分立IGBT的封裝技術(shù)研究

劉 馴，姚小銘

（華汕電子器件有限公司，廣東 汕頭 515041）

1 引言

IGBT產(chǎn)品分為單個(gè)器件封裝的分立IGBT和多器件封裝的IGBT模塊。對(duì)于IGBT模塊的封裝，是采用多個(gè)IGBT/FRD芯片粘接在特定設(shè)計(jì)的鍍鎳金屬層的陶瓷基板上，再通過專用設(shè)備將鋁線鍵合并將芯片間和引腳連接；而分立IGBT器件的封裝，是采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件封裝外形，如TO-3P/F、TO-247、TO-264等，用通用器件生產(chǎn)設(shè)備和相似的工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)。但I(xiàn)GBT相比通用的雙極型或者M(jìn)OSFET器件而言，需承受的電流密度更大、電壓更高，功率也更大，對(duì)可靠性要求更高，所以對(duì)封裝材料的要求更加苛刻，對(duì)工藝參數(shù)的控制要求更高，需要研制一套適應(yīng)于在通用MOSFET生產(chǎn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)。本文通過在這些通用封裝設(shè)備上進(jìn)行分立IGBT封裝試生產(chǎn)過程的工藝研究，特別是在關(guān)鍵工藝過程如裝片、焊接方面對(duì)參數(shù)的設(shè)定和對(duì)封裝質(zhì)量影響等問題的分析和研究，以確定能適應(yīng)于大批量封裝生產(chǎn)的IGBT封裝技術(shù)。

2 IGBT封裝外形圖和符號(hào)

分立IGBT符號(hào)和封裝外形圖如圖1、圖2。

其基本封裝結(jié)構(gòu)采用的是一顆IGBT芯片和一顆快恢復(fù)二極管芯片（FRD）組裝在一個(gè)封裝體中，實(shí)現(xiàn)兩只并聯(lián)芯片的組合，使其有效發(fā)揮芯片最佳性能狀態(tài)就成為封裝考慮的主要問題。由于IGBT的芯片結(jié)構(gòu)是從MOSFET發(fā)展而來，其封裝特點(diǎn)、工藝要求有著與MOSFET相似的技術(shù)要求，而快恢復(fù)二極管則屬于傳統(tǒng)雙極型器件，其裝配工藝與雙極型器件類似，但快恢復(fù)二極管芯片工作中需要能承受瞬間浪涌電流的能力，故在器件裝配上也需要考慮是否能滿足該性能。所以，在芯片的裝配上確定IGBT和FRD的最佳工藝條件成為封裝生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 分立IGBT符號(hào)

圖2 IGBT的封裝外形圖

3 封裝工藝研究

3.1 芯片切割的工藝影響

目前NPT 型IGBT芯片典型厚度為160～180 μm，而一般高電壓的MOSFET芯片厚度在280～350 μm，所以不宜直接采用MOSFET的芯片切割工藝條件來切割I(lǐng)GBT圓片。由于IGBT芯片面積都比較大，芯片較薄，在后道裝配的圓片切割環(huán)節(jié)成為影響器件質(zhì)量的一個(gè)難點(diǎn)。切割的質(zhì)量除與通常的影響因素如刀片的型號(hào)、采用的藍(lán)膜規(guī)格和劃片機(jī)主軸的穩(wěn)定性有關(guān)外，也與所采用的工藝參數(shù)密切相關(guān)。按通常的工藝參數(shù)設(shè)定條件時(shí)，非常容易造成芯片邊緣崩缺、裂痕和裂片等缺陷。優(yōu)化切割的工藝參數(shù)，是確保芯片性能良好的關(guān)鍵。根據(jù)反復(fù)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)控制芯片邊緣崩缺，在工藝參數(shù)方面的主要因素在于控制好切割速度的范圍，另外，需要觀察切刀留在膠膜上的切痕情況，并控制好切痕深度，這樣，使芯片的邊緣切痕基本整齊，消除鋸齒狀缺陷。對(duì)于180μm左右的IGBT芯片，在A-WD-250S自動(dòng)劃片機(jī)的切割速度控制在50～80 mm/s，切割轉(zhuǎn)速控制在35 000 rpm左右，能夠使芯片間的劃痕寬度＜0.03 mm且邊緣比較平滑，如圖3。

