CN106373954A - 一种采用纳米银焊膏的烧结式igbt模块及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块及制备方法。包括由发射极和集电极构成的两个圆形板状金属电极和圆筒状陶瓷管壳、发射极板壳上IGBT凸台、续流二极管凸台，以及分别安装在IGBT凸台上IGBT单芯片焊接子模组、续流二极管凸台上的续流二极管的单芯片焊接子模组所构成；单芯片焊接子模组中，下钼基板和IGBT、续流二极管是以纳米银焊膏作为热界面材料，通过低温烧结进行的连接。本发明中采用纳米银焊膏作为芯片的连接材料，由于银的熔点为961℃，非常适宜封装宽禁带半导体器件并发挥其高允许工作结温的优势，而且烧结的纳米银结构是一种多孔结构，弹性模量低，韧性好，大大提高了接头的热机械性能。

Description

一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块及制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块及制备方法，具体地说，属于高功率高密度封装模块领域的创新型技术。
背景技术
在直流输电系统中，换流器作为连接和转换交直流的枢纽，其核心器件压接式IGBT模块必须承受高密度能量的流通。然而利用压力接触来实现热的传导，主要会出现两个问题：(1)外表上看来接触良好的两物体，由于表面不能达到绝对的光滑，存在一定粗糙度，导致实际接触的面积只是整个面积的一部分，未接触到的部分存在充满空气间隙，而气隙层的导热能力远不及金属材料，所以，这层气隙层的存在使接触界面的热阻显著，影响模块的通流能力。(2)由于接触两物体的热膨胀系数不同，在经历多次热循环后，循环热应力可能导致接触界面的有效接触面积减小。以上两方面均会使IGBT器件的电、热性能及可靠性降低。
为了解决上述问题，可以在芯片和基板之间增加界面材料，来减小模块的热阻。纳米银焊膏作为一种新型的芯片连接材料，其烧结后形成的烧结多孔接头的致密度可超过80％，接头不但具有优异的导电和导热性能，而且烧结银层的弹性模量约为纯银的13％，可以有效缓解连接接头中由于基板和芯片之间由于热膨胀系数不匹配带来的热应力。同时烧结银接头的理论熔点达961℃,因此，烧结纳米银较之低熔点的无铅焊料合金来说，其高温可靠性更优，非常适宜封装宽禁带半导体器件并发挥其高允许工作结温的优势。基于以上优点，纳米银焊膏也为智能电网用高压IGBT模块的封装带来了新的思路，有望解决压接式IGBT模块导热差等问题，提高模块的功率密度。
发明内容
本发明的目的主要在于解决压接式IGBT模块出现的热阻值大，温升快，从而导致模块的电性能不稳定问题。
本发明提供的技术方案为：
一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块，包括由发射极和集电极构成的两个圆形板状金属电极和圆筒状陶瓷管壳、发射极板壳上IGBT凸台、续流二极管凸台，以及分别安装在IGBT凸台上IGBT单芯片焊接子模组、续流二极管凸台上的续流二极管的单芯片焊接子模组所构成；其特征是单芯片焊接子模组中，下钼基板和IGBT、续流二极管是以纳米银焊膏作为热界面材料，通过低温烧结的方式进行的连接。
本发明的烧结式IGBT模块制备方法，其步骤如下：
(1)采用贴胶带或者钢网控制印刷厚度的方式，将纳米银焊膏均匀预涂覆在钼基板表面，然后利用手动贴片机将芯片贴装在焊膏表面；
(2)将贴好片的待烧结结构放在加热台上保温干燥：从室温升至150℃～180℃，保温10min～15min；得到干燥后的待烧结结构；
(3)将干燥后的待烧结结构移到已升至烧结温度为260℃～300℃的热压机中烧结，从而制得单芯片烧结连接结构；
