一种全免清洗软钎焊功率模块制造技术

一种全免清洗软钎焊功率模块，所述的功率模块主要包括：外壳，外壳上端子，键合金属线，金属基板，芯片，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，焊接芯片的第一焊接层，焊接衬底的第二焊接层，填充材料，以及其它必要的部件；所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底是一个烧结体，由第一金属层，陶瓷层，第二金属层三层覆合结构组成，第一金属层上通过焊片形成第一焊接层焊接有芯片；第二金属层也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板上；所述芯片通过键合线电连接到金属层或外壳上端子上；外壳包围模块的上半部分，包括外壳上端子的一部分，键合线，半导体芯片，二极管芯片，第一焊接层，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，第二焊接层；填充材料填充在外壳以内的区域，即外壳包围的上半部分。

【技术实现步骤摘要】
一种全免清洗软钎焊功率模块
本技术涉及的是一种功率模块，属于半导体功率模块的封装
。
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，或金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)芯片的模块。一些模块也封 装有半导体二极管（DIODE)芯片以提供过压保护。以上功率半导体芯片具有一系列电压和 电流等级，以适应不同的场合或行业应用。 -般地，除芯片之外，功率模块还包括导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底（DBC)，基板， 功率端子等部件，目前这些部件绝大部分是通过软钎焊（Soldering)连接的，如芯片-DBC、 DBC-基板之间焊接，但焊接可能会产生大气孔。功率模块工作时电流密度大，发热大，而气 孔里面是导热性很差的空气或助焊剂等有机物，其导致模块的热阻增大，会影响到模块可 靠性，甚至导致模块失效。为了保持长期可靠的电气、热、机械连接，必须对焊接气孔的大小 和分布进行有效控制。 目前功率模块的软钎焊工艺主要是先在衬底上钢网印刷焊膏，然后在印刷了焊膏 的焊盘上贴装芯片等元件，再把组装体送入到设备内进行回流焊接的。有两种情况，第一种 是组装体经过隧道式非真空回流炉焊接，因为这种回流炉焊接时仅充惰性气体保护焊接， 而不能抽真空，气体不能有效排出，所以焊接气孔一般很大，典型地，气孔率可达10%以上； 另一种情况是组装体经过真空式回流炉焊接，因为这种回流炉具有密封腔体，既能充惰性 气体保护，又能抽真空，典型地，气孔率可以小于5%。 以上两种使用焊膏软钎焊的工艺有都很大的缺点，第一种是气孔率很大，难于满 足功率模块焊接要求，故现在较少使用。第二种虽然气孔率较小，但是回流过程会产生大量 助焊剂残留，设备维护时间长，利用率较低，且产品要经过化学液体清洗，费用高，并产生环 境保护方面的问题，最重要的是，产品如果清洗不干净，有污染物残留，将会严重影响产品 可靠性。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能减少设备维护时 间，提高设备使用效率，避免使用化学清洗液清洗回流后的功率模块，提高产品性能，降低 生产成本，减少环境污染的一种全免清洗软钎焊功率模块。 本技术的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的功率模块，它主要包 括：外壳，外壳上端子，键合金属线，金属基板，芯片（主要包括半导体和二极管芯片），导热 绝缘直接键合铜陶瓷衬底，焊接芯片的第一焊接层，焊接衬底的第二焊接层，填充材料，以 及其它必要的部件；所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底是一个烧结体，由第一金属层，陶 瓷层，第二金属层三层覆合结构组成，第一金属层上通过焊片形成第一焊接层焊接有芯片； 第二金属层也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板上； 所述芯片通过键合线电连接到金属层或外壳上端子上； 外壳包围模块的上半部分，包括外壳上端子的一部分，键合线，芯片，第一焊接层， 导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，第二焊接层；填充材料填充在外壳以内的区域，即外壳包围 的上半部分。 本技术所述的第一金属层和第二金属层分别由铜或镍、铝材料制成，所述的 键合线由Al、Al-Si、Al-Mg、Cu、Au材料制成；所述外壳由工艺塑料制成并被固定连接在金 属基板上；所述填充材料包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一。 所述焊接层包括液相线温度在150-450°C的、不添加任何助焊剂的片状合金焊料； 所述焊料由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、Bi、Al、Si、Ge、Zn 之部分元素组成，包括 PbSnAg， SnAg，SnPb 合金。 一种如上所述功率模块的制造方法，所述制备方法包括以下步骤： a提供包括第一金属层和第二金属层的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底； b在第一金属层上，先用工具围成一定区域，然后把所述片状合金焊料平整放入所 述围成的区域内； c将芯片施加至所述片状合金焊料上； d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将所述芯片连接至所述第 一金属层的第一焊接层； e以及焊接后，取下工具，得到焊接有芯片的直接键合铜陶瓷衬底。 