引线键合是一种将芯片上的微小电极与外部电路连接起来的技术。作用是用金属丝将芯片电极与与DBC板进行连接,形成模块内部电连接。在IGBT模块中,引线键合的质量直接关系到模块的电气性能和可靠性。引线键合时要求键合线线径合适,长度相等;键合点连接牢固,分布均匀,满足通流要求等。

IGBT模块封装:国内引线键合设备企业介绍

从键合的原理来划分,有热压键合、超声键合和热超声键合三种类型。

  • 热压键合是引线在热压头的压力作用下,高温加热焊丝(>250ºC)发生形变,通过对时间、温度、压力的调控实现键合;

  • 超声键合是在室温下,在被焊接表面施加压力和超声频率的弹性振动,破坏被焊接件之间的氧化层,使两固态金属牢固键合;

  • 热超声键合是热压键合和超声键合的组合,可降低加热温度、提高键合强度,有利于器件的可靠性,应用最为广泛。

从键合工艺来划分,又分为球焊和楔焊,其中球焊键合的一焊点是由高压电弧放电将键合丝熔化,在表面张力的作用下形成球形,然后将球压焊到芯片的电极上,再从一焊点抽出弯曲的金线再压焊到相应的位置,形成二焊点。而楔焊是将两个楔形焊点压下形成连接,不需要烧球工艺。
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铜线or铝线?

在半导体封装领域,金属引线是连接芯片与外部电路的桥梁,直接影响芯片性能的发挥,因而引线键合的质量至关重要。金属丝的材料、直径、键合压力、键合时间以及键合温度等参数都会影响到键合质量。例如,金属丝的直径过大会增加寄生电感,影响模块的高频性能;而直径过小则会导致键合强度不足,降低模块的可靠性。因此,优化这些工艺参数是提高引线键合质量的关键。
目前,IGBT常用的键合线有铝线、铜线、铝包铜线等。
表1 引线键合工艺中常用键合线的材料属性
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铝线键合是目前工业上应用最广泛的一种芯片互连技术,铝线键合技术工艺十分成熟,且价格低廉。铝线根据直径的不同分为细锡线和粗铝线两种,直径小于100um的铝线被称为细铝线,直径大于100um小于500um的铝线被称为粗铝线。
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图 粗铝线键合
铜线比铝线的电阻率低,导电性能好,热导率比铝线高,散热性能好。铜线键合能够增强键合工艺的可靠性,特别是对高功率密度、高效散热的功率模块,铜线键合能够有效提升其功率循环能力。在新能源汽车碳化硅功率模块上,超声波铜线键合机有着更广泛的用武之地。但铜的硬度比铝大,导致键合时需要更高的超声能量和压力强度,容易造成基板机械损伤、虚焊等一系列问题。
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图 铜线键合
综合考虑铝线与铜线的优缺点,研发人员还研制了一种新型键合线,在铜线外层包裹一层厚度约为25~35μm的铝。由于其表面为铝材料,在键合时不需要事先对芯片表面进行化学电镀处理,提高了系统的可靠性。铝包铜线的导电性能和导热性能均比铝线要好,可增加键合引线的可靠性,提高IGBT功率模块的使用寿命。

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1. 上海骄成超声波技术股份有限公司

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https://www.sbt-sh.com/

骄成超声(股票代码:688392)是科创板功率超声设备第一股,上海交通大学背景,半导体解决方案涵盖引线键合机(Wire bonder)、IGBT/SiC模块端子超声焊、Pin针超声波焊接、超声波扫描显微镜(SAM/SAT)、超声波干式除尘(USC)等高端设备,并配套完善的耗材体系。

作为国家专精特新“小巨人”企业,骄成超声不仅掌握全套超声波底层技术,更在超声系统、换能器等核心部件上实现了全栈自研,助力客户从容应对下一代半导体封装的挑战。

尤为值得一提的是,骄成超声推出的新一代超声波楔焊解决方案,率先打破了国外技术壁垒,适用于8~20mil铜线、4~20mil铝线,以及最大80x8 mil的铜带与20x4至80x12mil的铝带的焊接需求。

