CN105489507B - 一种igbt芯片与直接覆铜基板的快速烧结连接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明开发了一种IGBT芯片与直接覆铜基板的快速烧结连接方法及装置；以纳米银焊膏为中间连接层，利用直流脉冲电流加热原理实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。将施压装置通过紧固螺栓固定在直流脉冲电流加热设备的基座上，然后将预热好的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，利用直流脉冲电流加热实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。本发明工艺过程具有速度快，效率高，总能量输入小，且成本低的优点。有效阻止烧结接头中银颗粒/晶粒尺寸的过度长大及粗化，有益于烧结纳米银接头力学性能和长期服役可靠性的提高。

Description

一种IGBT芯片与直接覆铜基板的快速烧结连接方法及装置
技术领域
本发明涉及一种绝缘栅双极性晶体管(IGBT)芯片与直接覆铜(DBC)基板的快速烧结连接方法，具体地说，涉及IGBT芯片与DBC基板以纳米银焊膏为中间层的快速(传统热压烧结需要时间大于1h，而本工艺可以在3min以内实现烧结)烧结连接方法，属于材料加工领域创新型技术。特别是一种IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接方法及装置。
背景技术
纳米银焊膏作为一种新型的绿色无铅封装材料，其熔点高(961℃)、导电、导热性能优，可低温烧结互连(不高于250℃)。纳米银焊膏已逐步取代焊料合金和和导电银胶，成为未来半导体器件的首选高温电子封装互连材料但是IGBT芯片与DBC基板的连接工艺主要是采用热压工艺，但是由于传统热压烧结实现纳米银焊膏的烧结连接工艺比较复杂，包括烧结前需要10～20min的预热阶段，之后需要随炉缓冷，然后在加热至烧结温度并保温30～60min以实现纳米银焊膏的烧结，所以完成烧结所需时间较长(>1h)，效率较低，自动化生产装备要求高，并且长时间的高温状态下，烧结银接头的颗粒尺寸明显粗化，这不利于烧结接头的力学性能和可靠性。为简化烧结工艺，提高烧结效率。
本发明以直流脉冲电流辅助烧结机理为基础，以纳米银焊膏为中间层，创造性的利用电流加热原理实现了IGBT芯片与DBC基板的快速连接。烧结时间的缩短，不仅有利于效率的提高，也有助于抑制银颗粒在高温时段长时间的增长，使晶粒尺寸较热压工艺明显减小，有利于烧结接头的力学性能和稳定性，即获得高可靠性的烧结接接头。这能够很好地满足市场对以IGBT芯片为代表的功率半导体器件的快速封装及生产的需求。
发明内容
本发明主要解决IGBT芯片与DBC基板烧结连接时存在技术复杂且效率低的问题，提供了一种操作简单，工艺时间短，且接头导电、导热性能优异，强度可靠的IGBT芯片与DBC基板快速烧结连接方法。
本发明方法通过以下技术方案实现。
一种绝缘栅双极性晶体管(IGBT)芯片与直接覆铜(DBC)基板的快速烧结连接方法；以纳米银焊膏为中间连接层，利用直流脉冲电流加热原理实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。
IGBT芯片与直接覆铜基板的快速烧结连接方法步骤如下：
(1)对DBC基板进行清洗预处理，通过物理震荡的方法去除基板表面的油污；
(2)在DBC基板待连接区域表面丝网印刷上一层50μm～90μm的纳米银焊膏，然后置于90℃环境中预热20min；
(3)将施压装置通过紧固螺栓固定在直流脉冲电流加热设备的基座上，然后将预热好的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，利用直流脉冲电流加热实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。
压柱施压优选0.5MPa～2MPa。直流脉冲电流优选为1.0kA～2.0kA，电流导通时间优选为90s～180s。
