一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块方法技术

本发明专利技术提供一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块方法，可实现同时烧结面积相差很大的两种芯片时，获得的焊膏层都具有较高的强度(≥30MPa)。此方法包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程。预干燥过程是让焊膏获得一定的粘稠度，防止大面积芯片加压过程中焊膏过多溢出。加压过程是对大面积Si芯片加压促进烧结，对小面积SiC芯片不加压防止损坏。烧结过程在50％空气+50％氮气气氛下进行，保证焊膏烧结有足够的氧气同时限制基板表面氧化物生成。还原过程使用甲酸对基板表面氧化物进行还原，去除表面生成的铜氧化物。本发明专利技术整体工艺流程较为简单，适用于芯片面积相差较大的混合功率模块的生产制造。

A Mixed Power Module Method for Low Pressure Sintering of Nano-silver Solder Paste

The invention provides a low-pressure sintering hybrid power module method for nano-silver solder paste, which can achieve high strength (> 30 MPa) of solder paste layer when two chips with large difference in sintering area are simultaneously sintered. This method includes four processes: pre-drying, pressure, sintering and reduction. Pre-drying process is to make solder paste get a certain consistency and prevent excessive overflow of solder paste in the process of large area chip pressurization. Pressure process is to press large area SiC chips to promote sintering, but not small area SiC chips to prevent damage. The sintering process is carried out in 50% air + 50% nitrogen atmosphere, which ensures that there is enough oxygen in the solder paste sintering and limits the formation of oxide on the substrate surface. Formic acid was used to reduce the oxide on the surface of the substrate to remove the copper oxide generated on the surface. The overall process flow of the invention is relatively simple, and is suitable for the production and manufacture of hybrid power modules with large chip area difference.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块方法
本专利技术涉及功率电子器件封装领域，尤其涉及一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)材料具有热导率高、击穿电场强度高和禁带宽度大等优点，这使得SiC器件表现出更好的高温特性、更低的功耗以及更快的开关速度。近几年来，随着SiC材料技术的进一步发展，在电力电子器件领域内的SiC高功率模块逐渐成为研究和开发的热点。研究表明使用SiC肖特基二极管替代传统的Si二极管，与Si基IGBT组成的混合功率模块可以降低功率模块的通态损耗和开关损耗。传统的混合功率模块采用低熔点的焊料合金连接IGBT芯片和铜基板，但是随着功率模块技术的快速发展，要求功率模块能承受更大的功率密度和更好的高温工作特性，传统的合金焊料已经无法满足这些要求。新出现的纳米银焊膏可实现低温烧结，高温服役的功能，成为一种较好的可替代传统合金焊料的功率模块连接材料。所以采用纳米银焊膏烧结封装IGBT混合功率模块，可在降低模块开关损耗的同时提高混合功率模块的高温服役特性。但是，使用纳米银焊膏烧结封装混合功率模块时，混合功率模块内部的SiIGBT芯片面积较大(≥100mm2)，SiC二极管芯片面积较小(≤25mm2)，二者面积相差较大，且SiC二极管芯片易损坏不宜加压,现有技术方法不能实现在裸铜基板上同时烧结两种芯片时，获得的焊膏层都具有较高强度，这就需要一种方法解决此问题，实现纳米银焊膏封装混合功率模块的功能。
技术实现思路
本专利技术提供一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法，实现在裸铜基板上同时烧结面积相差很大的两种芯片时，获得的焊膏层都具有大于30MPa的剪切强度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法；包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程；其中预干燥和加压在空气环境中进行，烧结和还原在密闭的真空回流炉中进行。所述预干燥过程，先在空气气氛中预干燥印刷完纳米银焊膏并贴好IGBT芯片的基板，然后再印刷焊膏并贴放二极管芯片。所述的预干燥温度90-100℃，预干燥时间10-12min。所述加压过程，在空气环境下对预干燥后基板上面积大于100mm2的硅IGBT芯片施加压力；对面积小于25mm2的SiC二极管芯片不加压，防止SiC芯片加压易受损的现象出现。所述加压过程施加压力优选2MPa的压力。