專利名稱：：金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其鍵合方法金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電子元件
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其鍵合方法。
背景技術(shù)：
：場(chǎng)效應(yīng)管(FieldEffectTransistor)是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)管體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)，并具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍廣。在場(chǎng)效應(yīng)管的加工制造過程中，鍵合是一道重要的工藝工序，它是將芯片上的焊點(diǎn)(PAD)與引線框架(LEADFRAME)進(jìn)行導(dǎo)通連接。傳統(tǒng)上，通常采用金線球焊接或常溫超聲焊接兩種方法進(jìn)行鍵合。其中因?yàn)殇X線在高壓電流打火下不容易形成球，所以只能采取常溫超聲焊接；而金線因?yàn)槠渥陨砭哂袑?dǎo)電性能好、硬度小、耐酸、耐腐蝕、不易氧化、易成球的物理特性，廣泛應(yīng)用于球焊接。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的應(yīng)用電流比較大，如果采用金線球焊法，故需用比較粗的金線鍵合，因?yàn)榻鸨容^昂貴，于是就產(chǎn)生一個(gè)問題，用此方法生產(chǎn)此MOSFET的成本非常之高。如果使用鋁線超聲鍵合，因?yàn)殇X線的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)不如金，所以此方法相比于金線需要更粗的鋁線，如今，大部分MOSFET的加工采用這種辦法。但是由于鍵合粗鋁線的自動(dòng)設(shè)備效率很低，且價(jià)格昂貴，對(duì)于很多小企業(yè)來說根本無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)，于是部分企業(yè)都采用人工手動(dòng)鍵合，而用人工鍵合的產(chǎn)品雖然不需要昂貴的設(shè)備但是同樣效率低并且可靠性沒有自動(dòng)鍵合的高。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)的鍵合方法產(chǎn)生的成本高或者效率低的問題，提供一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的4建合方法。此外，還提供了一種使用上述方法制造的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。為解決上述技術(shù)問題，提出了以下技術(shù)方案一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法包括如下步驟對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行預(yù)熱處理；使用電打火的方式將銅線靠近芯片的一端熔化成焊球；將焊球與芯片的焊點(diǎn)接觸并施加超聲與壓力將焊球焊接在所述芯片上；使用超聲與壓力將銅線的另一端焊接在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的框架上。其中，還包括在所述焊球的周圍通保護(hù)氣體的步驟，所述銅線的線尾位于通保護(hù)氣體的氣嘴的中心偏上位置。其中，所述保護(hù)氣體為氫氮比為0.05-0.2的氫氮混合氣體，流量為0.2-1.0L/min。其中，所述電打火的打火電流為120-180mA，隔空電壓為4500-7000V，打火時(shí)間為1500-2500nS。其中，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括搜索芯片上的焊點(diǎn)的步驟，在搜索芯片上的焊點(diǎn)的過程中所述超聲功率P的數(shù)值為10-30,其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數(shù)值為15-80,壓力為60-180g，持續(xù)時(shí)間為2-15ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數(shù)值為40-100,壓力為80-180g，持續(xù)時(shí)間為15-45ms,其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數(shù)值為0-85，壓力為200-280g，持續(xù)時(shí)間為3醫(yī)15ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。其中，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數(shù)值為卯-180,壓力為180-360g，持續(xù)時(shí)間為20-40ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括芯片、框架及焊接在所述芯片及框架之間以電連接所述芯片及框架的銅線，所述銅線釆用上述任意一項(xiàng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法焊接在所述芯片及框架之間。