(4)将单芯片烧结连接结构，装入塑料框架中，完成单芯片焊接子模组的组装；制作多个IGBT单芯片焊接子模组和续流二极管单芯片焊接子模组，其中子模组的数量取决于模块的电路等级，并组装到位于下金属电极板上相对应的IGBT凸台和续流二极管凸台上；最终完成烧结式IGBT模块的封装。
所述的纳米银焊膏的厚度范围为50μm～100μm。
所述步骤2)干燥阶段的升温速率范围为3℃/min～7℃/min。
所述烧结阶段的加压范围为1MPa～3MPa。烧结阶段的烧结时间范围为15min～30min。
本发明的一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块；所述单芯片焊接子模组有两种：IGBT子模组和续流二极管子模组，每种子模组是一种由银缓冲垫片，上钼基板，单芯片烧结连接结构按顺序依次装入方形塑料框架中的结构，通过在上、下金属电极板间施加压力实现单芯片焊接子模组与电极的电气互连。
所述IGBT凸台的形状为对角线上带有一个开口向外的圆弧形缺口的方形，续流二极管凸台形状为方形，IGBT凸台的数量可以与续流二极管凸台的数量相等，也可以是续流二极管凸台的二倍，凸台呈阵列形式排列在下金属电极板上，属于下金属电极板的一部分。
所述塑料框架为绝缘、耐高温、高硬度的高分子材料，中间开有与凸台形状、大小相同的通孔，与和其相对应的凸台相互配合，IGBT的塑料框架的方形对角线上开有一个圆形通孔，用来安装弹簧顶针。
所述IGBT凸台的形状，其特征在于对角线上带有一个开口向外的圆弧形缺口的方形，缺口位置区域用于安放所述弹簧顶针。
与现有的技术先比，本发明具有以下优点：
本发明采用的烧结方法是专门针对大面积芯片(≥100mm2)的连接开发的，且具有一定的优势：干燥阶段的目的是除去纳米银焊膏中的大部分有机物，以保证后期烧结过程的快速进行，使纳米银焊膏达到完全烧结。烧结阶段的目的是为了防止纳米银焊膏在低温下的非致密化团聚，并在一定的压力下获得更加致密少缺陷的接头，这对减小模块的热阻是非常关键的一步。
本发明中采用纳米银焊膏作为芯片的连接材料，由于银的熔点为961℃，非常适宜封装宽禁带半导体器件并发挥其高允许工作结温的优势，而且烧结的纳米银结构是一种多孔结构，弹性模量低，韧性好，大大提高了接头的热机械性能。除此之外，烧结纳米银还具有优良的导电导热性能。因此才用纳米银焊膏连接的烧结式IGBT模块较压接IGBT模块，其热阻值低，电性能稳定，可靠性高。
本发明有望应用于智能电网，在高压大电流的电能运输过程中，可以提高换流器的转换效率和散热器体积，提高功率密度，减小器件导通和开关的能量损失，延长其工作寿命。
本发明参考压接模块的基本结构，无需引脚，减少了薄弱环节的引入，而且制作过程简单，且易于实现工业化生产。
有益效果
本发明的优点：
(1)本发明采用的纳米银焊膏是一种新型环保的热界面连接材料，焊膏中银的含量为85％，银颗粒的尺寸为20～140nm，平均粒径为50nm，因此可以实现纳米银焊膏的低温(﹤300℃)烧结。形成的烧结银接头具有优异的导电和导热性能(2.6×105Ω·㎝，2W/K·㎝)、弹性模量约为纯银的13％、烧结银接头的理论熔点达961℃，非常适合高功率大密度模块的封装。
(2)本发明中的单芯片烧结连接结构，其平均剪切强度可达到30MPa，这表明在大面积芯片(≥100mm2)的连接实验中，已经可以获得高质量的连接接头，为进一步提高模块的整体性能奠定了基础。
(3)本发明是专门针对于压接式IGBT模块出现的功率耗散大、热阻值高导致模块的电性能不稳定而开发的，故该IGBT模块具有较低的热阻值，与商用同等级压接式IGBT模块相比，其热阻值下降了15.8％。
附图说明
图1：烧结式IGBT模块内部结构示意图；
图2：单芯片烧结连接结构的制作流程图；
图3：纳米银焊膏的烧结工艺曲线；
图4：烧结式IGBT模块的组装过程；
图5：烧结式IGBT模块中IGBT单芯片焊接子模组的结构示意图；
图:6：烧结式IGBT模块的凸台在下金属电极板上分布的示意图。
