無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率igbt器件的方法
2023-10-19 23:03:57
無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率igbt器件的方法
【專利摘要】本發明涉及一種無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法。將納米銀焊膏印刷在襯板的焊接面上，印刷的形狀呈十字架；將晶片放在已鋼網印刷成型的納米銀焊膏上；對加熱臺設置250℃-270℃溫度，進行燒結成型。實現低於2％的孔洞率。用該方法封裝大功率IGBT模塊不僅可以提高模塊的使用性能，還可以簡化封裝工藝，同時保證晶片的粘接強度(30MP以上)仍能滿足工作的使用需求以及保證焊膏層具有較低的孔洞率。同時，用該方法封裝的大功率IGBT模塊能有效的提高模塊的工作效率及使用壽命。
【專利說明】無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及功率電子器件封裝【技術領域】，特別是一種無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法。
【背景技術】
[0002]IGBT模塊主要應用在直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。IGBT以其輸進阻抗高、開關速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，已成為當今功率半導體器件發展的主流器件。IGBT模塊已被廣泛應用於UPS、感應加熱電源、逆變焊機電源和電機變頻調速等電源領域，市場前景非常廣闊。
[0003]IGBT模塊作為電力電子系統的核心器件，它的性能參數直接決定著電力電子系統的性能和可靠性。而IGBT模塊晶片封裝的材料和質量對IGBT模塊的散熱性能和可靠性有著重要的影響，因此，在IGBT模塊封裝製造過程中，不斷提升IGBT模塊DBC基板和晶片的焊接質量，對提升IGBT模塊的散熱性能和可靠性有重要意義。
[0004]目前IGBT模塊晶片封裝使用的焊料合金，經過回流，焊料完全溶解形成粘接。但是冷卻速率等的冷卻過程，對生成的焊點在其微觀組織和孔洞的出現方面都有直接的影響。而且，大功率IGBT模塊的工作溫度可達150°C以上，使用傳統的焊料合金會制約該功率模塊的高溫工作能力，成為大功率IGBT模塊應當的一大瓶頸。相對於焊料合金，納米銀焊膏具有高的熔點(9600C )，低的燒結溫度(2750C )，高的熱導率(240W.m-1.K-1)。而且，使用納米銀焊膏不僅可以提高晶片封裝的使用性能，還可以簡化封裝工藝，同時保證晶片的粘接強度仍能滿足工作的使用需求以及保證焊膏層具有較低的孔洞率。因此，用納米銀焊膏代替焊料合金能夠更好的提高大功率IGBT模塊的工作效率及使用壽命。但是現有的封裝方法不能實現納米銀焊膏在無壓燒結過程中，晶片的連接層仍具有較低的孔洞率(低於2% ),成為急需解決的一個問題。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是一種無壓低溫(250°C -270°C )納米銀焊膏封裝IGBT模塊的方法，通過用納米銀焊膏作為連接材料，可以實現製備的晶片燒結-連接層較低的孔洞率(低於2%)。在納米銀焊膏低溫燒結-連接過程中，晶片連接無需使用壓力，節約製造成本
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]—種無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法，晶片的連接在2500C -270°C下進行；實現低於2%的孔洞率。
[0008]將納米銀焊膏印刷在襯板的焊接面上，印刷的形狀呈十字架；將晶片放在已鋼網印刷成型的納米銀焊膏上；對加熱臺設置250°C _270°C溫度，進行燒結成型。
[0009]優選IGBT晶片和二極體晶片焊接在襯板的焊接面上之前，採用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質。
[0010]優選納米銀焊膏十字架形狀的覆蓋面積佔連接層總面積的30% -70%。
[0011]優選在燒結之前，擠壓已鋼網印刷成型的納米銀焊膏，使得納米銀焊膏均勻的鋪展在晶片的下面。
[0012]優選燒結曲線是從常溫升溫到250°C _270°C，然後保溫10min_30min，升溫速率的範圍是 3°C -5°C /min。
[0013]與現有技術相比，本發明有以下優點:
[0014]本發明成功實現了納米銀焊膏對大功率IGBT模塊的低溫(250°C _270°C )、無壓和低孔洞率(低於2% )封裝。用該方法封裝大功率IGBT模塊不僅可以提高模塊的使用性能，還可以簡化封裝工藝，同時保證晶片的粘接強度(30MP以上)仍能滿足工作的使用需求以及保證焊膏層具有較低的孔洞率(低於2%)。同時，用該方法封裝的大功率IGBT模塊能有效的提高模塊的工作效率及使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明納米銀焊膏封裝大功率IGBT模塊的流程圖；
[0016]圖2為本發明襯板的示意圖；
[0017]圖3為本發明基板的不意圖；
[0018]圖4為未安裝殼體的俯視結構示意圖
[0019]圖5為安裝殼體的結構示意圖。
[0020]其中:1_襯板、2-基板、3-1GBT晶片、4-二極體晶片、5-粗鋁絲、6-電極、7_連接橋、8-管殼
