CN111785644A - 一种激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，包括如下步骤：1)除油清洗及丝网印刷：覆铜陶瓷基板除油清洗后在表面需焊接芯片位置印刷锡焊膏或涂覆助焊剂后贴附焊片；2)激光熔覆‑预加热：采用0.4～0.8kW功率激光处理锡焊膏或助焊剂进行预加热，排出有机组分；3)激光熔覆‑形成熔覆层：激光熔覆装置抽真空后，通入保护气体，采用1.5～3kW功率激光再次对焊膏区或助焊剂进行处理，使锡焊膏金属化，冷却后形成熔覆层与铜面牢固结合或使焊片四周与覆铜陶瓷基板固接在一起；4)清洗、烘干：将步骤3)得到的预焊覆铜陶瓷基板清洗干净后热风烘干。
Description
技术领域
本发明属于半导体基板制备技术领域，涉及一种覆铜陶瓷基板制备技术，具体而言涉及一种激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法。
背景技术
覆铜陶瓷基板是半导体领域高压大功率模块最为优良的封装材料，其具有高导热、优良的绝缘性能、优异的软钎焊性、载流能力大等特性。高温直接键合(DBC，又称DCB)技术、高温活性钎焊(AMB)技术、电镀(DPC)技术以及激光活化技术(LAM)是目前制作覆铜陶瓷基板的主要技术。
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。芯片与覆铜陶瓷基板的回流焊工艺是IGBT模块封装中核心之一，主要包括丝网印刷/焊片放置、贴片、真空回流焊接、超声波清洗等。焊接材料主要有焊片和锡膏两种，焊片是当前IGBT领域使用最广泛的焊料，优点为焊接层空洞少、有机组份使用量少但每种规格的产品需要特定规格的焊片、操作不便，锡膏的优点为能适应各种规格产品，操作方便，材料成本低廉，但锡膏中的大量有机成分挥发时会污染真空炉，并留下较多空洞，此外，还需清洗焊接残留物。
激光熔覆技术通过金属合金或其他类型材料在基体上沉积，实现涂层和基体材料的冶金结合，可获得无孔、晶粒细小的显微组织以及良好机械性能的熔覆层，该技术对基体热传导低、热影响区较小、基体变形较少。根据熔覆层材料准备方式不同，激光熔覆分成一步法和两步法两种工艺类型，一步法为激光束持续工作过程中送粉/线材至待加工区域，熔覆成型，两步法为第一步将熔覆材料预置于基体表面，第二步为激光束将熔覆材料熔化，冷却后形成熔覆层。
预焊覆铜陶瓷基板是指对基板增加预焊工艺在铜层表面需焊接芯片位置提前焊接锡膏或焊片，预焊覆铜陶瓷基板相对于传统的覆铜陶瓷基板，主要有以下优点：将工艺由原来的丝网印刷/焊片放置、贴片、真空回流焊接、超声波清洗简化为贴片、真空回流焊接，简化并优化了芯片回流焊工艺、不会污染真空炉，无焊接残留物、降低设备投资成本、间接提高成品率。
但现有技术中尚未见将两种技术结合在一起的相关报道。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，将激光熔覆技术和覆铜陶瓷基板预焊技术相结合进行覆铜陶瓷基板制备，简化并优化了其制备工艺。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，包括如下步骤：1)除油清洗及丝网印刷：覆铜陶瓷基板除油清洗后在表面需焊接芯片位置印刷锡焊膏或涂覆助焊剂后贴附焊片；2)激光熔覆-预加热：采用0.4～0.8kW功率激光处理锡焊膏或助焊剂进行预加热，排出有机组分；3)激光熔覆-形成熔覆层：激光熔覆装置抽真空后，通入保护气体，采用1.5～3kW功率激光再次对焊膏区或助焊剂进行处理，使锡焊膏金属化，冷却后形成熔覆层与铜面牢固结合或使焊片四周与覆铜陶瓷基板固接在一起；4)清洗、烘干：将步骤3)得到的预焊覆铜陶瓷基板清洗干净后热风烘干。
优选的，步骤1)中，覆铜陶瓷基板总共清洗时间为5～15min，依次在丙酮溶液中超声浸洗3-5min、在无水乙醇中超声浸洗1-5min、在纯水中超声浸洗1-5min。
优选的，步骤1)中，锡焊膏印刷图形为矩形阵列，焊膏之间的沟槽通道会方便挥发物的排出；助焊剂为松香助焊剂，焊片为Sn-Ag焊片。
优选的，步骤2)中，采用激光熔覆技术进行预加热的方法为：激光器在0.4kW-0.8kW功率(优选为0.6kW)、0.5mm光斑直径、160mm/min的速率下对焊膏区或焊片区平行和垂直方向分别预加热5次。
优选的，步骤3)中，使用焊膏时，采用激光熔覆技术进行加热的方法为：激光熔覆装置内先抽真空至1.0×10-2Pa，通入保护气体(如氩气)形成保护气氛；而后使用激光器在1.5kW-3kW功率(优选为1.8kW)、0.8mm光斑直径、120mm/min的速率条件下对焊膏区进行熔覆和重熔，先在水平方向熔覆一遍，紧接着在垂直方向上再重熔一遍，重复三次。
