CN104201117B - 一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，采用电镀银的铜基板，再将铜基板印刷纳米银焊膏及贴装芯片后，在烧结前，通过对贴装好芯片的制品在40‑100KHz频率下进行3‑5分钟的超声振动，使纳米银焊膏混合均匀，且芯片与纳米银焊膏间具有良好润湿、接触更为紧密。本发明显著提高了纳米银焊膏的连接性能及可靠性，且操作方便，便于实现工艺的工业化。

Description

一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法
技术领域
本发明是关于功率模块的制备方法的，特别涉及一种将超声振动用于纳米银焊膏烧结制作功率模块的工艺方法。
背景技术
混合动力汽车中，要用逆变器等大功率电子模块将交流电转化为直流电。由于此类模块工作时功率很大，因此会产生大量的热。使用传统的钎焊接方法制造此类模块时，存在使用寿命短、散热能力低等缺点，将混合动力汽车中功率模块中芯片的结点温度限制在150度以下。新出现的纳米银焊膏低温烧结技术，能在很大程度上弥补传统钎焊方法的缺点。
纳米银焊膏的涂覆及芯片贴装在整个模块的制作工序中至关重要，焊膏在基板上印刷的质量对芯片烧结后的连接性能和可靠性有着很大的影响。常见芯片贴装工艺是：一、先将纳米银焊膏通过丝网印刷技术或模板印刷技术涂敷在基板上，通过刮刀刮去多余的焊膏并获得适宜形状的平整焊膏。二、将芯片贴装在涂覆的银膏上，并轻轻挤压芯片，使芯片与基板中间的焊膏在芯片下均匀扩散开并排出芯片与银膏间的气孔，使芯片与银膏紧密接触。
电力电子行业中的技术革命正在进行中，许多功率模块制造商希望将芯片的结温由125提高到175甚至更高，以适应高集成、高功率的市场需求。同时促使作为功率模块系统核心的芯片向更大密度、更大尺寸(≥100㎜2)，更小重量方向发展。功率模块系统的加工关键就是大尺寸芯片(≥100㎜2)与基板的连接。但大尺寸芯片与基板互联技术还很不成熟，而且由于芯片金属镀层的镀膜工艺不同，使芯片镀层的微观形貌和结构有所不同，造成芯片与纳米银焊膏在贴装时的润湿性迥然不同，从而极大的影响到纳米银焊膏烧结的连接性能及可靠性。因此，需要一种能提高焊膏与芯片接触润湿性的工艺方法，从而提高大尺寸芯片的连接强度及可靠性。
发明内容
本发明的目的，为了改善纳米银焊膏与芯片间的润湿性，使其接触更加紧密，从而提高纳米银焊膏的连接强度和可靠性，提供一种辅助纳米银焊膏烧结的新的工艺方法。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，具有如下步骤：
(1)纳米银焊膏的印刷：采用镀银基板，印刷前用无水乙醇将基板表面油污清理干净；采用模板印刷工艺，将焊膏涂敷在基板上；
(2)芯片的贴装：将芯片轻轻放于步骤(1)基板的银焊膏上，并轻轻挤压，使银膏由芯片下稍有挤出即可，同时排出气泡；
(3)超声振动：将步骤(2)贴装好芯片的基板放入洁净、干燥的烧杯中，并将烧杯置于超声清洗机中，在40～100kHz频率下振动3～5分钟；
(4)烧结：将步骤(3)超声处理后的贴装芯片的基板于250～260℃进行烧结，保温30分钟，同时在保温过程中对芯片施加压力(≤1000帕)，制得功率模块。
所述步骤(1)的基板为尺寸为15mm×15mm×1mm，不锈钢镂空模板尺寸为9mm×9mm。
所述步骤(1)基板为铜基板或者DBC基板。
所述步骤(2)的芯片尺寸为10mm×10mm。
所述步骤(2)的芯片尺寸为≥100㎜2。
所述步骤(4)烧结设备为科尔帕默可编程数显加热台。
所述步骤(4)的烧结升温速率为每分钟5～7℃。
本发明的有益效果：通过超声振动，使纳米银焊膏与芯片接触良好润湿，并使其接触更加紧密，显著提高了纳米银焊膏的烧结连接强度。本发明操作方便，便于实现工艺的工业化。
附图说明
图1是本发明功率模块的结构示意图；
图2是本发明实施例2采用超声辅助纳米银焊膏烧结的功率模块截面微观形貌图；
图3是未采用超声辅助纳米银焊膏烧结的功率模块截面微观形貌图；
图4是本发明超声频率对连接强度的影响图。
图1的附图标记如下：
1———基板 2———银焊膏
3———芯片
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)纳米银焊膏的印刷：采用电镀银的铜片为基板，基板尺寸为15mm×15mm×1mm，印刷前先用无水乙醇将基板表面油污清理干净。采用模板印刷工艺，网板形状为略小于芯片尺寸的正方形9mm×9mm，用刮刀将焊膏刮平，并刮去多余焊膏。
(2)芯片的贴装：将ABB公司产的IGBT芯片10mm×10mm轻轻放于银焊膏上，并轻轻挤压，使银膏稍挤出芯片一点即可，同时排出气泡，使芯片与银膏接触的更加紧密。如图1所示，银焊膏2印刷在基板1的上面，芯片3放于银焊膏2之上。
(3)超声振动：将贴装好的芯片的铜基板放入洁净、干燥的烧杯中，并将烧杯置于KQ-100DE型数控超声波清洗器中，在频率40kHz下振动3分钟。
(4)烧结：采用试验用科尔帕默可编程数显加热台对步骤(3)贴装好芯片的铜基板进行烧结，先从室温以5℃/min的速率升温至260℃，在芯片上加上一颗重50克的砝码，保温30min后，以7℃/min的速率降至室温，制得功率模块。
实施例2
(1)纳米银焊膏的印刷：采用电镀银的铜片为基板，基板尺寸为15mm×15mm×1mm，印刷前先用无水乙醇将基板表面油污清理干净。采用模板印刷工艺，网板形状为略小于芯片尺寸的正方形9mm×9mm，用刮刀将焊膏刮平，并刮去多余焊膏。
(2)芯片的贴装：将ABB公司的IGBT芯片10mm×10mm轻轻放于银焊膏上，并轻轻挤压，使银膏稍挤出芯片一点即可(如图1)，同时排出气泡，使芯片与银膏接触的更加紧密。
(3)超声振动：将贴装好的芯片的铜基板放入洁净、干燥的烧杯中，并将烧杯置于KQ-100DE型数控超声波清洗器中，在频率100kHz下振动3分钟。
(4)烧结：采用试验用科尔帕默可编程数显加热台对步骤(3)贴装好芯片的铜基板进行烧结，先从室温以7℃/min的速率升温至260℃，在芯片上加上一颗重50克的砝码，保温30min后，以7℃/min的速率降至室温，制得功率模块。
将实施例2的功率模块用多功能推拉力强度测试仪进行剪切，并与未进行超声振动的制品进行对比，发现超声辅助烧结制品是从银膏层断裂，且强度大于20MPa(如图4)；而未进行超声烧结的是从银膏与芯片连接层断裂，且强度极低，小于5MPa(如图4)。
对实施例2烧结制品冷镶后，经粗磨、剖光对截面采用扫描电镜在1000倍下进行金相观察(如图2)，并与未经超声振动烧结的制品(如图3)对比发现，超声振动烧结的制品芯片与基板连接处连接紧密。
实施例3
(1)纳米银焊膏的印刷：采用电镀银的铜片为基板，基板尺寸为15mm×15mm×1mm，印刷前先用无水乙醇将基板表面油污清理干净。采用模板印刷工艺，网板形状为略小于芯片尺寸的正方形9mm×9mm，用刮刀将焊膏刮平，并刮去多余焊膏。
(2)芯片的贴装：将ABB公司产的IGBT芯片10mm×10mm轻轻放于银焊膏上，并轻轻挤压，使银膏稍挤出芯片一点即可(如图1)，同时排出气泡，使芯片与银膏接触的更加紧密。
(3)超声振动：将贴装好的芯片的铜基板放入洁净、干燥的烧杯中，并将烧杯置于KQ-100DE型数控超声波清洗器中，在频率40kHz下振动5分钟。
(4)烧结：采用试验用科尔帕默可编程数显加热台对步骤(3)贴装好芯片的铜基板进行烧结，先从室温以5℃/min的速率升温至250℃，在芯片上加上一颗重100克的砝码，保温30min后，以7℃/min的速率降至室温，制得功率模块。
功率模块系统的加工关键就是大尺寸芯片(≥100㎜2)与基板的连接。本发明主要针对解决大尺寸芯片与基板连接问题，但对小尺寸芯片的连接性能也有提高和改善。

