CN104900602A - 一种功率模块和制造功率模块过程中控制焊料厚度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种功率模块，它主要包括：半导体芯片，绝缘基板，散热基板，所述绝缘基板的上下面分别设置有第一金属化层和第二金属化层，一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层上，所述的绝缘基板通过第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上；所述的方法包括：将一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层，焊接后的整体绝缘基板通过焊料将第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上，金属线或金属带阻止熔化的焊料在垂直方向因受到压力而不受控制的铺展，起到有效控制焊料层厚度而提高模块可靠性的作用；它具有结构组成合理，方法精度高，操作方便，且实施位置调整灵活便捷，在低成本下提高产品可靠性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种功率模块和制造功率模块过程中控制焊料厚度的方法，属于半导体功率模块封装技术领域。
背景技术
半导体功率模块使用中,由于绝缘基板、焊料、散热基板三者之间具有不同的热膨胀系数，随着温度的波动焊料层将承受因热膨胀系数失配而带来的应力，焊料经过反复疲劳后易产生裂纹，裂纹扩展导致导热面积减小，热阻增加。在实际生产中熔化的焊料在垂直方向因受到压力而不受控制的铺展造成局部区域厚度过薄的现象，试验证明该些位置在以上应力作用下裂纹扩展更快，使模块热阻明显上升，最终缩短模块寿命甚至损坏模块。
目前部分厂商采用在基板上制作凸起的方法来控制焊料厚度，此方法制作的基板工艺复杂且价格昂贵，造成产品成本偏高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理，方法精度高，操作方便，且实施位置调整灵活便捷，在低成本下提高产品可靠性的功率模块和制造功率模块过程中控制焊料厚度的方法
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种功率模块，它主要包括：半导体芯片，绝缘基板，散热基板，所述绝缘基板的上下面分别设置有第一金属化层和第二金属化层，一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层上，所述的绝缘基板通过第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上。
所述的绝缘基板通过软钎焊料将第二金属化层焊接至散热基板上，所述的半导体芯片也是通过一定厚度的软钎焊料焊接至第一金属化层上；所述的散热基板上通过超声焊接有具有可焊接性的金属线或金属带，并且金属线或金属带焊接的位置在绝缘基板第二金属化以内1-5mm，金属线或金属带的高度通过线径或带高控制在0.1-0.20mm。
所述的散热基板主要由一种或几种金属或非金属构成的合金材料，其尺寸范围为宽度20mm～150mm，长度30mm～250mm，厚度2mm～6mm； 散热基板的表面通过金属化处理，附着具有可焊接性金属层或膜。
所述散热基板上对应绝缘基板的焊接位置带有多个具有一定高度的金属线或金属带的区域；散热基板上的金属线或金属带具有良好的焊接性能，其合金成分至少包括铜、铝、镍；所述散热基板上的金属线或金属带的尺寸范围是：高度0.1mm～0.20mm，宽度0.1mm～0.25mm，长度1mm～3mm。
所述散热基板上的金属线或金属带的分布范围小于绝缘基板第二金属化层边缘1mm～5mm；绝缘基板与散热基板间使用的焊料厚度大于金属线或带的高度尺寸，范围在0.15～0.50mm。
一种如上所述功率模块在制造过程中控制焊料厚度的方法，所述的方法包括：将一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层，焊接后的整体绝缘基板通过焊料将第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上，金属线或金属带阻止熔化的焊料在垂直方向因受到压力而不受控制的铺展，起到有效控制焊料层厚度作用。
具有可焊接性的金属线或金属带通过超声键合机或超声焊接机在散热基板的指定位置焊接成指定图案，金属线或金属带焊接的位置在绝缘基板第二金属化层以内1mm～5mm，金属线或金属带的高度通过线径或带高来精确控制,此高度为0.1mm～0.20mm。
所述绝缘基板与带有金属线或金属带的散热基板焊接过程是：使用焊片贴装在此散热基板上，再贴装绝缘基板及其他附属元件，以上焊片厚度均大于金属线或金属带的高度，且厚度范围是0.15～0.50mm；在焊接过程中，当焊料熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或金属带上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或金属带的高度，从而提高了普通焊接时的焊料厚度。
