CN117161561B - 芯片与铜框架的焊接方法、系统和芯片组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片与铜框架的焊接方法、系统和芯片组件，涉及半导体封装领域。该方法包括以下步骤：首先将铜框架置于芯片的表面，其中，所述铜框架与所述芯片接触形成焊接接触点；然后通过启动压力产生器对所述焊接接触点的周围施加预设压力；最后启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊。本发明通过使用激光器进行焊接，相比于引线键合，无需对金属引线外加能量且不涉及焊球带来的生产质量问题，能够提高焊接的效率和产品的质量。此外，本发明相比于铜带回流焊桥接，不需要点锡焊膏，激光焊接能将热量集中焊接点上，减少芯片电极端面积限制问题，所需物料更少、焊接效率更高且过程更加稳定。

Description

芯片与铜框架的焊接方法、系统和芯片组件

技术领域

本发明涉及半导体封装领域，尤其涉及一种芯片与铜框架的焊接方法、系统和芯片组件。

背景技术

随着半导体技术的进步，芯片的尺寸得以不断缩小，从而促进着封装技术的发展和进步，因此也产生了各种各样的封装形式。当前功率器件的设计和发展具有低电感、高散热和高绝缘能力的属性特征，器件封装上呈现出模块化、多功能化和体积紧凑化的发展趋势。

目前，为了实现封装器件低电感设计、使器件封装结构更加紧凑、以及持续提高芯片的电压等级、封装模块的功率密度和器件散热，对芯片电极端与衬板之间的连接材料和技术提出了更高的要求。在高功率半导体元器件封装制造方法中，在有限的封装空间内提升连接材料载流能力和提高热能力常用的连接方式，主要有引线键合(Wire Bonding)和铜带回流焊桥接(Clip Bonding)两种连接方式。

其中，引线键合是利用热、压力和超声波能量使金属引线与芯片表面紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。引线键合使用金属丝将芯片的电极端与对应的封装引脚互连的过程，往往焊接效率较低，且常常会出现焊球升起、引线颈部断裂、引线下凹或因焊球氧化导致焊接不良等废品，从而导致产品的生产质量不稳定。

而铜带回流焊桥接则是借助热源，通过焊膏或焊片以实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。对于铜带回流焊桥接，当多芯片与同一铜带或引线框架进行回流焊接时，芯片共面度、铜带引脚的共面度、焊膏大小及均匀性、焊片位置精度或回流焊参数等对该制程良率造成影响，使得工艺过程不稳定。此外，铜带回流焊桥接需要在焊接区域涂布焊膏或放置焊片，而焊片通常需要配合助焊剂一起使用，接着再放置铜带，回流焊时长视产品情况约为10～30分钟，工序复杂且效率低。

另外，根据芯片面积分布的差异，铜片桥接主要应用于源极(Source极)、漏极(Drain极)与基板间的桥接，而对于栅极(Gate极)的桥接受限于焊接面积，当栅极面积小于一定数值时，无法点锡焊膏等焊料，只能选用引线键合的方式进行连接，导致制程冗长。

因此，引线键合和铜带回流焊桥接这两种连接方式都具有或多或少的缺陷，并不能满足目前工艺的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种芯片与铜框架的焊接方法、系统和芯片组件，能够提高焊接的效率和质量。

本发明实施例第一方面公开了一种芯片与铜框架的焊接方法，包括以下步骤：

将铜框架置于芯片的表面，其中，所述铜框架与所述芯片接触形成焊接接触点；

通过启动压力产生器对所述焊接接触点的周围施加预设压力；

启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊。

进一步地，在所述将铜框架置于芯片的表面这一步骤之前，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

在基板上印刷膏料；

对所述膏料进行烘干；

将芯片贴在烘干后的膏料表面；

对所述芯片进行烧结操作，以使所述芯片与所述基板连结。

进一步地，在所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊这一步骤之前，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

启动保护气体发生器，以使所述焊接接触点的周围充满保护气体。

进一步地，在所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊这一步骤之前，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

