提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法技术

本发明专利技术公开了一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，该结构包括：衬板、基板、焊层和支点阵列。衬板和基板之间通过焊层连接，在焊层中设置有支点阵列。本发明专利技术通过在焊层中设置支点阵列能够有效地增加焊层在回流焊接过程中的流动性，解决现有功率电子模块封装在大面积回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术问题，同时能够改善焊层内部空洞率及非连续性焊点，降低功率电子模块的热阻，工艺简单、成本低廉，且可操作性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子器件封装领域，尤其是涉及一种应用于功率半导体模块封装的提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法。
技术介绍
目前，在功率半导体模块封装工艺中，回流焊接工艺是功率电子模块封装的主要工艺之一，而软焊膏回流焊接是实现不同电气元件之间电学连接的关键步骤，如：半导体芯片与陶瓷衬板、陶瓷衬板与基板之间一般都是采用真空回流焊工艺来。如附图1所示，现有的功率半导体模块封装包括衬板1和基板2，衬板1和基板2之间为焊层3。通常，由于软焊膏的粘度、湿度、浸润性等材料性能以及回流焊接工艺条件的影响，将会导致回流焊的焊层3厚度不均匀，从而在焊层3与衬板1和基板2的界面处产生大量的空洞31及非连续性焊点32。这些尺寸较大的空洞31及非连续性焊点32会使模块内部的热传导不均匀，严重影响功率电子模块封装的散热效果，导致传热效率低下、热阻增加，成为导致功率电子模块在温度循环或功率循环时发生热疲劳失效的主要诱导因素之一。特别对于大面积的回流焊接，此问题尤为突出。在现有技术中，主要有以下两篇文献与本专利技术技术方案相关：文献1为东莞生益电子有限公司于2010年12月30日申请，并于2011年07月13日公开，公告号为CN102123562B中国授权专利技术专利《采用回流焊接制作金属基板的方法》。该专利技术专利提出了一种利用钢网丝印超高温锡膏和焊接夹具通过回流焊接工艺制作金属基板的方法，该专利技术采用超高温锡锑锡膏将高频PCB板与金属基复合材料的金属底板焊接在一起。由于所述金属基板的最大焊接面积可达250mm×100mm，虽然使用钢网丝印技术可将如此大面积的焊膏印刷到金属基板上，但是由于焊接面积高达25×103mm2，在回流焊接过程中不可避免会出现大量空洞或非连续性焊点，更糟糕的情况将会导致PCB板和金属底板的分层。文献2为中国科学院上海微系统与信息技术研究所于2010年10月22日申请，并于2011年05月18日公开，公告号为CN102064120B的中国授权专利技术专利《一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法》。该专利技术专利提出了一种基于铟凸点的无助焊剂回流的工艺方法，该专利技术的主要特征在于电镀铟凸点、以及电镀银层包覆铟凸点、凸点回流，实现铟凸点阵列的无助焊回流，典型应用于某些特殊的光电芯片、MEMS芯片和生物检测芯片中的倒装芯片互连中。该专利技术中所提及的铟凸点直径约为30-50μm，高度未知，所述铟凸点通过电镀工艺实现，为了防止铟凸点的氧化，还需要电镀银层进行保护，制作工艺比较复杂，且应用领域仅局限于倒装芯片焊球式封装。因此，提高真空回流焊接中焊层厚度的均匀性，特别是焊接面积较大的陶瓷衬板与散热基板之间的焊层，对于改善功率电子模块的可靠性及使用寿命至关重要，也成为当前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，能够有效地解决现有功率电子模块封装在回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体提供了一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构的技术实现方案，一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，包括：衬板、基板、焊层和支点阵列。所述衬板和基板之间通过所述焊层连接，在所述焊层中设置有所述支点阵列。优选的，所述支点阵列位于所述焊层的内部，被所述焊层完全包覆，并在所述焊层中按规律排布。优选的，所述支点阵列设置在所述衬板的背面和/或所述基板的表面，所述支点阵列的排布位置随着所述衬板背面和/或所述基板表面的形状而变化。优选的，所述支点阵列位于所述衬板背面和/或所述基板表面的四周或四角。优选的，所述支点阵列位于所述衬板背面的第一金属层的四角，并与所述第一金属层相连。优选的，所述支点阵列位于所述基板正面的第二金属层的四周，并与所述第二金属层相连。优选的，所述支点阵列为排布在所述衬板背面和/或所述基板表面的包括金属球、短金属丝、金属柱在内的任意一种突起结构。优选的，所述支点阵列包括若干个支点，所述支点的高度范围在0.01mm～1.0mm之间。本专利技术还具体提供了一种基于上述结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法的技术实现方案，该方法包括以下步骤：将软焊料印刷至基板上；将带有支点阵列的衬板通过夹具在所述基板上进行定位；将上述基板和衬板的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在所述衬板和基板之间形成一层厚度均匀、可控的焊层。