所述绝缘基板与带有金属线或金属带的散热基板焊接过程是：使用在对应金属线或金属带的位置镂空的钢网上印刷焊膏，再贴装绝缘基板及其他附属元件，以上焊料厚度均大于金属线或金属带的高度，且厚度范围是0.15～0.50mm；在焊接过程中，当焊料熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或金属带上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或金属带的高度，从而提高了普通焊接时的焊料厚度。
本发明具有结构组成合理，方法精度高，操作方便，且实施位置调整灵活便捷，在低成本下提高产品可靠性等特点。
附图说明
图1是本发明所述绝缘基板在散热基板上焊接后的分布示意图。
图2是本发明所述绝缘基板与普通散热基板焊接后的截面图。
图3是本发明所述金属线或金属带在散热基板上焊接的分布图。
图4是图3的A-A截面图。
图5是本发明所述绝缘基板与增加了金属线或金属带的散热基板焊接后的截面图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1、2、5所示，本发明所述的功率模块，它主要包括：半导体芯片301、302，绝缘基板200，普通散热基板100，带有金属线或金属带的散热基板101，所述绝缘基板200的上下面分别设置有第一金属化层201和第二金属化层202，一个或多个半导体芯片301、302焊接至绝缘基板200的第一金属化层201上，所述的绝缘基板200通过第二金属化层202焊接至带有金属线或金属带102的散热基板101上。
图中所示，所述的绝缘基板200通过软钎焊料将第二金属化层202焊接至散热基板101上，所述的半导体芯片301、302也是通过一定厚度的软钎焊料焊接至第一金属化层201上；所述的散热基板101上通过超声焊接有具有可焊接性的金属线或金属带102，并且金属线或金属带102焊接的位置在绝缘基板200第二金属化层202以内1-5mm，金属线或金属带102的高度通过线径或带高控制在0.1-0.20mm。
本发明所述的散热基板101主要由一种或几种金属或非金属构成的合金材料，其尺寸范围为宽度20mm～150mm，长度30mm～250mm，厚度2mm～6mm； 散热基板101的表面通过金属化处理，附着具有可焊接性金属层或膜。
所述散热基板101上对应绝缘基板200的焊接位置带有多个具有一定高度的金属线或金属带102的区域；散热基板101上的金属线或金属带102具有良好的焊接性能，其合金成分至少包括铜、铝、镍；所述散热基板101上的金属线或金属带102的尺寸范围是：高度0.1mm～0.20mm，宽度0.1mm～0.25mm，长度1mm～3mm。
所述散热基板101上的金属线或金属带102的分布范围小于绝缘基板200第二金属化层边缘1mm～5mm；绝缘基板200与散热基板101间使用的焊料厚度大于金属线或金属带102的高度尺寸，范围在0.15～0.50mm。
一种如上所述功率模块在制造过程中控制焊料厚度的方法，所述的方法包括：将一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层，焊接后的整体绝缘基板通过焊料将第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上，金属线或金属带阻止熔化的焊料在垂直方向因受到压力而不受控制的铺展，起到有效控制焊料层厚度作用。
具有可焊接性的金属线或金属带通过超声键合机或超声焊接机在散热基板的指定位置焊接成指定图案，金属线或金属带焊接的位置在相对绝缘基板第二金属化层以内1mm～5mm，金属线或金属带的高度通过线径或带高来精确控制,此高度为0.1mm～0.20mm。
所述绝缘基板与带有金属线或金属带的散热基板焊接过程是：使用焊片贴装在散热基板上，再贴装绝缘基板及其他附属元件；以上焊片厚度均大于金属线或金属带的高度，且厚度范围是0.15～0.50mm；在焊接过程中，当焊料熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或金属带上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或金属带的高度，从而提高了普通焊接时的焊料厚度。
本发明另一实施例是：所述绝缘基板与带有金属线或金属带的散热基板焊接过程是：使用在对应金属线或金属带的位置镂空的钢网上印刷焊膏，再贴装绝缘基板及其他附属元件，以上焊料厚度均大于金属线或金属带的高度，且厚度范围是0.15～0.50mm；在焊接过程中，当焊料熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或金属带上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或金属带的高度，从而提高了普通焊接时的焊料厚度。
实施例：
图1 是本发明所述功率模块的内部结构图，示出了焊有半导体芯片的绝缘基板焊接在散热基板上的分布图，其中包括：普通散热基板100，带有第一金属化层和第二金属化层的绝缘基板200，使用软钎焊料将第二金属化层焊接至散热基板100，半导体芯片301、302也通过一定厚度的软钎焊料焊接至绝缘基板200的第一金属化层上。
图2 是采用普通散热基板制作的功率模块截面图，其中包括：绝缘基板的第一金属化层201上通过焊料402焊接有半导体芯片301,绝缘基板的第二金属化层202通过焊料401焊接至散热基板100。在焊接过程中由于绝缘基板及其上附属件的重力或其他附加力，使焊料401熔化时受以上力的影响而向周边铺展，此种铺展根据以上力量的大小基本无法控制，使得焊料401层厚度大大减小，且铺展出来的焊料可能被挤到两个绝缘基板之间形成凸起，带来耐电压超标的风险。
