CN101593712A - 大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置 - Google Patents

大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置，方法：将已通过纳米银膏厚度控制装置设定好纳米银膏厚度的具有纳米银膏的大功率芯片结构放入在烧结炉内并放置设定的时间；给烧结炉快速升温至50℃，保温10分钟；给烧结炉快速升温至125℃，保温20分钟；给烧结炉快速升温至烧结温度，保温30－60分钟，然后炉冷至室温。装置有：加载支座，设置在加载支座内的用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构并测量该大功率芯片中纳米银膏厚度的测量支撑结构，以及贯穿加载支座的上端并伸入到加载支座内由上至下对测量支撑结构施加压力的加载螺钉。本发明可降低混合动力汽车的制造和维护成本，节能降耗且环保降低二氧化碳的排放。

Description

大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置
技术领域
本发明涉及一种混合动力汽车高温功率电子模块烧结封装技术。特别是涉及一种可降低混合动力汽车的制造和维护成本的大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置。
背景技术
对于混合动力汽车，当使用蓄电池内的能量驱动汽车时，需要用逆变器或换流器等高功率电子模块将直流电转化为交流电，大功率的逆变器或换流器中的电流可高达上百安培，必会产生大量的热量。目前，一般使用无铅或高铅焊膏或预成型钎料薄膜，通过在260℃到300℃以上的回流焊工艺，熔化并固化成钎料合金，来连接功率模块中的芯片和基体。考虑到钎焊焊点的可靠性，目前市场上销售的混合动力汽车中的功率电子模块芯片的结点温度不得高于150℃，通常使用125℃作为结点温度。因此需要冷却系统来冷却功率电子模块。
传统汽车只用一个环路液体冷却系统组成的一个封闭冷却循环，来带走发动机上的热量，然后通过散热器和风扇将热量送走。传统汽车散热器中冷却介质温度会高达105℃，用于冷却目前混合动力汽车上的功率电子系统(如逆变器和DC-DC换流器)(结点温度125℃)来说太高了。因此，与传统汽车相比，混合动力汽车需要格外增加一套冷却循环系统，新增的第二套冷却系统用来降低散热器中冷却介质的温度，使冷却介质的温度在65℃以下。然而，第二套冷却系统必然增加混合动力车的制造成本和长期的维修保养成本。
因此，混合动力汽车的发展急需一种新的汽车逆变器和换流器，使其可以在更高的温度(175℃)下长期可靠的工作，从而去除第二套冷却循环系统，降低混合动力汽车的制造成本。很清楚，降低成本所面临的技术挑战只能依靠功率电子的发展来解决，即可用105℃的冷却介质来冷却芯片结点温度超过175℃的功率电子模块，并能保证正常工作。这就需要发展一种可靠的、低成本的高温功率封装技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可降低混合动力汽车的制造和维护成本，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放的大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置。
本发明所采用的技术方案是：一种大功率芯片连接的低温烧结方法，包括有如下阶段：
第一阶段：将已通过纳米银膏厚度控制装置设定好纳米银膏厚度的具有纳米银膏的大功率芯片结构放入在烧结炉内并放置设定的时间；
第二阶段：给烧结炉快速升温至50℃，保温10分钟；
第三阶段：给烧结炉快速升温至125℃，保温20分钟；
第四阶段：给烧结炉快速升温至烧结温度，保温30-60分钟，然后炉冷至室温。
第一阶段所述的纳米银膏厚度设定为30um～50um。
第一阶段所述的放置设定的温度和时间，是在50-60℃下放置3-5分钟，或者在室温下放置24小时。
第四阶段所述的烧结温度设定为使烧结炉内的压力范围达到1-5Mpa时的温度。
第四阶段所述的烧结温度设定为260-300℃。
一种大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，包括有：加载支座，设置在加载支座内的用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构并测量该大功率芯片中纳米银膏厚度的测量支撑结构，以及贯穿加载支座的上端并伸入到加载支座内由上至下对测量支撑结构施加压力的加载螺钉。
所述的测量支撑结构包括有：支撑块，设置在支撑块上面的第一玻璃板，分别设置在支撑块两侧的第一引伸计和第二引伸计，所述的第一引伸计和第二引伸计的顶端支撑有位于第一玻璃板的上方的第二玻璃板，所述的第一玻璃板和第二玻璃板之间用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构，所述的加载螺钉顶在第二玻璃板的顶端对具有纳米银膏的大功率芯片结构施压。
