CN114899154B - 一种高效率双面散热功率模块封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高效率双面散热功率模块封装方法。所述封装结构包括：上部覆铜陶瓷基板、锡焊层、半导体芯片、电流信号引线、下部覆铜陶瓷基板，在模块边缘灌封有绝缘缓冲层，其中上部覆铜陶瓷基板和下部覆铜陶瓷基板包括陶瓷基底与双面覆铜图形层；所述封装方法由单枚封装方式改为联排封装方式，将上部覆铜陶瓷基板、下部覆铜陶瓷基板与半导体芯片、电流和信号引线通过锡焊连结，先封装后激光切割，最后灌胶，此方法节省了单枚产品的取放、对位等步骤，建立了高效率双面散热功率模块的生产流程，提高了封装效率和良率，对未来实现自动化生产提供了有利基础。
Description
技术领域
本发明涉及电子模块封装技术领域，具体为一种高效率双面散热功率模块封装方法。
背景技术
第三代半导体的崛起和发展推动了功率器件尤其是半导体器件不断向大功率，小型化，集成化和多功能方向发展，覆铜陶瓷基板具有高热导率、耐高温、低热膨胀系数、高机械强度、耐腐蚀、抗辐射、绝缘性好等优点，因此被广泛应用在电子器件封装中，半导体行业向专业化，规范化分工发展是必然所趋。其中，功率模块封装结构按照芯片组装工艺和引线固定结构的不同，主要分压接结构、焊接结构、直接覆铜DCB基板结构，因此，市场上又出现了以混合IC封装技术，采用叠层和嵌入等技术将多个不同芯片连结，丰富和提高了功率模块的完整性和功能性；在传统封装工艺中，黄金材料用量较高，随着功率模块封装需求越来越高，逐渐向铜材料转移，在铜片表面刻蚀制成需要的图形，而相比较于传统单面散热功率模块，双面散热功率模块以其更强大的散热能力挤占市场，在散热效率方面获得青睐，同时在其制作封装工艺上出现难题，现有的双面散热功率模块后期封装工艺采用先激光切割后封装的技术，即先将覆铜陶瓷基板激光切割成单枚产品，再对其进行一对一式的焊接、灌胶等封装步骤，因封装模块大小为非固定尺寸，无法实现机器流水线自动化，当覆铜陶瓷基板尺寸相对较小时，需要操作人员利用设备工具进行抓取和封装操作，必要时还需借助设备仪器观察，其操作繁琐且耗费人力，使用人工成本高，产品良品率也得不到提升和改善。长期生产既不利于实现自动化，也无法提高操作人员的工作效率，封装工艺前景还需进一步改良。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率双面散热功率模块封装方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
所述的双面散热功率模块自上而下包括上部覆铜陶瓷基板、锡焊层、半导体芯片、电流和信号引线、下部覆铜陶瓷基板，其中半导体芯片通过锡焊层固定在上部覆铜陶瓷基板和下部覆铜陶瓷基板中间，电流和信号引线通过锡焊层固定于下部覆铜陶瓷基板上。
进一步地，所述电流和信号引线为金、铝、铜金属线中的一种。
进一步地，所述双面散热功率模块边缘灌封有绝缘缓冲层，绝缘缓冲层为耐高温硅酮树脂、耐高温环氧树脂中的一种。
进一步地，所述覆铜陶瓷基板自上而下为铜箔-绝缘陶瓷-铜箔结构，铜箔上刻有图形层。
进一步地，所述上部覆铜陶瓷基板和下部覆铜陶瓷基板均通过直接覆铜DCB或活性金属焊料AMB工艺制备。
一种高效率双面散热功率模块封装方法，其具体工艺如下：
(1)取覆铜陶瓷母板，对覆铜陶瓷母板的上部覆铜陶瓷母板进行横向预应力切割、纵向预应力切割，将切割后的覆铜陶瓷母板沿横向预应力切割线掰边得到单列覆铜陶瓷基板；
(2)取步骤(1)中的单列覆铜陶瓷基板的作为上部覆铜陶瓷基板，一侧表面印刷焊锡膏，移入真空炉中进行SMT回流焊，得到过焊上部覆铜陶瓷基板；
