一种软钎焊的焊片和功率模块组装结构制造技术

一种软钎焊的焊片和功率模块组装结构，所述的软钎焊的焊片，它主要由片状焊料组成，其特征在于所述的片状焊料中含有熔点在软钎焊温度以上的金属或其合金颗粒；所述功率模块组装结构，所述功率模块包括：芯片，金属化陶瓷衬底（如DBC），散热基板，其特征在于所述芯片通过焊接在所述金属化陶瓷衬底的上表面铜层上，并形成功率模块的第一层焊接体；所述第一层焊接体通过软钎焊的焊片焊接到散热基板上，形成第二层焊接体，且所述软钎焊的焊片中的金属颗粒厚度或直径小于第一层焊接体与散热基板之间形成的焊接层厚度；由于焊料层中金属颗粒的存在，客观上起到了阻止焊料裂纹扩展的作用，将显著提高连接的质量和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种软钎焊的焊片和功率模块组装结构，所述的软钎焊的焊片，它主要由片状焊料组成，其特征在于所述的片状焊料中含有熔点在软钎焊温度以上的金属或其合金颗粒；所述功率模块组装结构，所述功率模块包括：芯片，金属化陶瓷衬底（如DBC），散热基板，其特征在于所述芯片通过焊接在所述金属化陶瓷衬底的上表面铜层上，并形成功率模块的第一层焊接体；所述第一层焊接体通过软钎焊的焊片焊接到散热基板上，形成第二层焊接体，且所述软钎焊的焊片中的金属颗粒厚度或直径小于第一层焊接体与散热基板之间形成的焊接层厚度；由于焊料层中金属颗粒的存在，客观上起到了阻止焊料裂纹扩展的作用，将显著提高连接的质量和可靠性。【专利说明】一种软钎焊的焊片和功率模块组装结构
本专利技术涉及的是一种软钎焊的焊片和功率模块组装结构，属于电力电子功率模块的封装
。
技术介绍
功率模块是在功率电子电路上使用的半导体封装体，比如，封装了绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片和/或半导体二极管(DIODE)芯片的模块，以适应不同的场合或行业应用。一般地，除芯片之外，功率模块还包括直接键合铜陶瓷衬底(DBC)，散热基板，功率端子等部件，目前这些部件通常是通过软钎焊(Soldering)连接的，如芯片_DBC、DBC_散热基板之间焊接。功率模块工作时电流密度大，发热大，模块温度升高，不工作时温度则下降。而芯片、直接键合铜陶瓷衬底(DBC)、散热基板一般是由热膨胀系数不同的材料制造的，差值往往高达ΖχΚ^-ΙδχΚΤ/Τ1。所以，在功率模块应用中，软钎焊层要承受温度循环和热膨胀系数失配带来的应力，特别是介于直接键合铜陶瓷衬底(DBC)和散热基板之间的第二焊接层易产生裂纹，裂纹不断扩展导致焊料收缩，导热面积减小，热阻增加，使功率模块温度增加，最终缩短模块寿命甚至损坏模块。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在不足，而提供一种可有效控制焊料厚度、阻止裂纹扩展，极大地提高焊接可靠性的一种软钎焊的焊片和功率模块组装结构。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的，所述软钎焊的焊片，它主要由片状焊料组成，所述的片状焊料中含有熔点在软钎焊温度以上的金属或其合金颗粒。``所述的片状焊料的厚度在100-400微米，所述片状焊料包括液相线温度在150-4500C 的合金焊料，由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素组成，包括 SnAg, SnAgCu, SnSb, SnPb 合金。所述片状焊料中金属颗粒的金属包括熔点大于450°C的Ni, Cu, Ag, Au及其合金。所述的金属颗粒形状主要是球状或类球状，其直径或厚度小于片状焊料的厚度。一种如上所述软钎焊的焊片制备方法，该制备方法包括:将一定数量的金属颗粒添进熔融的焊料合金中，经充分搅拌后，冷却、再经轧制、冲压或分切后制成成品。一种使用如上所述软钎焊的焊片的功率模块组装结构，所述功率模块包括:芯片，金属化陶瓷衬底(如DBC)，散热基板，所述芯片通过焊接在所述金属化陶瓷衬底的上表面铜层上，并形成功率模块的第一层焊接体；所述第一层焊接体通过软钎焊的焊片焊接到散热基板上，形成第二层焊接体，且所述软钎焊的焊片中的金属颗粒厚度或直径小于第一层焊接体与散热基板之间形成的焊接层厚度所述的焊接包括在真空环境与还原性气体环境中进行的焊接，其中的真空环境包括真空度范围是相对压强O-1OOOmbar，所述还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或甲酸、氮气的鼓泡混合气体。