所述的第一玻璃板和第二玻璃板的厚度相同。
所述的引伸计7采用位移计或激光测距计。
所述的具有纳米银膏的大功率芯片结构包括有：位于底层的基板，位于顶层的芯片，以及位于基板和芯片之间的纳米银膏。
本发明的大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置，使用了新型的无铅界面连接材料-纳米银膏。使用该技术制造的汽车功率电子模块可将其结点温度提高至175℃，因此可免除目前混合动力汽车中必需的第二套冷却水系统，降低混合动力汽车的制造成本和长期维护成本。所使用的新型界面连接材料具有高导电性、高导热性、低弹性模量、高粘结性等优异性能，且耐高温性能优良，可保证功率电子模块在高温下长期可靠工作。本发明可用来制造新型的混合动力汽车逆变器和换流器等汽车功率电子模块，可降低混合动力汽车的制造和维护成本，可促进费用低廉、节能降耗且环保的混合动力汽车产业的发展，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放。
附图说明
图1是本发明的纳米银膏厚度控制装置的结构示意图。
其中：
1：加载支座                    2：加载螺钉
3：测量支撑结构                    4：支撑块
5：第一玻璃板                      6：第二玻璃板
7：第一引伸计                      8：第二引伸计
9：基板                            10：纳米银膏
11：芯片
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置做出详细说明。
本发明的大功率芯片连接的低温烧结方法及纳米银膏厚度控制装置，对于混合动力汽车中的功率模块中芯片和基体的连接，采用新型无铅界面连接材料，并基于新型材料开发用于大功率电子模块的低温烧结技术，即采用芯片粘接技术代替现在的钎料互联技术。
当使用本发明的大功率芯片连接的低温烧结方法连接芯片和基体时，必须使得纳米银膏中的有机成分挥发或烧蚀掉，保证最后的烧结过程只剩下纳米银。对于10mmx10mm及更大的大芯片，在烧结技术中，在涂上银膏、控制好其厚度后，必须先进行干燥，以除掉部分有机物。所以，本发明的大功率芯片连接的低温烧结方法，包括有如下阶段：
第一阶段：将已通过纳米银膏厚度控制装置设定好纳米银膏厚度的具有纳米银膏的大功率芯片结构放入在烧结炉内并放置设定的时间；
所述的纳米银膏厚度设定为30um～50um。所述的放置设定的温度和时间，是在50-60℃下放置3-5分钟，或者在室温下放置24小时。
第二阶段：给烧结炉快速升温至50℃，保温10分钟；
第三阶段：给烧结炉快速升温至125℃，保温20分钟；
第四阶段：给烧结炉快速升温至烧结温度，保温30-60分钟，然后炉冷至室温。
所述的烧结温度设定为使烧结炉内的压力范围达到1-5Mpa时的温度。压力越大，烧结温度越低。所述的烧结温度可以设定为260-300℃。
纳米银膏的厚度对封装的可靠性影响很大，如超过100um，将产生剥离。因此在纳米银膏烧结前，必须控制银膏的厚度。
如图1所示，本发明的大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，包括有：加载支座1，设置在加载支座1内的用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构并测量该芯片中纳米银膏厚度的测量支撑结构3，以及贯穿加载支座1的上端并伸入到加载支座1内由上至下对测量支撑结构3施加压力的加载螺钉2。
所述的测量支撑结构3包括有：支撑块4，设置在支撑块4上面的第一玻璃板5，分别设置在支撑块4两侧的第一引伸计7和第二引伸计8，所述的第一引伸计7和第二引伸计8的顶端支撑有位于第一玻璃板5的上方的第二玻璃板6，所述的第一玻璃板5和第二玻璃板6之间用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构，所述的加载螺钉2顶在第二玻璃板6的顶端对具有纳米银膏的大功率芯片结构施压。
所述的第一玻璃板5和第二玻璃板6的厚度相同。所述的引伸计7可采用位移计或激光测距计。
所述的具有纳米银膏的大功率芯片结构包括有：位于底层的基板9，位于顶层的芯片11，以及位于基板9和芯片11之间的纳米银膏10。
本发明的纳米银膏厚度具体控制过程是：将在基板9上点上纳米银膏10后，放置芯片11，然后将基板-银膏-芯片放置在两个厚度完全相同的第一、二玻璃板5、6之间，下面的第一玻璃板5固定，通过旋转加载螺钉2对上方的第二玻璃板6轻轻加载，同时用引伸计7测量玻璃板向下移动的距离，当纳米银膏10的厚度达到30um～50um之间后，停止旋转加载螺钉2。