骄成超声充分发挥自身在超声波技术方面的优势,综合机器视觉、运动控制、软件算法等多学科技术,使设备在键合精度、速度、力控精度及焊接线径范围等方面,已达到或接近行业顶尖水平,为封装企业提供了稳定、可靠的国产化替代方案,开启了超声波技术应用的新篇章。

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2. 安徽汉先智能科技有限公司

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http://www.hanxiantech.com/
安徽汉先智能科技有限公司是科威尔技术股份有限公司(股票代码:688551)的控股子公司,致力于为客户提供精准、便捷、高效的半导体封装设备及精密自动化解决方案。
汉先科技致力于半导体键合设备的国产替代,自主研制的M6000系列多功能引线键合机通过精密的机械结构和高度集成的硬件软件控制,实现引线和基板焊盘的精密连接,可用于金丝、铂金丝、铜丝、银丝、铝丝、金带等多种类型的引线键合。
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图 M6000系列多功能键合机

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3. 无锡奥特维科芯半导体技术有限公司

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https://www.wxautowell.com/

无锡奥特维科技股份有限公司(688516)成立于2021年,是光伏、锂电和半导体专业领域知名的智能装备制造商。奥特维科芯是奥特维集团全资子公司,专注于半导体行业高端设备的研发、设计、制造和销售,重点开发高速、高精度、更柔性的半导体封装设备,为集成电路、微波组件、高速光模块、MEMS传感器、摄像头模组、二极管、桥式整流器、热敏电阻、IGBT模块等领域客户提供最优封装解决方案。

公司 2018 年立项研发铝线键合机,2020 年键合机完成公司内验证,并在 2021 年年初开始在客户端试用,已获通富微电、德力芯、华润、中芯、泰昕微等客户订单。BM305A混合模块键合机是一款覆盖粗铝线、铝带、粗铜线工艺的楔形键合设备,广泛应用于IGBT、IPM、激光模块等功率模块。

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4. 格润智能装备(深圳)有限公司

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http://www.green-china.com/

格润智能是一家专注于自动化装联和半导体设备的高新技术企业。聚焦在3C电子、新能源、半导体三大领域,同时成立格润半导体、格润新能源、格润机器人、格润控股四家公司。格润智能为半导体行业提供键合机(铝线、铜线)设备:双头引线键合机GR-W02和粗线超声波键合机GR-W01,用于IGBT、智能功率模块和混合装配行业。

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图 双头引线键合机GR-W02

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5. 深圳市泰达智能装备有限公司

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http://www.teda-semi.com/

深圳市泰达智能装备有限公司是一家专注于功率半导体封装测试工艺的自动化公司。借力于IPhone产业链技术,拥有超过10年的自动化设备研发和生产经验。公司的WB200系列铝线键合机,可以应用于二极管,三极管,MOSFET等产品的生产。WB600系列铝线键合机,对标国外品牌,性能优越。WB100系列铝线键合机,主攻锂电池键合,电子行业键合等应用工艺。

Consis800车规级高端铝线键合机应用于车规级功率器件生产,具有高一致性和高稳定性。

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6. 宁波尚进自动化科技有限公司

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http://www.advancenb.com/

宁波尚进自动化科技有限公司成立于2015年,是一家专注研发制造半导体封装设备及工艺技术、精密自动化装备的国家高新技术企业。公司的主要产品有多功能引线键合机、全自动球引线键合机、TO系列全自动引线键合机、全自动深腔球引线键合机和全自动楔引线键合机等,主要应用在集成电路、分立器件、光通信器件、激光器件、微波组件、传感器、MEMS等领域。

针对通用市场、细分(IGBT)中高端应用领域,尚进自动化推出Taurus全自动粗丝键合机,焊线种类为铝线。

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图 键合效果
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作者 li, meiyong

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