其中：1-上金属电极板、2-下金属电极板、3-陶瓷管壳、4-IGBT凸台、5-续流二极管凸台、6-IGBT单芯片焊接子模组、7-续流二极管、8-PCB板、9-单芯片烧结连接结构、10-上钼基板、11-银缓冲垫片、12-弹簧顶针、13-塑料框架、14-圆形通孔、15-塑料框架。
具体实施过程
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明：
本发明提供的烧结式IGBT模块基本结构包括上金属电极板1、下金属电极板2、陶瓷管壳3、IGBT凸台4、续流二极管凸台5、IGBT单芯片焊接子模组6、续流二极管单芯片焊接子模组7，如图1所示。
所述烧结式IGBT模块的制作流程为：
(1)单芯片烧结结构的烧结方法，如图2所示：选用全球能源互联网研究院提供的3300V，50A的IGBT和330V，100A的续流二极管作为连接芯片，IGBT尺寸为13.5×13.5×0.57mm3，续流二极管尺寸为13.5×13.5×0.40mm3，芯片背面均镀有1.2μm的Ti/Ni/Ag。选用的钼基板尺寸为13.6×13.6×1.86mm3，待连接表面镀有800nm的Ti/Ag。将钼基板在超声波清洗仪中清洗10min，采用贴胶带控制印刷厚度的方式，利用刮刀将纳米银焊膏均匀预涂覆在基板表面。利用手动贴片机将待连接IGBT/二极管芯片进行对位和贴片，随后将贴片好试样放置在加热台进行保温干燥，燥完成后，将干燥后试样移至热压机中进行加压烧结，其烧结工艺曲线如图3所示。选取三个实施例来制作单芯片烧结连接结构，条件分别为：
(a)印刷50μm的纳米银焊膏，以7℃/min慢速从室温升至150℃，并在150℃保温10min，在260℃中加压烧结，保温15min，辅助压力3MPa；
(b)印刷80μm的纳米银焊膏，以5℃/min慢速从室温升至180℃，并在180℃保温13min，在280℃中加压烧结，保温20min，辅助压力2MPa；
(c)印刷100μm的纳米银焊膏，以3℃/min慢速从室温升至160℃，并在160℃保温15min，在300℃中加压烧结，保温30min，辅助压力1MPa；
(2)烧结式IGTB模块的组装过程如图4所示：从上述三种单芯片烧结连接结构中任选一种用来组装单芯片焊接子模组，依次将银缓冲垫片11，上钼基板10，单芯片烧结连接结构9装入塑料框架中，完成单芯片子焊接子模组的组装，制作4个IGBT单芯片焊接子模组和2个续流二极管单芯片焊接子模组，并组装到位于下金属电极板上相对应的IGBT凸台和续流二极管凸台，最终完成烧结式IGBT模块的封装。
如图5所示，所述单芯片焊接子模组是由银缓冲垫片11、上钼基板10、单芯片烧结连接结构9按顺序依次装入塑料框架15中组装而成的结构，银缓冲垫片11的形状与塑料框架15开口相似，可以卡在塑料框架15四条边上的长方形槽13里。其中单芯片焊接结构9是由下钼基板和芯片以纳米银焊膏作为热界面材料，通过低温烧结的方法制得的，这是烧结式IGBT模块区别于压接式IGBT模块最重要的特征。上金属电极1板作为模块的集电极，与IGBT集电极、续流二极管阴极接触。下金属电极2板作为模块的发射极，与IGBT发射极、续流二极管阳极接触，通过在上、下金属电极板间施加压力实现单芯片焊接子模组与电极的电气互连。
如图5所示，所述塑料框架15为绝缘、耐高温、高硬度的高分子材料，本例中采用的是一种聚醚醚酮树脂(PEEK)工程塑料。塑料框架中间开有与凸台形状、大小相同的通孔，与和其相对应的凸台相互配合，IGBT的塑料框架的方形对角线上开有一个圆形通孔14，用来安装弹簧顶针12，故IGBT的银缓冲垫片11和上钼基板10都为弹簧顶针12的穿通设有一个缺角。
