CN110142475A - 一种用于大功率igbt模块的无工装固定焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，在一次焊接焊片背面喷涂聚合物粘结剂，并放置于覆铜陶瓷衬板表面；在芯片背面喷涂聚合物粘结剂，并放置于一次焊接焊片表面，组装成衬板子单元，将衬板子单元放入焊接炉完成一次焊接；在基板表面涂覆有机硅胶，涂覆形状为矩形框，矩形框的尺寸大于二次焊接焊片的尺寸；将二次焊接焊片放置于有机硅胶的矩形框内；将衬板子单元背面喷涂聚合物粘结剂，并放置于二次焊接焊片表面，完成组装后放入焊接炉完成二次焊接。本发明无需工装固定，能够保证焊接可靠性，无需清洗，二次焊接中的有机硅胶不但能够固定焊片，还能避免由于大尺寸焊片融化后造成的基板表面焊料漫流以及短路等现象。

Description

一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法
技术领域
本发明涉及IGBT模块焊接技术领域，具体涉及一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)是第三代电力电子器件中最具先进性的功率半导体器件，具有高频率、高电压、大电流等优点，是柔性交直流输电、新能源发电、电能质量治理等领域的核心器件，目前已在相关行业得到广泛应用。在IGBT模块封装中，通常将芯片与覆铜陶瓷衬板(Direct Bonding Copper, DBC)的焊接称为一次焊接；芯片与DBC衬板组成的衬板子单元与铜或者复合材料基板的焊接称为二次焊接，一次焊接和二次焊接是影响模块封装质量的关键工艺。
目前IGBT模块焊接过程中采用的工艺主要有焊膏工艺和焊片工艺。焊膏工艺是利用焊膏自身的粘附性，保证芯片、焊片、以及衬板子单元在组装和焊接过程中无移动。焊片工艺中需要针对每一款IGBT模块设计与芯片、衬板等尺寸相当的工装夹具，从而实现对组装件的固定。随着焊片工艺在大功率IGBT模块焊接中的应用，关于焊片工艺固定工装设计的专利申请逐渐增多。专利CN104339059A《IGBT模块一次焊接的方法》，公开了一种用于IGBT模块一次焊接的工装设计；专利CN203390459U《一种用于将片状焊料固定在IGBT模块基板上的焊接工装》，公开了一种将没有粘附性的焊片及被焊接原件固定在基板焊接区域的工装。
对于焊膏工艺，焊接过程中无需额外的工装，焊接效率较高，但是焊膏中含有大量的助焊剂，焊后需要清洗，且容易存在助焊剂残留，将会严重影响高可靠性要求的大功率IGBT模块的长期服役可靠性。对于焊片工艺，焊接过程中无需使用助焊剂，免除焊后清洗工序，但是焊片没有粘附性，组装过程中容易造成芯片、焊片、衬板子单元的相对位置发生移动，影响最终焊接质量，需要针对每一款IGBT模块设计对应的焊接固定工装，生产效率降低，工装管理成本增大。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，保证大功率IGBT模块焊接可靠性的同时提高生产效率，本发明提供一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法。
技术方案：一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，包括以下步骤：
（1）在一次焊接焊片背面喷涂聚合物粘结剂，将一次焊接焊片放置于覆铜陶瓷衬板表面；
（2）在芯片背面喷涂聚合物粘结剂，将芯片放置于一次焊接焊片表面，组装成衬板子单元，将衬板子单元放入焊接炉完成一次焊接；
（3）在基板表面涂覆有机硅胶，涂覆形状为矩形框，矩形框的尺寸大于二次焊接焊片的尺寸；
（4）将二次焊接焊片放置于有机硅胶的矩形框内；
（5）将步骤（2）得到的衬板子单元背面喷涂聚合物粘结剂，将衬板子单元放置于二次焊接焊片表面，完成组装后放入焊接炉完成二次焊接。
进一步的，步骤（3）中矩形框的长和宽分别比二次焊接焊片的长和宽均大0.2mm。
进一步的，所述聚合物粘结剂包括聚碳酸亚丙酯一类的聚合物，在200℃~300℃下分解且无残留。
进一步的，步骤（1）、步骤（2）及步骤（5）中，喷涂聚合物粘结剂的喷涂量为1~10mg。
进一步的，步骤（3）中，有机硅胶涂覆的厚度大于二次焊接焊片的厚度。
进一步的，步骤（3）中，有机硅胶涂覆的厚度范围为0.1mm~0.3mm。
进一步的，一次焊接焊片的熔点温度高于二次焊接焊片的熔点温度。
进一步的，一次焊接焊片为Sn90Sb10合金，二次焊接焊片为Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金。
进一步的，步骤（2）的一次焊接的焊接温度为280℃，步骤（5）的二次焊接的焊接温度为245℃。
进一步的，步骤（1）中的覆铜陶瓷衬板为氧化铝陶瓷覆铜衬板，聚合物粘结剂为QPAC40。
有益效果：本发明提供的一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，在IGBT模块一次焊接和二次焊接过程中实现无需工装固定的焊片工艺，焊接前无需针对每一款IGBT模块设计专用固定工装，能够保证芯片、焊片、衬板子单元的位置相对固定，焊接结束后无需清洗，无助焊剂残留。二次焊接中有机硅胶的使用不但能够固定焊片，还能够避免由于大尺寸焊片融化后造成的基板表面焊料漫流以及短路等现象。简化焊接工艺流程，焊接完成后无需拆卸工装，有利于实现在线式自动化生产，在保证大功率IGBT模块焊接可靠性的同时提高生产效率。
附图说明
图1为衬板子单元的结构示意图；
图2为焊接整体结构的示意图。
图中数字表示：1-芯片；2-粘结剂；3-一次焊接焊片；4-覆铜陶瓷衬板；5-衬板子单元；6-有机硅胶；7-二次焊接焊片；8-基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示，本实施例以电压1700V，电流600A的EconoDUALTM封装类型的模块为例，包括以下步骤：
步骤一：在一次焊接焊片3背面喷涂2mg聚合物粘结剂2，然后将一次焊接焊片3放置于DBC衬板5（覆铜陶瓷衬板）表面。所述一次焊接焊片3为Sn90Sb10合金，所述聚合物粘结剂2为QPAC®40，所述DBC衬板5为氧化铝陶瓷覆铜衬板。
步骤二：在芯片1背面喷涂2mg聚合物粘结剂2，然后将芯片1放置于一次焊接焊片3表面，组装成衬板子单元5，然后放入焊接炉进行一次焊接。所述芯片1为硅基芯片，一次焊接温度为280℃。
步骤三：在基板8表面涂覆有机硅胶6。所述涂覆层厚度为0.3mm，所述涂覆形状为矩形框，矩形框尺寸比二次焊接焊片7尺寸长宽单边各大0.2mm，所述基板8为铜基板。
步骤四：将二次焊接焊片7放置于有机硅胶6的矩形框内。所述二次焊接焊片为Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金。
步骤五：在步骤二中焊接完成得到的衬板子单元5背面喷涂5mg聚合物粘结剂2，然后将衬板子单元5放置于二次焊接焊片7表面，完成组装后再次放入焊接炉进行二次焊接，二次焊接温度为245℃。
对焊接完成的IGBT模块产品进行X-Ray检验分析，发现焊接区域的总体空洞率小于3%，单个空洞率小于1%，满足大功率IGBT模块的焊接质量要求。