(3)取步骤(1)中的单列覆铜陶瓷基板的作为下部覆铜陶瓷基板，一侧表面印刷焊锡膏，在四周设置引线框，在焊锡膏上放置半导体芯片、电流和信号引线，移入真空炉进行SMT回流焊，得到过焊下部覆铜陶瓷基板；
(4)将步骤(2)中过焊上部覆铜陶瓷基板和步骤(3)中过焊下部覆铜陶瓷基板对位放置，移入真空炉进行SMT回流焊，得到联排覆铜陶瓷基板；
(5)取步骤(4)中联排覆铜陶瓷基板，去除引线框，将联排覆铜陶瓷基板沿纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块，对双面散热功率模块进行灌封，形成绝缘缓冲层，打磨边缘粗糙点，得到产品双面散热功率模块。
进一步地，步骤(1)中预处理工艺为：步骤(1)中覆铜陶瓷母板的制备步骤为：使用清洗线对铜瓷片清洗处理，对清洗后铜瓷片进行双面铜烧结，烧结工艺采用直接覆铜DCB或活性金属焊料AMB烧结，烧结后在铜片表面进行图形化，在铜片表面贴膜并曝光显影，暴露出蚀刻区域图形，使用酸性蚀刻液进行蚀刻，形成铜图形面，在铜图形面上丝网印刷阻焊油墨，烘烤固化，得到覆铜陶瓷母板。
进一步地，横向预应力切割与纵向预应力切割均为激光切割，其中激光器的工作功率为50～500W，显影液为8g/L～12g/L的NaCO3溶液。
进一步地，步骤(2)、(3)、(4)中，真空回流焊炉的工作参数为：在升温速率为5～10℃/min，烧结温度250～350℃为下进行焊接。
进一步地，步骤(5)中，当50mm<联排覆铜陶瓷基板厚度≤200mm时，需沿联排覆铜陶瓷基板的上部覆铜陶瓷基板(1)纵向预应力切割线进行二次激光切割分离，并沿下部覆铜陶瓷基板(4)沿纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块。
与现有产品相比，本发明所达到的有益效果是：本发明将单枚覆铜陶瓷基板封装方式改为联排覆铜陶瓷基板封装方式，将上部覆铜陶瓷基板、下部覆铜陶瓷基板与半导体芯片、电流信号引线通过锡焊连结，先封装，然后利用激光切割分成单枚覆铜陶瓷基板，最后灌胶。整列覆铜陶瓷基板的组成结构自上而下为上部覆铜陶瓷基板、锡焊层、半导体芯片、电流和信号引线、下部覆铜陶瓷基板，绝缘缓冲层填充在基板之间的空隙中；本发明主要对整列覆铜陶瓷基板进行作业，相对于在单枚覆铜陶瓷基板上操作，在宏观上更有利于批量操作和拿取，对操作人员劳动规范要求也会适当降低，联排覆铜陶瓷基板在尺寸上明显大于单枚覆铜陶瓷基板，也有利于实现自动化机械手的吸取操作，便于批量自动化生产。本发明用焊锡膏一次性印刷整列覆铜陶基板和安放整列引线，减少了单枚印刷和引线安放时操作的取放和对位的次数及时间，简化了员工作业的步骤，提高了员工工作效率和生产效率，且单次对位使得对位精度也更高，从而改善了产品生产良率，最终节约成本，实现产能最大化。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为双面散热功率整体结构示意图；
图2为双面散热功率模块制作流程图；
图3为覆铜陶瓷母板示意图；
图4为单列覆铜陶瓷基板示意图；
图5为过焊上部覆铜陶瓷基板示意图；
图6为过焊下部覆铜陶瓷基板示意图；
图7为联排双面散热功率模块示意图；
图8为单枚双面散热功率模块示意图。
图中：1、上部覆铜陶瓷基板；2、半导体芯片；3、锡焊层；4、下部覆铜陶瓷基板；5、电流和信号引线；6、绝缘缓冲层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例中灌封的有绝缘缓冲层材料的为汉思HS721。
实施例1
(1)取两块铜瓷片，用清洗线清洗，对洗净的铜瓷片进行双面铜烧结，烧结工艺采用直接覆铜DCB烧结，烧结后在铜片表面进行图形化处理，在铜片表面贴膜并利用8g/LNaCO3溶液曝光显影，暴露出蚀刻区域图形；