圖3 芯片鋸痕圖片

3.2 裝片工藝分析

分立IGBT器件封裝是將兩顆不同型號(hào)的芯片（1顆IGBT芯片和1顆快恢復(fù)二極管FRD芯片）封裝為一體（如圖4），其中IGBT芯片厚度較薄，F(xiàn)RD芯片則厚一些，一般在300 μm左右，所以IGBT的裝配在裝片環(huán)節(jié)，對(duì)兩顆芯片的焊料量和芯片安裝高度等都需分開進(jìn)行控制。

圖4 分立IGBT的實(shí)際裝片圖

因需要裝片的兩顆芯片為不同的型號(hào)（IGBT和FRD），無法在通常的裝片機(jī)上一次性進(jìn)行裝片，所以需要進(jìn)行兩次裝片步驟，每次裝不同的芯片。但在第二次裝片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定比例的裝片不良情況，即第二次上的芯片下面部分錫量（焊料）不足，甚至嚴(yán)重缺錫。仔細(xì)觀察裝片過程，發(fā)現(xiàn)在第二次裝片時(shí)，由于所采用的粘片材料的焊料錫鉛合金成分和第一次裝片用的焊料是相同的材料，所以在進(jìn)行第二次裝片時(shí)，對(duì)于第一次已裝片的芯片下面的焊料也已處于熔點(diǎn)狀態(tài)，這時(shí)如果點(diǎn)第二次焊料時(shí)的焊點(diǎn)區(qū)與第一次裝片的焊點(diǎn)區(qū)距離太近時(shí)，由于表面張力的作用，會(huì)將所點(diǎn)的焊料吸到第一顆芯片下，造成第二顆芯片下面缺焊料或者無焊料，從而導(dǎo)致裝片不良或者不能裝片，而第一顆芯片下面則由于吸附過多的焊料容易造成錫層過厚和傾斜的缺陷。參見圖5和圖6。

解決方法：

（1）減少兩次裝片的點(diǎn)錫量，以減少芯片四周錫的溢出量；

（2）盡量把兩顆芯片的裝片位置左右拉開，以防止第二次點(diǎn)的焊料與第一次融合，從而預(yù)防上述缺陷的出現(xiàn)。

（3）考慮二次裝片所采用的粘接材料為兩種不同熔點(diǎn)的焊料，對(duì)第二次裝片采用熔點(diǎn)溫度較低的焊料，這樣在工藝上可以采用相對(duì)較低溫度的條件，以低于第一次裝片的焊料熔點(diǎn)溫度，可以有效降低兩個(gè)錫點(diǎn)相互流動(dòng)的機(jī)會(huì)。但這種工藝方法只適應(yīng)于芯片較大、比較難以將兩顆芯片位置拉得很開的情形，由于采用低溫焊料對(duì)工藝條件一致性要求較高，對(duì)裝片的效率有一定的影響，故需要加以綜合考慮是否采用該方法。

圖5 裝片良品圖形

圖6 裝片不良圖形

3.3 楔焊（鍵合）及參數(shù)優(yōu)化

引線鍵合主要考慮兩種芯片的不同工藝要求，應(yīng)采用不同的焊接條件。IGBT器件需要達(dá)到大電流、高耐壓的要求，焊接采用多條粗鋁絲來互連，粗鋁絲鍵合方面（尤其是用于IGBT等器件在Φ381 μm以上的粗鋁線鍵合），關(guān)鍵要考慮對(duì)芯片的物理/機(jī)械損傷問題。鋁線越粗，鍵合所需功率、壓力就越大，越容易造成芯片物理/機(jī)械損傷。IGBT等芯片表層鋁厚度通常為1～2 μm，鋁層下面是柵極結(jié)構(gòu)，但芯片整體結(jié)構(gòu)比MOSFET更薄，鍵合工藝比MOSFET鍵合工藝更加嚴(yán)格，其功率、壓力調(diào)整得過大或過小，都將直接造成芯片損傷或者鍵合虛焊的出現(xiàn)。

據(jù)此，對(duì)鍵合損傷、虛焊等缺陷問題進(jìn)行了分析和改善研究，并從采用的鋁絲材質(zhì)和鍵合工藝兩方面結(jié)合來制定出最佳的工藝條件。

3.3.1 鋁絲材質(zhì)

