[发明专利]一种用于半导体功率器件封装的引线焊接钎料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于半导体功率器件封装的引线焊接钎料及其制备方法和应用，属于半导体功率器件封装制造技术领域。该钎料为铜或铝引线用钎焊料，铜引线用钎焊料为(wt.％)：Cu 20‑29％，Al 10.0‑20.0％，Ag 2.0‑11.0％，Bi 2.0‑5.0％，Sb 3.0‑9.0％，In 3.0‑9.0％，Sn为余量；铝引线用钎焊料为(wt.％)：Cu 21.0‑29.0％，Al 18.0‑27％，Ag 2.0‑9.0％，Bi 2.0‑3.5％，Sb 6.0‑8.0％，In 6.0‑8.0％，Sn为余量。该钎料用于半导体功率器件封装的引线焊接工艺中，焊接温度280‑320℃，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。

技术领域

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钎料及其制备方法和应用。

背景技术

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。

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。

目前连接铝铜的传统焊接方法包括熔化焊和压力焊等，其中：

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。

压力焊：目前应用较成功的铝铜连接方法是压力焊，包括超声热压焊(wirebonding)、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。

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Al之间容易形成CuAl2脆性化合物，使焊点强度降低。

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。

目前市场中的以粗铝线为主要应用耗材的打线机速度慢(500ms/线)，隐患诸多，亟待改造提升。而Cu、Al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。