CN103252548A

CN103252548A - 一种功率半导体模块一次性焊接法

Info

Publication number: CN103252548A
Application number: CN2013101886829A
Authority: CN
Inventors: 董建平; 梁思平
Original assignee: LINHAI ZHIDING ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: LINHAI ZHIDING ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: CN103252548B

Abstract

本发明提供了一种功率半导体模块一次性焊接法，属于电力设备半导体器件技术领域。它解决了现有的焊接法不能实现一次性焊接且工艺复杂性高的问题。本功率半导体模块一次性焊接法，具体步骤如下：步骤一、将构成功率半导体模块的各部件进行组装和固定成整体，这一整体称为工件；步骤二、把已组装好的工件按放在载物台上；步骤三、把载物台推入真空焊接炉中，关闭炉门；向真空焊接炉充H₂、N₂混合气体，进行保护加热，使真空焊接炉内温度超过设定值一；步骤四、停止加热，使真空焊接炉内温度冷却到设定值二以下；关闭H₂、N₂混合气体气阀，打开炉门，取出载物台，卸下工件支架。本焊接法具有工艺复杂度低的优点。

Description

一种功率半导体模块一次性焊接法

技术领域

本发明属于电力设备半导体器件技术领域，涉及一种功率半导体模块一次性焊接法。

背景技术

功率半导体模块在封装前要将底板、管芯或芯片、内部互连金属细丝、引出电极等部件进行焊接。国内外现有技术中，根据管芯或芯片的组装工艺及安装固定方法的不同，主要分为压接结构、焊接结构这两种工艺方法来实现。压接式结构延用平板型或螺栓型封装的管芯压接互连技术，结构复杂、成本高、比较笨重，多用于晶闸管功率模块。焊接结构采用引线键合技术为主导的互连工艺，包括焊料凸点互连、金属柱互连平行板方式、凹陷阵列互连、沉积金属膜互连等技术，相对简单，成本低。此外，还能解决寄生参数、散热、可靠性等问题，适用于所有功率半导体模块。焊接结构目前已提出多种实用技术方案，目前常用的功率半导体模块焊接工艺有两种，但是都是采用两次或多次焊接方法。

第一种方法是：先把钼片4、芯片1用合金焊料2焊接成组件5，再把底板9、组件5、电极7和DBC(Direct-Bond Copper)基板8在平板电炉上或隧道炉中进行焊接（见图2）。该方法工艺简单，国内功率半导体模块制造商基本上采用这种方法。但是，经过两次高温焊接，管芯的应力增大，焊接层孔洞较多，导致芯片可靠性降低，模块热阻抗增大。虽然通过增大芯片面积，降低功率密度，能使这种情形得到部分改善，但增加成本，问题也不能全部解决。

第二种方法是：先把底板14、管芯或芯片11和DBC(Direct-Bond Copper)基板13用合金焊料12在隧道炉或真空炉中焊接在一起，接着把多根金属细丝18作为内部互连电极通过超声压焊将芯片11和DBC基板13绑定，最后在隧道炉或真空炉中把上述已焊接好的组件和引出电极21焊接在一起，完成整个焊接过程（见图3）。国外先进功率半导体模块制造商基本上采用这种方法，这种方法能解决焊接层孔洞较多的问题，降低模块热阻抗，但是金属细丝不仅导电和导热能力都比较差，而且长期在高频大电流作用下容易发生疲劳断裂，使模块损坏。

综上所述，功率半导体模块封装前的焊接工艺方法，都要经过两次或多次焊接，这样的方法使得管芯的应力增大，芯片可靠性降低；焊接层孔洞较多，模块热阻抗增大；金属细丝引线互连，高频疲劳断裂，损坏模块。同时，也不能实现一次性焊接，增加工艺复杂性和劳动成本。所以，功率半导体模块封装前的焊接工艺，多次焊接法不能很好地解决功率半导体模块的流水线大批量工业化生产问题，也不能很好地控制产品的质量和产品成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种功率半导体模块一次性焊接法，该焊接法使得功率半导体模块中的各部件焊接后，其焊接层无孔洞，模块热阻抗低，并且工艺复杂度低。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，该焊接法的具体步骤如下：

步骤一、使用功率半导体模块焊接前倒装工艺将构成功率半导体模块的引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板、合金焊料和底板进行组装和固定成整体，这一整体称为工件；