优选的，步骤3)中，使用焊片时，激光熔覆装置先抽真空至1.0×10-2Pa，通入保护气体形成保护气氛；而后使用激光器在1.5kW-3kW功率、0.8mm光斑直径、120mm/min的速率条件下对焊片边缘1.6mm-3mm进行加热将铜面和焊片焊接固定。
优选的，步骤4)中，预焊覆铜陶瓷基板依次在丙酮溶液中浸洗3min-5min、在纯水中浸洗2min-10min后热风烘干。
本发明的有益效果如下：
本发明将激光熔覆技术和覆铜陶瓷基板预焊技术相结合进行覆铜陶瓷基板制备，先采用0.4～0.8kW功率激光处理锡焊膏进行预加热，排出有机组分；然后将激光熔覆装置抽真空后，通入保护气体，采用1.5～3kW功率激光再次对焊膏区进行熔覆和重熔，使锡焊膏金属化，冷却后形成熔覆层与铜面牢固结合，清洗、烘干后得到覆铜陶瓷基板。
激光熔覆法预焊锡膏制成的覆铜板用于IGBT芯片回流焊时可预见有以下优点：1)简化并优化芯片回流焊接工艺；2)本发明采用价格低廉的锡膏作为焊接材料，很大程度上可替代使用成本较高的焊片，焊接材料成本低廉，适应不同规格产品；3)焊膏经过激光熔覆金属化后，类似于一种新型焊片，且有机成分含量少；4)锡膏中的有机成分通过预加热提前挥发，既避免了焊接层空洞的形成，又不会对真空炉造成污染，无需清洗真空炉和残渣。
附图说明
图1为本发明实施例1的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板的流程图；
图2为本发明实施例2的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实施例对本发明的实施作详细说明，以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明所用试剂和原料均市售可得或可按文献方法制备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板(焊膏工艺)
1)覆铜陶瓷基板除油清洗：依次在丙酮、无水乙醇、纯水中超声浸洗共计5min-15min，具体为在丙酮溶液中超声浸洗3min-5min；在无水乙醇中超声浸洗1min-5min；在纯水中超声浸洗1min-5min，防氧化并热风烘干；
2)丝网印刷：在覆铜板陶瓷基板铜层表面需焊接芯片位置印刷锡焊膏，每个区域的印刷图形都为本领域常用的矩形阵列，焊膏之间的沟槽通道方便挥发物的排出；
3)激光熔覆-预加热：在激光熔覆装置内采用激光器在0.6kW功率、0.5mm光斑直径、160mm/min的速率下对步骤2)中的焊膏区平行和垂直方向分别预加热5次；
4)激光熔覆-熔化、冷却、形成熔覆层：在激光熔覆装置内先抽真空至1.0×10-2Pa，通入氩气形成保护气氛，采用激光器在1.8kW功率、0.8mm光斑直径、120mm/min的速率条件下对焊膏区进行熔覆和重熔，先在水平方向熔覆一遍，紧接着在垂直方向上再重熔一遍，重复3次；
5)清洗、烘干：依次在丙酮、纯水中浸洗共计5min-15min。具体为在丙酮溶液中浸洗3min-5min；在纯水中浸洗2min-10min、防氧化并热风烘干。
实施例2激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板(焊片工艺)
1)覆铜陶瓷基板除油清洗：依次在丙酮、无水乙醇、纯水中超声浸洗共计5min-15min，具体为在丙酮溶液中超声浸洗3min-5min；在无水乙醇中超声浸洗1min-5min；在纯水中超声浸洗1min-5min，防氧化并热风烘干；
2)焊片贴附：在覆铜陶瓷基板上涂覆松香助焊剂，使用Sn-Ag焊片(主要成分为锡和银)贴附在覆铜陶瓷基板上。
3)激光熔覆-预加热：采用0.4～0.8kW功率激光加热焊片，排出助焊剂中有机组分；
4)激光熔覆-形成结合层：使用焊片时，激光熔覆装置先抽真空至1.0×10-2Pa，通入保护气体形成保护气氛；而后使用激光器在1.5kW-3kW功率、0.8mm光斑直径、120mm/min的速率条件下对焊片边缘1.6mm-3mm进行加热将铜面和焊片焊接固定。
5)清洗、烘干：依次在丙酮、纯水中浸洗共计5min-15min。具体为在丙酮溶液中浸洗3min-5min；在纯水中浸洗2min-10min、防氧化并热风烘干。
实施例3 IGBT模块封装
本实施例为将实施例1或2中的预焊覆铜陶瓷基板用于IGBT模块封装的焊接工艺过程，主要包括自动贴片-真空回流焊接-缺陷检测(X光)，优点是无需清洗设备、可适应多种规格产品、工艺简化、产品空洞少、质量较好。