本发明的IGBT芯片与直接覆铜基板的快速烧结连接装置。其特征是通过紧固螺栓将加压装置固定在直流脉冲电流加热装置的基座上，然后将预热好的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，进而在芯片上施加压力；随后两个钨电极平行施压在印制焊膏层的DBC基板两端，再随后开通直流脉冲电流装置，当直流脉冲电流从其中任一钨电极沿基板表面流至另一钨电极过程中，由于基板金属与钨电极间存在显著的接触电阻，其所产生的大量电阻热足以实现纳米银焊膏的充分烧结致密化，进而实现IGBT芯片与DBC基板的快速连接。
本发明的优点：
(1)本发明创造性地利用直流脉冲电流加热原理及装置实现了IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接，工艺过程具有速度快，效率高，总能量输入小，且成本低的优点。
(2)本发明使用银焊膏作为为中间连接层，整体烧结工艺时间短，可以有效阻止烧结接头中银颗粒/晶粒尺寸的过度长大及粗化，有益于烧结纳米银接头力学性能和长期服役可靠性的提高。
附图说明
图1为本案例所用直流脉冲电流加热装置。
图2本方法案例所用施压装置。
图3为本方法案例所用DBC基板。
图4为本方法案例所用IGBT芯片。
图5为直流脉冲电流快速烧结连接工艺过程图。
图6为电流烧结纳米银接头的金相图。
图7为IGBT芯片与DBC基板的快速烧结纳米银接头连接界面的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于纳米银焊膏的IGBT芯片与DBC基板快速连接的方法。整个过程只需一个加热台和一台直流脉冲电流通电装置。
以纳米银焊膏为中间连接层，利用直流脉冲电流加热原理及装置实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。其中所涉及连接材料——纳米银焊膏，焊膏中银的质量分数为85％，银颗粒的粒径为30～50nm，所述快速烧结连接的装置和原理的具体说明如下：
1、所述直流脉冲电流加热原理及装置
(1)直流脉冲电流加热装置采用单面双点过流加热的原理，工作时两个钨电极加压基板的两端，使基板金属在两钨电极的压力下形成一定的接触电阻产生电阻热，并且结合电流从一钨电极流经另一钨电极时在焊膏层处形成的电阻热实现纳米银焊膏的烧结，且电流瞬间从另一钨电极沿基板流至此钨电极形成回路，因为电流流经电阻较低的路径，而IGBT芯片材质为半导体，而基板为镀银铜板，所以电流会流经DBC基板和纳米银焊膏层；又因为，纳米银焊膏层中存在大量有机物，所以其电阻较高，依据焦耳定律，在焊膏层处会产生大量热，因而实现烧结的过程不伤及基板与芯片的内部结构。该电流加热装置如图1所示，其中绝缘陶瓷为氮化硅材料，可避免电流流向基板以外的部分。
(2)加压装置的剖面，如图2所示，过紧固螺栓将加压装置固定在直流脉冲电流加热装置的基座上，然后将预热好的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，进而在芯片上施加压力，经过模拟、计算以及实验发现，这种结构的加压装置可以更稳定和均匀的施加上压力。在使用时，先将预热后的试样放置在直流脉冲电流加热机的基座上，利用加压装置施加适当的压力，开通直流脉冲电流装置，进行实现快速烧结连接。
2、所述快速烧结连接的具体步骤如下：
(1)对DBC基板进行清洗预处理，通过物理震荡(超声清洗器)的方法去除基板表面的油污。
(2)在DBC基板待连接区域表面丝网印刷上一层50μm～90μm的纳米银焊膏，然后置于90℃环境中预热20min。
(3)将施压装置通过紧固螺栓固定在直流脉冲电流加热设备的基座上，然后将预热好的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，进而压柱对芯片施加1MPa的压力，利用直流脉冲电流加热原理以及纳米银焊膏实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。该过程的工艺过程如图5所示。
所述的IGBT芯片功率等级为1200V,25A，要求所述DBC基板的覆铜层表面镀约1μm厚的纯银薄膜。