步骤二、把已组装好的工件按放在载物台上；

步骤三、把载物台推入真空焊接炉中，关闭炉门；打开通向真空焊接炉的H₂、N₂混合气体气阀，向真空焊接炉充H₂、N₂混合气体，进行保护加热，使真空焊接炉内温度超过设定值一；

步骤四、停止加热，使真空焊接炉内温度冷却到设定值二以下；关闭通向真空焊接炉的H₂、N₂混合气体气阀，打开真空焊接炉炉门，取出载物台，卸下工件支架。

该功率半导体模块一次性焊接法，在对功率半导体模块进行焊接前，先将构成功率半导体模块的引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板、合金焊料和底板进行组装和固定成整体，这一整体称为工件，再将工件放在载物台上，把载物台推入真空炉内，关闭炉门，然后通过炉内的H₂、N₂混合气体对工件进行一次性高温焊接，在焊接完成后，卸下工件支架即可获得功率半导体模块一次性焊接后的部件，通过本功率半导体模块一次性焊接法，可一次性完成，使得管芯的应力降低，焊接层无孔洞，模块热阻抗减少，模块可靠性得到极大的提高；并且功率半导体模块使用一次性焊接法，简化了工艺复杂度，实现了功率半导体模块的流水线大批量工业化生产，提高了产品的质量，降低了产品成本。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤一中，使用功率半导体模块焊接前倒装工艺，先根据功率半导体模块的结构选用支架，再通过该支架对功率半导体模块中的引出电极进行固定，然后对功率半导体模块中的其他部件依次通过支架进行组装和固定成一整体，其中合金焊料分别设置在构成功率半导体模块的各部件之间。在步骤一中，选用的支架具有定位、支撑和固定，并且具有可拆卸的功能，其定位精准，依靠支架将功率半导体模块中的各部件顺序倒过来组装，具有组装工艺简单，整个组装工艺流程可以一次性完成的优点，为一次性焊接打下了良好的基础。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤二中，所述的载物台使用耐高温合金制成，在载物台上可以放置N×M个工件，N、M代表自然数。载物台可放置多个工件，实现了大批量生产，提高了生产效益。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤三中，在真空焊接炉中对工件进行保护加热的时间为大于3分钟。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤三中，在真空焊接炉中对工件进行保护加热的时间为3～5分钟。经过多次试验结果表明，保护加热进行3～5分钟后，分别设置在引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板和底板之间的合金焊料已达到熔融状态，和各焊接部件的界面滋润良好，形成新合金。若加热时间过长，会使新合金遭到破坏，加热3～5分钟的时间为最佳时间。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤三中，在真空焊接炉内温度超过设定值一时，先断开加热电源，接着关闭通向真空焊接炉的H₂、N₂混合气体气阀，再对真空焊接炉进行抽真空处理。进行抽真空处理可使焊接界面中在形成新合金过程中产生的气体逸出，使焊料在焊接界面的滋润更好，消灭焊接层中的空洞。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤三中，所述进行抽真空处理的时间为4～8分钟。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤三中，所述进行抽真空处理的时间为6分钟，真空度达到1*10^-6Pa。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤四中，在对真空焊接炉停止加热后，再次打开通向真空焊接炉的H₂、N₂混合气体气阀，向真空焊接炉充H₂、N₂混合气体。在停止加热后，再次向向真空焊接炉充H₂、N₂混合气体，可使工件快速冷却，提高焊接层结晶质量，同时使真空焊接炉内温度快速冷却到设定值二以下，提高生产效率。

在上述的功率半导体模块一次性焊接法中，在所述步骤四中，在取出载物台后，先等工件冷却后，再对工件中的支架进行拆卸，拆卸完成即获得功率半导体模块一次性焊接后的部件。在工件冷却后再进行支架拆卸，方便操作。

与现有技术相比，本功率半导体模块一次性焊接法具有以下优点：

1、本发明焊接工艺简单，整个焊接工艺流程可以一次性完成，有利于大批量工业化生产，提高了产品的质量和产量，降低了产品成本。

2、本发明通过一次性H₂、N₂混合气体真空焊接，降低了管芯的应力，实现焊接层无孔洞，减少模块热阻，芯片可靠性性得到了极大地提高。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图。