如图6所示，所述IGBT凸台4的形状为对角线上带有一个开口向外的圆弧形缺口的方形，缺口位置用于安放弹簧顶针12，续流二极管凸台5形状为方形。IGBT单芯片焊接子模组6安装在IGBT凸台4上，续流二极管单芯片焊接子模组安装续流二极管凸台上；IGBT凸台的数量为续流二极管凸台的二倍；凸台呈阵列形式排列在下金属电极板上，属于下金属电极板的一部分。
如图1和图6所示，所述下金属电极板上焊有双面覆有金属层的PCB板8，用来实现IGBT栅极间的电气连通。IGBT单芯片焊接子模组6的弹簧顶针12穿过塑料框架15的圆形通孔14，一侧与PCB板8接触，一侧与IGBT栅极接触，从而将IGBT的栅极由PCB板8引出。
本实例中单芯片烧结连接结构的平均剪切强度可达到30MPa，烧结式IGBT模块的整体热阻值与商用同等级压接式IGBT模块相比，下降了15.8％。通过以上数据说明本发明在解决压接式IGBT模块热阻值高，温升大的问题方面具有很高的应用价值，为高功率密度半导体的封装提出了一条新思路。

Claims (9)

1.一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块，包括由发射极和集电极构成的两个圆形板状金属电极和圆筒状陶瓷管壳、发射极板壳上IGBT凸台、续流二极管凸台，以及分别安装在IGBT凸台上IGBT单芯片焊接子模组、续流二极管凸台上的续流二极管的单芯片焊接子模组所构成；其特征是单芯片焊接子模组中，下钼基板和IGBT、续流二极管是以纳米银焊膏作为热界面材料，通过低温烧结进行的连接。
2.权利要求1的烧结式IGBT模块制备方法，其特征是步骤如下：
(1)采用贴胶带或者钢网控制印刷厚度的方式，将纳米银焊膏均匀预涂覆在钼基板表面，然后利用手动贴片机将芯片贴装在焊膏表面；
(2)将贴好片的待烧结结构放在加热台上保温干燥：从室温升至150℃～180℃，保温10min～15min；得到干燥后的待烧结结构；
(3)将干燥后的待烧结结构移到已升至烧结温度为260℃～300℃的热压机中烧结，从而制得单芯片烧结连接结构；
(4)将单芯片烧结连接结构，装入塑料框架中，完成单芯片焊接子模组的组装；制作多个IGBT单芯片焊接子模组和续流二极管单芯片焊接子模组，并组装到位于下金属电极板上相对应的IGBT凸台和续流二极管凸台上；最终完成烧结式IGBT模块的封装。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的纳米银焊膏的厚度范围为50μm～100μm。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是所述步骤2)干燥阶段的升温速率范围为3℃/min～7℃/min。
5.如权利要求2所述的方法，其特征是烧结阶段的加压范围为1MPa～3MPa。
6.如权利要求2所述的方法，其特征是烧结阶段的烧结时间范围为15min～30min。
7.如权利要求1所述一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块，其特征在于：所述单芯片焊接子模组包括IGBT子模组和续流二极管子模组，是一种由银缓冲垫片，上钼基板，单芯片烧结连接结构按顺序依次装入方形塑料框架中的结构，通过在上、下金属电极板间施加压力实现单芯片焊接子模组与电极的电气互连。
8.如权利要求1所述烧结式IGBT模块，其特征在于：IGBT凸台的形状为对角线上带有一个开口向外的圆弧形缺口的方形，续流二极管凸台形状为方形，IGBT凸台的数量为续流二极管凸台的二倍，凸台呈阵列形式排列在下金属电极板上，属于下金属电极板的一部分。
9.如权利要求1所述烧结式IGBT模块，其特征在于：所述塑料框架为绝缘的高分子材料，中间开有与凸台形状、大小相同的通孔，与相对应的凸台相互配合，IGBT的塑料框架的方形对角线上开有一个圆形通孔，用来安装弹簧顶针。
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