(2)使用酸性蚀刻液对步骤(1)中铜片表面进行蚀刻，形成铜图形面，得到初步覆铜陶瓷母板；
(3)取步骤(2)中初步覆铜陶瓷母板，在铜图形面上丝网印刷阻焊油墨，在80℃下烘烤10min，烘烤固化后形成一层油墨层，油墨层厚度为10μm，对铜层表面进行固化处理，得到覆铜陶瓷母板，其中镀层为Ni，镀层厚度为3μm；
(4)取步骤(3)中覆铜陶瓷母板，对覆铜陶瓷母板进行横向预应力切割、纵向预应力切割，激光器的工作功率为500W，将切割后的覆铜陶瓷母板沿横向切割线掰边得到单列覆铜陶瓷基板；
(5)取步骤(4)中的单列覆铜陶瓷基板作为上部覆铜陶瓷基板1，一侧表面印刷焊锡膏，移入真空炉中进行SMT回流焊，使焊锡膏烧结至覆铜陶瓷基板上，得到过焊上部覆铜陶瓷基板；
(6)取步骤(4)中的单列覆铜陶瓷基板作为下部覆铜陶瓷基板4，一侧表面印刷焊锡膏，在四周设置引线框，在焊锡膏上放置半导体芯片2、电流和信号引线5，移入真空炉进行SMT回流焊，得到过焊下部覆铜陶瓷基板；
(7)将步骤(5)中过焊上部覆铜陶瓷基板和步骤(6)中过焊下部覆铜陶瓷基板对位放置，移入真空炉进行SMT回流焊，烧结完成得到联排覆铜陶瓷基板；
(8)取步骤(4)中联排覆铜陶瓷基板，去除引线框，将联排覆铜陶瓷基板沿纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块，使用耐高温硅酮树脂材料对双面散热功率模块进行灌封，形成绝缘缓冲层6，打磨边缘粗糙点，得到产品双面散热功率模块。
实施例2
(1)取两块铜瓷片，用清洗线清洗，对洗净的铜瓷片进行双面铜烧结，烧结工艺采用直接覆铜DCB烧结，烧结后在铜片表面进行图形化处理，在铜片表面贴膜并利用10g/LNaCO3溶液曝光显影，暴露出蚀刻区域图形；
(2)使用酸性蚀刻液对步骤(1)中铜片表面进行蚀刻，形成铜图形面，得到初步覆铜陶瓷母板；
(3)取步骤(2)中初步覆铜陶瓷母板，在铜图形面上丝网印刷阻焊油墨，在80℃下烘烤10min，烘烤固化后形成一层油墨层，油墨层厚度为10μm，对铜层表面进行电镀固化处理，得到覆铜陶瓷母板，其中镀层为Au，镀层厚度为3μm；
(4)取步骤(3)中覆铜陶瓷母板，对覆铜陶瓷母板进行横向预应力切割、纵向预应力切割，激光器的工作功率为500W，将切割后的覆铜陶瓷母板沿横向切割线掰边得到单列覆铜陶瓷基板；
(5)取步骤(4)中的单列覆铜陶瓷基板作为上部覆铜陶瓷基板1，一侧表面印刷焊锡膏，移入真空炉中进行SMT回流焊，使焊锡膏烧结至覆铜陶瓷基板上，得到过焊上部覆铜陶瓷基板；
(6)取步骤(4)中的单列覆铜陶瓷基板作为下部覆铜陶瓷基板4，一侧表面印刷焊锡膏，在四周设置引线框，在焊锡膏上放置半导体芯片2、电流和信号引线5，移入真空炉进行SMT回流焊，得到过焊下部覆铜陶瓷基板；
(7)将步骤(5)中过焊上部覆铜陶瓷基板和步骤(6)中过焊下部覆铜陶瓷基板对位放置，移入真空炉进行SMT回流焊，烧结完成得到联排覆铜陶瓷基板；
(8)取步骤(4)中联排覆铜陶瓷基板，去除引线框，将联排覆铜陶瓷基板沿纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块，使用耐高温硅酮树脂材料对双面散热功率模块进行灌封，形成绝缘缓冲层6，打磨边缘粗糙点，得到产品双面散热功率模块。
实施例3
(1)取两块铜瓷片，用清洗线清洗，对洗净的铜瓷片进行双面铜烧结，烧结工艺采用直接覆铜DCB烧结，烧结后在铜片表面进行图形化处理，在铜片表面贴膜并利用12g/LNaCO3溶液曝光显影，暴露出蚀刻区域图形；
(2)使用酸性蚀刻液对步骤(1)中铜片表面进行蚀刻，形成铜图形面，得到初步覆铜陶瓷母板；
(3)取步骤(2)中初步覆铜陶瓷母板，在铜图形面上丝网印刷阻焊油墨，在80℃下烘烤10min，烘烤固化后形成一层油墨层，油墨层厚度为10μm，对铜层表面进行电镀固化处理，得到覆铜陶瓷母板，其中镀层为Ag，镀层厚度为3μm；