所述烧结过程，对施加好压力的芯片和基板在可控气氛密闭炉中烧结，纳米银焊膏烧结气氛为50％空气+50％氮气混合气氛，烧结升温致密化温度270-290℃，烧结致密化时间20-40min。所述升温速率5℃/min。所述还原过程，在烧结致密化结束后，抽真空并通入氮气甲酸混合气体，对基板表面生成的氧化物进行还原，还原时间10-15min；还原完成后，冷却芯片和基板。所述冷却速率5℃/min。本专利技术一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法，可以实现同时烧结面积相差很大的两种芯片，且获得两种芯片的纳米银焊膏层强度都较高。本方法包括四个过程：预干燥、加压、烧结和还原。预干燥过程是为了让焊膏获得一定的粘稠度，防止大面积芯片加压过程中焊膏的过多溢出，预干燥温度和时间都要严格控制，温度过高或者时间过长，都会导致小芯片焊膏层中的有机物过多挥发，纳米银颗粒大量团聚。加压过程是对大面积Si芯片加压促进烧结，对小面积SiC芯片不加压防止损坏。烧结过程在50％空气+50％氮气混合气氛下进行，保证焊膏烧结有足够的氧气同时限制基板表面氧化物的生成。还原过程使用甲酸对基板表面氧化物进行还原，防止氧化物对模块电性能产生影响。本专利技术整体工艺流程较为简单，可实现在裸铜基板上同时烧结面积相差很大的两种芯片时，获得的焊膏层都具有大于30MPa的剪切强度，适用于芯片面积相差较大的混合功率模块的生产制造。附图说明图1是本专利技术使用裸铜基板的示意图；图2是本专利技术底板的示意图；图3是未安装外壳的俯视结构示意图；图4是安装外壳的结构示意图；图中：1-底板、2-基板、3-SiC二极管芯片、4-Si基IGBT芯片、5-粗铝线、6-电极、7-外壳。具体实施方式现在结合附图对本专利技术方法做进一步的说明。一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法；包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程；其中预干燥和加压在空气环境中进行，烧结和还原在密闭的真空回流炉中进行。所述预干燥过程，先在空气气氛中预干燥印刷完纳米银焊膏并贴好IGBT芯片的基板，预干燥温度90-100℃，预干燥时间10-12min，然后再印刷焊膏并贴放二极管芯片。所述加压过程，在空气环境下，对预干燥后基板上面积大于100mm2的硅IGBT芯片施加2MPa的压力；对面积小于25mm2的SiC二极管芯片不加压，防止SiC芯片加压易受损的现象出现。所述烧结过程，对施加好压力的芯片和基板在可控气氛密闭炉中烧结，纳米银焊膏烧结气氛为50％空气+50％氮气混合气氛，升温速率5℃/min，烧结致密化温度270-290℃，烧结致密化时间20-40min。所述还原过程，在烧结致密化结束后，抽真空并通入氮气甲酸混合气体，对基板表面生成的氧化物进行还原，还原时间10-15min。还原完成后，冷却芯片和基板，冷却速度5℃/min。结合附图说明如下准备工作：如图1所示，选择覆铜陶瓷基板(2)作为衬板材料，如图2所示，选择镀镍的铜板作为铜底板(1)；然后依照9％浓度稀盐酸-去离子水-酒精的顺序清洗基板(2)和铜底板(1)。预干燥：使用钢网印刷的方法在基板(2)上涂覆一层纳米银焊膏，厚度60μm；之后将Si基IGBT芯片(4)贴在焊膏上方对齐并轻轻挤压，使芯片与焊膏良好润湿；然后将基板(2)置于加热台上加热，加热温度控制在90-100℃，加热时间控制在10-12min；加热后取下基板(2)，再印刷焊膏并贴放SiC二极管芯片(3)。加压：对预干燥后基板上面积大于100mm2的硅IGBT芯片施加2MPa的压力；对面积小于25mm2的SiC二极管芯片(3)不加压，防止SiC二极管芯片(3)加压易受损的现象出现。烧结：对施加好压力的芯片和基板(2)在可控气氛真空回流炉中烧结，纳米银焊膏烧结气氛为50％空气+50％氮气混合气氛，升温速率5℃/min，烧结致密化温度控制在270-290℃，烧结致密化时间控制在20-40min。还原：在烧结致密化结束后，抽真空并通入氮气甲酸混合气体，对基板(2)表面生成的氧化物进行还原，还原时间10-15min。还原完成后，冷却芯片和基板，冷却速度5℃/min。后序工作：如图3所示，采用粗铝丝(5)实现大功率IGBT芯片，二极管芯片和衬板电极(6)区连接，再使用SAC305焊片将基板(2)焊接到铜底板(1)上，接着安装外壳(7)，涂胶封装，最后填充密闭剂，如图4所示为完成所有工序后的完整模块。实施例1：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿；预干燥：先把试样放在加热台上加热到90℃并保温10min完成预干燥；加压：对大面积Si基IGBT芯片(4)施加2MPa的压力，小面积SiC二极管芯片(3)不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到270℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温20min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法；其特征是包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程；其中预干燥和加压在空气环境中进行，烧结和还原在密闭的真空回流炉中进行。

【技术特征摘要】
1.一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法；其特征是包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程；其中预干燥和加压在空气环境中进行，烧结和还原在密闭的真空回流炉中进行。2.如权利要求1所述的封装方法；其特征是所述预干燥过程，先在空气气氛中预干燥印刷完纳米银焊膏并贴好IGBT芯片的基板，然后再印刷焊膏并贴放二极管芯片。3.如权利要求2所述的封装方法；其特征是预干燥温度90-100℃，预干燥时间10-12min。4.如权利要求1所述的封装方法；其特征是所述加压过程，在空气环境下对预干燥后基板上面积大于100mm2的硅IGBT芯片施加压力；对面积小于25mm2的SiC二极管芯片不加压，防止SiC芯片加压易受损的现...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅云辉，邓文斌，李欣，陆国权，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12