双芯片粘片工艺实现IGBT单管优质高效封装

半导体实验室

0 w& b4 l( z, g1 @

% b, C0 b: D* o8 {( x9 S# l: ^IGBT由于非常优越的大功率、高压大电流的性能，广泛地应用在各个领域里，根据电压和电流大小，广泛地应用在消费电子、新能源以及电机控制、家用电器，更高端应用还有智能电网和轨道交通、动力发电等方面。
?
0 w9 W/ i- A* R+ V/ p4 R2 l; MIGBT应用方式和封装要求
; P8 k, f- s( j) @2 Z根据IGBT不同的应用，形态可以是单管的封装，也可以是模块的封装。不论是单管还是模块封装，应用时IGBT需要和快恢复二极管（简称FRD）配对使用，因为IGBT在应用时，它的负载基本是感性的负载，这个感性的负载在IGBT关断的时候会产生很大的反向的电流，需要在IGBT的两端并联一个快速恢复二极管来消纳反向电流。
* Y" ]3 Y3 D8 H7 u?
1 k1 c0 P7 o8 P# t( I. _所以 IGBT 单管封装有IGBT芯片和FRD芯片两个芯片。在IGBT单管封装工艺流程中，芯片在晶圆上做好划片之后，要通过粘片设备把芯片从晶圆转移到到框架（或称作基板）上进行粘接，然后通过压焊进行连线，再进行最后的塑封等过程。
; S6 X7 U6 ?- Q6 p( F$ QIGBT单管封装粘片工艺及其问题
就粘片工艺和设备来说，晶圆划片后通过粘片机把芯片挑起，转移到框架上面，框架上事先涂好了焊接材料，也就是一般的焊锡。
?
传统的IGBT单管封装需要两台粘片设备来依次完成IGBT和FRD芯片的粘片。其工艺步骤是先把框架进行加热，涂上焊锡，然后在第一台粘片机上进行IGBT芯片粘片，待框架降温后，再进入第二台粘片机进行FRD芯片粘片，重复加热、涂焊料、粘接芯片的步骤。
% W; J* z# w  p5 t7 b: l?
) g8 ]+ r, t( y图  传统IGBT单管封装粘片工艺流程
2 w8 a8 ?  V) X7 y1 M$ l7 K传统的IGBT单管封装粘片工艺方法存在一些问题：
6 ]; Y3 m* A+ Y& h& z; s, M, z+ [在粘片过程中，框架需要经过两次加热，若采用同样熔点的焊锡，则粘第二颗芯片时，会导致第一颗芯片焊锡的融化，从而导致位置偏移、焊锡厚度不均匀、增加气泡等问题。若采用更低熔点的焊锡粘接第二颗芯片，则会增加串联电阻，影响使用；
框架经过两次升降温，会造成物理机械性能上的影响，升温降温过程中的热胀冷缩可能会造成框架的变形，若变形量过大，影响第二次粘片后的过片，造成卡料而报废；框架头（IGBT芯片和快恢复二极管芯片所在位置）经过热胀冷缩后产生变形，造成注塑后露铜问题，在应用时可能会导致短路。
两台粘片设备会导致设备成本、能耗增加、占用厂房面积和操作人员的增加。
IGBT单管封装双芯片粘片工艺
6 D, D9 Q7 D- w1 X如果能在同一台粘片设备同时完成IGBT芯片和FRD芯片粘片，在框架上加热以后，同时在两个位置涂覆焊锡，然后将IGBT芯片和FRD芯片同时粘接上去，就可以避免传统粘片方式造成的问题：
3 Y' T/ Q  x# m, K" C$ Z  r两颗芯片同时粘，可以采用同样熔点的焊锡，粘第二颗芯片时不会引起第一颗芯片位置偏移，焊锡厚度均匀，空洞率低；
框架只经过一次升降温过程，不易因框架变形而影响第二颗粘片时的过片，造成卡料报废，不易使框架头变形，造成露铜问题；
( A' Z$ ?; z- r" t3 i8 _1 J1 n降低设备成本和能耗，提高生产效率；
  T7 z  m& e+ \0 i) r减少厂房占地面积和操作人员。
?
: i  n' T4 p0 ~" \& A  H( e5 b& {7 r图  双芯片粘片工艺流程
针对IGBT单管封装需求，立德智兴开发了双芯片粘片机，一台设备完成两台设备的功能并提高封装质量。双芯片粘片机可以一次性将IGBT芯片和FRD芯片粘接到框架上。如下图所示，粘片机设有一个中转工作台，位于FRD芯片的上方，通过摆臂机构将IGBT晶圆上的芯片转移到中转工作台上，然后用两个吸嘴同时吸取第二个晶圆上的FRD芯片以及中转工作台上的IGBT芯片，粘接到已经涂好焊锡的框架上，实现一次性将两颗芯片同时粘片。
?
?
图   双芯片粘片机独特的中转工作台设计
除了独特的中转工作台的设计之外，立德智兴在粘片机的上还有更多设计考虑，单台设备实现高效高质量IGBT封装粘片：
( h+ @2 @5 Y( t. g) ]9 k采用计算机控制的伺服电机系统，运用摆臂 三轴联动配合的方式，同时实现两种不同芯片的高精度键合功能；
优越的结构设计：两套独立芯片工作台机构，一次加热完成两颗不同类型芯片的粘片工艺；
7 t$ L! K4 @; F  Z3 O% t( D6 ?0 H4 x; L优越的过程控制：图像识别和自动寻位、θ角度修正技术，提高了粘片的灵活性、稳定性；
) j% ]( s7 R3 H可调气体保护：升级版多温区可调节气体保护装置；
- n. j; d% L0 r: x% Y( B# i( C可调焊接压力：音圈电机实现压力无级电动调节；
- V& w- Z) V; V# H$ F自动送料、过料、收料；
" p* Y/ E9 m1 H! |采用计算机控制，全中文操作界面，更精确、方便的操作；
2 M2 ^9 g" x4 X$ j# W" }支持Mapping文件；
. d: m% G/ N4 ]3 o合理的占地面积3.1M ?。
! [& v" q1 a' u6 O" v?
+ ?! l$ D! p9 }% ]9 `/ ?; l双芯片粘片机的主要量产性能：
生产速度UPH视具体产品来看，TO247为2000/小时，TO220为3000/小时；
固晶后实测粘片位置精度可以控制在±70μm，偏转角度控制在±2°以内；
焊锡层厚度在20μm-75μm范围内可调节，极差≤40μm；
整体空洞率＜5%，单个＜2%。
值得一提的是，为了能够达到高效、高精度的粘片工艺，立德智兴的双芯片粘片机采用了 1280×1024 像素的图像识别系统，识别精度可以做到±2μm，保证粘片的需求。
综合来看，立德智兴双芯片粘片机实现了一台设备完成两台的功能，提高封装质量，特别适合IGBT单管封装。
半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。
  E2 a$ W! f" n4 X5 E: g0 z  e

NJNU

IGBT器件比较火，关键是这个器件的用量太大了