CN105280565B - 一种可提高焊接质量的功率模块结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可提高焊接质量的功率模块结构，包括底板、DBC基板和功率芯片，DBC基板上表面和下表面分别覆有上铜层和下铜层，功率芯片通过第二焊料层焊接于上铜层上，下铜层通过第一焊料层焊接于底板上，采用引线将功率芯片与上铜层键合；底板上表面刻蚀有与第一焊料层相匹配的带倒角的第一凹槽，第一焊料层涂覆于第一凹槽内；上铜层上表面刻蚀有与第二焊料层相匹配的带倒角的第二凹槽，第二焊料层涂覆于第二凹槽内。本发明可避免焊料层厚度不均和焊料溢出，减少焊料层的空洞，从而提高功率模块的焊接质量，进而提高功率模块的热学性能和长期可靠性。

Description

一种可提高焊接质量的功率模块结构
技术领域
本发明属于半导体芯片封装技术领域，特别涉及一种可提高焊接质量的功率模块结构。
背景技术
目前国内外功率模块的互连工艺主要采用焊接方法，见图1。在这种封装结构中，功率芯片7通过第一焊料层6回流焊接到DBC基板（敷铜陶瓷基板）4的上铜层5，焊接功率芯片后的DBC基板4再通过第二焊料层2回流焊接到底板1上；或者两次回流焊接工艺同时完成。DBC基板通常为三明治结构，如图1中，其上下表面分别覆盖有上铜层5和下铜层3；底板1通常为铜、铝或碳化硅等高导热导电材料。
功率电子器件所使用的硅功率芯片由于大功率要求，芯片面积较大，一般大于8×8mm2，且DBC基板焊接面也较大，故在现有的封装结构和工艺条件下，功率芯片、DBC基板和底板间的焊接存在以下缺点：
（1）功率芯片贴装过程中，焊料通过丝网印刷工艺涂覆在底板1和DBC基板上铜层5的待焊接位置。由于工艺限制，该过程容易产生焊料涂覆厚度不均及元器件贴装倾斜等问题，进而在回流焊接过程中，造成DBC基板及功率芯片的倾斜或偏移，见图2。另外，第一焊料层6和第二焊料层2厚度的不均匀，会导致功率循环及温度循环中功率芯片遭受的应力增大2.2倍[1]，焊料层中的蠕变应变明显增加[2]，影响功率模块的长期使用寿命。
（2）回流焊接过程中，焊料熔融后溢出，导致相邻焊料层接触，造成短路失效。
（3）焊料一般为无铅焊料，其中含助焊剂等有机物，回流焊接过程中有机物会挥发，并产生气泡。由于气泡密度小，气体压力作用下气泡会转移到焊料层与外界的界面。若气泡中气体能释放到外界气体中，则最终不会形成空洞；但是有机物与气泡会出现在DBC基板和焊料层的界面，受到DBC基板界面的作用力，气体不容易释放，最终在焊料层形成空洞，见图3。空洞的存在使得功率模块正常使用过程中易产生温度集中，进而形成热斑，甚至烧毁功率芯片。同时由于空洞周围的应力集中，功率模块在反复开关过程中极易在空洞处产生裂纹，进一步影响功率模块的可靠性。
文中涉及如下参考文献：
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[2] Wunderle B, Michel B. Lifetime modelling for microsystemsintegration: from nano to systems[J]. Microsystem technologies, 2009, 15(6):799-812。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可提高焊接质量的功率模块结构。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种可提高焊接质量的功率模块结构，包括底板（1）、DBC基板（4）和功率芯片（7），DBC基板（4）上表面和下表面分别覆有上铜层（5）和下铜层（3），功率芯片（7）通过第二焊料层（6）焊接于上铜层（5）上，下铜层（3）通过第一焊料层（2）焊接于底板（1）上，采用引线（8）将功率芯片（7）与上铜层（5）键合；
底板（1）上表面刻蚀有与第一焊料层（2）相匹配的带倒角的第一凹槽（11），第一焊料层（2）涂覆于第一凹槽（11）内；上铜层（5）上表面刻蚀有与第二焊料层（6）相匹配的带倒角的第二凹槽（12），第二焊料层（6）涂覆于第二凹槽（12）内。
作为优选，第一焊料层（6）和第二焊料层（2）均设有贯穿焊料层且延伸至焊料层边界的一条或多条气道（9）。
所述的气道（9）宽度为50μm～100μm。