上述金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其鍵合方法中采用了銅絲焊接，由于銅絲的導(dǎo)電性能優(yōu)良于金及鋁，用銅絲替代金絲可以降低成本，并且相對(duì)于鍵合較粗的鋁絲的自動(dòng)設(shè)備，鍵合銅絲的效率可以大幅度的提高。圖1為銅線鍵合設(shè)備的示意圖2為銅線鍵合過程的焊頭、工作臺(tái)、功率、壓力的控制曲線示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，在以下的實(shí)施方式中，采用銅線替換傳統(tǒng)的金線或者鋁線，達(dá)到降低成本及加工難度的目的。銅有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是它的導(dǎo)電性能優(yōu)良于金更是遠(yuǎn)高與鋁，因此，可以減少銅線的用量，以降低原材料使用的成本。通過計(jì)算，鍵合一個(gè)MOSFET需要用3mil的銅線6根，分別是柵極(G)l根，源極(S)5根。由于銅的價(jià)格相對(duì)金的價(jià)格低廉很多，因此，可以大幅度的降低原材料成本。但是，銅相對(duì)于金具有硬度大，易氧化的特點(diǎn)，在加工制造的過程中會(huì)給鍵合帶來一定的困難，下面結(jié)合的MOSFET鍵合方法進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，MOSFET包括芯片110及框架120。鍵合設(shè)備包括打火桿210、焊頭220及氣嘴230。鍵合設(shè)備將銅線310鍵合在芯片110與框架120上，實(shí)現(xiàn)芯片110與框架120的電連接。打火桿210用于產(chǎn)生高壓和大電流使銅線310的線尾312，即銅線靠近芯片110的一端產(chǎn)生高溫熔化成焊球。本實(shí)施例中，對(duì)MOSFET進(jìn)行預(yù)熱處理，在環(huán)境溫度為200攝氏度左右，打火桿210的打火參數(shù)為打火電流(EFOCurrent)120-180mA,隔空電壓(GapVoltage)4500-7000V，打火時(shí)間(EFOTime)1500-2500MS。焊頭220包括劈刀222及換能桿224。換能桿224用于在焊接的過程中將電能轉(zhuǎn)化為超聲，本實(shí)施方式中，超聲的頻率為138KHz。劈刀222用于夾持銅線310、使銅線310產(chǎn)生向芯片IIO的壓力及移動(dòng)銅線。打火桿210輸出高壓對(duì)劈刀222下的銅線310通過作用一定的時(shí)間和電流，形成一個(gè)特定的焊^1。然后劈刀222下降到芯片110的焊點(diǎn)(PAD)上，設(shè)備輸出能量通過換能桿224轉(zhuǎn)化為超聲，此超聲配合上焊頭220往下的壓力，作用上一定的時(shí)間，將焊球粘連到芯片IIO表面的焊接點(diǎn)。由于銅具有易氧化的特點(diǎn)，特別是在高溫熔化的狀態(tài)下更容易加速氧化，因此在劈刀222的一側(cè)設(shè)置氣嘴230,在焊球的周圍通保護(hù)氣體。安裝時(shí)，使銅線尾312位于氣嘴230的出氣口的中心偏上位置，這樣才能形成良好的軟性的銅球。本實(shí)施方式中，氣嘴230內(nèi)口徑為3mm,氣嘴內(nèi)通上氬氮比為0.05-0.2的氬氮混合氣體，流量為0.2-1.0L/min，最佳流量為0.6L/min，以保護(hù)形成的銅球不被氧化。氬氮混合氣體中的氬氣起還原作用，氮?dú)鉃榕趴昭鯕庾饔谩１Ｗo(hù)氣體也可以采用高純度的氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w。當(dāng)然，如果在真空環(huán)境或者無氧氣環(huán)境生產(chǎn)，可以不需要保護(hù)氣體。一根銅線有兩個(gè)坪點(diǎn)，其中，一焊在芯片110上，二焊在框架120上，只有一焊和二焊都符合要求，才能實(shí)現(xiàn)芯片110與框架120的電連接。為使鍵合后的產(chǎn)品質(zhì)量合格必須保證二焊牢固無虛焊，更重要的是一焊既要牢固無虛焊，同時(shí)要保證芯片無損傷。由于一焊在芯片110上進(jìn)^"，芯片IIO如果受過大的壓力和超聲功率，容易受損而降低產(chǎn)品的良率。因此，在一焊的過程中需要打火桿210產(chǎn)生焊球。而二焊在框架120上進(jìn)行，框架120通常為金屬材料，可以承受較大的壓力和超聲功率，因此，一般不需打火桿210產(chǎn)生悍球。當(dāng)然，在二焊的過程中也可以產(chǎn)生焊球。焊接一根銅線是一個(gè)時(shí)間，壓力，功率共同作用，并且由帶動(dòng)MOSFET的工作臺(tái)及帶動(dòng)銅線310的焊頭220配合動(dòng)作的過程。如圖2所示，曲線22表示焊頭220在豎直方向(Z方向，即遠(yuǎn)離/靠近MOSFET的方向)的運(yùn)動(dòng)。曲線22在水平線下方表明焊頭220往下(靠近MOSFET的方向)運(yùn)動(dòng)，水平線上方則往上(遠(yuǎn)離MOSFET的方向)動(dòng)作。在水平線下方，曲線22還往下則表示為焊頭220加速往下；在水平線下方，曲線往上則表明焊頭220往下減速運(yùn)動(dòng)。同理，在水平線上方，曲線還往上則是往上加速過程；水平線上方，曲線往下則表明焊頭220往上減速。曲線22在水平線上則表示焊頭220在Z方向靜止。曲線24表示工作臺(tái)在水平面方向(X、Y方向)的運(yùn)動(dòng)過程。