图2是国内外现有功率半导体模块第一种焊接方法示意图。

图3是国内外现有功率半导体模块第二种焊接方法示意图。

图中，1、工件；2、载物台；3、真空焊接炉；4、部件。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本功率半导体模块一次性焊接法，具体步骤如下：步骤一、将构成功率半导体模块的引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板、合金焊料和底板进行组装和固定成整体，这一整体称为工件1；步骤二、把已组装好的工件1按放在载物台2上；步骤三、把载物台2推入真空焊接炉3中，关闭炉门；打开通向真空焊接炉3的H₂、N₂混合气体气阀，向真空焊接炉3充H₂、N₂混合气体，进行保护加热，使真空焊接炉3内温度超过设定值一；在真空焊接炉3内温度超过设定值一时，先关闭通向真空焊接炉3的H₂、N₂混合气体气阀，再对真空焊接炉3进行抽真空处理；步骤四、停止加热，在对真空焊接炉3停止加热后，再次打开通向真空焊接炉3的H₂、N₂混合气体气阀，向真空焊接炉3充H₂、N₂混合气体，使真空焊接炉3内温度冷却到设定值二以下；关闭通向真空焊接炉3的H2、N2混合气体气阀，打开真空焊接炉3炉门，取出载物台2，卸下工件1支架。

具体来说，在步骤一中，根据功率半导体模块的结构选用支架，并通过该支架先对功率半导体模块中的引出电极进行固定，再对功率半导体模块中的其他部件进行一次性组装和固定成一体。在步骤一中，选用的支架具有定位、支撑和固定，并且具有可拆卸的功能，其定位精准，依靠支架将功率半导体模块中的各部件顺序倒过来组装，具有组装工艺简单，整个组装工艺流程可以一次性完成的优点，为一次性焊接打下了良好的基础，保证了产品的质量、一致性和可靠性，有利于实现流水线工业化大批量生产。

在步骤二中，载物台2使用耐高温合金制成，在载物台2上可以放置N×M个工件1，N、M代表自然数。载物台2可放置多个工件1，实现了大批量生产，提高了生产效益。

在步骤三中，对真空焊接炉3进行加热的时间为大于3分钟。

优选地，在步骤三中，对真空焊接炉3进行加热的时间为3～5分钟。经过多次试验结果表明，保护加热进行3～5分钟后，分别设置在引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板和底板之间的合金焊料已达到熔融状态，和各焊接部件的界面滋润良好，形成新合金。若加热时间过长，会使新合金遭到破坏，加热3～5分钟的时间为最佳时间。

作为优选，在步骤三中，在关闭通向真空焊接炉3的H₂、N₂混合气体气阀后，对真空焊接炉3进行抽真空处理的时间可设定为4～8分钟。

作为优选，在步骤三中，在关闭通向真空焊接炉3的H₂、N₂混合气体气阀后，对真空焊接炉3进行抽真空处理的时间可设定为6分钟，真空度达到1*10^-6Pa。

在步骤四中，在取出载物台2后，先等工件1冷却后，再对工件1中的支架进行拆卸，拆卸完成即获得功率半导体模块一次性焊接后的部件4。在此步骤中先等工件冷却后再对支架进行拆卸，可便于操作。