将所述激光器的激光振镜移到所述铜框架上方；

通过调整所述激光振镜改变所述激光器的激光方向，以使激光正焦点定位到所述铜框架和所述芯片的焊接接触点上。

进一步地，所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊包括以下步骤：

通过所述激光束对所述焊接接触点的中心进行激光预热；

根据所述焊接接触点的长方形区域的短边与长边的长度比值，选择焊接轨迹进行深熔焊。

进一步地，所述根据所述焊接接触点的长方形区域的短边与长边的长度比值，选择焊接轨迹进行深熔焊还包括以下步骤：

若短边与长边的长度比值在第一区间时，选择同心螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，其中，第一区间的下限值为预设阈值，第一区间的上限值为1；

若短边与长边的长度比值在第二区间时，选择U型分布螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，其中，第二区间的下限值为0，第二区间的上限值为预设阈值。

进一步地，在所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊这一步骤之后，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

关闭所述保护气体发生器以停止产生保护气体；

通过检测仪检测焊接质量。

进一步地，所述通过检测仪检测焊接质量包括以下步骤：

测量所述焊接接触点沿垂直芯片所在平面方向拉脱的拉脱力；

通过所述拉脱力确定焊接质量。

本发明实施例第二方面公开了一种芯片与铜框架的焊接系统，所述系统包括：

压力产生器，用于对铜框架与芯片接触形成的焊接接触点的周围施加预设压力，其中，所述铜框架置于芯片的表面；

激光器，用于产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊。

本发明实施例第三方面公开了一种芯片组件，所述芯片组件通过如第一方面的任一项所述的芯片与铜框架的焊接方法得到。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点/有益效果之一：

首先将铜框架置于芯片的表面，其中，铜框架与芯片接触形成焊接接触点；再通过启动压力产生器对焊接接触点的周围施加预设压力；最后启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊。本发明相比于引线键合，无需对金属引线外加能量从而容易导致金属引线颈部断裂或下凹的问题，且不会涉及焊球升起或氧化带来的生产质量问题，通过启动激光器以产生激光束进行焊接，可以对铜框架和芯片直接进行焊接，能够提高焊接的效率和产品的质量。此外，本发明通过使用激光器进行焊接，相比于铜带回流焊桥接，不需要点锡焊膏，激光焊接能将热量集中焊接点上，减少芯片引脚电极端限制问题，所需物料更少、焊接效率更高且过程更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的芯片与铜引线框架的焊接方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的室温下铜引线框架对不同波长照射光束的吸收率曲线图；

图3为本发明实施例提供的芯片与铜引线框架或异型铜带焊接过程示意图；

图4为本发明实施例提供的异型铜带的局部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供一种芯片与铜框架的焊接方法，其中，铜框架可以是异型铜带或者铜引线框架。示例地，异型铜带的局部结构请参阅图4。其中，焊接接触点通过芯片电极端上的金属与异型铜带的铜引脚105接触形成，通过激光束对金属和铜引脚进行小范围的局部加热融化形成熔池，以使异型铜带和芯片焊接一起。

以下本发明实施例以铜引线框架为例，结合附图进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例芯片与铜引线框架的焊接方法包括但不限于步骤S110、步骤S120和步骤S130。

步骤S110，将铜引线框架置于芯片的表面，其中，铜引线框架与芯片接触形成焊接接触点。

在一些实施例步骤S110中，本发明实施例的芯片可以为MOSFET芯片(金属-氧化物半导体场效应晶体管)。为了提高芯片与铜引线框架的焊接质量，本发明实施例通常选择表面上覆有钛(Ti)、镍钒(NiV)、银(Ag)、镍金(NiAu)或镍钯金(NiPdAu)等金属材质的芯片。

请参阅图3，当芯片104表面不满足上述的金属材质时，可以对芯片进行预处理，即在芯片的表面附着铜箔103或铜片(图中未标注)，以使芯片与铜引线框架102或异型铜带(图中未标注)更好地焊接。附着的铜箔或铜片厚度可以为0.04至1mm。

进一步地，铜含量越高，焊接的质量越高，为了提高本发明实施例的焊接效果，本发明实施例可以选择铜含量为99％以上的铜引线框架。

步骤S120，通过启动压力产生器对焊接接触点的周围施加预设压力。

作为一种可选的实施方式，预设压力可以在15N至60N的范围内。示例地，可以启动压力产生器以使重物压到铜引线框架的表面，通过重物施加的压力使芯片与铜引线框架充分接触，进而提高后续芯片和铜引线框架的焊接质量。

