CN105428267A - 高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺 - Google Patents

高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，所述封装工艺采用了深腔金基焊片共晶焊接工艺和深腔键合工艺，使用深腔金基焊片共晶焊接工艺将芯片焊接在管壳上，焊接剪切力大、热阻小，可靠性高，降低了器件的热阻和饱和压降，提高了抗热疲劳性能，同时能够满足多种背面材料的芯片焊接工艺；采用小型化深腔键合工艺，实现键合材料的原子级接触，提高器件键合丝焊接的可靠性；本工艺易于实现自动化，提高生产效率；工作范围宽-65℃～200℃。封装的产品可广泛应用于计算机、雷达、通讯发射机、航天飞行器、仪器仪表等方面。

Description

高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺
技术领域
本发明涉及器件的封装工艺，具体的说，是一种高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，属于器件封装技术领域。
背景技术
目前航天、航空、船舶、兵器等领域大量使用了易于集成的表面贴装器件，但是均为大功率大电流型号的器件，小电流小功率的超小金属陶瓷表面贴器件以其重量轻、体积小、热阻小、效率高、可靠性高等特点，为提高整机可靠性，减小整机***体积及重量提供了前提。但是超小金属陶瓷表面贴装器件由于内腔体积超小，在其封装工艺过程中芯片焊接工艺和键合工艺一直是此类器件研发过程中的关键工艺难点，使用传统的封装工艺会产生热阻高、芯片与管壳焊接不牢固、键合丝键合不牢固、可靠性低等问题，因此没有得到广泛应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明公开了一种高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，采用深腔金基焊片共晶焊接工艺和深腔键合工艺，使其封装的器件体积小、重量轻、热阻小、效率高、可靠性高。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，包括以下步骤：
（1）、选取材料，选取器件管壳、焊片、芯片和键合丝，器件管壳为金属陶瓷材料，管壳的管芯和两端处设置导电区，导电区为可伐材料，表面镀镍镀金，管壳的底部设有引出端，引出端为可伐材料，表面镀镍镀金，焊片为金基焊片，芯片的上表面为铝，背面为硅或金；
（2）、采用深腔金基焊片共晶焊接工艺将芯片焊接至管壳管芯处的导电区；
（3）、采用深腔键合工艺将键合丝的两端键合至芯片和管壳端部的导电区上；
（4）、管壳密封，器件封装完成。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，深腔金基焊片共晶焊接工艺的具体步骤为：
（2.1）、将共晶焊接炉升温至焊接温度：430℃～450℃，通入保护气体氮气和氢气，预热≥30min；
（2.2）、将摆放好金基焊片的管壳放入共晶焊接炉的焊接区预热≥2s；
（2.3）、利用焊接炉的深腔吸头将芯片放在焊片上，深腔吸头同时加超声，开始共晶焊接，共晶焊接时间：15ms～30ms；
（2.4）、取出焊接好芯片的管壳。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，深腔键合工艺的具体步骤为：
（3.1）、根据键合丝的规格选择深腔键合台的劈刀尺寸；
（3.2）、设置深腔键合台第一个键合点和第二个键合点的工艺条件，第一个键合点设置在芯片处，键合功率：280mW～380mW，键合压力：20g～30g，键合时间：15ms～25ms；第二个键合点设置在管壳端部的导电区上：键合功率：450mW～550mW，键合压力：40g～50g键合时间：43ms～55ms；
（3.3）、利用深腔键合台将键合丝依次和芯片、导电区进行可靠性键合连接。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，所述管壳导电区、引出端的镀镍层厚度大于等于2μm，镀金层厚度大于等于1.5μm。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，所述键合丝为金丝或铝丝，直径为20μm-100μm。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，所述金基焊片为金镓焊片、金硅焊片及金锡焊片，金含量大于等于80%。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，共晶炉中通过氮气的速度为大于等于18L/min，通入氢气的速度为300～500mL/min。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，器件封装成型后进行功率老炼试验、热冲击试验、温度冲击试验和间歇寿命试验，用来验证芯片与管壳、键合丝与管壳键合区域的匹配性。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，所述表面贴器件为二极管、三极管或MOS管。
