CN103779247B - 一种将功率半导体模块端子焊接到基板的方法 - Google Patents
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Abstract
一种将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，该方法选为材质相同或热膨胀系数相近的材料制成端子和基板，所述基板通过回流锡焊在一个散热基板上，将所述端子固定在需焊接处基板的上方；将所述端子的焊接面与基板的上表面平整接触；将所述散热基板固定住；使超声波焊头工作面与端子的焊接上表面水平对齐；沿着所述基板平面的竖直方向对所述超声波焊头施加压力，使所述超声波焊头工作面与所述端子焊接上表面平整接触；所述超声波焊头，将超声波能量施加到所述端子和所述基板上，使之足以将所述端子焊接到所述基板上;本发明提高了功率半导体模块端子和基板之间结合面抗温度冲击的能力，延长了功率半导体模块的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，属于半导体封装及功率半导体模块制备技术领域。
背景技术
目前，在功率半导体模块封装过程中，通过软钎焊技术将功率端子或信号端子焊接到模块上。在功率半导体模块的使用过程中，其温度会频繁地在高温（100-150℃）和室温之间波动，由于端子所用金属材质、端子所要焊接到基板的表面材质与焊料的热膨胀系数不同并相差较大，在此温度波动下，焊接面的焊料与其接触的端子面和基板表面就会产生应力。当此应力达到一定值时就会使焊接面的焊料出现裂纹和开裂，致使端子与所焊接基板之间分离，最终导致模块的失效。此外，在软钎焊过程中模块表面存在受焊料及助焊剂污染的风险，从而影响功率半导体模块的生产和使用。
针对模块端子使用过程中掉落的问题，现解决的方法：尽量选用焊接强度高的焊料，或尽量降低模块使用时的温度，来延长模块的使用寿命。但以上方法并不能根本解决功率半导体模块的端子在使用过程中因不同材质的热膨胀系数不同而导致掉落的问题。此外，针对端子焊接过程出现的污染，现解决的方法：在功率半导体端子焊接好后增加清洗的工艺步骤，尽量减少焊料及助焊剂对模块的污染；由于增加清洗工艺步骤，使得模块的生产时间延长，同时使生产成本提高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，它可以有效地解决功率半导体模块在使用过程中因不同材质热膨胀系数不同而导致掉落端子的问题，同时也可以减少模块生产周期的时间而提高生产效率。
本发明所采用的技术方案是：一种将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，该方法选为材质相同或热膨胀系数相近的材料制成端子和基板，所述基板通过回流锡焊在一散热基板上，将所述端子固定在需焊接处基板的上方；将所述端子的焊接面与基板的上表面平整接触；将所述散热基板固定住；使超声波焊头工作面与端子的焊接上表面水平对齐；沿着所述基板平面的竖直方向对所述超声波焊头施加压力，使所述超声波焊头工作面与所述端子焊接上表面平整接触；所述超声波焊头，将超声波能量施加到所述端子和所述基板上，使之足以将所述端子焊接到所述基板上。
所述的端子是由铜或铜合金制成，所述基板是直接敷铜陶瓷基板。
所述直接敷铜陶瓷基板由三层组成，上层为铜箔，中间层为陶瓷，下层为铜箔。
所述的端子是由铝或铝合金制成；所述基板是直接敷铝陶瓷基板。
所述直接敷铝陶瓷基板由三层组成，上层为铝箔，中间层为陶瓷，下层为铝箔。
所述陶瓷是氧化铝（Al2O3），或是氮化铝（AlN）。
所述超声波焊头以15-45kHz的频率施加能量。
所述超声波焊头将一个50-2000N的力施加到所述端子和所述基板上。
所述超声波焊头输出10-1000Ws（J）的能量进行焊接。
所述端子焊接面的面积为2-100mm2，呈矩形或多边形或圆形形状。
本发明使用材质相同或热膨胀系数相近的端子和基板，对端子和基板施加一定的压力,使端子和基板紧密结合,然后通过一定频率和能量的超声波使端子和基板结合在一起，并保证基板中的陶瓷不能有裂纹。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在端子和基板结合过程中不使用焊料，直接将端子和基板结合在一起，在功率模块使用过程中承受温度负载时就可以避免因不同材质热膨胀系数相差大而造成端子掉落的问题，可以彻底解决功率半导体模块使用寿命由端子焊接强度决定的问题，大大可以延长功率半导体模块的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述超声波焊接功率半导体模块端子的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。图1所示,本发明所述的将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，该方法选为材质相同或热膨胀系数相近的材料制成端子和基板，所述基板3通过回流锡焊在一散热基板5上，将所述端子2固定在需焊接处基板3的上方；将所述端子的焊接面21与基板的上表面34平整接触；将所述散热基板5固定住；使超声波焊头工作面11与端子的焊接上表面22水平对齐；沿着所述基板2平面的竖直方向y对所述超声波焊头1施加压力，使所述超声波焊头工作面11与所述端子焊接上表面22平整接触；所述超声波焊头1，将超声波能量施加到所述端子2和所述基板3上，使之足以将所述端子2焊接到所述基板3上。