实施所述直流脉冲电流加热快速连接时，为保证IGBT芯片、纳米银焊膏层、DBC基板间充分接触润湿，避免烧结过程中纳米银焊膏中有机物快速挥发导致连接界面形成过多缺陷，影响接头强度，此方法在连接过程需要施加适当的机械压力。但此压力不宜过大，太大易导致纳米银焊膏过度挤出，一般可取0.5MPa～2MPa，所述施加的直流脉焊电流为1.0kA～2.0kA，电流导通时间为90s～180s。
在实验前需要对DBC基板的表面进行处理。如图1所示，以1mm厚DBC基板为例，其具体操作步骤为：将其放置在盛有无水乙醇的烧杯中，并用超声振荡器震荡清洗10min，取出后用无尘纸擦净，然后取出并用吹风机吹干水渍，最后用无尘纸擦拭。
在DBC基板待连接镀银铜区域表面利用刀片和印刷板印刷上一层厚度为50μm～90μm面积略大于芯片尺寸的纳米银焊膏，然后焊膏上面贴上IGBT芯片，如图4所示(1为芯片门极，2为芯片发射级，芯片下表面与焊膏层相接处面为芯片集电极)，然后将试样放置在90℃环境中预热20min。
将预热后的试样加持在直流脉冲电流加热设备上实现快速烧结，烧结电流1.0kA在如图1所示两个钨电极之间形成的回路中流通，通电时间120ms，此过程中如图2所示，通过压柱向试样施加300N压力。通电烧结时，试样示意图如图3所示，连接完成后得到IGBT芯片与DBC基板连接接头的横截面如图6所示，IGBT芯片与DBC基板连接接头的SEM图如图7所示。
本发明公布的这种采用直流脉冲电流辅助实现IGBT芯片与DBC基板的快速连接的新方法相比于传统的热压烧结(烧结时间大于1h)，本发明的工艺相对简单，工艺时间短，短至3min，因此烧结过程中缩短晶粒长大的时间，降低晶粒尺寸。并且获得的瞬态热阻值与传统热压烧结一致，封装接头的机械性能和可靠性好显著提高烧结效率节约加工成本；与其它电流辅助快速连接技术相比，本发明可以实现IGBT芯片与DBC基板的快速连接，不会对芯片造成任何预损坏，工艺简单。

Claims (5)

1.一种绝缘栅双极性晶体管(IGBT)芯片与直接覆铜(DBC)基板的快速烧结连接方法；其特征是以纳米银焊膏为中间连接层，IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接装置采用直流脉冲电流单面双点过流加热的原理，两个钨电极平行施压在印制焊膏层的DBC基板两端，当直流脉冲电流从其中任一钨电极沿基板表面流至另一钨电极过程中，由于基板金属与钨电极间存在显著的接触电阻，利用所产生的大量电阻热实现纳米银焊膏的快速烧结。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是连接步骤如下：
(1)对DBC基板进行超声清洗预处理，通过物理震荡的方法去除基板表面的油污；
(2)在DBC基板待连接区域表面利用模具印刷或者丝网印刷的方式印制一层50μm～90μm的纳米银焊膏，然后置于90℃环境中预热20min，使得焊膏中部分有机溶剂充分挥发，降低印制成形焊膏的流动性；
(3)将施压装置通过紧固螺栓固定在直流脉冲电流加热装置的基座上，然后将预热后的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，再利用直流脉冲电流加热的方式实现IGBT芯片与DBC基板的快速烧结连接。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是压柱施压值为0.5MPa～2MPa。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是加热用直流脉冲电流为1.0kA～2.0kA，电流导通时间为90s～180s。
5.如权利要求2所述的方法，其特征是通过紧固螺栓将加压装置固定于直流脉冲电流加热装置的基座；然后将预热后的试样放置在压柱正下方，通过螺栓在加压螺纹孔中向下行进，对其下方的压柱施压，通过对芯片施加压力，保证烧结连接过程中印制在基板表面的焊膏与芯片充分润湿接触；开通直流脉冲电流装置，进行快速烧结连接。
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