Claims (10)

1.一种大功率芯片连接的低温烧结方法，其特征在于，包括有如下阶段：
第一阶段：将已通过纳米银膏厚度控制装置设定好纳米银膏厚度的具有纳米银膏的大功率芯片结构放入在烧结炉内并放置设定的时间；
第二阶段：给烧结炉快速升温至50℃，保温10分钟；
第三阶段：给烧结炉快速升温至125℃，保温20分钟；
第四阶段：给烧结炉快速升温至烧结温度，保温30-60分钟，然后炉冷至室温。
2.根据权利要求1所述的大功率芯片连接的低温烧结方法，其特征在于，第一阶段所述的纳米银膏厚度设定为30um～50um。
3.根据权利要求1所述的大功率芯片连接的低温烧结方法，其特征在于，第一阶段所述的放置设定的温度和时间，是在50-60℃下放置3-5分钟，或者在室温下放置24小时。
4.根据权利要求1所述的大功率芯片连接的低温烧结方法，其特征在于，第四阶段所述的烧结温度设定为使烧结炉内的压力范围达到1-5Mpa时的温度。
5.根据权利要求1所述的大功率芯片连接的低温烧结方法，其特征在于，第四阶段所述的烧结温度设定为260-300℃。
6.一种权利要求1所述的大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，其特征在于，包括有：加载支座(1)，设置在加载支座(1)内的用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构并测量该大功率芯片中纳米银膏厚度的测量支撑结构(3)，以及贯穿加载支座(1)的上端并伸入到加载支座(1)内由上至下对测量支撑结构(3)施加压力的加载螺钉(2)。
7.根据权利要求6所述的大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，其特征在于，所述的测量支撑结构(3)包括有：支撑块(4)，设置在支撑块(4)上面的第一玻璃板(5)，分别设置在支撑块(4)两侧的第一引伸计(7)和第二引伸计(8)，所述的第一引伸计(7)和第二引伸计(8)的顶端支撑有位于第一玻璃板(5)的上方的第二玻璃板(6)，所述的第一玻璃板(5)和第二玻璃板(6)之间用于放置具有纳米银膏的大功率芯片结构，所述的加载螺钉(2)顶在第二玻璃板(6)的顶端对具有纳米银膏的大功率芯片结构施压。
8.根据权利要求7所述的大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，其特征在于，所述的第一玻璃板(5)和第二玻璃板(6)的厚度相同。
9.根据权利要求7所述的大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，其特征在于，所述的引伸计7采用位移计或激光测距计。
10.根据权利要求6或7所述的大功率芯片中纳米银膏厚度控制装置，其特征在于，所述的具有纳米银膏的大功率芯片结构包括有：位于底层的基板(9)，位于顶层的芯片(11)，以及位于基板(9)和芯片(11)之间的纳米银膏(10)。
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