步骤S130，启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊。

在一些实施例步骤S130中，本发明实施例的焊接接触点通过芯片电极端上的金属与铜引线框架的铜引脚接触形成，因此，本发明实施例可以通过将激光束聚焦在芯片的金属与铜引线框架的铜引脚上，再通过激光束对金属和铜引脚进行小范围的局部加热融化形成熔池，以使铜引线框架和芯片焊接一起。

进一步地，激光运行的速度可达500mm/s，通常芯片与铜引线框架的单点焊接时间约为0.03～0.1s，相比于引线键合和铜带回流焊桥接连接所需时间短。

进一步地，本发明实施例通过使用激光焊接技术，可以在面积小于0.8mm*0.8mm的芯片电极端(通常为芯片的栅极)进行焊接，避免因电极端区域过小无法进行铜带回流焊桥接，而增加引线键合工序，降低焊接的效率。

作为一种可选的实施方式，按照增益介质选择激光器的类型，本发明实施例可以采用光纤激光器、碟片式激光器、半导体激光器或二氧化碳激光器的其中一种。由于激光光束的质量越好，可以使得焊接的效果也越好，而为了获得更好的激光光束，本发明实施例的激光器可以选择光纤激光器或碟片式激光器。

作为一种可选的实施方式，按照激光器波长选择激光器的类型，本发明实施例的激光器可以选择波长400～480nm的蓝光激光器、波长500～600nm的绿光激光器或波长980～1310nm的红外光激光器的其中一种。结合图2，铜为高反材料，铜引线框架对蓝光和绿光这两种波长激光的能量吸收率明显高于红外光，较高的能量吸收率能够使铜引线框架受热更均匀，因此选择蓝光激光器或绿光激光器能够使得芯片与铜引线框架的焊接过程更为稳定，且可以减少在焊接的过程中产生的飞溅物和烟雾。

作为一种可选的实施方式，室温下(20°～26°)蓝光激光器、绿光激光器和红外光激光器的工作功率如下：蓝光激光器的工作功率为300～500W；绿光激光器的工作功率为350～600W；红外光激光器的工作功率为550～720W。受限于目前的激光器制造水平，蓝光激光器的工作功率范围比绿光激光器提供的小，且绿光激光器产生的绿光光束质量比蓝光激光器产生的蓝光光束质量更优，而更大的工作功率范围和更优的光束质量可以使焊接过程的稳定性和焊接强度更好。因此，本发明实施例可以选择绿光激光器。

本发明实施例首先将铜引线框架置于芯片的表面，其中，铜引线框架与芯片接触形成焊接接触点；再通过启动压力产生器对焊接接触点的周围施加预设压力；最后启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊。本发明相比于引线键合，无需对金属引线外加能量从而容易导致金属引线颈部断裂或下凹的问题，且不会涉及焊球升起或氧化带来的生产质量问题，通过启动激光器以产生激光束进行焊接，可以对铜引线框架和芯片直接进行焊接，能够提高焊接的效率和产品的质量。此外，本发明通过使用激光器进行焊接，相比于铜带回流焊桥接，不需要点锡焊膏，激光焊接能将热量集中焊接点上，减少芯片电极端面积限制问题，所需物料更少、焊接效率更高且过程更加稳定。

根据本发明的一些实施例，在将铜引线框架置于芯片的表面这一步骤之前，芯片与铜引线框架的焊接方法还包括但不限于以下步骤：

在基板上印刷膏料。

对膏料进行烘干。

将芯片贴在烘干后的膏料表面。

对芯片进行烧结操作，以使芯片与基板连结。

作为一种可选的实施方式，膏料包括但不限于烧结银膏材料，可以为纳米烧结银膏，纳米烧结银膏因具有良好的导电导热和高可靠性等，在芯片烧结中具有广泛的应用。基板可以为覆铜陶瓷基板(AMB)。

其中，对芯片进行烧结操作，目的是将芯片固定在基板上，以提高后续芯片和铜引线框架的焊接效果。

根据本发明的一些实施例，在启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊这一步骤之前，芯片与铜引线框架的焊接方法还包括以下步骤：

