CN112289764A - Igbt电极焊接脚结构、igbt模块及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于IGBT模块技术领域，涉及IGBT电极焊接脚结构、IGBT模块及焊接方法。该焊接脚结构，包括位于电极焊接面或DBC基板焊接面的焊接脚，在焊接中焊接脚会支撑在DBC基板焊接面，用以保证两者之间的焊料均匀分布；电极焊接面的中心处设有方便焊料通过的通孔，在焊接中焊料会通过通孔焊接电极和DBC基板，增强了焊接强度，提高了整个IGBT模块的可靠性，从而增加IGBT模块的使用寿命。此外，如果不改变电极结构可将焊接脚设置在DBC焊接面，在焊接中焊接脚会支撑在电极焊接面，保证电极与DBC基板之间的焊料均匀分布。

Description

IGBT电极焊接脚结构、IGBT模块及焊接方法
技术领域
本发明属于IGBT模块技术领域，涉及IGBT电极焊接脚结构、IGBT模块及焊接方法。
背景技术
现有IGBT模块的基本结构如图1所示，其主要部件芯片、DBC基板、底板、电极之间利用焊料进行焊接，焊接效果直接影响IGBT模块的可靠性，其中电极与DBC基板铜层之间的焊接是模块可靠性的重要环节。
目前，IGBT电极焊接脚为平面结构，电极的焊接脚通过焊料与DBC铜层焊接，参见图2-5，理想状态下电极焊接面与DBC基板焊接面平行，焊料均匀地覆盖在电极焊接脚和DBC基板表面。但在实际焊接工艺中，电极焊接由于工装及焊接工艺的限制，电极焊接面与DBC基板表面容易出现图6或图7的情况。由于焊料的不均匀分布，在焊接脚的一部分焊接不牢固，会导致IGBT模块抗疲劳能力差，多次热循环后导致电极脱落，降低IGBT模块使用寿命；此外，电极焊接脚只有焊接的四周包围焊料，如果焊接面积较大，电极与DBC基板之间的焊接强度会下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供IGBT电极焊接脚结构、IGBT模块及焊接方法，以解决传统电极焊接中焊料分布不均的问题，并提高焊接强度。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种IGBT电极焊接脚结构，包括位于电极焊接面或DBC基板焊接面的焊接脚，用以保证两者之间的焊料均匀分布；所述电极焊接面的中心处设有方便焊料通过的通孔。
进一步，所述焊接脚包括均匀分布于电极焊接面的数个凸点。
进一步，所述焊接脚包括均匀分布于DBC基板焊接面的数个凸点。
进一步，所述凸点的数量为4个。
进一步，数个所述凸点的高度均相同，保证电极水平支撑在DBC基板上。
进一步，所述焊接脚的材料选自裸铜、铜镀镍或铜镀锡中的任意一种；或者，所述焊接脚的材料可以选用其它任意金属焊接材料。
进一步，所述焊接脚的高度与焊料的厚度一致。
另一方面，本发明还提供了一种IGBT模块，包括底板及设置在底板上的IGBT器件，所述IGBT器件设有DBC基板，所述DBC基板上焊接有电极，所述电极包括如上部分或全部所述的IGBT电极焊接脚结构。
此外，本发明又提供了一种焊接如上所述的DBC基板与电极的方法，DBC基板与电极的焊接在真空或者还原气体保护的真空焊接炉内进行，焊料经过升温→融化→保持→降温→固化工艺，实现DBC基板与电极的焊接。
进一步，所述真空焊接炉利用预设的焊接程序实现DBC基板与电极的焊接。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过在电极焊接面设置焊接脚，在焊接中焊接脚会支撑在DBC基板焊接面，保证电极与DBC基板之间的焊料均匀分布；通过在电极焊接面的中心处设置通孔，在焊接中焊料会通过通孔焊接电极和DBC基板，增强了焊接强度。
对于电极和DBC基板之间的焊接，如果不改变电极结构可将焊接脚设置在DBC焊接面，在焊接中焊接脚会支撑在电极焊接面，保证电极与DBC基板之间的焊料均匀分布。
