CN105006471B - 一种igbt模块及焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种IGBT模块，包括底板以及通过焊料与所述底板焊接的DBC板，底板的焊接面上定义有焊接区域，在底板的焊接区域或DBC板上设置至少一个凸起，该凸起与底板、凸起与DBC板的材料相同，且二者间可采用相同的工艺一次制成，由此不需要改变DBC板与底板之间的焊接材料与工艺，不增加工艺过程与复杂程度。同时通过设置凸起，保证了焊层厚度的均匀性，提高了IGBT模块散热路径上热阻均匀性与热分布均匀性，可靠性得到了提升。

Description

一种IGBT模块及焊接方法

技术领域

本发明涉及电子封装领域，尤其涉及一种IGBT模块及焊接方法。

背景技术

IGBT模块(Insulated Gate Bipolar Transistor，中文译为绝缘栅双极型晶体管)，是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，在现代电力电子技术中，IGBT模块的应用越来越广泛，在较高频率的大、中功率应用场合中占据了主导地位。IGBT模块集成度的不断提高必然使得发热量提高，温度超过其工作允许的范围后，很可能导致器件失效甚至损坏，造成严重经济损失。因此，模块散热问题成为制约电力电子模块朝更高集成度发展的最大障碍。如何使得IGBT模块内部热量有效散出，保证模块内部元器件在正常温度范围内工作是目前IGBT模块的研究重点。

在IGBT模块封装中，通常需要将焊接有IGBT芯片的覆铜陶瓷基板(Direct BondCopper)焊接在模块AlSiC底板上，形成IGBT芯片散热通道，同时DBC基板的陶瓷层也起着实现模块内部电路与外部环境的绝缘隔离作用，然而，焊接式IGBT中DBC板和底板之间的热膨胀系数差异使焊接层在温度变化过程中承受周期性应力，最终导致焊接层发生热疲劳、热阻增加、焊料容易开裂的问题，最终导致IGBT模块失效。目前，人们关注的热点是提高DBC板与AlSiC底板之间的焊接质量，减少焊接空洞率，保证IGBT模块的长期使用可靠性。采用真空回流焊工艺，根据产品情况合理设置初始升温速率、预热温度、预热时间、峰值温度及冷却速率等工艺参数，焊接空洞率完全能得到保证，已经满足大功率IGBT模块焊接要求。然而，超声波检测发现，由于DBC板在焊接过程中可能会倾斜，DBC板与AlSiC底板之间的焊接层厚度均匀性不能完全得到保证，这将导致DBC板与AlSiC底板的热分布发生变化，模块因为散热不良而导致的失效增加。

中国专利文献，CN201210231067.7，公开了一种可控制焊接后焊料层厚度的焊接材料，在合金焊料中掺入一定直径(20μm-60μm)的铝颗粒进行焊接，由于金属铝的熔点高于焊接温度，焊接时不会熔化，因此焊料层厚度就大于等于铝颗粒的最大粒径，从而达到控制焊料层厚度的目的。然而，该种方式存在一些缺陷，如：(1)该方式需要替换原有焊料与焊接工艺，焊接可靠性不一定增加。(2)通过铝颗粒控制焊接层厚度均匀性时，铝颗粒质量分数不容易控制。铝颗粒质量分数较大会导致焊料较少，焊料不能完全将焊接的两种材料填满，空洞率增加。铝颗粒质量分数较小会导致焊料溢出，模块绝缘局放能力变差。(3)尺寸较小且均匀的铝颗粒填入合金焊料会提高焊料成本，提高整个模块的价格。(4)铝颗粒只适合在焊锡膏中添加，采用焊片工艺进行焊接时，无法添加铝颗粒，使用环境受限。

因此，我们亟需一种可以既可以保证焊层厚度均匀性，保证可靠性，同时成本低的适合于IGBT模块的底板结构。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种IGBT模块及焊接方法。该IGBT模块通过在底板制备过程中采用简单工艺步骤来设置凸起物，保证焊层厚度均匀性，提高IGBT模块热阻均匀性与热分布均匀性，提升IGBT模块的可靠性，避免由于个别模块热分布不均匀而导致IGBT模块提前失效。