本发明的有益效果：本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺封装的器件安装体积小，组装密度高，重量轻,易于集成化；使用深腔金基焊片共晶焊接工艺，剪切力大、热阻小，可靠性高，降低了器件的热阻和饱和压降，提高了抗热疲劳性能，同时能够满足多种背面材料的芯片焊接工艺；采用了小型化深腔键合工艺，实现键合材料的原子级接触，提高器件键合丝焊接的可靠性；本工艺易于实现自动化，提高生产效率；工作范围宽-65℃～200℃。
附图说明
图1为UB类封装器件的主视剖面图；
图2为UB类封装器件的未封帽前俯视图；
图3为UB类封装器件的背视图；
图4为UA类封装器件的主视剖面图；
图5为UA类封装器件的未封帽前俯视图；
图6为UA类封装器件的背视图；
图中：1、管壳，2、导电区，3、引出端，4、焊片，5、芯片，6、键合丝。
具体实施方式
下面对本发明的原理进行进一步的描述和解释，以使本领域技术人员能够更好的理解本发明，应该明白的是，下述内容仅起到解释、说明的作用，并不对本发明实质性内容进行限定，所有在本发明思路之内的改进，都应该在本发明保护范围之内。
如图1～3所示，为UB类封装器件的示意图,图4-6所示为UA类封装器件的示意图，所述表面贴器件包括管壳1，管壳1的管芯和两端设置导电区2，芯片5焊接在管芯处的导电区2上，芯片5与管壳端部的导电区2通过键合丝6实现电连接，管壳1背面设置引出端3，引出端3与导电区2电连接。本实施例所述高可靠超小金属陶瓷表面贴装器件与传统器件相比重量轻、体积小、内腔体积超小，因此传统的封装工艺并不适合本发明所述器件，其中芯片焊接工艺和键合工艺是关键的工艺难点。针对所述工艺难点，本发明采用了深腔金基焊片共晶焊接工艺和深腔键合工艺，利用深腔金基焊片共晶焊接工艺将芯片焊接在管壳的导电区，此种焊接工艺具有剪切力大、热阻小、可靠性高等优势；目前流行的键合方式为平面键合工艺，本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴装器件为深腔立体结构，不适合平面键合工艺，必须采用小型化深腔键合工艺，实现键合丝与芯片、管壳端部导电区的有效连接。
本发明所述高可靠超小金属陶瓷表面贴装器件的封装工艺的具体步骤为：
（1）、选取材料，选取器件管壳1、焊片4、芯片5和键合丝6，器件管壳1为金属陶瓷材料，管壳1的管芯和两端处设置导电区2，导电区2为可伐材料，表面镀镍镀金，管壳1的背面设有引出端3，引出端3为可伐材料，表面镀镍镀金，焊片4为金基焊片，芯片5的上表面为铝，背面为硅或金；
（2）、采用深腔金基焊片共晶焊接工艺将芯片5焊接至管壳1管芯处的导电区2，深腔紧急焊片共晶焊接的具体步骤为：
（2.1）、将共晶焊接炉升温至焊接温度：430℃～450℃，通入保护气体氮气和氢气，预热≥30min，其中共晶炉中通入氮气的速度为大于等于18L/min，通入氢气的速度为300～500mL/min；
（2.2）、将摆放好金基焊片的管壳放入共晶焊接炉的焊接区预热≥2s；
（2.3）、利用焊接炉的深腔吸头将芯片放在焊片上，深腔吸头同时加超声，开始共晶焊接，共晶焊接时间：15ms～30ms；
（2.4）、芯片焊接完成，取出焊接好芯片的管壳；
（3）、采用深腔键合工艺将键合丝6的两端键合至芯片5和管壳端部的导电区2上，深腔键合工艺的具体步骤为：
（3.1）、根据键合丝的规格选择深腔键合台的劈刀尺寸；
（3.2）、设置深腔键合台第一个键合点和第二个键合点的工艺条件，第一个键合点设置在芯片处，键合功率：280mW～380mW，键合压力：20g～30g，键合时间：15ms～25ms；第二个键合点设置在管壳端部的导电区上：键合功率：450mW～550mW，键合压力：40g～50g，键合时间：43ms～55ms；
（3.3）、利用深腔键合台将键合丝6依次和芯片5、导电区2进行可靠性键合连接；
（4）、管壳密封，器件封装完成。
本实施例中，所述管壳导电区2、引出端3的镀镍层厚度大于等于2μm，镀金层厚度大于等于1.5μm。
本实施例中，所述键合丝6为金丝或铝丝，直径为20μm-100μm。
本实施例中，所述焊片4为金镓焊片、金硅焊片及金锡焊片等含金的金基焊片，金含量大于等于80%。
为保证产品长期可靠性，产品成型后做过多次有关匹配的试验，主要考虑芯片和管壳的匹配性以及键合丝与键合区域的匹配性，所述匹配试验包括2000h功率老炼试验，100次热冲击（液体-液体）试验（-55℃～125℃），2000次温度（-65℃～175℃）冲击试验，10000次间歇寿命试验等，各项试验考核合格，从而证明产品的高可靠性满足国家军用标准要求。
本实施例中，所述表面贴器件为二极管、三极管或者MOS管。
本发明封装工艺封装的高可靠超小金属陶瓷表面贴装器件具有体积小、重量轻、热阻小、效率高、可靠性高等特点，主要用在高集成度的开关电源、开关放大器等电路中，产品的性能直接影响到电路***的运行速度及工作效率，对于提高整机的性能及优化***设计等方面起到至关重要的作用，产品可广泛应用于计算机、雷达、通讯发射机、航天飞行器、仪器仪表等方面。

