一種無鉛擴散焊的功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種無鉛擴散焊的功率模塊，屬于半導(dǎo)體功率模塊的封裝領(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(dǎo)體封裝體，比如，封裝了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)芯片，或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)芯片的模塊。一些模塊也封裝有半導(dǎo)體二極管(D1DE)芯片以提供過壓保護(hù)。以上功率半導(dǎo)體芯片具有一系列電壓和電流等級，以適應(yīng)不同的場合或行業(yè)應(yīng)用。
[0003]一般地，除芯片之外，功率模塊還包括導(dǎo)熱絕緣直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)，基板，功率端子等部件，目前這些部件絕大部分是通過軟釬焊(Soft soldering)連接的，如芯片-DBC、DBC-基板之間焊接。
[0004]現(xiàn)在應(yīng)用中已需求更大的功率密度，相應(yīng)的芯片結(jié)溫可達(dá)175°C甚至200°C，而這就與熔化溫度約220°C的標(biāo)準(zhǔn)錫基軟釬焊料相矛盾。因為如果使用這種軟釬焊料焊接芯片，模塊工作時的芯片結(jié)溫與焊料熔化溫度將非常接近，同系溫度>0.8(同系溫度，homologoustemperature, TtjpZTmedt=Ttom),這將導(dǎo)致焊接層在熱應(yīng)力負(fù)載下很快就疲勞失效。
[0005]為了解決這個矛盾，至少有三種解決方案。一是使用熔化溫度更高的軟釬焊焊料。二是銀楽燒結(jié)技術(shù)(Ag paste sintering)。三是擴散焊接技術(shù)(diffus1n soldering)。一般地，熔化溫度更高的焊料通常是高鉛合金，但這與無鉛化的趨勢相矛盾，所以只能作為暫時的解決辦法。銀漿燒結(jié)技術(shù)是最近興起的一種新技術(shù)，很有發(fā)展前途，但目前看來，有幾個不足影響了其大規(guī)模應(yīng)用:材料成本高，待燒結(jié)界面需特殊處理，燒結(jié)參數(shù)極端(大壓力或長時間)，與現(xiàn)有軟釬焊工藝相差較大，需要投資購買新的設(shè)備等。
[0006]相比而言，擴散焊接技術(shù)與現(xiàn)有軟釬焊工藝相似，可以參考現(xiàn)有的工藝和設(shè)備，都是形成恪化溫度高的金屬間化合物(Intermetallics compounds, IMCs)。軟釬焊只是焊接界面形成薄的一層金屬間化合物，焊接層中間還是未反應(yīng)的焊料合金。而擴散焊接是整個焊接層都轉(zhuǎn)變成金屬間化合物，焊接層中沒有未反應(yīng)的焊料合金。根據(jù)選擇的芯片表面金屬和焊料材料，通常形成Ag-Sn，Cu-Sn或N1-Sn等金屬間化合物。這些金屬間化合物的熔化溫度可達(dá)4000C，甚至600°C以上。
[0007]由于焊接層的熔化溫度有了極大的提高，同系溫度〈0.65，減少熱應(yīng)力疲勞失效。提高了溫度和功率循環(huán)能力，提升了模塊的可靠性，即保持長期可靠的電氣、熱、機械連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)合理，制作工藝簡單，既能滿足無鉛環(huán)保要求，又能提高模塊的可靠性，減少熱應(yīng)力造成的疲勞失效，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染的無鉛擴散焊的功率模塊。
[0009]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，一種無鉛擴散焊的功率模塊，它主要包括:金屬化陶瓷襯底，半導(dǎo)體芯片，鍵合金屬線，第一焊接層，第二焊接層及基板，所述金屬化陶瓷襯底由第一金屬層、陶瓷層和第二金屬層通過金屬化陶瓷工藝制成，所述的第一焊接層和第二焊接層為片狀的復(fù)合焊片，由中間金屬層和兩邊焊料合金層復(fù)合而成；所述的半導(dǎo)體芯片通過第一焊接層的擴散軟釬焊接到金屬化陶瓷襯底上；所述的金屬化陶瓷襯底通過第二焊接層擴散軟釬焊接到基板上；所述半導(dǎo)體芯片通過鍵合金屬線電連接到金屬化陶瓷襯底的上面第一金屬層上。
[0010]所述復(fù)合焊片的中間金屬層是Ag或Cu，兩邊的焊料合金層是SnAg系或SnCu系；所述的金屬化陶瓷工藝包括直接鍵合銅工藝(DBC，或稱直接覆銅工藝)，活性金屬釬焊(AMB)工藝，或其它合適的工藝；所述的基板上連接有包圍模塊上半部分的外殼，并在外殼內(nèi)填充有包括硅凝膠或者硅凝膠、環(huán)氧雙層結(jié)構(gòu)之一的填充材料。