又一方面，本发明还提供了一种IGBT模块，该IGBT模块的电极包括如上部分或全部所述的IGBT电极焊接脚结构，焊接脚结构支撑在DBC基板焊接面或电极焊接面，保证电极与DBC基板之间的焊料均匀分布；同时通过在电极焊接面的中心处设置通孔，在焊接中焊料通过通孔焊接电极和DBC基板，增强了焊接强度，提高了整个IGBT模块的可靠性，从而增加IGBT模块的使用寿命。
此外，本发明还提供的IGBT模块的焊接方法，在真空或者还原气体保护的真空焊接炉内进行，焊料经过升温→融化→保持→降温→固化工艺，实现DBC基板与电极的焊接，真空焊接炉利用预设的焊接程序实现DBC基板与电极的连接，保证了焊接质量。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有IGBT模块的基本结构图；
图2为现有电极的主视图；
图3为图2的侧视图；
图4为图2的仰视图；
图5为现有电极与DBC基板理想焊接的示意图；
图6为现有电极与DBC基板焊接存在的焊料不均匀分布的示意图一；
图7为现有电极与DBC基板焊接存在的焊料不均匀分布的示意图二；
图8为本发明提供的具有焊接脚结构的IGBT电极的主视图；
图9为图7的侧视图；
图10为图7的仰视图；
图11为本发明提供的具有焊接脚结构的IGBT电极与DBC基板的焊接示意图；
图12为0-t6时间段焊接炉预设的焊接程序运行完一个周期的温度曲线图。
其中：1、通孔；2、凸点；3、电极；4、DBC基板；5、焊料；6、底板；7、芯片。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的结构、方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参见图8-10所示，本发明提供了一种IGBT电极焊接脚结构，包括位于电极焊接面的焊接脚，用以保证两者之间的焊料均匀分布；电极焊接面的中心处设有方便焊料通过的通孔1。
进一步，焊接脚包括均匀分布于电极焊接面的数个凸点2，优选地，凸点2的数量为4个，在焊接中凸点2会支撑在DBC基板4的焊接面，保证电极3与DBC基板4之间的焊料始终能均匀分布，焊接效果如图11所示。
作为可选或优选的一种实施方式，4个凸点2的高度均相同，而高度取决于焊料层的厚度，且凸点2的熔化温度远高于焊料5，在重力作用下电极3下沉，凸点2与DBC基板4处于完全接触的状态，凸点2的材料与焊料5匹配得当，从而保证电极3与DBC基板4之间焊层厚度的均匀性。
具体地，凸点2和通孔1的数量可以根据具体情况进行增加或减少。
进一步，焊接脚的材料选自裸铜、铜镀镍、铜镀锡或其他金属焊接材料的任意一种。
实施例2
本发明还提供了一种IGBT电极焊接脚结构，包括位于DBC基板焊接面的焊接脚，用以保证两者之间的焊料均匀分布；电极焊接面的中心处设有方便焊料通过的通孔1。
进一步，焊接脚包括均匀分布于DBC基板焊接面的数个凸点2，优选地，凸点2的数量为6个，在焊接中凸点2会支撑电极焊接面，保证电极3与DBC基板4之间的焊料始终能均匀分布，焊接效果如图11所示。
作为可选或优选的一种实施方式，6个凸点的高度均相同，而高度取决于焊料层的厚度，且凸点2的熔化温度远高于焊料5，在重力作用下电极3下沉，被DBC基板焊接面的凸点2垫起，DBC基板4与电极3处于完全接触的状态，凸点2的材料与焊料5匹配得当，从而保证电极3与DBC基板4之间焊层厚度的均匀性。
具体地，凸点1和通孔1的数量可以根据具体情况进行增加或减少。
进一步，焊接脚的材料选自裸铜、铜镀镍、铜镀锡或其他金属焊接材料的任意一种。
实施例3
在实施例1或2的基础上，本发明还提供了一种IGBT模块，包括底板6及设置在底板6上的IGBT器件，IGBT器件设有DBC基板4，DBC基板4上焊接有电极3，电极3包括如上部分或全部所述的IGBT电极焊接脚结构。