本专利技术还具体提供了另一种基于上述结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法的技术实现方案，该方法包括以下步骤：将软焊料印刷至带有支点阵列的基板上；将衬板通过夹具在所述基板上进行定位；将上述基板和衬板的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在所述衬板和基板之间形成一层厚度均匀、可控的焊层。通过实施上述本专利技术提供的提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，具有如下技术效果：（1）本专利技术能够解决功率电子模块封装回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术难题，特别是针对陶瓷衬板等较大焊接面积的回流焊接，通过在陶瓷衬板背面或散热基板表面采用凸点阵列或者短金属丝作为支撑点的方法，支点阵列能够增加焊层在回流焊接过程中的流动性，有效提高大面积回流焊层厚度的均匀性；（2）本专利技术能够提高回流焊层，尤其是大面积焊层厚度的均匀性，改善焊层内部空洞率及非连续性焊点，能够增强回流焊层的热传递效率，有效地降低功率电子模块的热阻；（3）本专利技术工艺简单，成本极低，且可操作性强。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是传统功率电子封装中陶瓷衬板与基板焊接效果的结构示意图；图2是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构一种具体实施方式焊接效果的结构示意图；图3是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例1中衬板正面结构示意图；图4是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例1中衬板背面结构示意图；图5是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例2中衬板背面结构示意图；图6是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例3中基板正面结构示意图；图7是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例3中基板和衬板通过支点阵列焊接后的结构示意图；图8是图7中A-A向的横截面示意图；图9是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构中支点阵列一种具体实施例的结构示意图；图10是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构中支点阵列第二种具体实施例的结构示意图；图11是本专利技术提高功率电子封装中焊层均匀性的结构中支点阵列第三种具体实施例的结构示意图；图中：1-衬板，2-基板，3-焊层，4-支点阵列，5-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于，包括：衬板（1）、基板（2）、焊层（3）和支点阵列（4）；所述衬板（1）和基板（2）之间通过所述焊层（3）连接，在所述焊层（3）中设置有所述支点阵列（4）。

【技术特征摘要】
1.一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于，包括：衬板（1）、基板（2）、焊层（3）和支点阵列（4）；所述衬板（1）和基板（2）之间通过所述焊层（3）连接，在所述焊层（3）中设置有所述支点阵列（4）。
2.根据权利要求1所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述焊层（3）的内部，被所述焊层（3）完全包覆，并在所述焊层（3）中按规律排布。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）设置在所述衬板（1）的背面和/或所述基板（2）的表面，所述支点阵列（4）的排布位置随着所述衬板（1）背面和/或所述基板（2）表面的形状而变化。
4.根据权利要求3所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述衬板（1）背面和/或所述基板（2）表面的四周或四角。
5.根据权利要求4所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述衬板（1）背面的第一金属层（11）的四角，并与所述第一金属层（11）相连。
6.根据权利要求4所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述基板（2）正面的第二金属层（21）的四周，并与所述第二金属层（21）相连。
7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国友，吴义伯，戴小平，王彦刚，
申请(专利权)人：株洲南车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43