無(wú)壓低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏封裝大功率igbt器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無(wú)壓低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法。將納米銀焊膏印刷在襯板的焊接面上，印刷的形狀呈十字架；將芯片放在已鋼網(wǎng)印刷成型的納米銀焊膏上；對(duì)加熱臺(tái)設(shè)置250℃-270℃溫度，進(jìn)行燒結(jié)成型。實(shí)現(xiàn)低于2％的孔洞率。用該方法封裝大功率IGBT模塊不僅可以提高模塊的使用性能，還可以簡(jiǎn)化封裝工藝，同時(shí)保證芯片的粘接強(qiáng)度(30MP以上)仍能滿足工作的使用需求以及保證焊膏層具有較低的孔洞率。同時(shí)，用該方法封裝的大功率IGBT模塊能有效的提高模塊的工作效率及使用壽命。
【專利說(shuō)明】無(wú)壓低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率電子器件封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種無(wú)壓低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]IGBT模塊主要應(yīng)用在直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。IGBT以其輸進(jìn)阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流器件。IGBT模塊已被廣泛應(yīng)用于UPS、感應(yīng)加熱電源、逆變焊機(jī)電源和電機(jī)變頻調(diào)速等電源領(lǐng)域，市場(chǎng)前景非常廣闊。
[0003]IGBT模塊作為電力電子系統(tǒng)的核心器件，它的性能參數(shù)直接決定著電力電子系統(tǒng)的性能和可靠性。而IGBT模塊芯片封裝的材料和質(zhì)量對(duì)IGBT模塊的散熱性能和可靠性有著重要的影響，因此，在IGBT模塊封裝制造過程中，不斷提升IGBT模塊DBC基板和芯片的焊接質(zhì)量，對(duì)提升IGBT模塊的散熱性能和可靠性有重要意義。
[0004]目前IGBT模塊芯片封裝使用的焊料合金，經(jīng)過回流，焊料完全溶解形成粘接。但是冷卻速率等的冷卻過程，對(duì)生成的焊點(diǎn)在其微觀組織和孔洞的出現(xiàn)方面都有直接的影響。而且，大功率IGBT模塊的工作溫度可達(dá)150°C以上，使用傳統(tǒng)的焊料合金會(huì)制約該功率模塊的高溫工作能力，成為大功率IGBT模塊應(yīng)當(dāng)?shù)囊淮笃款i。相對(duì)于焊料合金，納米銀焊膏具有高的熔點(diǎn)(9600C )，低的燒結(jié)溫度(2750C )，高的熱導(dǎo)率(240W.m-1.K-1)。而且，使用納米銀焊膏不僅可以提高芯片封裝的使用性能，還可以簡(jiǎn)化封裝工藝，同時(shí)保證芯片的粘接強(qiáng)度仍能滿足工作的使用需求以及保證焊膏層具有較低的孔洞率。因此，用納米銀焊膏代替焊料合金能夠更好的提高大功率IGBT模塊的工作效率及使用壽命。但是現(xiàn)有的封裝方法不能實(shí)現(xiàn)納米銀焊膏在無(wú)壓燒結(jié)過程中，芯片的連接層仍具有較低的孔洞率(低于2% ),成為急需解決的一個(gè)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是一種無(wú)壓低溫(250°C -270°C )納米銀焊膏封裝IGBT模塊的方法，通過用納米銀焊膏作為連接材料，可以實(shí)現(xiàn)制備的芯片燒結(jié)-連接層較低的孔洞率(低于2%)。在納米銀焊膏低溫?zé)Y(jié)-連接過程中，芯片連接無(wú)需使用壓力，節(jié)約制造成本
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種無(wú)壓低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法，芯片的連接在2500C -270°C下進(jìn)行；實(shí)現(xiàn)低于2%的孔洞率。
[0008]將納米銀焊膏印刷在襯板的焊接面上，印刷的形狀呈十字架；將芯片放在已鋼網(wǎng)印刷成型的納米銀焊膏上；對(duì)加熱臺(tái)設(shè)置250°C _270°C溫度，進(jìn)行燒結(jié)成型。