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0022]碳化矽功率器件的封裝方法(參考圖1)，具體包括如下步驟:
[0023]步驟一、選擇鍍銀的覆銅陶瓷板作為襯板材料，該襯板材料具有較高的熱導率和熱膨脹係數。見圖2，襯板I為長方形。選擇鍍鎳的銅板作為基板材料，該基板材料具有很好的導熱性。見圖3，基板2為長方形，略大於兩塊襯板I。採用超聲波清洗和等離子清洗的方法襯板I和基板2表面的雜質。
[0024]步驟二、將大功率IGBT晶片和二極體晶片焊接在襯板I上。選用納米銀焊膏作為焊料，並採用絲網印刷技術將納米銀焊膏均勻塗在襯板I的焊接面上，採用燒結的技術實現大功率IGBT晶片3，二極體晶片4和襯板I的焊接。兩組大功率IGBT晶片和二極體晶片對稱焊接在襯板I的焊接面上。納米銀焊膏的印刷形狀呈十字架，其面積為對應晶片面積的30 % -70 %。在燒結之前，晶片需要低的位移速率擠壓已鋼網印刷成型的納米銀焊膏，使得納米銀焊膏均勻的鋪展在晶片的下面。
[0025]步驟三、引線鍵合。採用粗鋁絲5實現大功率IGBT晶片3，二極體晶片4和襯板電極區連接。通過引線鍵合技術實現粗鋁絲5的一端與大功率IGBT晶片3和二極體晶片4連接，另一端與襯板I電極區連接。
[0026]步驟四、將襯板I焊接在鍍鎳的銅基板上，同時將電極6和連接橋7焊接在襯板I上。選用的電極6和連接橋7的材料為鍍銀的銅，具有較高的電導率和機械性。焊接時，將SAC305焊片放在基板2的焊接面上，同時用SAC305焊片將電極6和連接橋7的焊接面處包裹住並放在襯板的電極焊接區上，然後採用真空回流焊的技術實現焊接(見圖4)。
[0027]步驟五、塗膠，安裝管殼8，見圖5。塗抹的膠體採用的高溫環氧樹脂，它具有良好的耐高溫性能及機械支撐和絕緣作用；管殼8採用的DAP塑料製成，其軟化溫度達到260°C以上，且具有很好的熱循環能力和耐熱疲勞能力。
[0028]步驟六、填充密閉劑，固化和打彎。密閉劑選用雙組分矽膠，該矽膠在250 V能長期保持彈性，且具優良的電氣性能和化學穩定性。填充完密閉劑，將模塊放在真空乾燥箱中，在150°C下保溫I小時以實現矽膠的固化。打彎採用專用模具將電極6彎折成型(見圖5)。
[0029]實例1:首先採用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質。然後在襯板的焊接面上印刷十字架形狀的焊膏。當十字架形狀的覆蓋面積佔連接層總面積的30%時，貼上晶片並使得納米銀焊膏與晶片充分潤溼直至焊膏均勻的鋪展在晶片的四周。此時，連接層的厚度為絲網印刷焊膏層厚度的30%。然後進行燒結:從常溫升溫到250°C _270°C，然後保溫10min-30min，升溫速率為3_5°C /min。進行燒結成型後，孔洞率低於1%。
[0030]實例2:首先採用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質。然後在襯板的焊接面上印刷十字架形狀的焊膏。當十字架形狀的覆蓋面積佔連接層總面積的50%時，貼上晶片並使得納米銀焊膏與晶片充分潤溼直至焊膏均勻的鋪展在晶片的四周。此時，連接層的厚度為絲網印刷焊膏層厚度的50%。然後進行燒結:從常溫升溫到250°C，然後保溫30min，升溫速率為5°C /min。燒結成型後，孔洞率在I %到1.5%之間。
[0031]實例3:首先採用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質。然後在襯板的焊接面上印刷十字架形狀的焊膏。當十字架形狀的覆蓋面積佔連接層總面積的70%時，貼上晶片並使得納米銀焊膏與晶片充分潤溼直至焊膏均勻的鋪展在晶片的四周。此時，連接層的厚度為絲網印刷焊膏層厚度的70%。然後進行燒結:從常溫升溫到250°C，然後保溫30min，升溫速率為5°C /min。燒結成型後，孔洞率在1.5%到2%之間。
[0032]本發明的封裝方案操作簡單，它具有很好的熱循環能力和耐熱疲勞能力，同時電氣連接性能也非常優越，具有極高的推廣價值。
【權利要求】
1.一種無壓低溫燒結納米銀焊膏封裝大功率IGBT器件的方法，其特徵在於:將納米銀焊膏印刷在襯板的焊接面上，印刷的形狀呈十字架；將晶片放在已鋼網印刷成型的納米銀焊膏上；對加熱板設置250°C -270°C溫度，進行燒結成型。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵是IGBT晶片和二極體晶片焊接在襯板的焊接面上之前，採用超聲和等離子清洗襯板和基板表面的雜質。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵是納米銀焊膏十字架形狀的覆蓋面積佔連接層總面積的30% -70%。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵是在燒結之前，擠壓已鋼網印刷成型的納米銀焊膏，使得納米銀焊膏均勻的鋪展在晶片的下面。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵是燒結曲線是從常溫升溫到250°C-270°C，然後保溫10min-30min,升溫速率的範圍是3°C _5°C /min。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵是晶片的連接在250°C-270°C下進行；孔洞率低於2%。
【文檔編號】H01L21/60GK104392942SQ201410619936
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】梅雲輝, 付善燦, 陸國權 申請人:天津大學