此外，本发明还提供了一种焊接该IGBT模块中DBC基板4与电极3的方法，DBC基板4与电极3的焊接在真空或者还原气体保护的真空焊接炉内进行，焊料5经过升温→融化→保持→降温→固化工艺，其中，升温阶段以特定的升温速率(5℃/min)上升，焊料融化后保持一定时间让焊料充分融化并与焊接面浸润，时间大约为30s，降温阶段以特定的降温速率(5℃/min)下降，当温度小于焊料熔点后，焊料固化与焊接面形成合金，实现DBC基板4与电极3的焊接。
进一步，真空焊接炉利用预设的焊接程序实现DBC基板4与电极3的焊接，具体地，炉内温度随时间的变化曲线参见图12所示，其中，T1为室温，T2为焊接炉预设的焊接程序运行完一个周期的温度，T3为焊片的熔点，T4为焊接温度的最高值。
由图12可知，0-t6时间段对应的温度曲线为焊接炉预设的焊接程序运行完一个周期的温度曲线，t6时刻以后为产品(焊料)在室温中的温度曲线，具体如下：
0-t1时间段是预设的焊接程序准备阶段，焊片为常温；t1-t3时间段为升温阶段，t1时刻以一定的速度开始升温，在t2时刻温度升高到焊料的熔点，焊片由固态变为液态，t3时刻达到设定的最高温度值；t3-t4时间段为保持阶段，以保证焊片能够完全融化，使焊片呈液态；t4-t6时间段为降温阶段，在t4时刻以一定的速率开始降温，在t5时刻温度降到焊片的熔点，焊片由液态变为固态，此刻DBC基板4与电极3通过焊片焊接，t6时刻焊接炉降温程序完成；t6-t7时间段为产品(焊料)在是稳中自然冷却的过程，在t7时刻产品(焊料)达到室温。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，包括位于电极焊接面或DBC基板焊接面的焊接脚，用以保证两者之间的焊料均匀分布；所述电极焊接面的中心处设有方便焊料通过的通孔(1)。
2.根据权利要求1所述的IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，所述焊接脚包括均匀分布于电极焊接面的数个凸点(2)。
3.根据权利要求1所述的IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，所述焊接脚包括均匀分布于DBC基板焊接面的数个凸点(2)。
4.根据权利要求2或3所述的IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，所述凸点(2)的数量为4个。
5.根据权利要求2或3所述的IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，数个所述凸点(2)的高度均相同，保证电极(3)水平支撑在DBC基板(4)上。
6.根据权利要求1所述的IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，所述焊接脚的材料选自裸铜、铜镀镍、铜镀锡中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的IGBT电极焊接脚结构，其特征在于，所述焊接脚的高度与焊料(5)的厚度一致。
8.一种IGBT模块，包括底板及设置在底板上的IGBT器件，所述IGBT器件设有DBC基板(4)，所述DBC基板(4)上焊接有电极(3)，其特征在于，所述电极(3)包括如权利要求1-3任一项所述的IGBT电极焊接脚结构。
9.一种焊接如权利要求8所述的DBC基板与电极的方法，其特征在于，DBC基板(4)与电极(3)的焊接在真空或者还原气体保护的真空焊接炉内进行，焊料(5)经过升温→融化→保持→降温→固化工艺，实现DBC基板(4)与电极(3)的焊接。
10.根据权利要求9所述的焊接DBC基板与电极的方法，其特征在于，所述真空焊接炉利用预设的焊接程序实现DBC基板(4)与电极(3)的焊接。
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