对比例1
本对比例为常规覆铜陶瓷基板用于IGBT模块封装时使用锡焊膏作为焊接材料的焊接工艺过程，主要包括丝网印刷-自动贴片-真空回流焊接(真空炉需要清洗)-超声波清洗-缺陷检测(X光)，优点是适应各种规格产品、材料价格低廉；缺点是需要清洗、焊接区容易留下较多的空洞、产品质量较差。
对比例2
本对比例为常规覆铜陶瓷基板用于IGBT模块封装时使用焊片作为焊接材料的焊接工艺过程，主要包括焊片放置-贴片-焊片固定-氧化还原回流焊(通入氢气或者甲酸)-移除固定治具-缺陷检测(X光)，优点是焊片不含助焊剂，无需清洗设备；缺点是不能适应多种规程产品、需要固定治具、回流焊需要附加条件。
综上，本发明同时具备两种常规技术的优点，原料方面，本发明除简化以焊片作为焊接材料的IGBT模块封装工艺外，更适合采用价格低廉的锡膏作为焊接材料，替代使用成本较高的焊片，焊接材料成本低廉，适应各种规格产品；焊膏经过激光熔覆金属化后，类似于一种新型焊片，且有机成分含量少，无需使用条件限制较多的焊片。加工工艺方面，锡膏中的有机成分通过预加热提前挥发，既避免了焊接层空洞的形成，又不会对真空炉造成污染，无需清洗真空炉和残渣，同时简化并优化芯片回流焊接工艺，在进行IGBT模块封装时，仅需自动贴片-真空回流焊接-缺陷检测(X光)三个步骤，无需清洗设备，且产品空洞少、质量较好。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)除油清洗及丝网印刷
覆铜陶瓷基板除油清洗后在表面需焊接芯片位置印刷锡焊膏或涂覆助焊剂后贴附焊片；
2)激光熔覆-预加热
采用0.4～0.8kW功率激光处理锡焊膏或助焊剂进行预加热，排出有机组分；
3)激光熔覆-形成熔覆层
激光熔覆装置抽真空后，通入保护气体，采用1.5～3kW功率激光再次对焊膏区或助焊剂进行处理，使锡焊膏金属化，冷却后形成熔覆层与铜面牢固结合或使焊片四周与覆铜陶瓷基板固接在一起；
4)清洗、烘干
将步骤3)得到的预焊覆铜陶瓷基板清洗干净后热风烘干。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，步骤1)中，所述覆铜陶瓷基板依次在丙酮溶液中超声浸洗3-5min、在无水乙醇中超声浸洗1-5min、在纯水中超声浸洗1-5min。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，步骤1)中，锡焊膏印刷图形为矩形阵列，所述助焊剂为松香助焊剂，所述焊片为Sn-Ag焊片。
4.采用权利要求1中的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，步骤2)中，预加热的方法为：激光器在0.4kW-0.8kW功率、0.5mm光斑直径、160mm/min的速率下对焊膏区或焊片区平行和垂直方向分别预加热5次。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，激光器功率为0.6kW。
6.根据权利要求1所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，步骤3)中，使用焊膏时，激光熔覆装置内先抽真空至1.0×10-2Pa，通入保护气体形成保护气氛；而后使用激光器在1.5kW-3kW功率、0.8mm光斑直径、120mm/min的速率条件下对焊膏区进行熔覆和重熔，先在水平方向熔覆一遍，紧接着在垂直方向上再重熔一遍，重复三次。
7.根据权利要求1所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，步骤3)中，使用焊片时，激光熔覆装置先抽真空至1.0×10-2Pa，通入保护气体形成保护气氛；而后使用激光器在1.5kW-3kW功率、0.8mm光斑直径、120mm/min的速率条件下对焊片边缘1.6mm-3mm进行加热将铜面和焊片焊接固定。
8.根据权利要求6或7所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，所述保护气体为氩气，激光器功率为1.8kW。
9.根据权利要求1所述的激光熔覆制备预焊覆铜陶瓷基板方法，其特征在于：
其中，步骤4)中，预焊覆铜陶瓷基板依次在丙酮溶液中浸洗3min-5min、在纯水中浸洗2min-10min后热风烘干。
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