一种用于半导体功率器件封装的引线焊接装置和工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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：
[0005] 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。
[0006] 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（wire bonding)、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。
[0007] 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A1 之间容易形成CuA12脆性化合物，使焊点强度降低。
[0008] 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。
[0009] 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、A1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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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°c)和硬钎料（一般高于450°C)，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。
[0015] 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】
[0016] 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。
[0017] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0018] -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：
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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：
[0027] (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；
[0028] (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°C，芯片焊垫（铝）预热温度250°C; 然后对钎焊丝在290°C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；
[0029] (3)切断第一焊点上的钎焊丝；
[0030] (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2_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；
[0031] (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°C，框架预热温度250°C;再将钎