Claims (7)

1.一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，具有如下步骤：
(1)纳米银焊膏的印刷：采用镀银基板，印刷前用无水乙醇将基板表面油污清理干净；采用模板印刷工艺，将纳米银焊膏涂敷在基板上；
(2)芯片的贴装：将芯片轻轻放于步骤(1)基板的纳米银焊膏上，并轻轻挤压，使纳米银焊膏由芯片下稍有挤出即可，同时排出气泡；
(3)超声振动：将步骤(2)贴装好芯片的基板放入洁净、干燥的烧杯中，并将烧杯置于超声清洗机中，在40～100kHz频率下振动3～5分钟；
(4)烧结：将步骤(3)超声处理后的贴装芯片的基板于250～260℃进行烧结，保温30分钟，同时在保温过程中对芯片施加压力≤1000帕，制得功率模块。
2.根据权利要求1所述的一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，其特征在于，所述步骤(1)的基板的尺寸为15mm×15mm×1mm，所述步骤(1)的模板印刷工艺中的不锈钢镂空模板尺寸为9mm×9mm。
3.根据权利要求1所述的一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，其特征在于，所述步骤(1)基板为铜基板或者DBC基板。
4.根据权利要求1所述的一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，其特征在于，所述步骤(2)的芯片尺寸为10mm×10mm。
5.根据权利要求1所述的一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，其特征在于，所述步骤(2)的芯片尺寸为≥100㎜2。
6.根据权利要求1所述的一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，其特征在于，所述步骤(4)的烧结设备为科尔帕默可编程数显加热台。
7.根据权利要求1所述的一种采用超声辅助纳米银焊膏烧结制作功率模块的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的烧结包括以每分钟5～7℃的升温速率从室温升温至250～260℃。
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