用于制造包括固定到引线框架的裸片的集成设备的方法与流程

本公开涉及集成电子电路的制造，特别是用于将裸片焊接到通常为“引线框架”的连接支撑件。

背景技术：

在集成电子设备的制造期间，通常将集成了电子组件和/或用半导体技术制成的其他组件(诸如功率器件)的半导体裸片焊接到连接支撑件(也称为“引线框架”或简称为“框架”)。此焊接过程通常称为“裸片附接(dieattach)”。

框架执行对裸片的机械支撑作用，使能裸片与外界的电接触，并可以用于耗散设备内生成的热。

因此，有益的是，焊接材料具有低电阻和高热导率。

所焊接的连接承受反复的应力并保持其自身的完整性也是有益的。这些应力归因于电子电路在其使用寿命期间的温度变化。由于裸片和框架具有不同的热膨胀系数，因此随着操作温度的变化，它们趋于以彼此不同的方式膨胀，从而由于将它们结合在一起的约束而在结构内生成应力。因此，由裸片、框架和焊接材料组成的系统承受根据温度而变化的机械应力。

用于实现裸片与金属框架的冶金焊接的不同方法包括：使用金基合金而实现的焊接(称为“硬裸片附接”)，以及使用铅基或锡基合金的软钎焊。

在前一种情况下，可以产生具有优良的热性质和电性质的牢固结合，但是鉴于裸片为脆性材料，不能经受塑性变形，只要在刚性的焊接连接将热应力传递到裸片，刚度就可能导致裸片在热循环期间破裂。

此外，诸如80au-20sn合金的用于硬裸片附接的金基焊料合金具有非常高的成本，因此在商业上不利。最后，可以用于获得扩散焊工艺(通过存在于框架中的化学物质的扩散)的借助于这种合金实现焊接的过程很复杂，并且使用不常用于电子电路的制造中的专用工艺步骤和机器。

相反，使用铅基合金的软钎焊具有足够的塑性来补偿裸片和框架之间的热膨胀差异，但是在任何情况下，由于反复的热循环之后的疲劳，都易于屈服。

然而，用于限制在电子设备的制造中使用危险物质的越来越严格的法规已经导致了低铅含量甚至无铅的焊料合金的发展

例如，美国专利no.4,170,472说明了基于锡、银和锑的合金，其中，65sn-25ag-10sb合金(也称为“j合金”)是特别优选的。

美国专利no.4,170,472描述了一种用于将涂覆有铬/银或镍/锡的裸片与涂覆有镍或银的框架焊接的方法。

然而，上述焊接工艺已被证明远不能抵抗反复的热循环，导致了系统表现的可靠性较差。

技术实现要素：

特别地，本公开的一个或多个实施例提供了用于将裸片焊接到引线框架的新方法，以及结合了相同方法的集成设备。

特别地，以下描述涉及包括以下步骤的用于将裸片焊接到引线框架的方法：

a)提供引线框架，其具有至少部分地由铜制成的至少一个表面；

b)提供裸片，其具有涂覆有金属层的至少一个表面；

c)向引线框架的至少部分地由铜制成的表面，施加焊料合金，并将该合金加热到至少380℃的温度，以形成焊料合金的液滴，其中焊料合金是无铅的，并且选自由以下项构成的组：包括至少40wt％的锡的合金，包括至少50wt％的铟的合金，和包括至少50wt％的镓的合金；以及

