应力，在铜连桥和芯片之间会增加一层衬片，衬片的材质通常是稀有金属钼，价格高，不可再生；第二种是陶瓷覆铜板+芯片先通过含铅焊料融化焊接，然后铝线键合，再组装焊有芯片的陶瓷覆铜板+铜底板+功率端子再次焊接在一起形成，该制造方法通过铝线键合替代了衬片和铜连桥，但是需要通过多次回流焊接和铝线键合来装配完成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，包括以下步骤：
S1、材料组装：将铝基板、芯片和功率端子按顺序组装到模治具中；
S2、回流焊接：将组装好材料的模治具进行高温烧结，通过焊料熔化进行互连，得到半成品；
S3、铝线键合：将焊接后的半成品进行铝线键合，铝线一端连接芯片上表面，另一端连接铝基板的覆铜层；
S4、后处理。
进一步地，步骤S1中，在所述铝基板和所述芯片之间垫设一层衬片，该衬片的材质为钼片、可伐片或紫铜片。
进一步地，步骤S4中，后处理步骤包括：
S41、塑壳装配：将完成电路连接的半成品装配上塑料外壳；
S42、胶体灌封：将胶体灌封到塑壳内，形成电气保护和机械强度保护；
S43、成品测试：进行电气参数测试，合格后，得到产品。
进一步地，步骤S42中，胶体所用的材料为凝胶或环氧树脂。
进一步地，步骤S43中，合格的电气参数测试包括：(1)额定电流@壳温： IO＝25-250A@TC≤100℃；(2)反向重复峰值电压VRRM≥1400V，IRRM≤20uA； (3)正向重复峰值电压:VFM≤1.40V，IFM＝IO；(4)各端子与底板之间的绝缘耐压：VISO≥2500V AC，t＝60s。
进一步地，步骤S2中，焊接温度为260℃，焊接十分钟后，气孔率控制在 2.5％以内，单体最大空洞率控制在0.5％以内。
进一步地，焊接材料为无铅焊料，型号为：SnAg3Cu0.5。
进一步地，步骤S3中，将焊接后的半成品进行铝线键合采用超声键合形成电路。
本发明具有以下优点：
1、采用铝基板，降低材料成本，替代了传统的铜底板和陶瓷覆铜板，减少了材料种类和数量，简化了后道装配难度。同时采用铝线键合技术，替代了传统的衬片和铜连桥，降低了芯片结构应力，材料也从稀有金属和需要特殊处理的铜连桥变成了常规的铝线，进一步降低成本，极大的提升了产品竞争力。
2、采用铝基板+芯片+功率端子高温260℃，10分钟真空焊接后，气孔率控制在2.5％以内，单体最大空洞率控制在0.5％，然后再采用粗铝线超声键合形成电路，缩减了传统的多次焊接工艺(最高温会达到350℃以上)，使得器件只需承受一次高温回流焊接，而且高温温度只有260℃。结合铝线键合带来的极低的互连应力，使得器件在降低成本的同时，还保证了高可靠性的特点，采用这种方法生产的产品HTRB(150℃，80％VRRM，1000h)，TC(-40℃～150℃，循环次数100次)，OP-life(Tc：100℃，I＝Io，1000次循环)后性能依然良好。
附图说明
图1为本申请的整流桥结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
【实施例1】
一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，包括以下步骤：
S1、材料组装：将铝基板、芯片和功率端子按顺序组装到模治具中，优选地，铝基板为铝基板；
S2、回流焊接：将组装好材料的模治具进行高温烧结，通过焊料熔化进行互连，焊接温度为260℃，焊接十分钟后，气孔率控制在2.5％以内，单体最大空洞率控制在0.5％以内，焊接材料为无铅焊料，型号为：SnAg3Cu0.5，得到半成品；
S3、铝线键合：将焊接后的半成品进行铝线键合，进一步地，采用超声键合形成电路，铝线一端连接芯片上表面，另一端连接铝基板的覆铜层；
S4、后处理。
进一步地，步骤S4中，后处理步骤包括：
S41、塑壳装配：将完成电路连接的半成品装配上塑料外壳；
S42、胶体灌封：将胶体灌封到塑壳内，形成电气保护和机械强度保护，胶体所用的材料为凝胶或环氧树脂；