所述的端子2是由铜或铜合金制成，所述基板3是直接敷铜陶瓷基板。
所述直接敷铜陶瓷基板由三层组成，上层为铜箔，中间层为陶瓷，下层为铜箔。
所述的端子2是由铝或铝合金制成；所述基板3是直接敷铝陶瓷基板。
所述直接敷铝陶瓷基板由三层组成，上层为铝箔，中间层为陶瓷，下层为铝箔。
所述陶瓷是氧化铝Al2O3，或是氮化铝AlN。
所述超声波焊头1以15-45kHz的频率施加能量。
所述超声波焊头1将一个50-2000N的力施加到所述端子2和所述基板3上。
所述超声波焊头1输出10-1000Ws（J）的能量进行焊接。
所述端子焊接面21的面积为2-100mm2，呈矩形或多边形或圆形形状。
实施例:如图1所示，本发明所述的将功率模块端子2超声波焊接到基板3的方法，其中基板3通过回流锡焊在散热基板5上，在基板3和散热基板5之间是焊料4；功率模块端子2是由纯铜制成，基板3是直接敷铜基板，基板上层31和基板下层33为铜箔，基板中间层32为氧化铝Al2O3陶瓷；这样被焊接接触的两物质都是铜材质，这样可以保证超声波焊接的可行性。端子焊接面21的面积为16mm2，端子焊接面21和基板上表面34要保证平整性，这样才有利于端子焊接面21和基板上表面34充分的接触，利于超声波焊接的实施。超声波通过焊头1施加到端子2和基板3上，以20kHz频率沿x方向施加，施加在焊头1沿y方向的力约为50-2000N，焊接输出能量控制在10-1000Ws，足以将端子2和基板3焊接在一起。此外，在超声波焊接后还要保证基板中间层32的陶瓷不能有裂纹出现。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明,但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围,本发明的保护范围由随附的权利要求书限定,任何在本发明去权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，该方法选为材质相同或热膨胀系数相近的材料制成端子和基板，所述基板（3）通过回流锡焊在一散热基板（5）上，其特征在于：将所述端子（2）固定在需焊接处基板（3）的上方；将所述端子的焊接面（21）与基板的上表面（34）平整接触；将所述散热基板（5）固定住；使超声波焊头工作面（11）与端子的焊接上表面（22）水平对齐；沿着所述基板（3）平面的竖直方向（y）对所述超声波焊头（1）施加压力，使所述超声波焊头工作面（11）与所述端子焊接上表面（22）平整接触；所述超声波焊头（1），将超声波能量施加到所述端子（2）和所述基板（3）上，使之足以将所述端子（2）焊接到所述基板（3）上；
所述的端子（2）是由铝或铝合金制成；所述基板（3）是直接敷铝陶瓷基板；
所述超声波焊头（1）以15-45kHz 的频率施加能量；
所述超声波焊头（1）将一个50-2000N 的力施加到所述端子（2）和所述基板（3）上；
所述超声波焊头（1）输出10-1000Ws（J）的能量进行焊接；
所述端子焊接面（21）的面积为2-100mm2，呈矩形或多边形或圆形形状。
2.根据权利要求1 所述的将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，其特征在于：所述的端子（2）是由铜或铜合金制成，所述基板（3）是直接敷铜陶瓷基板。
3.根据权利要求2 所述的将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，其特征在于：所述直接敷铜陶瓷基板由三层组成，上层为铜箔，中间层为陶瓷，下层为铜箔。
4.根据权利要求1所述的将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，其特征在于：所述直接敷铝陶瓷基板由三层组成，上层为铝箔，中间层为陶瓷，下层为铝箔。
5.根据权利要求3或4所述的将功率半导体模块端子焊接到基板的方法，其特征在于：所述陶瓷是氧化铝（Al2O3），或是氮化铝（AlN）。
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