CN117259882A - 功率模块的焊接结构、焊接工艺和焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率模块的焊接结构，所述焊接结构包括功率器件和金属散热器，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器通过高频焊接工艺直接焊接在一起。本发明还涉及一种焊接工艺，包括：将功率器件的金属底部的表面与所述金属散热器的表面相互贴合形成焊接面，然后将高频线圈套设于所述焊接面的外围，再将所述高频线圈通电，开始高频焊接，完成焊接后得到功率模块的焊接结构。本发明还涉及实施所述焊接工艺的焊接装置。本发明的焊接结构将功率器件的金属底部与金属散热器直接焊接在一起，省略了中间焊料层，减少了中间焊料层的热阻，大大提升了整个功率模块的散热性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种功率模块的焊接结构、焊接工艺和焊接装置。
背景技术
随着第三代半导体技术的发展，用于功率器件的焊接技术从一开始的导热膏粘结，到后来的铅锡焊料共晶焊接，再到后来的银烧结技术，进一步到纳米银烧结技术，甚至是到目前行业内诸多研究和探讨的纳米铜烧结技术，此类技术的发展都是通过优化焊接工艺来降低热阻，从而提升功率器件的散热能力。
请参阅图1，现有的功率模块是由功率器件与热沉采用一般的焊料焊接工艺焊接制得，其焊接结构是通过中间焊料介质形成焊接粘合，从热管理的角度来看，此类焊接结构表现出来的热阻大小为多层介质热阻与界面热阻之和，如图1所示等效为：
R[热阻]＝R[热沉]+R[界面1]+R[焊料层]+R[界面2]+R[散热器]。
从材料层面分析，只要引入焊料层，必然会在热的传导路径上新增两个界面热阻。在存在界面热阻的情况下，界面热阻值的大小与焊接工艺有着密切关系，焊接质量不好时，即使是使用导热性能最好的金属银充当焊料(银烧结工艺)，所产生的界面热阻值大小也会远远大于银在热管理中的贡献。
发明内容
基于此，本发明提供一种功率模块的焊接结构，该焊接结构将功率器件的金属底部与金属散热器直接焊接在一起，省略了中间焊料层，减少了中间焊料层的热阻，大大提升了整个功率模块的散热性能。
本发明采取的技术方案如下：
一种功率模块的焊接结构，包括功率器件和金属散热器，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器通过高频焊接工艺直接焊接在一起。
本发明的焊接结构将功率器件的金属底部与金属散热器直接焊接，省略了中间焊料层，减少了中间焊料层的热阻，有效提升了整个功率模块的散热性能。同时，高频焊接一般应用于五金电焊领域，本发明通过跨领域的技术优化，应用在功率器件的焊接领域，实现了功率器件的低内阻焊接。
更优地，所述功率器件的金属底部为金属热沉或金属基板。
更优地，所述功率器件的金属底部和所述金属散热器的材料均为铜。
本发明还提供一种焊接工艺，包括：将功率器件的金属底部的表面与所述金属散热器的表面相互贴合形成焊接面，然后将高频线圈套设于所述焊接面的外围，再将所述高频线圈通电，开始高频焊接，完成焊接后得到功率模块的焊接结构。
更优地，在焊接之前，分别对所述功率器件的金属底部的表面和所述金属散热器的表面进行氧化层去除和表面纳米化处理。
更优地，所述表面纳米化处理使所述功率器件的金属底部的表面形成纳米铜结构，使所述金属散热器的表面形成纳米铜结构；完成焊接后，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器之间形成同质界面层。
更优地，所述高频焊接的过程中，对所述焊接面的加热温度为600-800℃，加热时间为5-10分钟。
更优地，所述表面纳米化处理使所述功率器件的金属底部和所述金属散热器中任一个的表面形成纳米铜结构，另一个的表面形成纳米银结构；完成焊接后，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器之间形成异质界面层。
更优地，所述高频焊接的过程中，对所述焊接面的加热温度为300-400℃，加热时间为5-10分钟。
更优地，所述高频焊接在持续对所述功率器件和所述金属散热器加压的条件下进行。
本发明还提供一种焊接装置，用于实施前面所述的焊接工艺，包括：
底部平台，用于承载功率器件和金属散热器，所述功率器件放置在所述金属散热器上，所述功率器件的金属底部的表面与所述金属散热器的表面相互贴合形成焊接面；
高频线圈，用于套设于所述功率器件与所述金属散热器形成的所述焊接面的外围，通入高频电流后产生热量对所述焊接面进行高频焊接；