S43、成品测试：进行电气参数测试，合格的电气参数测试包括：(1)额定电流@壳温：IO＝25-250A@TC≤100℃；(2)反向重复峰值电压VRRM≥1400V， IRRM≤20uA；(3)正向重复峰值电压:VFM≤1.40V，IFM＝IO；(4)各端子与底板之间的绝缘耐压：VISO≥2500V AC，t＝60s，合格后，得到产品。
【实施例2】
一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，包括以下步骤：
S1、材料组装：将铝基板、芯片和功率端子按顺序组装到模治具中，优选地，铝基板为铝基板，在铝基板和所述芯片之间垫设一层衬片，该衬片的材质为钼片、可伐片或紫铜片；
S2、回流焊接：将组装好材料的模治具进行高温烧结，通过焊料熔化进行互连，焊接温度为260℃，焊接十分钟后，气孔率控制在2.5％以内，单体最大空洞率控制在0.5％以内，焊接材料为无铅焊料，型号为：SnAg3Cu0.5，得到半成品；
S3、铝线键合：将焊接后的半成品进行铝线键合，进一步地，采用超声键合形成电路，铝线一端连接芯片上表面，另一端连接铝基板的覆铜层；
S4、后处理。
进一步地，步骤S4中，后处理步骤包括：
S41、塑壳装配：将完成电路连接的半成品装配上塑料外壳；
S42、胶体灌封：将胶体灌封到塑壳内，形成电气保护和机械强度保护，胶体所用的材料为凝胶或环氧树脂；
S43、成品测试：进行电气参数测试，合格的电气参数测试包括：(1)额定电流@壳温：IO＝25-250A@TC≤100℃；(2)反向重复峰值电压VRRM≥1400V， IRRM≤20uA；(3)正向重复峰值电压:VFM≤1.40V，IFM＝IO；(4)各端子与底板之间的绝缘耐压：VISO≥2500V AC，t＝60s，合格后，得到产品。
采用铝基板+芯片+功率端子高温260℃，10分钟真空焊接后，气孔率控制在2.5％以内，单体最大空洞率控制在0.5％，然后再采用粗铝线超声键合形成电路，缩减了传统的多次焊接工艺(最高温会达到350℃以上)，使得器件只需承受一次高温回流焊接，而且高温温度只有260℃。结合铝线键合带来的极低的互连应力，使得器件在降低成本的同时，还保证了高可靠性的特点，采用这种方法生产的产品HTRB(150℃，80％VRRM，1000h)，TC(-40℃～150℃，循环次数100次)，OP-life(Tc：100℃，I＝Io，1000次循环)后性能依然良好。
如图1所示，
一种基于铝基板铝线键合工艺的整流桥，至少包括铝基板1、芯片3、第一衬片层2、第二衬片层9和功率端子4，其中，铝基板1预先形成电路图形，所述电路图形用于实现整流桥内部的电气连接；功率端子4直接焊接在所述电路图形上，用于与外部电路相连接；第一衬片层2设置在铝基板1和芯片3之间并与所述电路图形和芯片3均电气连接；芯片3采用裸片，其下电极与所述第一衬片层2电气连接；第二衬片层9设置在芯片3的上电极上，并通过铝线5 以键合的方式使芯片3与所述电路图形电气连接。
在上述技术方案中，为了降低成本，芯片3采用裸片并以铝线键合的方式与电路图形电气连接。采用铝线键合技术，替代了传统的衬片和铜连桥，降低了芯片结构应力，材料也从稀有金属和需要特殊处理的铜连桥变成了常规的铝线，进一步降低成本，极大的提升了产品竞争力。
同时，为了不增加裸片工艺的复杂度，通过设置第二衬片层实现裸片与线路的电气连接，从而原有双面镀银工艺出厂的裸片能够直接与第二衬片进行电气连接，进而通过第二衬片直接进行铝线键合，从而无需改变现有芯片制备工艺，降低了产品实现的工艺复杂度和成本。因此，采用本发明技术方案，裸片出厂时上下电极均采用镀银工艺，能够直接焊接。
在上述技术方案中，铝基板1预先形成电路图形，铝基板1依次设置铝底板6、绝缘层7和铜箔层8，可以采用雕刻工艺或者刻蚀工艺在铜箔层8上形成线路图形，该线路图形是预先通过电路设计软件设计得到，用于实现整流桥内部的电气连接。采用铝基板替代了传统的铜底板和陶瓷覆铜板，降低材料成本；同时在铝基板上直接形成线路图形，从而无需现有技术那样采用铜片或铜连桥拼接形成电路图形，从而进一步降低成本以及简化工艺。
