CN104517931B - 提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法 - Google Patents

提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，该结构包括：衬板、基板、焊层和支点阵列。衬板和基板之间通过焊层连接，在焊层中设置有支点阵列。本发明通过在焊层中设置支点阵列能够有效地增加焊层在回流焊接过程中的流动性，解决现有功率电子模块封装在大面积回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术问题，同时能够改善焊层内部空洞率及非连续性焊点，降低功率电子模块的热阻，工艺简单、成本低廉，且可操作性强。

Description

提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法
技术领域
本发明涉及电子器件封装领域，尤其是涉及一种应用于功率半导体模块封装的提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法。
背景技术
目前，在功率半导体模块封装工艺中，回流焊接工艺是功率电子模块封装的主要工艺之一，而软焊膏回流焊接是实现不同电气元件之间电学连接的关键步骤，如：半导体芯片与陶瓷衬板、陶瓷衬板与基板之间一般都是采用真空回流焊工艺来。如附图1所示，现有的功率半导体模块封装包括衬板1和基板2，衬板1和基板2之间为焊层3。通常，由于软焊膏的粘度、湿度、浸润性等材料性能以及回流焊接工艺条件的影响，将会导致回流焊的焊层3厚度不均匀，从而在焊层3与衬板1和基板2的界面处产生大量的空洞31及非连续性焊点32。这些尺寸较大的空洞31及非连续性焊点32会使模块内部的热传导不均匀，严重影响功率电子模块封装的散热效果，导致传热效率低下、热阻增加，成为导致功率电子模块在温度循环或功率循环时发生热疲劳失效的主要诱导因素之一。特别对于大面积的回流焊接，此问题尤为突出。
在现有技术中，主要有以下两篇文献与本发明技术方案相关：
文献1为东莞生益电子有限公司于2010年12月30日申请，并于2011年07月13日公开，公告号为CN102123562B中国授权发明专利《采用回流焊接制作金属基板的方法》。该发明专利提出了一种利用钢网丝印超高温锡膏和焊接夹具通过回流焊接工艺制作金属基板的方法，该发明采用超高温锡锑锡膏将高频PCB板与金属基复合材料的金属底板焊接在一起。由于所述金属基板的最大焊接面积可达250mm×100mm，虽然使用钢网丝印技术可将如此大面积的焊膏印刷到金属基板上，但是由于焊接面积高达25×103mm2，在回流焊接过程中不可避免会出现大量空洞或非连续性焊点，更糟糕的情况将会导致PCB板和金属底板的分层。
文献2为中国科学院上海微系统与信息技术研究所于2010年10月22日申请，并于2011年05月18日公开，公告号为CN102064120B的中国授权发明专利《一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法》。该发明专利提出了一种基于铟凸点的无助焊剂回流的工艺方法，该发明的主要特征在于电镀铟凸点、以及电镀银层包覆铟凸点、凸点回流，实现铟凸点阵列的无助焊回流，典型应用于某些特殊的光电芯片、MEMS芯片和生物检测芯片中的倒装芯片互连中。该发明中所提及的铟凸点直径约为30-50μm，高度未知，所述铟凸点通过电镀工艺实现，为了防止铟凸点的氧化，还需要电镀银层进行保护，制作工艺比较复杂，且应用领域仅局限于倒装芯片焊球式封装。
因此，提高真空回流焊接中焊层厚度的均匀性，特别是焊接面积较大的陶瓷衬板与散热基板之间的焊层，对于改善功率电子模块的可靠性及使用寿命至关重要，也成为当前亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，能够有效地解决现有功率电子模块封装在回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构的技术实现方案，一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，包括：衬板、基板、焊层和支点阵列。所述衬板和基板之间通过所述焊层连接，在所述焊层中设置有所述支点阵列。
优选的，所述支点阵列位于所述焊层的内部，被所述焊层完全包覆，并在所述焊层中按规律排布。
优选的，所述支点阵列设置在所述衬板的背面和/或所述基板的表面，所述支点阵列的排布位置随着所述衬板背面和/或所述基板表面的形状而变化。
优选的，所述支点阵列位于所述衬板背面和/或所述基板表面的四周或四角。
优选的，所述支点阵列位于所述衬板背面的第一金属层的四角，并与所述第一金属层相连。
优选的，所述支点阵列位于所述基板正面的第二金属层的四周，并与所述第二金属层相连。
优选的，所述支点阵列为排布在所述衬板背面和/或所述基板表面的包括金属球、短金属丝、金属柱在内的任意一种突起结构。
优选的，所述支点阵列包括若干个支点，所述支点的高度范围在0.01mm～1.0mm之间。
本发明还具体提供了一种基于上述结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法的技术实现方案，该方法包括以下步骤：