所述的气道（9）排列成网格状或交叉排列。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
（1）在底板和DBC基板上铜层的上表面刻蚀凹槽，并使凹槽形状与所需涂覆的焊料层形状相匹配，凹槽深度可根据实际需求调整。这样，在丝网印刷涂覆焊料工艺中，由于焊料层厚度可控，从而可保证焊料层厚度的一致性；另外，还可在回流焊接过程中辅助功率芯片定位，防止功率芯片随熔融焊料表面张力发生漂移及倾斜；即该凹槽可解决焊料层厚度不均、基板及功率芯片倾斜的问题。同时，该凹槽还可防止焊料溢出，解决由此造成的相邻焊料层接触而导致的短路失效问题，总体提高功率模块的热学性能和长期可靠性。
（2）焊料层中设置有与外界空气连通的气道，焊接过程中，焊料中挥发的有机物与气泡可沿着气道排出，不受基板界面作用力，从而减少焊料层空洞；同时气道在焊料熔融流动再成型后会消失，进一步防止热斑及裂纹的产生，提高功率模块的长期可靠性。
附图说明
图1为典型的功率模块封装焊接结构示意图；
图2为功率模块封装结构焊料层厚度不均的示意图；
图3为功率模块封装结构焊料层存在空洞的示意图；
图4为本发明功率模型的一种具体结构示意图；
图5为本发明功率模型的一种具体结构剖视图；
图6为本发明第一焊料层中气道的一种具体结构示意图。
图中，1-底板，2-第一焊料层，3-下铜层，4-DBC基板，5-上铜层，6-第二焊料层，7-功率芯片，8-引线，9-气道，10-空洞，11-第一凹槽，12-第二凹槽。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
见图1，现有技术中典型的功率模块主要包括底板1、DBC基板4和功率芯片7，DBC基板4上表面和下表面分别覆有上铜层5和下铜层3。功率芯片7通过第二焊料层6焊接于上铜层5上，下铜层3通过第一焊料层2焊接于底板1上。采用引线8将功率芯片7与上铜层5键合。
图4~5为本发明功率模块的一种具体结构示意图，和典型的功率模块相比，本发明有如下改进：在底板1上表面刻蚀有与第一焊料层2相匹配的带倒角的第一凹槽11，在上铜层5上表面刻蚀有与第二焊料层6相匹配的带倒角的第二凹槽12；采用丝网印刷工艺在第一凹槽11内涂覆厚度一致的第一焊料层2，用来将DBC基板4焊接于底板1上；采用丝网印刷工艺在第二凹槽12内涂覆厚度一致的第二焊料层6，用来将功率芯片7焊接于上铜层5上。
见图5，在第一焊料层6和第二焊料层2中设置气道9，且与外界空气连通，即气道9要贯穿焊料层并延伸到焊料层边界，这样才可保证回流焊接过程中挥发的有机物与气泡可沿着气道排出。气道宽度优选为50μm～100μm，根据焊料层面积进行取值。气道数量和排列方式不限，可根据需要自行设计，例如，气道可排列成网格状，见图6；也可以是两条气道交叉排列，见图5中第一焊料层。
气道可采用如下方法获得：
一种是，通过设计带气道图案的丝网印板，通过该丝网印板直接涂覆含气道的焊料层。另一种是，先采用传统丝网印板进行丝网印刷工艺涂覆焊料层，采用金属片在焊料层直接压出气道。
以上仅为本发明的优选实施方案，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施结构，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可提高焊接质量的功率模块结构，包括底板(1)、DBC基板(4)和功率芯片(7)，DBC基板(4)上表面和下表面分别覆有上铜层(5)和下铜层(3)，功率芯片(7)通过第二焊料层(6)焊接于上铜层(5)上，下铜层(3)通过第一焊料层(2)焊接于底板(1)上，采用引线(8)将功率芯片(7)与上铜层(5)键合，其特征是：
底板(1)上表面刻蚀有与第一焊料层(2)相匹配的带倒角的第一凹槽(11)，第一焊料层(2)涂覆于第一凹槽(11)内；上铜层(5)上表面刻蚀有与第二焊料层(6)相匹配的带倒角的第二凹槽(12)，第二焊料层(6)涂覆于第二凹槽(12)内；
所述的第一焊料层(6)和第二焊料层(2)均设有贯穿焊料层且延伸至焊料层边界的一条或多条气道(9)。
2.如权利要求1所述的可提高焊接质量的功率模块结构，其特征是：
所述的气道(9)宽度为50μm～100μm。
3.如权利要求1所述的可提高焊接质量的功率模块结构，其特征是：
所述的气道(9)排列成网格状或交叉排列。
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