CN109411372A - 一种基于覆铜陶瓷基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法 - Google Patents

一种基于覆铜陶瓷基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于敷铜基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法，结合敷铜基板铜层形状和印刷纳米银焊膏后电极压头可放置区域，异形电极形状为直角L形，内角为四分之一圆弧过渡，烧结前电极预压在DBC基板两端，施加直流脉冲电流均匀流过焊膏，纳米银焊膏烧结温度场均匀分布，芯片受热均匀。本发明成功解决了电流快速烧结纳米银焊膏过程中存在的温度不均匀的问题，通过设计施加电流的异形电极与位置分布，实现纳米银焊膏脉冲电流辅助烧结过程中温度场的均匀分布，烧结纳米银焊膏IGBT芯片/二极管芯片与覆铜陶瓷基板基板的一次性快速烧结连接，获得致密度高达90％以上，大幅提高烧结互连层的机械强度和抗疲劳可靠性，延长使用寿命。

Description

一种基于覆铜陶瓷基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场 的方法
技术领域
本发明涉及一种基于覆铜陶瓷基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法，属于电子元器件封装领域。
背景技术
DBC(Direct Bonded Copper)覆铜陶瓷基板，具有优良的导热特性，高绝缘性，结合强度高，便于印制图形，可焊性好等优点，已广泛应用于诸如GTR、IGBT、MCT等电力电子模块中。在模块制造中，DBC基板有限的空间被划分成了三个相互绝缘的区域：芯片焊接区域、电极端子焊接区域、键合线区域。芯片焊接区域占DBC的主要面积，在设计中需要留有有足够的空间进行芯片焊接。
纳米银焊膏具有熔点高(961℃)、导电、导热性能优、可加工性好、绿色无铅等优点，适用于高温大功率和高密度封装，随着电力电子行业的发展，逐渐取代锡铅焊料成为大功率电子器件高温应用的首选互连材料。传统的纳米银焊膏热压烧结工艺较为复杂，包括烧结前需要10～20min的预热阶段，缓慢冷却阶段，然后加热到烧结温度，保温30～60min，实现纳米银焊膏的烧结，因此完成烧结所需时间较长(>1h)，效率较低，对自动化生产设备要求高。
电流辅助烧结是以两个电极施压在印制焊膏层的DBC基板两端，由于施加的电流从其中一电极沿基板表面流至另一电极，基板金属与电极间存在显著的接触电阻，利用所产生的大量电阻热快速烧结纳米银焊膏，与传统热压烧结方式相比，缩短了烧结时间，简化烧结工艺，提高了效率。
但是，电流辅助烧结短时间内产生的大量电阻热，在电极处热量最多，温度最高，烧结过程中纳米银焊膏的温度会出现高低不同分布不均匀的现象，这种不均匀的温度分布会导致通过纳米银焊膏烧结连接的基板与芯片部分区域的机械强度低，最终影响烧结接头的抗疲劳可靠性，甚至有可能在烧结过程中直接烧蚀损坏芯片。
发明内容
本发明主要解决的是电流辅助快速烧结纳米银焊膏连接IGBT芯片和二极管芯片与DBC基板过程中温度分布不均匀以及由此导致的烧结接头部分区域的机械强度低和抗疲劳可靠性差的问题，研究发现电极的形状显著影响电流辅助快速烧结过程中纳米银焊膏温度分布，通过设计施加电流的异形电极与位置分布使电流辅助烧结纳米银焊膏的温度场均匀分布，提高烧结接头整体机械强度和抗疲劳可靠性。
本发明方法通过以下技术方案实现。
一种基于敷铜基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法，其特征在于，结合敷铜基板铜层形状和印刷纳米银焊膏后电极压头可放置区域，异形电极形状为直角L形，内角为四分之一圆弧过渡，烧结前电极预压在DBC基板两端，施加直流脉冲电流均匀流过焊膏，纳米银焊膏烧结温度场均匀分布，芯片受热均匀。
所述电极形状为两边等长的直角L形状，使IGBT芯片和二极管芯片位于两电极端点连线围成的区域内，电极边长为基板边长的一半；电极内角为四分之一圆弧过渡，避免在电极内角附近热量集中。
所述电极材料为80W20Cu钨铜合金。
所述电极进行电流辅助快速烧结时，预压电极的压力为0.5MPa～1MPa。
所述电极进行电流辅助快速烧结时，直流脉冲电流值为1.2kA～1.4kA，脉冲电流的占空比为75％～80％，电流导通时间为10s～12s，产生的电阻热适合烧结焊膏连接芯片与基板。
具体说明如下：
本发明的一种基于覆铜陶瓷基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法，基于功率模块中芯片的分布，通过设计异形的电极与位置布局，使施加直流脉冲电流均匀流过焊膏，既实现纳米银焊膏脉冲电流辅助烧结过程中温度场的均匀分布，又实现施加直流脉冲电流，快速烧结纳米银焊膏IGBT芯片/二极管芯片与覆铜陶瓷基板(DBC)基板的一次性快速烧结连接，并且获得致密度高达90％以上，可大幅提高烧结互连层的机械强度和抗疲劳可靠性。
结合覆铜陶瓷基板铜层形状和印刷纳米银焊膏后电极压头可放置区域，异形电极形状为直角L形状，电极内角为四分之一圆弧过渡，烧结前电极预压在DBC基板两端，施加直流脉冲电流均匀流过焊膏，纳米银焊膏烧结温度场均匀分布，芯片受热均匀。
电极形状为两边等长的直角L形状，使IGBT芯片和二极管芯片位于两电极端点连线围成的区域内，但电极边长不能过长，会导致焊膏沿对角线温度偏低，焊膏温度场分布不均匀并降低热效率，电极边长不能过短，会导致焊膏的四个角温度偏高，电极边长优选为基板边长的一半；电极内角为四分之一圆弧过渡，避免在电极内角附近热量集中。