将软焊料印刷至基板上；
将带有支点阵列的衬板通过夹具在所述基板上进行定位；
将上述基板和衬板的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在所述衬板和基板之间形成一层厚度均匀、可控的焊层。
本发明还具体提供了另一种基于上述结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法的技术实现方案，该方法包括以下步骤：
将软焊料印刷至带有支点阵列的基板上；
将衬板通过夹具在所述基板上进行定位；
将上述基板和衬板的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在所述衬板和基板之间形成一层厚度均匀、可控的焊层。
通过实施上述本发明提供的提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，具有如下技术效果：
（1）本发明能够解决功率电子模块封装回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术难题，特别是针对陶瓷衬板等较大焊接面积的回流焊接，通过在陶瓷衬板背面或散热基板表面采用凸点阵列或者短金属丝作为支撑点的方法，支点阵列能够增加焊层在回流焊接过程中的流动性，有效提高大面积回流焊层厚度的均匀性；
（2）本发明能够提高回流焊层，尤其是大面积焊层厚度的均匀性，改善焊层内部空洞率及非连续性焊点，能够增强回流焊层的热传递效率，有效地降低功率电子模块的热阻；
（3）本发明工艺简单，成本极低，且可操作性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统功率电子封装中陶瓷衬板与基板焊接效果的结构示意图；
图2是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构一种具体实施方式焊接效果的结构示意图；
图3是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例1中衬板正面结构示意图；
图4是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例1中衬板背面结构示意图；
图5是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例2中衬板背面结构示意图；
图6是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例3中基板正面结构示意图；
图7是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构实施例3中基板和衬板通过支点阵列焊接后的结构示意图；
图8是图7中A-A向的横截面示意图；
图9是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构中支点阵列一种具体实施例的结构示意图；
图10是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构中支点阵列第二种具体实施例的结构示意图；
图11是本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构中支点阵列第三种具体实施例的结构示意图；
图中：1-衬板，2-基板，3-焊层，4-支点阵列，5-支点，11-第一金属层，21-第二金属层，31-空洞，32-非连续性焊点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图2至附图11所示，给出了本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如附图2所示，一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构的具体实施例，包括：衬板1、基板2、焊层3和支点阵列4。衬板1和基板2之间通过焊层3连接，在焊层3中设置有支点阵列4。衬板1进一步采用陶瓷衬板。支点阵列4位于焊层3的内部，被焊层3完全包覆，并在焊层3中呈一定的规律排布。支点阵列4进一步设置在衬板1的背面和/或基板2的表面，支点阵列4的排布位置随着衬板1背面和/或基板2表面的形状而变化。支点阵列4位于衬板1的背面和/或基板2的表面，支点阵列4在焊层3的内部按一定规则排布，形成对衬板1在回流焊接过程中的支撑，保持焊膏能够地进行充分流动，以实现焊层3在衬板1与基板2之间厚度的均匀性。
作为本发明一种较佳的具体实施例，支点阵列4进一步设置在衬板1的背面或基板2的表面，支点阵列4的排布位置随着衬板1背面或基板2表面的形状而变化。此时，支点阵列4的高度偏差相对于同时在衬板1的背面和基板2的表面设置支点阵列4的情况要容易控制许多，进一步提高了焊接过程中的对准精确度，极大地提升了焊接的效果。作为本发明一种更佳的具体实施例，如附图4、附图5和附图6所示，支点阵列4进一步位于衬板1背面和/或基板2表面的四周或四角。这样的设计使得在支点阵列4起到支撑作用的前提下，不会阻挡焊层3的流动性，从而最大程度地降低了在焊层3中出现空洞31和非连续性焊点32的几率。