图3、4分别是通过超声焊接的金属线或带102在散热基板101上的分布图和截面图，具有可焊接性的金属线或带通过超声键合机或超声焊接机在散热基板的指定位置焊接成指定图案，金属线或带焊接的位置一般在绝缘基板第二金属化层以内1mm～5mm，金属线或带的高度可通过线径或带高来精确控制,此高度一般为0.1mm～0.20mm。
图5是绝缘基板与带有金属线或带的散热基板焊接后的截面图，此过程有两种方案，一是使用焊片贴装在此散热基板上，再贴装绝缘基板及其他附属元件；二是使用在对应金属线或带的位置镂空的钢网上印刷焊膏，再贴装绝缘基板及其他附属元件，以上焊料厚度均大于金属线或带的高度，一般厚度范围是0.15～0.50mm。在焊接过程中，当焊料401熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或带102上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或带的高度，大大提高了普通焊接时的焊料厚度。
Claims (9)
1.一种功率模块，它主要包括：半导体芯片，绝缘基板，散热基板，其特征在于所述绝缘基板的上下面分别设置有第一金属化层和第二金属化层，一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层上，所述的绝缘基板通过第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于所述的绝缘基板通过软钎焊料将第二金属化层焊接至散热基板上，所述的半导体芯片也是通过一定厚度的软钎焊料焊接至第一金属化层上；所述的散热基板上通过超声焊接有具有可焊接性的金属线或金属带，并且金属线或金属带焊接的位置在相对绝缘基板第二金属化层以内1-5mm，金属线或金属带的高度通过线径或带高控制在0.1-0.20mm。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于所述的散热基板主要由一种或几种金属或非金属构成的合金材料，其尺寸范围为宽度20mm～150mm，长度30mm～250mm，厚度2mm～6mm； 散热基板的表面通过金属化处理，附着具有可焊接性金属层或膜。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于所述散热基板上对应绝缘基板的焊接位置带有多个具有一定高度的金属线或金属带的区域；散热基板上的金属线或金属带具有良好的焊接性能，其合金成分至少包括铜、铝、镍；所述散热基板上的金属线或金属带的尺寸范围是：高度0.1mm～0.20mm，宽度0.1mm～0.25mm，长度1mm～3mm。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于所述散热基板上的金属线或金属带的分布范围相对小于绝缘基板第二金属化层边缘1mm～5mm；绝缘基板与散热基板间使用的焊料厚度大于金属线或带的高度尺寸，范围在0.15～0.50mm。
6.一种如权利要求1或2或3或4或5所述功率模块在制造过程中控制焊料厚度的方法，其特征在于所述的方法包括：将一个或多个半导体芯片焊接至绝缘基板的第一金属化层，焊接后的整体绝缘基板通过焊料将第二金属化层焊接至带有金属线或金属带的散热基板上，金属线或金属带阻止熔化的焊料在垂直方向因受到压力而不受控制的铺展，起到有效控制焊料层厚度作用。
7.根据权利要求6所述的功率模块在制造过程中控制焊料厚度的方法，其特征在于具有可焊接性的金属线或金属带通过超声键合机或超声焊接机在散热基板的指定位置焊接成指定图案，金属线或金属带焊接的位置在相对绝缘基板第二金属化层以内1mm～5mm，金属线或金属带的高度通过线径或带高来精确控制,此高度为0.1mm～0.20mm。
8.根据权利要求7所述的功率模块在制造过程中控制焊料厚度的方法，其特征在于所述绝缘基板与带有金属线或金属带的散热基板焊接过程是：使用焊片贴装在散热基板上，再贴装绝缘基板及其他附属元件；以上焊片厚度均大于金属线或金属带的高度，且厚度范围是0.15～0.50mm；在焊接过程中，当焊料熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或金属带上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或金属带的高度，从而提高了普通焊接时的焊料厚度。
9.根据权利要求7所述的功率模块在制造过程中控制焊料厚度的方法，其特征在于所述绝缘基板与带有金属线或金属带的散热基板焊接过程是：使用焊片贴装在此散热基板上，再贴装绝缘基板及其他附属元件；或使用在对应金属线或金属带的位置镂空的钢网上印刷焊膏，再贴装绝缘基板及其他附属元件；以上焊料厚度均大于金属线或金属带的高度，且厚度范围是0.15～0.50mm；在焊接过程中，当焊料熔化时来自上部的压力将会被施加在散热基板上的金属线或金属带上，最终焊料厚度将是大于或等于金属线或金属带的高度，从而提高了普通焊接时的焊料厚度。
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