双芯片粘片工艺实现IGBT单管优质高效封装

半导体实验室

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$ V. i% Q; R! y) V4 YIGBT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。
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IGBT应用方式和封装要求
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。
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+ u6 T& ~4 V' ~  E/ n* u  `* J3 J  |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。
" `  h3 m0 ]: CIGBT单管封装粘片工艺及其问题
  f; ?) W7 m: S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。
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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。
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图  传统IGBT单管封装粘片工艺流程
传统的IGBT单管封装粘片工艺方法存在一些问题：
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；
( C# v( A" B4 s  J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。
1 o, s1 e# h: i0 }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
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：
1 z! c" b# G+ q, @! H* Q2 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；
1 \0 t: ~  z8 a, j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；
) k7 l3 T$ M" P. h$ X7 j4 h  S降低设备成本和能耗，提高生产效率；
4 K9 `/ a$ I1 D! y# ?8 E7 Q; d减少厂房占地面积和操作人员。
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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。
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图   双芯片粘片机独特的中转工作台设计
0 }. s9 V- T1 A! P  P4 W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：
* i+ S4 G: c: {3 [7 J& C+ Q$ U+ V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；
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；
  Q3 q+ }+ b4 u9 t6 w可调气体保护：升级版多温区可调节气体保护装置；
/ O! n* P8 x/ e可调焊接压力：音圈电机实现压力无级电动调节；
, M# @" O% c. w. Y4 u, ]$ R自动送料、过料、收料；
; p! y6 \( ]( z: A采用计算机控制，全中文操作界面，更精确、方便的操作；
+ x  F% V' @9 ~支持Mapping文件；
. I* e2 D0 w' s$ _) v- a合理的占地面积3.1M ?。
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双芯片粘片机的主要量产性能：
- ]4 T* y: c0 Z% |5 H! n; R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；
6 |' J3 G& o) {: I$ d( p$ u/ ^焊锡层厚度在20μm-75μm范围内可调节，极差≤40μm；
& L8 b& v2 @( j0 O  T! r; n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。
  I1 V# V5 u7 D9 Q; \" ^4 ?) O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。
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IGBT器件比较火，关键是这个器件的用量太大了