如附图4和附图5所示，支点阵列4位于衬板1背面的第一金属层11的四角，并与第一金属层11相连。如附图6所示，支点阵列4位于基板2正面的第二金属层21的四周，并与第二金属层21相连。
如附图9、附图10和附图11所示，支点阵列4进一步为按一定规律排布在衬板1背面和/或基板2表面的包括金属球、短金属丝、金属柱在内的任意一种突起结构。支点阵列4包括若干个支点5，支点5的高度范围在0.01mm～1.0mm之间。如附图4和附图5所示，在衬板1背面的四个角共设置有4个支点5。如附图7所示，在一块基板2的表面设置有两块衬板1，则在基板2上与每一块衬板1对应的位置设置有4个支点5，四个支点5分别对应于衬板1的4个角，如附图5所示。
本发明的上述具体实施例通过在衬板1（陶瓷衬板）和基板2（散热基板）之间的焊层3中设置有支点阵列4能够解决功率电子模块封装回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术难题，特别是针对陶瓷衬板等较大焊接面积的回流焊接。通过在衬板1的背面或基板2的表面采用包括金属凸点或短金属丝或金属柱等在内的支点阵列4作为支撑点的方法，能够提高回流焊层厚度的均匀性、改善焊层内部空洞率及非连续性焊点、增强回流焊层的热传递效率，并有效降低模块的热阻。
一种基于上述结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法的具体实施例，包括以下步骤：
将一定厚度的软焊料印刷至基板2上；
将带有支点阵列4的衬板1通过夹具在基板2上进行定位；
将上述基板2和衬板1的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在衬板1和基板2之间形成一层厚度均匀、可控的焊层3。
另一种基于上述结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法的具体实施例，包括以下步骤：
将一定厚度的软焊料印刷至带有支点阵列4的基板2上；
将衬板1通过夹具在基板2上进行定位；
将上述基板2和衬板1的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在衬板1和基板2之间形成一层厚度均匀、可控的焊层3。
在上述两种具体实施例描述的方法中，由于支点阵列4的作用使焊料在高温回流炉中流动得更加自由，减少了大面积陶瓷衬板回流焊层厚度的不均匀性，且工艺简单、可操作性极强。
基于前述发明目的，为了实现本发明提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，具体实施例采用在回流焊的焊层3中增加金属的支点阵列4的方法提高大面积陶瓷衬板回流焊层厚度的均匀性，基于支点阵列4在衬板1或基板2上的不同布局方式，在此阐述本发明技术方案三种典型的具体实施例。
实施例1
如附图2、附图3和附图4所示，本实施例提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，包括：衬板1、基板2、焊层3和支点阵列4。其中，衬板1与基板2之间通过焊层3连接，支点阵列4位于焊层3的内部，支点阵列4在焊层3的内部按一定的规律排布。衬板1采用陶瓷衬板。
衬板1背面的第一金属层11的四周附着有支点阵列4的结构。焊层3位于衬板1和基板2之间，并连接衬板1和基板2。支点阵列4位于焊层3的内部，并完全被焊层3包覆。支点阵列4位于衬板1背面的第一金属层11的四个角，并与衬板1背面的第一金属层11相连。支点阵列4进一步包括4个支点5，支点5为金属球形（金属凸点）结构。
在焊接过程中，首先将一定厚度的软焊料印刷到基板2上，然后将带有金属球形结构支点阵列4的衬板1通过夹具在基板2上进行定位，再放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，形成一层厚度均匀、可控的焊层3。由于在衬板1底部的金属球形结构的支点阵列4的作用下，软焊料在高温回流炉中流动得更加自由，有效地提高了大面积衬板1的回流焊层厚度的均匀性。软焊料的厚度应当满足焊层3的厚度要求，同时需满足在进行高温回流焊接后形成的焊层3的厚度应当不低于支点阵列4的支点5的高度。
实施例2
如附图5所示，本实施例提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，包括：衬板1、基板2、焊层3和支点阵列4。其中，衬板1与基板2之间通过焊层3连接，支点阵列4位于焊层3的内部，支点阵列4在焊层3的内部按一定规则排布。衬板1采用陶瓷衬板。
衬板1背面的第一金属层11的四周附着有支点阵列4的结构。焊层3位于衬板1和基板2之间，并连接衬板1和基板2。支点阵列4位于焊层3的内部，并完全被焊层3包覆。支点阵列4位于衬板1背面的第一金属层11的四个角，并与衬板1背面的第一金属层11相连。支点阵列4为短金属丝形结构。
在焊接过程中，首先将一定厚度的软焊料印刷到基板2上，然后将带有短金属丝形结构支点阵列4的衬板1通过夹具在基板2上进行定位，再放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，形成一层厚度均匀、可控的焊层3。由于在衬板1底部的短金属丝形结构的支点阵列4的作用下，软焊料在高温回流炉中流动得更加自由，有效地提高了大面积的衬板1回流焊层厚度的均匀性。软焊料的厚度应当满足焊层3的厚度要求，同时需满足在进行高温回流焊接后形成的焊层3的厚度应当不低于支点阵列4的支点5的高度。