Claims (10)

1.一种用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在一次焊接焊片背面喷涂聚合物粘结剂，将一次焊接焊片放置于覆铜陶瓷衬板表面；
（2）在芯片背面喷涂聚合物粘结剂，将芯片放置于一次焊接焊片表面，组装成衬板子单元，将衬板子单元放入焊接炉完成一次焊接；
（3）在基板表面涂覆有机硅胶，涂覆形状为矩形框，矩形框的尺寸大于二次焊接焊片的尺寸；
（4）将二次焊接焊片放置于有机硅胶的矩形框内；
（5）将步骤（2）得到的衬板子单元背面喷涂聚合物粘结剂，将衬板子单元放置于二次焊接焊片表面，完成组装后放入焊接炉完成二次焊接。
2.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，步骤（3）中矩形框的长和宽分别比二次焊接焊片的长和宽均大0.2mm。
3.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，所述聚合物粘结剂包括聚碳酸亚丙酯一类的聚合物，在200℃~300℃下分解且无残留。
4.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，步骤（1）、步骤（2）及步骤（5）中，喷涂聚合物粘结剂的喷涂量为1~10mg。
5.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，步骤（3）中，有机硅胶涂覆的厚度大于二次焊接焊片的厚度。
6.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，步骤（3）中，有机硅胶涂覆的厚度范围为0.1mm~0.3mm。
7.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，一次焊接焊片的熔点温度高于二次焊接焊片的熔点温度。
8.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，一次焊接焊片为Sn90Sb10合金，二次焊接焊片为Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金。
9.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，步骤（2）的一次焊接的焊接温度为280℃，步骤（5）的二次焊接的焊接温度为245℃。
10.根据权利要求1所述的用于大功率IGBT模块的无工装固定焊接方法，其特征在于，步骤（1）中的覆铜陶瓷衬板为氧化铝陶瓷覆铜衬板，聚合物粘结剂为QPAC40。
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