所述步骤c中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于 450°C的软钎焊料，所述焊料包含SnAu、PbSnAg、SnSb、SnAgCu、SnAg、SnPb之一，所述片状合 金焊料包括厚度在60-160微米的薄焊片，焊接温度在100-450°C温度范围内。 所述步骤d中，还原性气体环境与真空环境中包括：真空度范围是0至lOOOmbar， 还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适 的还原性气体和惰性气体的混合气体。 一种如上所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤： a提供包括未镀的铜表面，或镀镍，或镀金表面之一的金属基板； b在金属基板的表面上，用工具围成一定区域，把片状合金焊料平整放入所述区域 内； c将所述焊接有芯片的直接键合铜陶瓷衬底放置在所述片状合金焊料上； d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将导热绝缘直接键合铜陶 瓷衬底连接至所述基板表面的第二焊接层； e以及焊接后，取下工具，得到焊接有直接键合铜陶瓷衬底的金属基板。 所述的步骤b中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于 350°C的软钎焊料，所述焊料包含SnAu、PbSnAg、SnSb、SnAgCu、SnAg、SnPb之一；片状合金焊 料的厚度在100-400微米，焊接温度在100-350°C的范围内。 所述步骤d中，所述的还原性气体环境与真空环境中，包括真空度范围是0至 lOOOmbar，所述还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体， 或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体；在回流焊接过程中，还原性气氛的压 强范围是〇 _l〇〇〇mbar。 本技术由于使用免清洗的焊片软钎焊技术，生产过程没有助焊剂残留，所以 减少了设备维护时间，提高了设备使用效率，不使用化学清洗液清洗回流后的功率模块，降 低了生产成本，减少了环境污染，提高了产品可靠性，取得明显的经济和社会效果。 【附图说明】 图1是本技术所述一个模块实施例的俯视结构示意图。 图2是本技术所述在衬底上放置固定框的横截面示意图。 图3是本技术所述在衬底上固定框内放置焊片的横截面示意图。 图4是本技术所述在衬底上固定框内，焊片上放置半导体芯片的横截面示意 图。 图5是本技术所述芯片-衬底回流焊接后，去除了固定框之后的半组装体横 截面视图。 图6是本技术所述装载了组装体的回流炉的一个实施例横截面视图。 图7是本技术所述衬底-基板回流焊接后去除了固定框之后半组装体的横截 面视图。 【具体实施方式】 下面将结合附图对本技术做详细的介绍：图中所示，本技术所述的功率 模块，它主要包括：外壳002,外壳上端子004,键合金属线006,金属基板008,半导体芯片 010,二极管芯片012,导热绝缘直接键合铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块，它主要包括：外壳(002)，外壳上端子（004），键合金属线（006），金属基板（008），芯片，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底（014），焊接芯片的第一焊接层（016），焊接衬底（014）的第二焊接层（018），填充材料（032）以及其它部件；其特征在于所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底（014）是一个烧结体，由第一金属层（014A），陶瓷（014B），第二金属层（014C）三层覆合结构组成，第一金属层（014A）上通过焊片形成第一焊接层（016）焊接有芯片；第二金属层（014C）也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板（008）上；所述芯片通过键合线（006）电连接到金属层（014A）或外壳上端子（004）上；外壳（002）包围模块的上半部分，包括外壳上端子（004）的一部分，键合线（006），芯片，第一焊接层（016），导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底（014），第二焊接层（018）；填充材料（032）填充在外壳（002）以内的区域，即外壳包围的上半部分。

【技术特征摘要】
1. 一种功率模块，它主要包括：外壳（002)，外壳上端子（004)，键合金属线（006)，金属 基板（008)，芯片，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底（014)，焊接芯片的第一焊接层（016)，焊 接衬底（014)的第二焊接层（018)，填充材料（032)以及其它部件；其特征在于所述的导热 绝缘直接键合铜陶瓷衬底（014)是一个烧结体，由第一金属层（014A)，陶瓷（014B)，第二金 属层（014C)三层覆合结构组成，第一金属层（014A)上通过焊片形成第一焊接层（016)焊接 有芯片；第二金属层（014C)也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板（008)上； 所述芯片通过键合线（006)电连接到金属层（014A)或外壳上端子（00...

【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：新型
国别省市：浙江;33