d)将裸片的金属层设置为与焊料合金的液滴接触，以形成与引线框架的焊接连接。

有利的是，该焊接方法可以在完全由铜制成的引线框架上实现，或者备选地，在仅具有至少部分地涂覆有铜的一个表面的引线框架上实现。

所使用的合金可以是选自由以下项构成的组中的合金：

61％-69％锡，8％-11％锑和23％-28％银；

50％-99％锡，1％-5％银；

98％-98.9％锡，1％-5％银，0.1％-1％铜；

50％-99％铟，1％-50％银；

50％-99％镓，1％-50％镍；

50％-99％镓，1％-50％铜；以及

70％-99％镓，1％-30％银；

百分比以重量对合金的总重量来表示。更特别地，合金包含65％锡、25％银、10％锑(65sn-25ag-10sb)，百分比以重量对合金的总重量来表示。

在一个实施例中，裸片被设置有涂覆有金属层的至少一个表面，特别地该金属层利用在由钛、镍、金、银、铝和铜构成的组中进行选择的金属而获得。

有利的是，在至少380℃的温度，使用由铜制成或即使仅部分地涂覆有铜的框架以及包括至少40％锡、至少50％铟或至少50％镓的焊料合金可以通过以液相形式的扩散实现焊接，该扩散导致在铜与锡(例如cu3sn和/或cu6sn5)、镓或铟之间形成高熔点金属间化合物。特别地，所形成的金属间化合物的熔点高于所使用的焊料合金的熔点。金属间化合物的形成不涉及框架与焊料合金之间的界面或裸片与焊料合金之间的界面(正如美国专利no.4,170,472中说明的焊接方法的情况)，而是涉及在框架上施加的焊料合金的整个块体。

有利的是，已经注意到，与利用现有技术的焊接方法获得的系统相比，通过铜在焊料合金的块体内的扩散形成金属间化合物，使得由裸片和框架构成的系统的机械强度在其经受热循环时能够得到显著提高。这是由于鉴于所获得的金属间化合物为高熔点化合物，所获得的金属间化合物相对于焊料合金对归因于蠕变的退化机制不太敏感的事实。

有利的是，相对于现有技术中已知的方法，上述焊接方法支持以更短的时间来获得铜在焊料合金中的扩散；特别地，步骤c)和d)总体具有0.1s-10s的持续时间。

附图说明

本方法的其他特征和优点将从其实施例的一些说明性和非限制性示例的以下描述中显现，以下描述在需要时参考附图，在附图中：

图1a-图1h是本方法的示意性表示；

图2a和图2b分别图示了借助于本方法获得的焊接连接的edx(能量色散x射线)光谱和在镍框架上利用snagsb合金获得的焊接连接的edx光谱；以及

图3a-图3d图示了在重复的热循环之后，与在镍框架上利用snagsb合金(因此没有铜的扩散)获得的焊接连接以及根据现有技术的铅基焊接连接相比的通过应用本方法获得的焊接连接的sam(扫描声学显微镜)图像。

具体实施方式

现在将参考图1a-图1h描述本方法，图1a-图1h示出了该方法的实施例的步骤。

图1a表示由完全由铜制成的引线框架1构成的连接支撑件。引线框架1布置在支撑件2上。引线框架1设置有表面3。在引线框架1不完全由铜制成的情况下，表面3由铜层形成。

在所图示的实施例中，引线框架1被加热到至少380℃的温度。

如图1b所示，在引线框架1的表面3上以类似于通常利用软钎焊技术而实现的方式施加焊料合金4，焊料合金4例如由65％的锡、25％的银和10％的锑组成(65sn-25ag-10sb)。为此，将焊料合金4的线通过引导件5施加到加热的引线框架1的表面3上，以引起焊料合金4的线的熔化以及焊料层13在框架1的表面3(图1c)上以包括预定量的焊料合金4的液滴的形式的沉积。

这样分配的焊料层13然后可以可选地借助于模具6而均匀地分布在表面3上(图1d和图1e)。

备选地，可以将焊料合金以焊料预成型件的形式施加在引线框架1的表面3上，该焊料预成型件在与加热的引线框架1接触而熔化后，在表面3上生成明确限定体积的焊料层13。

接下来，如图1f所示，将设置有利用金属层9(例如镍)涂覆以及由银或金的牺牲层保护的表面8的裸片7施加在焊料层13上，以使得金属层9与上述焊料层13接触。裸片7通常由半导体材料制成，集成了电子组件和/或利用半导体技术获得的微集成结构(未示出)。

如图1g所示，在焊料层13被加热到至少380℃(超过其熔点)的温度的同时，焊料层13与金属层9的接触形成了焊接连接14。然后，将由此获得的由裸片7、焊接连接14和引线框架2构成的整体进行冷却，直到焊接完成为止(图1g)。将焊料层13加热到至少380℃的温度使得铜从引线框架1的表面3扩散到焊料层13中，使得所得到的焊接连接14包括扩散的铜在焊料材料中的金属间化合物形成。