实施例3
如附图6、附图7和附图8所示，本实施例提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，包括：衬板1、基板2、焊层3和支点阵列4。其中，衬板1与基板2之间通过焊层3连接，支点阵列4位于焊层3的内部，支点阵列4在焊层3的内部按一定规则排布。衬板1采用陶瓷衬板。
基板2正面的第二金属层21上附着有支点阵列4的结构，该支点阵列4的形状随着衬板1的形状改变而改变。焊层3位于衬板1与基板2之间，并连接衬板1和基板2。支点阵列4位于焊层3的内部，并完全被焊层3包覆。支点阵列4位于基板2正面的第二金属层21上，支点阵列4的排布位置随着衬板1的形状变化而变化。支点阵列4为金属柱形结构。
在焊接过程中，首先将一定厚度的软焊料印刷到带有金属柱形结构支点阵列4的基板2上，然后将衬板1通过夹具在基板2上进行定位，再放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，形成一层厚度均匀、可控的焊层3。由于在基板2表面的金属柱形结构支点阵列4的作用下，软焊料在高温回流炉中流动得更加自由，有效地提高了大面积衬板1回流焊层厚度的均匀性。软焊料的厚度应当满足焊层3的厚度要求，同时需满足在进行高温回流焊接后形成的焊层3的厚度应当不低于支点阵列4的支点5的高度。
通过实施本发明具体实施例描述的提高功率电子封装中焊层均匀性的结构及其方法，能够达到以下技术效果：
（1）本发明能够解决功率电子模块封装回流焊接工艺中焊层厚度不均匀的技术难题，特别是针对陶瓷衬板等较大焊接面积的回流焊接，通过在陶瓷衬板背面或散热基板表面采用凸点阵列或者短金属丝作为支撑点的方法，支点阵列能够增加焊层在回流焊接过程中的流动性，有效提高大面积回流焊层厚度的均匀性；
（2）本发明能够提高回流焊层，尤其是大面积焊层厚度的均匀性，改善焊层内部空洞率及非连续性焊点，能够增强回流焊层的热传递效率，有效地降低功率电子模块的热阻；
（3）本发明工艺简单，成本极低，且可操作性强。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于，包括：衬板（1）、基板（2）、焊层（3）和支点阵列（4）；所述衬板（1）和基板（2）之间通过所述焊层（3）连接，在所述焊层（3）中设置有所述支点阵列（4），所述支点阵列（4）位于所述衬板（1）背面的四周或四角，和/或所述基板（2）表面的四周或四角。
2.根据权利要求1所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述焊层（3）的内部，被所述焊层（3）完全包覆，并在所述焊层（3）中按规律排布。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）设置在所述衬板（1）的背面和/或所述基板（2）的表面，所述支点阵列（4）的排布位置随着所述衬板（1）背面和/或所述基板（2）表面的形状而变化。
4.根据权利要求3所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述衬板（1）背面的第一金属层（11）的四角，并与所述第一金属层（11）相连。
5.根据权利要求3所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）位于所述基板（2）正面的第二金属层（21）的四周，并与所述第二金属层（21）相连。
6.根据权利要求4或5所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）为排布在所述衬板（1）背面和/或所述基板（2）表面的包括金属球、短金属丝、金属柱在内的任意一种突起结构。
7.根据权利要求6所述的一种提高功率电子封装中焊层均匀性的结构，其特征在于：所述支点阵列（4）包括若干个支点（5），所述支点（5）的高度范围在0.01mm～1.0mm之间。
8.一种基于权利要求1-4、6或7中任一项所述的结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将软焊料印刷至基板（2）上；
将带有支点阵列（4）的衬板（1）通过夹具在所述基板（2）上进行定位；
将上述基板（2）和衬板（1）的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在所述衬板（1）和基板（2）之间形成一层厚度均匀、可控的焊层（3）。
9.一种基于权利要求1-3、5、6或7中任一项所述的结构提高功率电子封装中焊层均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将软焊料印刷至带有支点阵列（4）的基板（2）上；
将衬板（1）通过夹具在所述基板（2）上进行定位；
将上述基板（2）和衬板（1）的组合体放入回流炉，按照设定的温控程序进行高温回流焊接，在所述衬板（1）和基板（2）之间形成一层厚度均匀、可控的焊层（3）。
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