[0009]優(yōu)選IGBT芯片和二極管芯片焊接在襯板的焊接面上之前，采用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質(zhì)。
[0010]優(yōu)選納米銀焊膏十字架形狀的覆蓋面積占連接層總面積的30% -70%。
[0011]優(yōu)選在燒結(jié)之前，擠壓已鋼網(wǎng)印刷成型的納米銀焊膏，使得納米銀焊膏均勻的鋪展在芯片的下面。
[0012]優(yōu)選燒結(jié)曲線是從常溫升溫到250°C _270°C，然后保溫10min_30min，升溫速率的范圍是 3°C -5°C /min。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014]本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了納米銀焊膏對(duì)大功率IGBT模塊的低溫(250°C _270°C )、無(wú)壓和低孔洞率(低于2% )封裝。用該方法封裝大功率IGBT模塊不僅可以提高模塊的使用性能，還可以簡(jiǎn)化封裝工藝，同時(shí)保證芯片的粘接強(qiáng)度(30MP以上)仍能滿足工作的使用需求以及保證焊膏層具有較低的孔洞率(低于2%)。同時(shí)，用該方法封裝的大功率IGBT模塊能有效的提高模塊的工作效率及使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明納米銀焊膏封裝大功率IGBT模塊的流程圖；
[0016]圖2為本發(fā)明襯板的示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明基板的不意圖；
[0018]圖4為未安裝殼體的俯視結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖5為安裝殼體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]其中:1_襯板、2-基板、3-1GBT芯片、4-二極管芯片、5-粗鋁絲、6-電極、7_連接橋、8-管殼

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]碳化硅功率器件的封裝方法(參考圖1)，具體包括如下步驟:
[0023]步驟一、選擇鍍銀的覆銅陶瓷板作為襯板材料，該襯板材料具有較高的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)。見圖2，襯板I為長(zhǎng)方形。選擇鍍鎳的銅板作為基板材料，該基板材料具有很好的導(dǎo)熱性。見圖3，基板2為長(zhǎng)方形，略大于兩塊襯板I。采用超聲波清洗和等離子清洗的方法襯板I和基板2表面的雜質(zhì)。
[0024]步驟二、將大功率IGBT芯片和二極管芯片焊接在襯板I上。選用納米銀焊膏作為焊料，并采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將納米銀焊膏均勻涂在襯板I的焊接面上，采用燒結(jié)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率IGBT芯片3，二極管芯片4和襯板I的焊接。兩組大功率IGBT芯片和二極管芯片對(duì)稱焊接在襯板I的焊接面上。納米銀焊膏的印刷形狀呈十字架，其面積為對(duì)應(yīng)芯片面積的30 % -70 %。在燒結(jié)之前，芯片需要低的位移速率擠壓已鋼網(wǎng)印刷成型的納米銀焊膏，使得納米銀焊膏均勻的鋪展在芯片的下面。
[0025]步驟三、引線鍵合。采用粗鋁絲5實(shí)現(xiàn)大功率IGBT芯片3，二極管芯片4和襯板電極區(qū)連接。通過引線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)粗鋁絲5的一端與大功率IGBT芯片3和二極管芯片4連接，另一端與襯板I電極區(qū)連接。
[0026]步驟四、將襯板I焊接在鍍鎳的銅基板上，同時(shí)將電極6和連接橋7焊接在襯板I上。選用的電極6和連接橋7的材料為鍍銀的銅，具有較高的電導(dǎo)率和機(jī)械性。焊接時(shí)，將SAC305焊片放在基板2的焊接面上，同時(shí)用SAC305焊片將電極6和連接橋7的焊接面處包裹住并放在襯板的電極焊接區(qū)上，然后采用真空回流焊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接(見圖4)。
[0027]步驟五、涂膠，安裝管殼8，見圖5。涂抹的膠體采用的高溫環(huán)氧樹脂，它具有良好的耐高溫性能及機(jī)械支撐和絕緣作用；管殼8采用的DAP塑料制成，其軟化溫度達(dá)到260°C以上，且具有很好的熱循環(huán)能力和耐熱疲勞能力。