在本焊接法中，通过温度传感器对真空焊接炉3内的温度进行实时检测，通过温度显示屏对温度传感器检测到的温度进行实时显示，便于人员观察和操作。

该功率半导体模块一次性焊接法的具体工作过程为：

步骤一，根据功率半导体模块的结构选用支架，并使用功率半导体模块焊接前倒装工艺，即先通过该支架对功率半导体模块中的引出电极进行固定，再对功率半导体模块中的其他部件，如内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板、合金焊料和底板通过支架进行组装和固定成整体，其中构成功率半导体模块的各部件之间分别设置有合金焊料，这一整体称为工件1；步骤二，把已组装好的多个工件1按N×M方式排列放置在由耐高温合金制成的载物台2上，N、M代表自然数；步骤三，把载物台2推入真空焊接炉3中，关闭炉门，打开通向真空焊接炉3的H2、N2混合气体气阀，向真空焊接炉3充H2、N2混合气体，对真空焊接炉3进行保护加热3分钟以上，其最佳保护加热时间为3至5分钟，在加热3至5分钟后，用于使功率半导体模块中各部件相互连接的合金焊料已达到熔融状态，和各焊接部件的界面滋润良好，形成新合金；进行保护加热使真空焊接炉3内温度超过设定值一，该设定值一可设定为300℃，该真空焊接炉3内的温度通过温度显示屏进行显示，操作人员可通过温度显示屏显示的温度判断是否进行下一步操作，在真空焊接炉3内温度超过设定值一时，先断开加热电源，接着关闭通向真空焊接炉3的H2、N2混合气体气阀，再对真空焊接炉3内的气体进行抽真空处理，其抽真空处理的最佳时间为6分钟；步骤四，在对真空焊接炉3进行抽真空处理后，再次打开通向真空焊接炉3的H2、N2混合气体气阀，向真空焊接炉3充H2、N2混合气体，在真空焊接炉3内温度冷却到设定值二以下时，其设定值二可设定为150℃；在真空焊接炉3内温度冷却到设定值二以下后，关闭通向真空焊接炉3的H2、N2混合气体气阀；打开真空焊接炉3的炉门，取出载物台2，待工件1冷却后，拆卸支架，获得功率半导体模块一次性焊接后的部件4，即获得功率半导体模块中各部件焊接成整体后的部件4。

在功率半导体模块一次性焊接法中，共分为四个工艺步骤，步骤顺序不能颠倒、互换、缺项，在经过四个工艺步骤后，构成功率半导体模块的引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板和底板，其各个部件之间分别通过合金焊料进行焊接连接。通过本功率半导体模块一次性焊接法，可一次性完成，使得管芯的应力降低，焊接层无孔洞，模块热阻抗减少，模块可靠性得到极大的提高；并且功率半导体模块使用一次性焊接法，简化了工艺复杂度，实现了功率半导体模块的流水线大批量工业化生产，提高了产品的质量，降低了产品成本。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了工件1、载物台2、真空焊接炉3、部件4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，该焊接法的具体步骤如下：

步骤一、使用功率半导体模块焊接前倒装工艺将构成功率半导体模块的引出电极、内部互连电极、钼片、管芯或芯片、绝缘片或DBC基板、合金焊料和底板进行组装和固定成整体，这一整体称为工件（1）；

步骤二、把已组装好的工件（1）按放在载物台（2）上；

步骤三、把载物台（2）推入真空焊接炉（3）中，关闭炉门；打开通向真空焊接炉（3）的H₂、N₂混合气体气阀，向真空焊接炉（3）充H₂、N₂混合气体，进行保护加热，使真空焊接炉（3）内温度超过设定值一；

步骤四、停止加热，使真空焊接炉（3）内温度冷却到设定值二以下；关闭通向真空焊接炉（3）的H₂、N₂混合气体气阀，打开真空焊接炉（3）炉门，取出载物台（2），卸下工件（1）支架。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤一中，使用功率半导体模块焊接前倒装工艺，先根据功率半导体模块的结构选用支架，再通过该支架对功率半导体模块中的引出电极进行固定，然后对功率半导体模块中的其他部件依次通过支架进行组装和固定成一整体，其中合金焊料分别设置在构成功率半导体模块的各部件之间。

3.根据权利要求1所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤二中，所述的载物台（2）使用耐高温合金制成，在载物台（2）上可以放置N×M个工件（1），N、M代表自然数。

4.根据权利要求1所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤三中，对真空焊接炉（3）进行保护加热的时间为大于3分钟。

5.根据权利要求1或4所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤三中，对真空焊接炉（3）进行保护加热的时间为3～5分钟。

6.根据权利要求5所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤三中，在真空焊接炉（3）内温度超过设定值一时，先关闭通向真空焊接炉（3）的H₂、N₂混合气体气阀，再对真空焊接炉（3）进行抽真空处理。

7.根据权利要求6所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤三中，所述进行抽真空处理的时间为4～8分钟。

8.根据权利要求7所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤三中，所述进行抽真空处理的时间为6分钟。

9.根据权利要求1所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤四中，在对真空焊接炉（3）停止加热后，再次打开通向真空焊接炉（3）的H₂、N₂混合气体气阀，向真空焊接炉（3）充H₂、N₂混合气体，使真空焊接炉（3）内温度冷却到设定值二以下。

10.根据权利要求1或9所述的功率半导体模块一次性焊接法，其特征在于，在所述步骤四中，在取出载物台（2）后，先等工件（1）冷却后，再对工件（1）中的支架进行拆卸，拆卸完成即获得功率半导体模块一次性焊接后的部件（4）。