为了降低由于取消掉陶瓷基板以及铜片采用铜箔替代后对整流桥性能的影响，本发明中，第一衬片层2设置在铝基板1和芯片3之间且与电路图形和芯片3均电气连接；从而降低芯片结构应力，以及提高了绝缘性能和抗浪涌电流。采用上述技术方案，可以根据实际应用需求选用衬片的材质以及调节衬片的厚度以满足应用需求，能够根据实际应用需求调节而无需改变整流桥的整体设计，大大提高产品的适用性，降低研发难度。
在一种优选实施方式中，芯片3的下电极直接焊接在第一衬片层2上，其上电极也通过焊接的方式与第二衬片层9相连接，并通过第二衬片层9以铝线键合的方式实现芯片3上电极与所述电路图形电气连接。
另外，本发明中，用于与外部电路相连接的功率端子4直接焊接在电路图形上，从而仅需采用一种规格的功率端子，减少了材料种类和数量，简化了后道装配难度。
现有技术中铝基板的绝缘层通常采用玻璃纤维材质，其散热性能差，很难满足功率整流桥的应用需求。为此，在一种优选实施方式中，铝基板1的绝缘层采用陶瓷绝缘材料，具体为陶瓷粉加环氧树脂混合材质，根据混合比例的多少，可调整散热能力，由于这层材料可以做的比传统陶瓷覆铜板更薄，热阻可以做的比传统方案更好，也就是散热能做的更好。
另外，为了电路图形提高载流能力，铜箔层的厚度增大到3盎司以上。同时，铜箔层采用背面带铜牙的铜箔，这样的铜箔具有较高的剥离强度和耐温能力。进一步提高整流桥的整体性能。
在一种优选实施方式中，第一衬片层2和第二衬片层9均可采用铜、铁、钼片或可伐片等，具有多种选择，而现有技术受制于其工艺和结构的限制，通常只能采用钼片。
为了简化工艺，第一衬片层2和第二衬片层9可采用紫铜，从而能够以焊接的方式与电路图形直接连接。
需要指出的是，本发明中的芯片为整流芯片，上述设计的整流桥结构可以直接封装为整流桥模块。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1、材料组装：将铝基板、芯片和功率端子按顺序组装到模治具中；
S2、回流焊接：将组装好材料的模治具进行高温烧结，通过焊料熔化进行互连，得到半成品；
S3、铝线键合：将焊接后的半成品进行铝线键合，铝线一端连接芯片上表面，另一端连接铝基板的覆铜层；
S4、后处理。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：步骤S1中，在所述铝基板和所述芯片之间垫设一层衬片，该衬片的材质为钼片、可伐片或紫铜片。
3.根据权利要求1或2所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：步骤S4中，后处理步骤包括：
S41、塑壳装配：将完成电路连接的半成品装配上塑料外壳；
S42、胶体灌封：将胶体灌封到塑壳内，形成电气保护和机械强度保护；
S43、成品测试：进行电气参数测试，合格后，得到产品。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：步骤S42中，胶体所用的材料为凝胶或环氧树脂。
5.根据权利要求3所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：步骤S43中，合格的电气参数测试包括：(1)额定电流@壳温：IO＝25-250A@TC≤100℃；(2)反向重复峰值电压VRRM≥1400V，IRRM≤20uA；(3)正向重复峰值电压:VFM≤1.40V，IFM＝IO；(4)各端子与底板之间的绝缘耐压：VISO≥2500V AC，t＝60s。
6.根据权利要求5所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：步骤S2中，焊接温度为260℃，焊接十分钟后，气孔率控制在2.5％以内，单体最大空洞率控制在0.5％以内。
7.根据权利要求1或6所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：焊接材料为无铅焊料，型号为：SnAg3Cu0.5。
8.根据权利要求7所述的一种高可靠性低结构应力的铝基板铝线键合工艺，其特征在于：步骤S3中，将焊接后的半成品进行铝线键合采用超声键合形成电路。
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