根据本发明的目的提出的一种IGBT模块及焊接方法，所述IGBT模块包括底板以及通过焊料与所述底板焊接的DBC板，所述底板的焊接面上定义有焊接区域，其特征在于：在所述底板的焊接区域或DBC板上设置至少一个凸起。

优选的，所述凸起为设置在底板或DBC板上的凸起物。

优选的，所述凸起为打在底板或DBC板上的键合线。

优选的，所述凸起与底板、凸起与DBC板的材料相同，且二者间采用相同的工艺一次制成。

优选的，所述凸起的熔点高于所述焊料，在重力作用下DBC板下沉，最终被凸起物垫起，DBC板与凸起物完全接触。

优选的，所述凸起有至少三个，呈三角、矩形或圆形分布于底板的焊接区域或DBC板上。

优选的，所述每个凸起的高度相同，凸起的高度与无凸起的底板焊接层厚度相同。

优选的，所述凸起的形状是圆柱形、长方形或圆台形。

一种焊接如权利要求1中所述的IGBT模块底板与DBC板的方法，其步骤包括：

S1、首先将多种粒径的碳化硅粉末与粘接剂混合均匀，然后进行预压成型，并在预压过程中形成至少一个底板凸起；

S2、经预压成型后通过压力渗透把熔融状态的铝压渗入碳化硅颗粒间。最后在表面进行化学镀镍处理，以保证焊接质量，得到AlSiC底板；

S3、底板与DBC板之间通常采用真空回流焊进行焊接，工艺过程分为预热、回流、冷却三个阶段。

优选的，所述步骤S3中的工艺过程具体为，将焊料、DBC板依次置于底板凸起上，经过预热，底板、焊料、凸起、DBC板被均匀加热，经真空回流，当焊料在焊接过程中充分熔化后，凸起物由于其材料的熔化温度高于焊料，因此在重力作用下DBC板随着焊料的熔化而下沉，最终被底板凸起物垫起，DBC板与凸起物完全接触。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：

通过在原有焊接式IGBT模块底板上设置凸起，保证了焊层厚度的均匀性，提高了IGBT模块散热路径上热阻均匀性与热分布均匀性，IGBT模块由热而导致的失效问题得到了改善，可靠性得到了提升。

凸起材料与底板可采用相同的材料、相同的工艺一次制成，不需要改变DBC板与底板之间的焊接材料与工艺，不增加工艺过程与复杂程度，焊接可靠性可以得到保证。

不需改变DBC板与底板之间的焊接材料，使用环境不受限，成本低。

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是本发明优选实施例中IGBT模块底板俯视图

图2是本发明优选实施例中IGBT模块底板结构剖视图

图3是本发明优选实施例中IGBT模块底板与DBC板焊接方法示意图

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：1.底板；2.凸起；3.焊料；4.DBC板。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有控制焊料层厚度的方式是在合金焊料中掺入一定直径的铝颗粒进行焊接，以达到控制焊料层厚度的目的。然而这样的方式，焊料层厚度均匀度并不好控制，且使用环境受限。

下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。

请参见图1～图2，图1是本发明优选实施例中IGBT模块底板俯视图，图2是本发明优选实施例中IGBT模块底板结构剖视图。所述IGBT模块包括IGBT芯片(图未示)、底板1，以及通过焊料与该底板焊接的DBC板4，其中，IGBT芯片设于DBC板上，所述底板通常为AlSiC材料，所述焊料3主要成分通常为锡/铅/银(Sn/Pb/Ag)，该材料焊料具有熔点低，浸润性能、导电性能和加工性能好，成本低的特点，是IGBT模块常用焊接材料，在本发明中，焊料可为膏状或片状。所述DBC板基板材料为AlN，由于AlN是一种非氧化物陶瓷，因此需要首先进行氧化处理。DBC板制备过程中首先在AlN基板的两侧各覆上一层铜，在含氧的氮气气氛中高温下使得铜箔覆接在基板上。高温过程后，铜与氧形成的共晶液相润湿了相互接触的铜箔和陶瓷表面，同时还与Al2O3发生反应，生成Cu(Al2)2等氧化物，实现AlN陶瓷基板和覆铜层牢固的粘合，所述DBC基板具有高导热、高绝缘特性，又具有无氧铜的高导电性和高导热性，并可刻蚀出各种图形，在相同功率半导体中，采用AlN陶瓷基板焊接的IGBT模块比其它材料模块不仅体积小、重量轻，而且具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。底板AlSiC材料是一种颗粒增强型金属基复合材料，热导率高，可以通过改变SiC颗粒的体积及尺寸，获得极高的刚性和与DBC匹配的热膨胀系数，解决了传统基板材料由于热膨胀系数不匹配而导致的焊料机械应变。

