一種軟釬焊的焊片和功率模塊組裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種軟釬焊的焊片和功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，所述的軟釬焊的焊片，它主要由片狀焊料組成，其特征在于所述的片狀焊料中含有熔點在軟釬焊溫度以上的金屬或其合金顆粒；所述功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，所述功率模塊包括：芯片，金屬化陶瓷襯底（如DBC），散熱基板，其特征在于所述芯片通過焊接在所述金屬化陶瓷襯底的上表面銅層上，并形成功率模塊的第一層焊接體；所述第一層焊接體通過軟釬焊的焊片焊接到散熱基板上，形成第二層焊接體，且所述軟釬焊的焊片中的金屬顆粒厚度或直徑小于第一層焊接體與散熱基板之間形成的焊接層厚度；由于焊料層中金屬顆粒的存在，客觀上起到了阻止焊料裂紋擴展的作用，將顯著提高連接的質(zhì)量和可靠性。
【專利說明】一種軟釬焊的焊片和功率模塊組裝結(jié)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種軟釬焊的焊片和功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，屬于電力電子功率模塊的封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]功率模塊是在功率電子電路上使用的半導體封裝體，比如，封裝了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)芯片和/或半導體二極管(DIODE)芯片的模塊，以適應不同的場合或行業(yè)應用。
[0003]一般地，除芯片之外，功率模塊還包括直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)，散熱基板，功率端子等部件，目前這些部件通常是通過軟釬焊(Soldering)連接的，如芯片_DBC、DBC_散熱基板之間焊接。
[0004]功率模塊工作時電流密度大，發(fā)熱大，模塊溫度升高，不工作時溫度則下降。而芯片、直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)、散熱基板一般是由熱膨脹系數(shù)不同的材料制造的，差值往往高達ΖχΚ^-ΙδχΚΤ/Τ1。所以，在功率模塊應用中，軟釬焊層要承受溫度循環(huán)和熱膨脹系數(shù)失配帶來的應力，特別是介于直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)和散熱基板之間的第二焊接層易產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展導致焊料收縮，導熱面積減小，熱阻增加，使功率模塊溫度增加，最終縮短模塊壽命甚至損壞模塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在不足，而提供一種可有效控制焊料厚度、阻止裂紋擴展，極大地提高焊接可靠性的一種軟釬焊的焊片和功率模塊組裝結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，所述軟釬焊的焊片，它主要由片狀焊料組成，所述的片狀焊料中含有熔點在軟釬焊溫度以上的金屬或其合金顆粒。
``[0007]所述的片狀焊料的厚度在100-400微米，所述片狀焊料包括液相線溫度在150-4500C 的合金焊料，由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素組成，包括 SnAg, SnAgCu, SnSb, SnPb 合金。
[0008]所述片狀焊料中金屬顆粒的金屬包括熔點大于450°C的Ni, Cu, Ag, Au及其合金。
[0009]所述的金屬顆粒形狀主要是球狀或類球狀，其直徑或厚度小于片狀焊料的厚度。
[0010]一種如上所述軟釬焊的焊片制備方法，該制備方法包括:將一定數(shù)量的金屬顆粒添進熔融的焊料合金中，經(jīng)充分攪拌后，冷卻、再經(jīng)軋制、沖壓或分切后制成成品。
[0011]一種使用如上所述軟釬焊的焊片的功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，所述功率模塊包括:芯片，金屬化陶瓷襯底(如DBC)，散熱基板，所述芯片通過焊接在所述金屬化陶瓷襯底的上表面銅層上，并形成功率模塊的第一層焊接體；所述第一層焊接體通過軟釬焊的焊片焊接到散熱基板上，形成第二層焊接體，且所述軟釬焊的焊片中的金屬顆粒厚度或直徑小于第一層焊接體與散熱基板之間形成的焊接層厚度
所述的焊接包括在真空環(huán)境與還原性氣體環(huán)境中進行的焊接，其中的真空環(huán)境包括真空度范圍是相對壓強O-1OOOmbar，所述還原氣體環(huán)境包括氫氣、氮氣的混合氣體，或甲酸、氮氣的鼓泡混合氣體。
[0012]本發(fā)明所述含有金屬顆粒的焊片，主要用于功率模塊封裝，由于在釬焊的最高溫度下(<450°C)金屬顆粒也不熔化，所以焊接層厚度大于等于金屬顆粒的直徑或高度，即該特殊結(jié)構(gòu)能控制焊料層的厚度，使焊料層更加均勻；由于焊料層中金屬顆粒的存在，客觀上起到了阻止焊料裂紋擴展的作用，將顯著提高連接的質(zhì)量和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明所述軟釬焊的焊片的橫截面示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明所述第一層焊接體的橫截面示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明所述第二層焊接體的橫截面示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明所述絕緣導熱的直接鍵合銅陶瓷襯底的橫截面示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細的介紹:圖1所示，本發(fā)明所述軟釬焊的焊片，它主要由片狀焊料5組成，所述的片狀焊料5中含有熔點在軟釬焊溫度以上的金屬或其合金顆粒5a。