Claims (9)

1.一种高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、选取材料，选取器件管壳、焊片、芯片和键合丝，器件管壳为金属陶瓷材料，管壳的管芯和两端处设置导电区，导电区为可伐材料，表面镀镍镀金，管壳的背面设有引出端，引出端为可伐材料，表面镀镍镀金，焊片为金基焊片，芯片的上表面为铝，背面为硅或金；
（2）、采用深腔金基焊片共晶焊接工艺将芯片焊接至管壳管芯处的导电区；
（3）、采用深腔键合工艺将键合丝的两端键合至芯片和管壳两端的导电区上；
（4）、管壳密封，器件封装完成。
2.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：步骤2的具体步骤为：
（2.1）、将共晶焊接炉升温至焊接温度：430℃～450℃，通入保护气体氮气和氢气，预热≥30min；
（2.2）、将摆放好金基焊片的管壳放入共晶焊接炉的焊接区，预热≥2s；
（2.3）、利用焊接炉的深腔吸头将芯片放在焊片上，深腔吸头同时加超声，开始共晶焊接，共晶焊接时间：15ms～30ms；
（2.4）、取出焊接好芯片的管壳。
3.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：步骤3的具体步骤为：
（3.1）、根据键合丝的规格选择深腔键合台的劈刀尺寸；
（3.2）、设置深腔键合台第一个键合点和第二个键合点的工艺条件，第一个键合点设置在芯片处，键合功率：280mW～380mW，键合压力：20g～30g，键合时间：15ms～25ms；第二个键合点设置在管壳端部的导电区上：键合功率：450mW～550mW，键合压力：40g～50g键合时间：43ms～55ms；
（3.3）、利用深腔键合台将键合丝依次和芯片、导电区进行可靠性键合连接。
4.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：所述管壳导电区、引出端的镀镍层厚度大于等于2μm，镀金层厚度大于等于1.5μm。
5.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：所述键合丝为金丝或铝丝，直径为20μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：所述金基焊片为金镓焊片、金硅焊片及金锡焊片，金含量大于等于80%。
7.根据权利要求2所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：共晶炉中通过氮气的速度为大于等于18L/min，通入氢气的速度为300～500mL/min。
8.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：器件封装成型后进行功率老炼试验、热冲击试验、温度冲击试验和间歇寿命试验，用来验证芯片与管壳、键合丝与管壳键合区域的匹配性。
9.根据权利要求1所述的高可靠超小金属陶瓷表面贴器件的封装工艺，其特征在于：所述表面贴器件为二极管、三极管或MOS管。
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