(4)取步骤(3)中覆铜陶瓷母板，对覆铜陶瓷母板进行横向预应力切割、纵向预应力切割，激光器的工作功率为500W，将切割后的覆铜陶瓷母板沿横向切割线掰边得到单列覆铜陶瓷基板；
(5)取步骤(4)中的单列覆铜陶瓷基板作为上部覆铜陶瓷基板1，一侧表面印刷焊锡膏，移入真空炉中进行SMT回流焊，使焊锡膏烧结至覆铜陶瓷基板上，得到过焊上部覆铜陶瓷基板；
(6)取步骤(4)中的单列覆铜陶瓷基板作为下部覆铜陶瓷基板4，一侧表面印刷焊锡膏，在四周设置引线框，在焊锡膏上放置半导体芯片2、电流和信号引线5，移入真空炉进行SMT回流焊，得到过焊下部覆铜陶瓷基板；
(7)将步骤(5)中过焊上部覆铜陶瓷基板和步骤(6)中过焊下部覆铜陶瓷基板对位放置，移入真空炉进行SMT回流焊，烧结完成得到联排覆铜陶瓷基板；
(8)取步骤(4)中联排覆铜陶瓷基板，去除引线框，将联排覆铜陶瓷基板沿纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块，使用耐高温环氧树脂材料对双面散热功率模块进行灌封，形成绝缘缓冲层6，打磨边缘粗糙点，得到产品双面散热功率模块。
对比例1
对比例1以实施例1为参照工艺，对比例1为传统封装工艺；
(1)取两块铜瓷片，用清洗线清洗，对洗净的铜瓷片进行双面铜烧结，烧结工艺采用直接覆铜DCB烧结，烧结后在铜片表面进行图形化处理，在铜片表面贴膜并利用10g/LNaCO3溶液曝光显影，暴露出蚀刻区域图形；
(2)使用酸性蚀刻液对步骤(1)中铜片表面进行蚀刻，形成铜图形面，得到初步覆铜陶瓷母板；
(3)取步骤(2)中初步覆铜陶瓷母板进行横向预应力激光切割和纵向预应力激光切割，激光器的工作功率为500W，将切割后的初步覆铜陶瓷母板沿横向切割线掰边得到单列覆铜陶瓷基板，再将单列覆铜陶瓷基板沿纵向切割线再次掰边得到单枚覆铜陶瓷基板；
(4)取步骤(3)中单枚覆铜陶瓷基板，在铜图形面上丝网印刷阻焊油墨，在80℃下烘烤10min，烘烤固化后形成一层油墨层，油墨层厚度为10μm，对铜层表面进行电镀固化处理，其中镀层为Au，镀层厚度为3μm；
(5)取步骤(4)中单枚覆铜陶瓷基板作为上部单枚覆铜陶瓷基板，在一侧表面印刷焊锡膏，移入真空炉中进行SMT回流焊，得到单枚过焊上部覆铜陶瓷基板；
(6)取步骤(4)中单枚覆铜陶瓷基板作为下部单枚覆铜陶瓷基板，在一侧表面印刷焊锡膏，在四周设置引线框，在焊锡膏上先放置半导体芯片、电流和信号引线，移入真空炉进行SMT回流焊，得到单枚过焊下部覆铜陶瓷基板；
(7)将步骤(5)中单枚过焊上部覆铜陶瓷基板和步骤(6)中单枚过焊下部覆铜陶瓷基板对位放置，移入真空炉进行SMT回流焊，烧结完成后得到单枚双面散热功率模块；
(8)取步骤(7)中单枚双面散热功率模块，使用耐高温硅酮树脂材料将基板之间空隙填满，得到最终产品双面散热功率模块。
根据实施例与对比例实验，测得实施例各批次覆铜陶瓷基板中并联后尺寸为34mm*175mm，对比例中单枚覆铜陶瓷基板尺寸34mm*35mm；按照实施例1-3、对比例1公开的方案进行双面散热功率模块的加工，各批次生产量为500pcs，其中实施例1产品批次中良品率为98.2％，实施例2产品批次中良品率为97.4％，实施例3产品批次中良品率为98.1％，对比例产品批次中良品率为85.6％。
同时，观察实际加工流程可知，实施例1-3所公开的方案，其工作效率相比于对比例1大大提高。
根据上述两种双面散热功率模封装方法的实施结果，可以清楚得到以下结论：