电极材料为80W20Cu钨铜合金，热膨胀特性与碳化硅、氧化铝和氧化铍的相似，适合与基板和芯片使用。
烧结过程中，预压电极的压力大小选择和电极端面面积有关，电极压力的大小影响电极与基板的接触电阻，基于本发明所用基板，预压电极压力优选为0.5MPa～1MPa。
烧结过程中，电流大小和导通时间的选择与电极端面面积有关，基于本发明所用基板，直流脉冲电流值优选为1.2kA～1.4kA，脉冲电流的占空比为75％～80％，电流导通时间优选为10s～12s，产生的电阻热适合烧结焊膏连接芯片与基板。
本发明的效果：
与现有技术相比，本发明成功解决了电流快速烧结纳米银焊膏过程中存在的温度不均匀的问题，通过设计施加电流的异形电极与位置分布，实现纳米银焊膏脉冲电流辅助烧结过程中温度场的均匀分布，烧结纳米银焊膏IGBT芯片/二极管芯片与覆铜陶瓷基板(DBC)基板的一次性快速烧结连接，并且获得致密度高达90％以上，可大幅提高烧结互连层的机械强度和抗疲劳可靠性，延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明的电极示意图；
图2为本发明所用敷铜陶瓷基板示意图；
图3为印刷焊膏的示意图；
图4为印有焊膏的基板示意图；
图5为电流烧结装配示意图；
其中：1-胶带、2-纳米银焊膏、3-橡胶棒、4-基板、5-下铜层、6-陶瓷、7-上铜层、8-印刷成型的纳米银焊膏、9-电极、10-IGBT芯片、11-二极管芯片。
具体实施方式
下面结合附图，对基于覆铜陶瓷基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场快速烧结连接IGBT芯片/二极管芯片与覆铜陶瓷基板(DBC)基板的具体实施方式作详细说明。
(1)实验前将覆铜陶瓷基板、芯片、橡胶棒放置在盛有无水乙醇的烧杯中，然后放入超声波清洗仪中震荡清洗10min，取出后用无尘纸擦净。本发明所用覆铜陶瓷基板如图1所示，尺寸为30mm×30mm。
(2)印刷纳米银焊膏：根据芯片尺寸，在DBC基板表面分别粘贴四条50μm-90μm厚的耐高温卡普顿胶带1，围成面积略大于芯片尺寸，用针取出适量搅拌充分的焊膏2，在基板上胶带围成的区域涂覆焊膏，再用橡胶棒3将焊膏涂匀，填补胶带之间的间隙，如图2所示。接着用刮刀刮平涂覆后的焊膏表面，最后撕去胶带。印有焊膏的基板如图3所示。
(3)预热阶段：将涂好焊膏的DBC基板置于加热台上，设置加热速率为5℃/min，加热温度为90℃，保温时间为10min～20min，完成预热前处理。让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，避免在烧结过程中焊膏溢出。
(4)烧结阶段：将预热阶段结束的基板从加热台上取下，用贴片机将IGBT芯片10和二极管芯片11紧密贴装在焊膏上表面。将贴好芯片的基板装入加压定位工装夹具，设定压力为1MPa～2MPa。图4为形状为直角L形状，电极内角为四分之一圆弧过渡的异形电极，烧结前电极预压在DBC基板两端，预压电极压力优选为0.5MPa～1MPa，保证与工件接触良好，如图5所示。施加1.2kA～1.4kA直流脉冲电流，脉冲电流的占空比为75％～80％，电流导通时间优选为10s～12s。直流脉冲电流从其中一电极沿基板表面流至另一电极，保证电流流过产生的电阻热在纳米银焊膏上均匀分布，纳米银焊膏的温度均匀一致。
本发明公布的一种基于覆铜陶瓷基板均匀纳米银焊膏温度场的电流辅助烧结方法，解决了电流辅助快速烧结纳米银焊膏连接IGBT芯片和二极管芯片与DBC基板的温度场分布不均匀的问题，以及由烧结温度不均匀导致的烧结接头部分区域的机械强度低和抗疲劳可靠性差的问题。通过设计施加电流的异形电极与位置分布，对纳米银焊膏烧结过程用红外热像仪进行温度观测，纳米银焊膏的温度场分布均匀，对应用设计电极烧结连接IGBT芯片和二极管芯片与DBC基板的接头进行剪切强度测试，机械性能提高，并且获得致密度高达90％以上，可大幅提高烧结互连层的机械强度和抗疲劳可靠性。

Claims (5)

1.一种基于敷铜基板均匀电流辅助烧结纳米银焊膏温度场的方法，其特征在于，结合敷铜基板铜层形状和印刷纳米银焊膏后电极压头可放置区域，异形电极形状为直角L形，内角为四分之一圆弧过渡，烧结前电极预压在DBC基板两端，施加直流脉冲电流均匀流过焊膏，纳米银焊膏烧结温度场均匀分布，芯片受热均匀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电极形状为两边等长的直角L形状，使IGBT芯片和二极管芯片位于两电极端点连线围成的区域内，电极边长为基板边长的一半；电极内角为四分之一圆弧过渡，避免在电极内角附近热量集中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是电极材料为80W20Cu钨铜合金。
4.如权利要求1所述的方法，特征是电极进行电流辅助快速烧结时，预压电极的压力为0.5MPa～1MPa。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是电极进行电流辅助快速烧结时，直流脉冲电流值为1.2kA～1.4kA，脉冲电流的占空比为75％～80％，电流导通时间为10s～12s，产生的电阻热适合烧结焊膏连接芯片与基板。
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