启动保护气体发生器，以使焊接接触点的周围充满保护气体。

其中，保护气体通常为惰性气体，惰性气体包括氮气、氦气和氩气的至少其中一种。保护气体具有三个作用：(1)保护熔池，通过保护气体使芯片与铜引线框架在焊接过程中免受氧化。(2)保护激光振镜中的透镜免受焊接过程造成的蒸汽污染和液体熔滴的飞溅物。(3)有效地驱散激光焊接产生的等离子屏蔽。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例的保护气体可以通过保护气体发生器的喷嘴口射出，使焊接接触点的周围充满保护气体。

在另外一种实施例中，本发明实施例也可以通过单点吹气方式，即通过较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊过程中产生的小孔。

进一步地，本发明实施例还可以在充满保护气体的密封腔内进行焊接。

根据本发明的一些实施例，在启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊这一步骤之前，芯片与铜引线框架的焊接方法还包括但不限于以下步骤：

将激光器的激光振镜移到铜引线框架上方。

通过调整激光振镜改变激光器的激光方向，以使激光正焦点定位到铜引线框架和芯片的焊接接触点上。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例使激光正焦点定位到铜引线框架和芯片的焊接接触点上，离焦量的区间可以为0～+1mm，能够实现更好的焊接效果。

根据本发明的一些实施例，步骤S130中，启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊包括但不限于以下步骤：

通过激光束对焊接接触点的中心进行激光预热。

根据焊接接触点的长方形区域的短边与长边的长度比值，选择焊接轨迹进行深熔焊。

作为一种可选的实施方式，激光预热的时间约为2.5ms，通过激光预热，可以使焊接过程受热更加均匀。通过根据焊接接触点的长方形区域的短边与长边的长度比值，进而选择焊接轨迹进行深熔焊，可以提高焊接的质量。

作为一种可选的实施方式，激光束可任意角度入射，为了更好的焊接效果，本发明实施例的激光束可以为90°垂直入射，请参阅图3，绿光激光光束101即为90°垂直入射。另外，本发明实施例进行深熔焊时，在部分参数的设定下，还将会复合热熔焊，使芯片与铜引线框架更好地焊接。

根据本发明的一些实施例，根据焊接接触点的长方形区域的短边与长边的长度比值，选择焊接轨迹进行深熔焊还包括但不限于以下步骤：

若短边与长边的长度比值在第一区间时，选择同心螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，其中，第一区间的下限值为预设阈值，第一区间的上限值为1；

若短边与长边的长度比值在第二区间时，选择U型分布螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，其中，第二区间的下限值为0，第二区间的上限值为预设阈值。

示例性地，预设阈值可以为0.8，即第一区间可以为0.8～1，第二区间可以为0～0.8。当选择同心螺旋线焊接轨迹进行深熔焊时，焊接圆弧最小的直径为0.2mm，螺旋线的直径逐渐增大，相邻的两个同心圆的螺距为0.04mm。当选择U型分布螺旋线进行深熔焊时，焊接圆心沿着两条直线呈“U”型移动轨迹焊接。

进一步地，当短边与长边的长度比值在第一区间时，例如0.8～1，此时区域大致为正方形区域，需要焊接的面积会比较小，通过选择同心螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，可以保证芯片与铜引线框架焊的接更稳定以及焊接时的熔池更均匀。

进一步地，当短边与长边的长度比值在第二区间时，例如0～0.8，此时区域为长方形区域，需要焊接的面积会比较大，通过选择U型分布螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，可以提高芯片与铜引线框架的载流能力以及焊接的强度。

根据本发明的一些实施例，在启动激光器以产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊这一步骤之后，芯片与铜引线框架的焊接方法还包括但不限于以下步骤：

关闭保护气体发生器以停止产生保护气体。

通过检测仪检测焊接质量。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例的检测仪包括但不限于拉力测试仪。

在另外一种实施例中，本发明实施例也可以通过金相切片操作检测焊接质量，具体如下：通过取样、固封、研磨和抛光，可以处理出清晰的样品剖面，最后通过光学检测设备(光学显微镜或扫描电子显微镜)观察样品剖面结构，确定焊接质量。