最后，图1h，如图1h中(导线结合)的步骤所示意性说明的，在裸片7和引线框架2的引脚11之间焊接诸如电结合导线10的电互连元件，并实现封装，例如经由模制由例如树脂(模制化合物)的绝缘材料制成的封装12。在执行诸如包装12的固化、引脚11的可能分离等的最终制造步骤之后，以本领域技术人员已知的方式获得例如功率设备的集成设备100。

有利的是，图1a-图1h所示的方法是利用通常已知并且在标准裸片附接工艺中使用的机器实现的，并且使用商业上可得到的材料，并且既可以用在分立设备的生产线上，也可以用在功率模块的生产线上。

上述方法也可以在夹片(clip)安装的情况下使用，其中金属结构(夹片)被钎焊在裸片7的顶表面上。此外，所描述的方法可以用于在裸片的两个相对表面上焊接两个连接和/或支撑结构。

备选地，在焊料层13是预成型件并且引线框架1没有预先加热的情况下，可以在以固态的预成型件已经被布置在连接器和裸片之间之后，借助于在烤箱中加热来获得预成型件的熔化。

有利的是，该方法可以获得具有高达100μm的厚度焊接连接14，如以下示例中所突出的，其相对于利用已知方法获得的那些焊接连接具有改进的热-电-机械性能。

示例一

借助于根据本公开的方法获得的焊接连接的edx(能量色散x射线)光谱分析。

借助于根据本公开的方法在使用65sn-25ag-10sb焊料合金和由铜制成的框架的情况下而获得的焊接连接已经借助于edx光谱进行了分析，并且与利用65sn-25ag-10sb焊料合金在涂覆有镍的框架上获得的焊接连接的edx光谱进行了比较。光谱分别在图2a和图2b中示出。

应当注意，在使用裸铜框架的情况下，存在铜贯穿焊料合金的厚度的扩散，这产生了与构成焊料合金的材料的金属间化合物。在利用由具有镍饰面的铜制成的框架进行组装的情况下，这不会发生。

示例二

借助于本方法获得的焊接连接的可靠性。

利用本方法使用65sn-25ag-10sb焊料合金和由铜制成的框架获得的焊接连接在不同的测试中被评估，并与使用65sn-25ag-10sb合金和具有镍饰面的框架实现的焊接连接进行了比较。利用根据现有技术的铅基合金(95.5pb-2sn-2.5ag)进行了进一步的比较。

在25个样品上进行的测试描述如下：

由tesec制造的a.t.e.(自动测试装备)——评估设备的静态电参数(通态电阻，击穿电压，漏电流，正向电压等)以及对应的偏差；在相对于在时间零点处测量的值呈现或多或少20％的变化时，认为该测试失败。

t.imp.(热阻抗的偏差)——当相对于初始值，样品呈现多于20％的阻抗增加时，认为该测试失败。

用于评估物理分层的s.a.m.(扫描声学显微镜)——当与初始样品相比，样品呈现多于20％的物理分层时，认为该测试失败。

表1中显示了关于每个测试中每个焊接连接的失败数目的结果。

表1

所提出的解决方案相对于现有技术在可靠性性能方面以大于5的因子显示出益处。

此外，图3a-图3d呈现了在铜框架上利用65sn-25ag-10sb焊料合金、在镍框架上利用65sn-25ag-10sb焊料合金和在镍框架上利用95.5pb-2sn-2.5ag焊料合金获得的焊接连接的sam图像。

从热循环中的实验比较中，显现了利用65sn-25ag-10sb焊料合金的解决方案是如何在不呈现任何偏差的情况下设法超过3000个热循环，然而，在相同条件但使用镀镍框架或利用pbsnag焊膏进行组装的情况下，不可能超过1000个循环。从图3b、图3c、图3d中，显现了焊接连接在循环期间根据热循环次数而变化的退化和分层水平。

最后，明显的是，因此在不脱离如所附权利要求中所限定的本公开的范围的情况下，可以对本文中描述和说明的方法以及设备进行修改和变化。例如，所描述的各种实施例可以被组合以便提供进一步的解决方案。可以根据以上详细描述，对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而是应解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求所授予的全部范围的等同物。因此，权利要求不受本公开的限制。

此外，即使所图示的设备经由具有在裸片和引线框架的引脚之间的结合线10的焊接电元件并且经由借助于由绝缘材料制成的封装的模制的包封而被组装，也可以设想其他解决方案，例如夹片附接或具有金属封装的包封或使用硅酮凝胶将的盆状组装件。