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)主要用于切換不同的焊點(diǎn)以完成一焊和二焊；焊頭220的運(yùn)動(dòng)主要用于將銅線310分別與芯片110或4匡架120接觸。X、Y、Z三個(gè)方向的動(dòng)作相互配合，使其完成焊接的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。再配合上換能桿224產(chǎn)生的超聲功率與劈刀222產(chǎn)生的壓力完成一條線的焊接，圖2中曲線26及曲線28及分別表示功率和壓力的變化情況。將曲線22、24、26、28分成14個(gè)區(qū)間，如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上表中功率P的數(shù)值是為了表示和設(shè)置方便，其實(shí)際功率值為(P/255)2*3.2瓦。當(dāng)然功率、壓力、時(shí)間參數(shù)之間是相輔相成的關(guān)系，P為可調(diào)節(jié)值，范圍從0到255。為了表示和設(shè)置方便，表中壓力的單位為克(g)，時(shí)間的單位為毫秒(ms)。區(qū)間1之前，工作臺(tái)會(huì)移動(dòng)MOSFET到預(yù)定位置。區(qū)間1為MOSFET到達(dá)預(yù)定位置后，焊頭220下降至第一焊點(diǎn)的搜索高度。在該區(qū)間內(nèi)，焊頭220以較快的速度，移動(dòng)到第一焊點(diǎn)的搜索高度，該搜索高度離芯片110的焊點(diǎn)較近。區(qū)間2為第一焊點(diǎn)的搜索。在該區(qū)間內(nèi)，焊頭220以較慢的速度移動(dòng)，直到熔化的銅球接觸到芯片110的焊點(diǎn)。將焊頭220的移動(dòng)分成區(qū)間1及區(qū)間2的目的在于，防止在過快的移動(dòng)過程中碰到芯片110而損傷芯片110，而區(qū)間1中的搜索高度是不會(huì)碰觸到芯片110的。在區(qū)間2中，超聲功率為10-30。區(qū)間3為第一焊點(diǎn)接觸階段。在該區(qū)間內(nèi)，焊頭220停止移動(dòng)，焊球與焊點(diǎn)接觸，超聲功率為15-80,焊頭施加的壓力為60-180g，區(qū)間3的持續(xù)時(shí)間為2國15ms。區(qū)間4為第一焊點(diǎn)焊接階段。在該區(qū)間內(nèi)，提高功率與壓力，并延長(zhǎng)時(shí)間，以將銅線310焊接在芯片上。本實(shí)施方式中，超聲功率為40-100，焊頭施加的壓力為80-180g，區(qū)間4的持續(xù)時(shí)間為15-45ms。區(qū)間5，焊頭220從焊接完一焊點(diǎn)處上升到返回高度，返回高度可以根據(jù)需要設(shè)置。區(qū)間6,焊頭220靜止，由工作臺(tái)移動(dòng)，使焊頭220相對(duì)MOSFET移動(dòng)一個(gè)返回距離，返回距離可以根據(jù)需要設(shè)置。區(qū)間7,焊頭220沿Z方向繼續(xù)上升，上升距離為需要的整條焊線的長(zhǎng)度。該焊線的長(zhǎng)度足以連接芯片110的焊點(diǎn)與MOSFET的框架120。'區(qū)間8,焊頭220靜止，由工作臺(tái)移動(dòng)，使焊頭220相對(duì)MOSFET移動(dòng)。區(qū)間9至區(qū)間12中，焊頭220的移動(dòng)與區(qū)間l至區(qū)間4的移動(dòng)類似，只是速度與距離有所不同。在區(qū)間9至區(qū)間10中，工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)4吏得焊頭220到達(dá)框架120需要焊接的位置。各區(qū)間的功率、壓力及時(shí)間如表中所示。對(duì)比第二焊點(diǎn)與第一焊點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，第二焊點(diǎn)的功率、壓力及時(shí)間都大于第一焊點(diǎn)的功率、壓力及時(shí)間。二焊的過程可以不需要形成焊球，因此表中關(guān)于二焊的接觸、焊接為銅線直接與框架120接觸、焊接。區(qū)間13中，焊頭220上升，預(yù)留尾線長(zhǎng)度。區(qū)間14中，焊頭220上升，工作臺(tái)移動(dòng)，回到初始位置。區(qū)間1到區(qū)間14所花費(fèi)的時(shí)間就是焊接一條線的時(shí)間。焊接完成后，銅線成為MOSFET的一部分，即TrenchMOSFE包括芯片110、框架120及焊接在芯片110及框架120之間以電連接芯片110及框架120的銅線310。上述功率及壓力參數(shù)是通過多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)及理論分析獲得，測(cè)試表明，采用上述參數(shù)焊接獲得的MOSFET工作穩(wěn)定可靠。上述金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其鍵合方法中采用了銅絲焊接，由于銅絲的導(dǎo)電性能優(yōu)良于金及鋁，用銅絲替代金絲可以降低成本，并且相對(duì)于鍵合較粗的鋁絲的自動(dòng)設(shè)備，鍵合銅絲的效率可以大幅度的提高。傳統(tǒng)的使用鋁絲時(shí)的產(chǎn)量效率為4-5萬/24小時(shí)，而本實(shí)施方式使用銅絲時(shí)的效率為6-7萬/24小時(shí)。銅線鍵合設(shè)備為傳統(tǒng)的鋁線自動(dòng)鍵合設(shè)備一年的折舊費(fèi)用的25°/。