[0028]步驟六、填充密閉劑，固化和打彎。密閉劑選用雙組分硅膠，該硅膠在250 V能長(zhǎng)期保持彈性，且具優(yōu)良的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性。填充完密閉劑，將模塊放在真空干燥箱中，在150°C下保溫I小時(shí)以實(shí)現(xiàn)硅膠的固化。打彎采用專用模具將電極6彎折成型(見圖5)。
[0029]實(shí)例1:首先采用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質(zhì)。然后在襯板的焊接面上印刷十字架形狀的焊膏。當(dāng)十字架形狀的覆蓋面積占連接層總面積的30%時(shí)，貼上芯片并使得納米銀焊膏與芯片充分潤(rùn)濕直至焊膏均勻的鋪展在芯片的四周。此時(shí)，連接層的厚度為絲網(wǎng)印刷焊膏層厚度的30%。然后進(jìn)行燒結(jié):從常溫升溫到250°C _270°C，然后保溫10min-30min，升溫速率為3_5°C /min。進(jìn)行燒結(jié)成型后，孔洞率低于1%。
[0030]實(shí)例2:首先采用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質(zhì)。然后在襯板的焊接面上印刷十字架形狀的焊膏。當(dāng)十字架形狀的覆蓋面積占連接層總面積的50%時(shí)，貼上芯片并使得納米銀焊膏與芯片充分潤(rùn)濕直至焊膏均勻的鋪展在芯片的四周。此時(shí)，連接層的厚度為絲網(wǎng)印刷焊膏層厚度的50%。然后進(jìn)行燒結(jié):從常溫升溫到250°C，然后保溫30min，升溫速率為5°C /min。燒結(jié)成型后，孔洞率在I %到1.5%之間。
[0031]實(shí)例3:首先采用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質(zhì)。然后在襯板的焊接面上印刷十字架形狀的焊膏。當(dāng)十字架形狀的覆蓋面積占連接層總面積的70%時(shí)，貼上芯片并使得納米銀焊膏與芯片充分潤(rùn)濕直至焊膏均勻的鋪展在芯片的四周。此時(shí)，連接層的厚度為絲網(wǎng)印刷焊膏層厚度的70%。然后進(jìn)行燒結(jié):從常溫升溫到250°C，然后保溫30min，升溫速率為5°C /min。燒結(jié)成型后，孔洞率在1.5%到2%之間。
[0032]本發(fā)明的封裝方案操作簡(jiǎn)單，它具有很好的熱循環(huán)能力和耐熱疲勞能力，同時(shí)電氣連接性能也非常優(yōu)越，具有極高的推廣價(jià)值。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)壓低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法，其特征在于:將納米銀焊膏印刷在襯板的焊接面上，印刷的形狀呈十字架；將芯片放在已鋼網(wǎng)印刷成型的納米銀焊膏上；對(duì)加熱板設(shè)置250°C -270°C溫度，進(jìn)行燒結(jié)成型。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是IGBT芯片和二極管芯片焊接在襯板的焊接面上之前，采用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是納米銀焊膏十字架形狀的覆蓋面積占連接層總面積的30% -70%。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在燒結(jié)之前，擠壓已鋼網(wǎng)印刷成型的納米銀焊膏，使得納米銀焊膏均勻的鋪展在芯片的下面。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是燒結(jié)曲線是從常溫升溫到250°C-270°C，然后保溫10min-30min,升溫速率的范圍是3°C _5°C /min。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是芯片的連接在250°C-270°C下進(jìn)行；孔洞率低于2%。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK104392942SQ201410619936
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】梅云輝, 付善燦, 陸國(guó)權(quán) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)