由单枚封装方式改为联排封装方式的封装方法，先封装后激光切割，最后灌胶，此方法节省了单枚产品的取放、对位等步骤，使得对位精度也更高，从而改善了产品生产良品率，最终节约成本，在宏观上更有利于批量操作和拿取，便于自动化机械手的吸取操作及批量自动化生产提高生产效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高效率双面散热功率模块封装方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤A、取覆铜陶瓷母板，对覆铜陶瓷母板进行横向预应力切割、纵向预应力切割，将切割后的覆铜陶瓷母板沿横向预应力切割线掰边得到单列覆铜陶瓷基板；
步骤B、取步骤A中的单列覆铜陶瓷基板的作为上部覆铜陶瓷基板(1)，一侧表面印刷焊锡膏，移入真空炉中进行SMT回流焊，得到过焊上部覆铜陶瓷基板；
步骤C、取步骤A中的单列覆铜陶瓷基板的作为下部覆铜陶瓷基板(4)，一侧表面印刷焊锡膏，在四周设置引线框，在焊锡膏上放置半导体芯片(2)、电流和信号引线(5)，移入真空炉进行SMT回流焊，得到过焊下部覆铜陶瓷基板；
步骤D、将步骤B中过焊上部覆铜陶瓷基板和步骤C中过焊下部覆铜陶瓷基板对位放置，移入真空炉进行SMT回流焊，得到联排覆铜陶瓷基板；
步骤E、取步骤D中联排覆铜陶瓷基板，去除引线框，将联排覆铜陶瓷基板沿纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块，对双面散热功率模块进行灌封，形成绝缘缓冲层(6)，打磨边缘粗糙点，得到产品双面散热功率模块。
2.根据权利要求1所述的一种高效率双面散热功率模块封装方法，其特征在于：步骤A中覆铜陶瓷母板的制备步骤为：使用清洗线对铜瓷片清洗处理，对清洗后铜瓷片进行双面铜烧结，烧结工艺采用直接覆铜DCB或活性金属焊料AMB烧结，烧结后在铜片表面进行图形化处理，在铜片表面贴膜并曝光显影，暴露出蚀刻区域图形，使用酸性蚀刻液进行蚀刻，形成铜图形面，在铜图形面上丝网印刷阻焊油墨，烘烤固化，得到覆铜陶瓷母板。
3.根据权利要求1所述的一种高效率双面散热功率模块封装方法，其特征在于：横向预应力切割、纵向预应力切割均采用激光切割，激光切割时激光器的工作功率为50～500W。
4.根据权利要求1所述的一种高效率双面散热功率模块封装方法，其特征在于：步骤B、C、D中，真空回流焊炉的工作参数为：在升温速率为5～10℃/min，烧结温度250～350℃为下进行焊接。
5.根据权利要求1所述的一种高效率双面散热功率模块封装方法，其特征在于：步骤E中，当50mm＜联排覆铜陶瓷基板厚度≤200mm时，需沿联排覆铜陶瓷基板的上部覆铜陶瓷基板(1)纵向预应力切割线进行二次激光切割分离，并沿下部覆铜陶瓷基板(4)纵向预应力切割线掰开，得到单枚双面散热功率模块。
6.根据权利要求1-5任一项的封装方法制得的一种双面散热功率模块，其特征在于：双面散热功率模块自上而下包括上部覆铜陶瓷基板(1)、锡焊层(3)、半导体芯片(2)、电流和信号引线(5)和下部覆铜陶瓷基板(4)，其中半导体芯片(2)通过锡焊层(3)固定在上部覆铜陶瓷基板(1)和下部覆铜陶瓷基板(4)中间，电流和信号引线(5)通过锡焊层(3)固定于下部覆铜陶瓷基板(4)上。
7.根据权利要求6所述的一种双面散热功率模块，其特征在于：所述电流和信号引线(5)为金、铝、铜金属线中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种双面散热功率模块，其特征在于：所述双面散热功率模块灌封有绝缘缓冲层(6)，绝缘缓冲层(6)为硅酮树脂、环氧树脂中的一种。
9.根据权利要求6所述的一种双面散热功率模块，其特征在于：所述上部覆铜陶瓷基板(1)、下部覆铜陶瓷基板(4)均通过直接覆铜DCB或活性金属焊料AMB工艺制备。
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