通常鍵合采用粗高純鋁絲，即Al成分在99.99%以上的鋁絲。鋁絲機(jī)械性能指標(biāo)主要關(guān)注斷裂負(fù)荷和延伸率。

以Φ508 μm粗的鋁絲為例，因鋁絲在退火熱處理溫度-時(shí)間的不同，使得相應(yīng)的斷裂負(fù)荷也存在差異。同種測試條件下，斷裂負(fù)荷越小，表示所對(duì)應(yīng)的鋁絲也越軟。表1為某供應(yīng)商Φ508 μm純鋁絲的三組不同型號(hào)樣品的參數(shù)對(duì)比。

表1 Φ508 μm純鋁絲三組不同型號(hào)樣品的參數(shù)對(duì)比

（1）焊接效果比較

焊接過程我們首先關(guān)注的是損傷情況。取以上三種鋁絲進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其他作業(yè)條件不變，鋁絲越軟，鍵合過程中芯片受到的損傷程度越小，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

（2）焊接強(qiáng)度比較

取同一尺寸規(guī)格、不同斷裂負(fù)荷的Φ508 μm 粗鋁絲，其他作業(yè)條件不變，對(duì)比焊接后的鋁絲拉力情況。拉力測試設(shè)備采用瑞士的XYZTEC測試儀。

表2為三種不同斷裂負(fù)荷Φ508 μm 的鋁絲拉力測試情況。

可見，越低的B/L，其拉力數(shù)據(jù)越好。對(duì)比拉掉焊球以后所觀察到焊球與芯片鋁層的結(jié)合面積的大小，也發(fā)現(xiàn)較低的B/L其焊球接觸面積也更大，接觸面面積的增加，可以有效減小鋁絲與芯片間的接觸電阻。

圖7 相同直徑、不同型號(hào)鋁絲的鍵合損傷情況對(duì)比

通過以上對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)越軟的鋁絲，焊接后的結(jié)合穩(wěn)定性越好。但考慮鋁絲供應(yīng)商的工藝水平，太軟的鋁絲在斷裂負(fù)荷、延伸率的指標(biāo)無法達(dá)到一致性和穩(wěn)定性要求，對(duì)鍵合質(zhì)量一致性反而不利，綜合考慮，確定用于IGBT生產(chǎn)的粗鋁絲按表3要求較合適。

3.3.2 鍵合工藝

以某OEM廠家的20N120A芯片為試驗(yàn)品種，其E極采用3條Φ381 μm粗鋁絲進(jìn)行鍵合，試驗(yàn)采用的鋁絲規(guī)格如表4，施加在芯片的初始工藝條件如表5。

表2 三種規(guī)格鋁絲的拉力測試結(jié)果

表3 IGBT鍵合采用的鋁絲規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)

表4 試驗(yàn)采用的鋁線規(guī)格

試驗(yàn)過程為：

（1）力保持不變，逐步減少功率（每次50 mW），直至焊不上線。當(dāng)功率低至 600/650 mW時(shí)，焊不上線；

（2）功率保持不變，逐步減少力（每次50 g），直至焊不上線。當(dāng)力低至350/400 g時(shí)，最內(nèi)側(cè)一線出現(xiàn)焊不上線；

（3）按照如上確定的最小工藝條件，力上調(diào)30 g遞增，功率上調(diào)50 mW遞增，制定出8組不同的焊接方案，然后進(jìn)行拉力測試及對(duì)應(yīng)的CPK評(píng)價(jià)，如表6所示。

表5 鍵合試驗(yàn)的初始工藝條件（芯片）

表6 8組試驗(yàn)方案的測試結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際焊接過程的效果，我們確立第3組方案為該軟鋁線的最小焊接工藝條件：焊接壓力400/450 g，焊接功率700/750 mW，焊接時(shí)間30/120 ms。

（4）按照（3）確立的焊接工藝條件，進(jìn)行進(jìn)一步的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），調(diào)整焊接時(shí)間，并加大試驗(yàn)樣本量，結(jié)果如表7。對(duì)比以上8組的試驗(yàn)結(jié)果，確立第5組為較理想的焊接工藝。

（5）后續(xù)，按照如上步驟、方法，對(duì)器件所搭配的快恢復(fù)二極管（FRD）芯片的焊接工藝，也進(jìn)行試驗(yàn)確定出較理想的工藝條件，主要考慮兩只芯片的厚度不同存在焊頭下降的高度差異，并且芯片表面鋁層性質(zhì)也有所不同，所以通過類似的試驗(yàn)步驟確定出較佳的工藝參數(shù)條件。最后再增加推球（ball shear）與彈坑試驗(yàn)的考核，進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝，并流通至后續(xù)測試環(huán)節(jié)，驗(yàn)證實(shí)際測試良率。