所述底板1的焊接面上定义有焊接区域，在底板的焊接区域上设置若干凸起物，凸起物可只有一个，位于底板中心处，也可有四个，位于焊接区域四个角的位置，同样也可呈任意数量的三角分布、矩形分布或圆形分布等，于焊接区域上，凸起物2的延伸方向为焊接面方向。同时各个凸起物2的高度相同，其高度精确控制，并取决于焊料层的厚度，焊料层的厚度也经过精确控制，即高度设置为当焊料3在焊接过程中熔化，而凸起物由于其材料的熔化温度远远高于焊料，因此在重力作用下DBC板下沉，最终被底板凸起物垫起，DBC板可与凸起物完全接触的状态，凸起物与所用焊料匹配得当，由此保证了焊层厚度的均匀性，保证了低的空洞率，另外由于底板凸起物的高度与无凸起物的底板焊接层厚度相同，因此不需要改变片状焊料3的厚度。在底板上具有阻焊层，因此每次焊接过程中焊料高度可以被保证，在焊料熔化后焊料厚度也可略高于凸起高度，保证焊料之间无空洞，由此避免了极小焊层厚度，也避免了DBC和底板焊接后有极大的角度、焊接层不均匀。

本发明优选实施例中，凸起物材料与底板材料相同，与底板采用相同的工艺一次制成，不需改变原有DBC板焊接材料与工艺，不增加工艺过程与复杂程度，焊接的可靠性得以保证。凸起物2形状可以是圆柱形、长方形，或圆台形等的其中一种或多种，对此不做限定。

另外，在本发明中，也可采用其它焊接方式来保证焊接式IGBT模块底板与DBC板之间焊层厚度均匀性问题，不限于本发明优选实施例中提出的与底板一体化形成凸起物的焊接方法，不限于凸起物材料与底板材料相同，也可以采用在底板或DBC板打键合线、垫入高熔点、高热导率的材料等方法，使得焊接过程中焊料熔化后，所述键合线、高熔点、高热导率的材料将DBC板垫起，保证焊层厚度的均匀性。

请参见图3，图3是本发明优选实施例中IGBT模块底板1与DBC板4焊接方法示意图。底板材料通常为AlSiC材料，制备过程中首先将多种粒径的碳化硅粉末与粘接剂混合均匀，然后进行预压成型，并在预压过程中形成底板凸起物2，凸起物可只有一个，位于底板中心处，也可有四个，位于焊接区域四个角的位置，同样也可呈任意数量的三角分布、矩形分布或圆形分布等，于焊接区域上，凸起物2延伸方向为焊接面方向，且各个凸起物2的高度相同。经预压成型后通过压力渗透把熔融状态的铝压渗入碳化硅颗粒间。最后在表面进行化学镀镍处理，以保证焊接质量，得到AlSiC底板。由于底板凸起物2是在预压过程中形成的，因而不增加工艺过程与其复杂程度。另外，也可将底板凸起物2设计为与底板不同的材料，不与底板1一体成型，而是单独形成，再将其接合于底板上。

为保证焊接质量，底板1与DBC板4之间通常采用真空回流焊进行焊接，工艺过程分为预热、回流、冷却三个阶段。第一阶段是预热阶段，该阶段保证各部分在回流温度尖峰到来之前被均匀加热，保证焊接均匀性。第二阶段是真空回流阶段，该阶段焊接腔内的温度上升至峰值温度，并在峰值温度下保持一段时间，确保焊料充分熔化。焊接过程采用真空方式减小焊层中空洞。第三阶段是冷却阶段，该阶段各部件被冷却到室温。冷却速率需要优化，以保证焊层蠕变强度、切变强度、抗疲劳性等性能。