[0018]所述的片狀焊料5的厚度在100-400微米，所述片狀焊料5包括液相線溫度在150-4500C 的合金焊料，由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素組成，包括 SnAg, SnAgCu, SnSb, SnPb 合金。
[0019]所述片狀焊料5中金屬顆粒5a的金屬包括熔點大于450°C的Ni，Cu，Ag，Au及其合金。所述的金屬顆粒形狀主要是球狀或類球狀，其直徑或厚度小于片狀焊料的厚度。
[0020]一種如上所述軟釬焊的焊片制備方法，該制備方法包括:將一定數(shù)量的金屬顆粒5添進熔融的焊料合金5b中，經(jīng)充分攪拌后，冷卻、再經(jīng)軋制、沖壓或分切后制成成品。所述的焊料合金可以是現(xiàn)有常規(guī)的釬焊料。
[0021]圖2-4所示，一種使用如上所述軟釬焊的焊片的功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，所述功率模塊包括:芯片1、2，金屬化陶瓷襯底(如DBC)4，散熱基板6，所述芯片1、2分別為二極管芯片I和IGBT芯片2，它們分別焊接在所述金屬化陶瓷襯底4的上表面銅層上，并形成功率模塊的第一層焊接體100 ;所述第一層焊接體100通過軟釬焊的焊片5焊接到散熱基板6上，形成第二層焊接體200，且所述軟釬焊的焊片5中的金屬顆粒5a厚度或直徑小于第一層焊接體100與散熱基板6之間形成的焊接層厚度。
[0022]所述的焊接包括在真空環(huán)境與還原性氣體環(huán)境中進行的焊接，其中的真空環(huán)境包括真空度范圍是相對壓強O-lOOOmbar，所述還原氣體環(huán)境包括氫氣、氮氣的混合氣體，或甲酸、氮氣的鼓泡混合氣體；在真空和還原性氣氛下回流焊接，可得到氣孔率小于5%的模塊；如使用易軟釬焊金屬顆粒的焊片，既不增加額外的氣孔，又能顯著提高焊料層的可靠性。
[0023]實施例:
本發(fā)明提供一種利用含有金屬顆粒的焊片組裝功率模塊，金屬顆?？蛇x擇易焊材料，其直徑小于焊片的厚度，釬焊時金屬顆粒不熔化，所以能控制焊料層的厚度，使焊料層更加均勻，并阻止焊料層中裂紋的擴展，這些優(yōu)點將顯著提高連接的可靠性。
[0024]圖2示出了在直接鍵合銅陶瓷襯底4的上表面銅層4a上焊接IGBT芯片I和二極管芯片2后的橫截面視圖。第一焊接層3是用于連接芯片I或2和直接鍵合銅陶瓷襯底4的，提供一個基本的電氣、熱、機械連接。所以形成一個功率電子模塊的第一層焊接體100。
[0025]圖3是第一層焊接體100通過特殊結(jié)構(gòu)焊片5焊接到散熱基板6上，形成第二層焊接體200。焊接后的第二焊接層5即是特殊的焊接層，其中的金屬顆粒5a的厚度或直徑略小于第二焊接層5b的厚度，可控制焊接層厚度不均勻，同時，嵌入的金屬顆粒5a可阻止裂紋的擴展，極大地提高了焊料層5抗溫度循環(huán)的能力，顯著提高了功率模塊的可靠性。
[0026]圖4示出了絕緣導熱的直接鍵合銅陶瓷襯底4的橫截面視圖。直接鍵合銅陶瓷襯底4是由上表面銅層4a、絕緣導熱的陶瓷4b、下表面銅層4c燒結(jié)鍵合成的一個整體結(jié)構(gòu)。直接鍵合銅陶瓷襯底4已廣泛應用于功率模塊的封裝上。
【權(quán)利要求】
1.一種軟釬焊的焊片，它主要由片狀焊料組成，其特征在于所述的片狀焊料中含有熔點在軟釬焊溫度以上的金屬或其合金顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟釬焊的焊片，其特征在于所述的片狀焊料的厚度在100-400微米，所述片狀焊料包括液相線溫度在150-450°C的合金焊料，由Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素組成，包括 SnAg, SnAgCu, SnSb, SnPb 合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的軟釬焊的焊片，其特征在于所述片狀焊料中金屬顆粒的金屬包括熔點大于450°C的Ni，Cu，Ag，Au及其合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的軟釬焊的焊片，其特征在于所述的金屬顆粒形狀主要是球狀或類球狀，其直徑或厚度小于片狀焊料的厚度。
5.一種如根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述軟釬焊的焊片制備方法，其特征在于該制備方法包括如下步驟: 它是將一定數(shù)量的金屬顆粒添進熔融的焊料合金中，經(jīng)充分攪拌后，冷卻、再經(jīng)軋制、沖壓或分切后制成成品。
6.一種使用如權(quán)利要求1或2或3或4所述軟釬焊的焊片的功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，所述功率模塊包括:芯片，金屬化陶瓷襯底(如DBC)，散熱基板，其特征在于所述芯片通過焊接在所述金屬化陶瓷襯底的上表面銅層上，并形成功率模塊的第一層焊接體；所述第一層焊接體通過軟釬焊的焊片焊接到散熱基板上，形成第二層焊接體，且所述軟釬焊的焊片中的金屬顆粒厚度或直徑小于第一層焊接體與散熱基板之間形成的焊接層厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用軟釬焊的焊片的功率模塊組裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的焊接包括在真空環(huán)境與還原性氣體環(huán)境中進行的焊接，其中的真空環(huán)境包括真空度范圍是相對壓強Ο-lOOOmbar，所述還原氣體環(huán)境包括氫氣、氮氣的混合氣體，或甲酸、氮氣的鼓泡混合氣體。
【文檔編號】H01L25/07GK103769764SQ201410034621
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月25日
【發(fā)明者】胡少華 申請人:嘉興斯達半導體股份有限公司