根据本发明的一些实施例，通过检测仪检测焊接质量包括但不限于以下步骤：

测量焊接接触点沿垂直芯片所在平面方向拉脱的拉脱力。

通过拉脱力确定焊接质量。

其中，拉脱力为芯片与铜引线框架拉开时所需的力值。拉脱力越大(即所需的力值越大)，表明焊接质量越高；拉脱力越小，表明焊接质量越低。

可以理解的是，上述实施例采用铜引线框架作为铜框架来详细说明芯片与铜框架的焊接方法，将上述实施例的铜引线框架替换为异型铜带同样适用。

本发明实施例还提供了一种芯片与铜框架的焊接系统，包括：

压力产生器，用于对铜框架与芯片接触形成的焊接接触点的周围施加预设压力，其中，铜框架置于芯片的表面；

激光器，用于产生激光束，通过激光束对焊接接触点进行深熔焊。

可以理解的是，铜框架可以是铜引线框架，也可以是异型铜带。

根据本发明一些实施例，本发明实施例的芯片与铜框架的焊接系统还包括：

摄像头，用于识别焊接接触点所在的长方形区域的短边长度与长边长度。

处理器，用于根据摄像头识别到的短边长度与长边长度，算出长方形区域的短边与长边的长度比值，根据长方形区域的短边与长边的长度比值选择焊接轨迹控制程序，根据焊接轨迹控制程序控制激光器进行深熔焊，其中，当短边与长边的长度比值在第一区间，选择同心螺旋线轨迹控制程序；当短边与长边的长度比值在第二区间，选择U型分布螺旋线焊接轨控制程序。

本发明实施例还提供了一种芯片组件，芯片组件通过如上述的芯片与铜框架的焊接方法得到。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例的芯片组件可用于集成电路。通过本发明实施例获得的芯片组件，相比于引线键合，无需对金属引线外加能量从而容易导致金属引线颈部断裂或下凹的问题，且不会涉及焊球升起或氧化带来的生产质量问题。因此，本发明实施例的芯片组件具有高质量的特点，可以广泛应用于电子电路领域。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种芯片与铜框架的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铜框架置于芯片的表面，其中，所述铜框架与所述芯片接触形成焊接接触点；

通过启动压力产生器对所述焊接接触点的周围施加预设压力；

启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊，包括：

通过所述激光束对所述焊接接触点的中心进行激光预热；

根据所述焊接接触点的长方形区域的短边与长边的长度比值，选择焊接轨迹进行深熔焊；

若短边与长边的长度比值在第一区间时，选择同心螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，其中，第一区间的下限值为预设阈值，第一区间的上限值为1；

若短边与长边的长度比值在第二区间时，选择U型分布螺旋线焊接轨迹进行深熔焊，其中，第二区间的下限值为0，第二区间的上限值为预设阈值。

2.根据权利要求1所述的芯片与铜框架的焊接方法，其特征在于，在所述将铜框架置于芯片的表面这一步骤之前，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

在基板上印刷膏料；

对所述膏料进行烘干；

将芯片贴在烘干后的膏料表面；

对所述芯片进行烧结操作，以使所述芯片与所述基板连结。

3.根据权利要求1所述的芯片与铜框架的焊接方法，其特征在于，在所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊这一步骤之前，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

启动保护气体发生器，以使所述焊接接触点的周围充满保护气体。

4.根据权利要求1所述的芯片与铜框架的焊接方法，其特征在于，在所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊这一步骤之前，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

将所述激光器的激光振镜移到所述铜框架上方；

通过调整所述激光振镜改变所述激光器的激光方向，以使激光正焦点定位到所述铜框架和所述芯片的焊接接触点上。

5.根据权利要求3所述的芯片与铜框架的焊接方法，其特征在于，在所述启动激光器以产生激光束，通过所述激光束对所述焊接接触点进行深熔焊这一步骤之后，所述芯片与铜框架的焊接方法还包括以下步骤：

关闭所述保护气体发生器以停止产生保护气体；

通过检测仪检测焊接质量。

6.根据权利要求5所述的芯片与铜框架的焊接方法，其特征在于，所述通过检测仪检测焊接质量包括以下步骤：

测量所述焊接接触点沿垂直芯片所在平面方向拉脱的拉脱力；

通过所述拉脱力确定焊接质量。

7.一种芯片组件，其特征在于，芯片组件通过如权利要求1-6任一项所述的芯片与铜框架的焊接方法得到。