本专利技术所述含有金属颗粒的焊片，主要用于功率模块封装，由于在钎焊的最高温度下(<450°C)金属颗粒也不熔化，所以焊接层厚度大于等于金属颗粒的直径或高度，即该特殊结构能控制焊料层的厚度，使焊料层更加均匀；由于焊料层中金属颗粒的存在，客观上起到了阻止焊料裂纹扩展的作用，将显著提高连接的质量和可靠性。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术所述软钎焊的焊片的横截面示意图。图2是本专利技术所述第一层焊接体的横截面示意图。图3是本专利技术所述第二层焊接体的横截面示意图。图4是本专利技术所述绝缘导热的直接键合铜陶瓷衬底的横截面示意图。【具体实施方式】下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍:图1所示，本专利技术所述软钎焊的焊片，它主要由片状焊料5组成，所述的片状焊料5中含有熔点在软钎焊温度以上的金属或其合金颗粒5a。所述的片状焊料5的厚度在100-400微米，所述片状焊料5包括液相线温度在150-4500C 的合金焊料，由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素组成，包括 SnAg, SnAgCu, SnSb, SnPb 合金。所述片状焊料5中金属颗粒5a的金属包括熔点大于450°C的Ni，Cu，Ag，Au及其合金。所述的金属颗粒形状主要是球状或类球状，其直径或厚度小于片状焊料的厚度。一种如上所述软钎焊的焊片制备方法，该制备方法包括:将一定数量的金属颗粒5添进熔融的焊料合金5b中，经充分搅拌后，冷却、再经轧制、冲压或分切后制成成品。所述的焊料合金可以是现有常规的钎焊料。图2-4所示，一种使用如上所述软钎焊的焊片的功率模块组装结构，所述功率模块包括:芯片1、2，金属化陶瓷衬底(如DBC)4，散热基板6，所述芯片1、2分别为二极管芯片I和IGBT芯片2，它们分别焊接在所述金属化陶瓷衬底4的上表面铜层上，并形成功率模块的第一层焊接体100 ;所述第一层焊接体100通过软钎焊的焊片5焊接到散热基板6上，形成第二层焊接体200，且所述软钎焊的焊片5中的金属颗粒5a厚度或直径小于第一层焊接体100与散热基板6之间形成的焊接层厚度。所述的焊接包括在真空环境与还原性气体环境中进行的焊接，其中的真空环境包括真空度范围是相对压强O-lOOOmbar，所述还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或甲酸、氮气的鼓泡混合气体；在真空和还原性气氛下回流焊接，可得到气孔率小于5%的模块；如使用易软钎焊金属颗粒的焊片，既不增加额外的气孔，又能显著提高焊料层的可靠性。实施例: 本专利技术提供一种利用含有金属颗粒的焊片组装功率模块，金属颗粒可选择易焊材料，其直径小于焊片的厚度，钎焊时金属颗粒不熔化，所以能控制焊料层的厚度，使焊料层更加均匀，并阻止焊料层中裂纹的扩展，这些优点将显著提高连接的可靠性。图2示出了在直接键合铜陶瓷衬底4的上表面铜层4a上焊接IGBT芯片I和二极管芯片2后的横截面视图。第一焊接层3是用于连接芯片I或2和直接键合铜陶瓷衬底4的，提供一个基本的电气、热、机械连接。所以形成一个功率电子模块的第一层焊接体100。图3是第一层焊接体100通过特殊结构焊片5焊接到散热基板6上，形成第二层焊接体200。焊接后的第二焊接层5即是特殊的焊接层，其中的金属颗粒5a的厚度或直径略小于第二焊接层5b的厚度，可控制焊接层厚度不均匀，同时，嵌入的金属颗粒5a可阻止裂纹的扩展，极大地提高了焊料层5抗温度循环的能力，显著提高了功率模块的可靠性。图4示出了绝缘导热的直接键合铜陶瓷衬底4的横截面视图。直接键合铜陶瓷衬底4是由上表面铜层4a、绝缘导热的陶瓷4b、下表面铜层4c烧结键合成的一个整体结构。直接键合铜陶瓷衬底4已广泛应用于功率模块的封装上。【权利要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软钎焊的焊片，它主要由片状焊料组成，其特征在于所述的片状焊料中含有熔点在软钎焊温度以上的金属或其合金颗粒。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡少华，
申请(专利权)人：嘉兴斯达半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33