表7 工藝DOE試驗(yàn)結(jié)果

3.4 鍵合異常問題的解決

3.4.1 焊接時(shí)鋁層剝落異常

圖8 鍵合區(qū)鋁層剝落

如圖8所示，焊接過程中芯片鋁層直接被剝離，使鍵合點(diǎn)脫離芯片表面，調(diào)小功率、壓力的第1焊點(diǎn)/第2焊點(diǎn)參數(shù)均無法解決此異常。后續(xù)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)保持功率不變，適當(dāng)調(diào)大第1焊點(diǎn)/第2焊點(diǎn)壓力參數(shù)后，該異常得到明顯改善。

圖9 楔焊鍵合點(diǎn)形變情況

在焊接初始環(huán)節(jié)，劈刀施加的焊點(diǎn)起始?jí)毫X絲壓緊，鋁絲輕微產(chǎn)生塑性形變，如圖9(a)，在接下來的劈刀超聲振蕩過程中，鋁絲形變加?。ㄤX絲變扁），如圖9(b)，使得鋁焊球與劈刀之間產(chǎn)生一定間隙，接觸面積減小，超聲波傳遞產(chǎn)生瞬間階梯性衰減，從而導(dǎo)致鋁層剝離，甚至造成芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。而適當(dāng)調(diào)大焊點(diǎn)起始/終止壓力，能減少鋁絲鍵合點(diǎn)的變形度，則可改善此過程產(chǎn)生的超聲波傳遞衰減，見圖9(c)。所以焊接壓力參數(shù)不是越小越好。

3.4.2 邊角壓傷問題

因IGBT和FRD芯片的裝片需要拉開距離，而芯片尺寸又較大，往往離載芯板邊緣很近，在焊接時(shí)很容易被壓爪壓傷芯片邊角，造成崩缺，如圖10。為避免出現(xiàn)該缺陷，須從兩方面入手加以解決：

（1）重新制作壓爪，縮小尺寸并調(diào)整壓爪位置，以騰出更多的可焊接區(qū)域空間；

（2）將IGBT的裝片位置在可能的情況下盡量往下調(diào)一些，以避開壓爪區(qū)域。

圖10 芯片被壓傷圖形

3.4.3 鍵合錯(cuò)位問題

在實(shí)際的批量生產(chǎn)過程中，會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一定比例的鍵合錯(cuò)位和焊不上線的情況，在調(diào)整設(shè)備識(shí)別狀態(tài)改善過程中，發(fā)現(xiàn)其主要原因?yàn)镮GBT和FRD的兩次裝片步驟使得芯片下面的焊料容易厚薄不均，使芯片平面出現(xiàn)傾斜，而IGBT和FRD的芯片厚度差也較大（約100 μm以上），所以使得兩顆芯片在焊接機(jī)器中的反光度差異較大，影響了機(jī)器的識(shí)別，從而造成鍵合錯(cuò)位或脫鍵的情況。為解決該問題，一方面要從裝片工藝調(diào)整入手，精確控制兩次裝片焊料的錫量和兩次裝片的溫度范圍，確保兩顆芯片的錫層厚度的一致性和表面的平整度，另一方面，通過調(diào)整焊接機(jī)的燈光角度和參數(shù)，擴(kuò)大攝像的識(shí)別范圍，同時(shí)調(diào)整兩顆芯片的焊接高度，以減少鍵合錯(cuò)位或脫鍵的出現(xiàn)，使問題得以解決。

4 結(jié)束語

分立IGBT器件的封裝工藝與功率MOSFET的封裝工藝類似，但要求更嚴(yán)格，本文通過對(duì)封裝的關(guān)鍵工藝如劃片、裝片、焊接等環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)條件進(jìn)行優(yōu)化，從材料、工藝、焊接方法等方面著手，確定出應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的分立IGBT器件的生產(chǎn)工藝，并通過試驗(yàn)分析解決實(shí)際生產(chǎn)所出現(xiàn)的技術(shù)問題。該工藝技術(shù)已成功地應(yīng)用于分立IGBT器件的大批量生產(chǎn)，保證了產(chǎn)品的可靠性，取得了很好的生產(chǎn)效益，贏得了客戶的認(rèn)可。

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