[0011]所述復(fù)合焊片兩邊焊料合金層通過派射(sputtering)、層壓(laminating)或電鍍(plating)方法與中間金屬層做成復(fù)合焊片；所述外殼包圍的模塊上部分包括:功率端子的一部分、鍵合金屬線、半導(dǎo)體芯片、第一焊接層、金屬化陶瓷襯底第二焊接層，且所述模塊的上部分被外殼內(nèi)的填充材料所覆蓋。
[0012]所述復(fù)合焊片的中間金屬層的厚度是25-125微米，兩邊焊料合金層的厚度是2.5-15微米，所述復(fù)合焊片的總厚度是30-155微米。
[0013]本發(fā)明使用擴散焊接技術(shù)，實現(xiàn)芯片與直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)之間完全生成金屬間化合物的焊接，其中焊接原材料是一種復(fù)合焊片，其中間一層是金屬如Ag，Cu，兩邊是焊料合金如SnAg系或SnCu系；待焊接表面金屬和復(fù)合焊片的焊料合金層完全轉(zhuǎn)變成金屬間化合物，復(fù)合焊片的中間一層金屬未熔化。典型的金屬間化合物如下:
Cu3Sn, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag6Sn5
焊接過程中，可施加助焊劑或在還原性氣氛下還原待焊接表面和復(fù)合焊片，以獲得良好的焊接性，形成可靠的焊點。若輔以抽真空，焊接層中的氣孔則進(jìn)一步減少，典型地氣孔率〈5%。
[0014]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)合理，制作工藝簡單，既能滿足無鉛環(huán)保要求，又能提高模塊的可靠性，減少熱應(yīng)力造成的疲勞失效，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染等特點。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明所述一個隱去外殼和端子后的模塊俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明所述一個復(fù)合焊片的橫截面視圖。
[0017]圖3是本發(fā)明所述陶瓷襯底上放置復(fù)合焊片和半導(dǎo)體芯片的固定框橫截面視圖。
[0018]圖4是本發(fā)明所述陶瓷襯底上固定框內(nèi)放置復(fù)合焊片的橫截面視圖。
[0019]圖5是本發(fā)明所述陶瓷襯底上固定框內(nèi)、復(fù)合焊片上放置半導(dǎo)體芯片的橫截面視圖。
[0020]圖6是本發(fā)明所述芯片-陶瓷襯底在擴散焊接后、移除固定框后半組裝體橫截面視圖。
[0021]圖7是本發(fā)明所述擴散焊接后組裝體的局部橫截面視圖。
[0022]圖8是本發(fā)明所述擴散焊接芯片、元件與陶瓷襯底后的俯視圖。
【具體實施方式】
[0023]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。圖1-8所示，本發(fā)明所述的一種無鉛擴散焊的功率模塊，它主要包括:金屬化陶瓷襯底020，半導(dǎo)體芯片014，鍵合金屬線006，第一焊接層018，第二焊接層024及基板008，所述金屬化陶瓷襯底020由第一金屬層020A、陶瓷層020B和第二金屬層020C通過金屬化陶瓷工藝制成，所述的第一焊接層018和第二焊接層024為片狀的復(fù)合焊片016，由中間金屬層016B和兩邊焊料合金層016A、016C復(fù)合而成；所述的半導(dǎo)體芯片014通過第一焊接層018的擴散軟釬焊接到金屬化陶瓷襯底020上；所述的金屬化陶瓷襯底020通過第二焊接層024擴散軟釬焊接到基板008上；所述半導(dǎo)體芯片014通過鍵合金屬線006電連接到金屬化陶瓷襯底020的上面第一金屬層020A上。
[0024]本發(fā)明所述復(fù)合焊片016的中間金屬層016B是Ag或Cu，兩邊的焊料合金層016A、016C是SnAg系或SnCu系；所述的金屬化陶瓷工藝包括直接鍵合銅工藝(DBC，或稱直接覆銅工藝)，活性金屬釬焊(AMB)工藝，或其它合適的工藝；所述的基板008上連接有包圍模塊上半部分的外殼002，并在外殼002內(nèi)填充有包括硅凝膠或者硅凝膠、環(huán)氧雙層結(jié)構(gòu)之一的填充材料026。
[0025]所述復(fù)合焊片016兩邊焊料合金層通過派射(sputtering)、層壓(laminating)或電鍍(plating)方法與中間金屬層做成復(fù)合焊片；所述外殼002包圍的模塊上部分包括:端子的一部分、鍵合線、半導(dǎo)體芯片、第一焊