将焊料3、DBC板4依次置于底板凸起物2上，经过预热，底板1、凸起物2、焊料3、DBC板4等各个部分被均匀加热，然后经真空回流，焊料充分熔化，由于底板凸起物的高度依据焊料层厚度而进行了精确控制，因此当焊料在焊接过程中熔化时，凸起物由于其材料的熔化温度远远高于焊料，因此在重力作用下DBC板随着焊料的熔化而下沉，最终被底板凸起物垫起，理想状态下DBC板与凸起物完全接触。之后，底板1、凸起物2、焊料3、DBC板等各个部分被冷却到室温。凸起物与所用焊料匹配得当，由此保证了焊层厚度的均匀性，保证了低的空洞率，另外由于凸起物的高度与无凸起物的底板焊接层厚度相同，因此不需要改变焊料片的厚度。

在焊接过程中，底板保持水平放置，因此焊料熔化后会均匀的散布在底板上。即使底板倾斜，由于底板阻焊层的缘故，焊料也会全部覆满底板。焊接温度远高于焊料熔化温度，因此焊接过程中焊料流动性极好，焊料不会在凸起周围聚集。

本发明优选实施例，在所述焊接过程中，底板凸起物材料与底板材料相同，与底板采用相同的工艺一次制成，即底板凸起物在预压过程中形成，不需改变原有DBC板的焊接材料与工艺，不增加工艺过程与复杂程度，焊接的可靠性得以保证。凸起物2的形状可以是圆柱形、长方形，或圆台形等形状，对此不做限定。

另外，在本发明中，也可采用其它焊接方式来保证焊接式IGBT模块底板与DBC板之间焊层厚度均匀性问题，不限于本发明优选实施例中提出的与底板一体化形成凸起物的焊接方法，不限于凸起物材料与底板材料相同，也可以采用在底板或DBC板打键合线、垫入高熔点、高热导率的材料等方法，使得焊接过程中焊料熔化后，所述键合线、高熔点、高热导率的材料将DBC板垫起，保证焊层厚度的均匀性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种IGBT模块，包括底板，以及设置在底板上的至少一个IGBT器件，该至少一个IGBT器件安装在底板的焊接区域，所述IGBT器件设有DBC板，所述DBC板与所述底板之间设有焊料，其特征在于：在所述底板的焊接区域和/或DBC板上设置至少一个凸起，该凸起的高度与所述焊料的厚度一致；所述凸起的熔点高于所述焊料，在重力作用下DBC板下沉，最终被凸起物垫起，DBC板与凸起物及焊料完全接触。

2.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述凸起为打在底板或DBC板上的键合线。

3.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述设置在底板上的凸起与所述底板的材料相同，且二者采用相同的工艺一次成型，或者所述设置在DBC板上的凸起与所述DBC板的材料相同，且二者间采用相同的工艺一次成型。

4.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述凸起至少有三个，呈三角、矩形或圆形分布于底板的焊接区域或DBC板上。

5.如权利要求4所述的IGBT模块，其特征在于：所述每个凸起的高度相同。

6.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述凸起的形状是圆柱形、长方形或圆台形。

7.一种焊接如权利要求1中所述的IGBT模块底板与DBC板的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、首先将多种粒径的碳化硅粉末与粘接剂混合均匀，然后进行预压成型，并在预压过程中形成至少一个底板凸起；

S2、经预压成型后通过压力渗透把熔融状态的铝压渗入碳化硅颗粒间, 最后在表面进行化学镀镍处理，以保证焊接质量，得到AlSiC底板；

S3、底板与DBC板之间通常采用真空回流焊进行焊接，工艺过程分为预热、回流、冷却三个阶段。

8.如权利要求7所述的焊接IGBT模块底板与DBC板的方法，其特征在于：所述步骤S3中的工艺过程具体为，将焊料、DBC板依次置于底板凸起上，经过预热，底板、焊料、凸起、DBC板被均匀加热，经真空回流，当焊料在焊接过程中充分熔化后，凸起物由于其材料的熔化温度高于焊料，因此在重力作用下DBC板随着焊料的熔化而下沉，最终被底板凸起物垫起，DBC板与凸起物完全接触，之后，底板、凸起、焊料、DBC板被冷却到室温。