以下，從而降低整個(gè)產(chǎn)品的成本。另外考慮金屬間的生長(zhǎng)，銅與鋁合金焊盤鍵合后不容易產(chǎn)生金屬間生長(zhǎng)，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品使用或者放置一段時(shí)間(通常是一年以上)，焊接點(diǎn)與芯片不容易產(chǎn)生金屬間化合物，因此產(chǎn)品在放置和使用一段時(shí)間后也不容易失效。因此銅線鍵合生產(chǎn)的產(chǎn)品可靠性高。上述鍵合方法突破了傳統(tǒng)的銅絲球焊不能用于MOSFET的工藝禁區(qū)。以上所迷實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。權(quán)利要求1、一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，包括如下步驟對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行預(yù)熱處理；使用電打火的方式將銅線靠近芯片的一端熔化成焊球；將焊球與芯片的焊點(diǎn)接觸并施加超聲與壓力將焊球焊接在所述芯片上；使用超聲與壓力將銅線的另一端焊接在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的框架上。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，還包括在所述焊球的周圍通保護(hù)氣體的步驟，所述銅線的線尾位于通保護(hù)氣體的氣嘴的中心偏上位置。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體為氫氮比為0.05-0，2的氫氮混合氣體，流量為0.2-1.0L/min。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述電打火的打火電流為120-180mA,隔空電壓為4500-7000V，打火時(shí)間為1500-2500iaS。5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括搜索芯片上的焊點(diǎn)的步驟，在搜索芯片上的焊點(diǎn)的過程中所述超聲功率P的數(shù)值為10-30，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數(shù)值為15-80,壓力為60-180g，持續(xù)時(shí)間為2-15ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將焊球焊接在所述芯片上的步驟中包括焊球與芯片的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數(shù)值為40-100，壓力為80-180g，持續(xù)時(shí)間為15-45ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的接觸階段，在接觸階段中超聲功率P的數(shù)值為0-85，壓力為200-280g,持續(xù)時(shí)間為3-15ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法，其特征在于，所述將銅線的另一端焊接在框架上的步驟中包括銅線與框架的焊接階段，在焊接階段中超聲功率P的數(shù)值為90-180，壓力為180-360g,持續(xù)時(shí)間為20-40ms，其中，超聲功率的計(jì)算方式為(P/255)2*3.2瓦。10、一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括芯片及框架，其特征在于，還包括焊接在所述芯片及框架之間以電連接所述芯片及框架的銅線，所述銅線采用權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法焊接在所述芯片及框架之間。全文摘要一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管鍵合方法包括如下步驟對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行預(yù)熱處理；使用電打火的方式將銅線靠近芯片的一端熔化成焊球；將焊球與芯片的焊點(diǎn)接觸并施加超聲與壓力將焊球焊接在所述芯片上；使用超聲與壓力將銅線的另一端焊接在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的框架上。上述金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其鍵合方法中采用了銅絲焊接，由于銅絲的導(dǎo)電性能優(yōu)良于金及鋁，用銅絲替代金絲可以降低成本，并且相對(duì)于鍵合較粗的鋁絲的自動(dòng)設(shè)備，鍵合銅絲的效率可以大幅度的提高。上述鍵合方法突破了傳統(tǒng)的銅絲球焊不能用于MOSFET的工藝禁區(qū)。此外，還提供了一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。文檔編號(hào)B23K20/10GK101388352SQ20081021704公開日2009年3月18日申請(qǐng)日期2008年10月22日優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日發(fā)明者廖志強(qiáng),楠譚,賴輝朋申請(qǐng)人:深圳市晶導(dǎo)電子有限公司