高频电磁发生器，连接到所述高频线圈，用于将产生的高频电流输送给所述高频线圈。
更优地，所述高频线圈包括若干个不同直径的线圈组，若干个所述线圈组在同一平面上按直径从小到大的顺序由内向外套设在一起。
更优地，所述线圈组包括隔离管道和设于所述隔离管道内的相互缠绕的多个金属线圈，若干个所述线圈组中的金属线圈相互串联，可形成一个多层次的线圈环，有效地聚拢电磁场。
更优地，所述隔离管道设有连通其内部的冷却水入口和冷却水出口。
在线圈通电工作过程中，会因金属线圈的电阻而产生巨大的能量消耗，此类能量消耗以热的形式散发，隔离管及冷却系统的设计，能够有效降低金属线圈的即热，从而使得金属线圈不会轻易发生高温熔断的情况。
更优地，所述隔离管道中设有隔离层，所述隔离层将所述隔离管道的内部分隔为两个互不连通的腔室，一个腔室内设置所述金属线圈，另一个腔室连通所述冷却水入口和冷却水出口。
更优地，所述金属线圈的材料为表面镀银的铜丝。高频线圈工作时会产生趋肤效应，使用银镀层会更好体现线圈导电能力，降低能力损耗。
更优地，所述高频线圈通电后形成的加热区的宽度不超过5毫米。
本发明所述高频线圈采用多个环状结构嵌套的形式类叠加电磁场密度，尽可能地将高频磁场的厚度减小，从而实现焊接面加热的能力；反之，若电磁场形成的加热区宽度太大，则能量分散，不利于集中高密度电测场加热。本发明利用超薄的环状线圈，能够有效地叠加多个环状线圈的磁感能量，在尽可能薄的一个截面内形成能量总量低而密度超高的能量场。
所述功率器件及其金属散热器的焊接，其实是两个平面焊接成一个平面的过程，因此平面能量密度高有助于焊接的实现，同时平面能量总量减少，有助于当焊接过程材料发热时，热量能够快速通过器件散热器散发出去，从而保证功率器件的芯片、焊线等的温度及时降低，乃至不受高温的影响。
更优地，所述焊接装置还包括顶部平台和驱动机构，所述顶部平台固定于所述底部平台的上方，用于在高频焊接过程中贴合所述功率器件的顶部，与所述底部平台一起对所述功率器件和金属散热器加压；所述驱动机构连接所述底部平台，用于驱动所述底部平台上升或下降。
更优地，所述驱动机构为升降螺杆。
本发明所述焊接装置的焊接过程中，将功率器件和金属散热器放置在底部平台上，控制升降螺杆使得功率器件与其散热器能够穿过高频线圈，并顶在顶部平台之下，待位置都调整完成后，打开进/出水管及高频电磁发生器，使得高频线圈产生高密度的磁感线，此时升降螺杆保持上升状态，持续给功率器件与金属散热器增加压力，最终使得功率器件与金属散热器在高频线圈源源不断地提供低能量下完成焊接。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1示出了现有功率模块的焊接结构及其等效热阻，该图中左侧为焊接结构，右侧为等效热阻；
图2为本发明的功率模块的焊接结构的示意图；
图3为本发明的功率器件与金属散热器焊接前的对位示意图；
图4为本发明的功率器件与金属散热器焊接时的示意图；
图5为本发明的焊接装置的结构图；
图6为本发明的高频线圈的截面图；
图7为本发明的高频线圈的剖视结构图；
图8为本发明的高频线圈通电时产生磁感线的示意图；
图9为本发明的高频线圈的俯视结构图；
图10为本发明的焊接工艺中焊接面两侧金属原子相互扩散和渗透的示意图；
图11A示出了本发明一些优选实施例中焊接面形成纳米铜的焊接结构及其等效热阻，图11B示出了本发明另一些优选实施例中焊接面形成纳米银的焊接结构及其等效热阻，该图11A和图11B中左侧为焊接结构，右侧为等效热阻。
附图标记：
功率器件1，功率器件的金属底部10，金属散热器2，焊接面3，纳米金属结构30，底部平台4，高频线圈5，线圈组50，隔离管道51，金属线圈52，跳线53，隔离层54，加热区A，高频电磁发生器6，驱动机构(升降螺杆)7，顶部平台8，箱体B，进水管91，出水管92。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。此外，在本发明描述中，“若干个”的含义是一个或一个以上，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图2所示，本发明的功率模块的焊接结构，包括功率器件1和金属散热器2，所述功率器件1的金属底部10与所述金属散热器2通过高频焊接工艺直接焊接在一起。
具体地，所述功率器件1的金属底部10为金属热沉或金属基板。
具体地，所述功率器件1的金属底部10和所述金属散热器2的材料均为铜。
请参阅图3和图4，本发明提供的焊接工艺，用于制作所述功率模块的焊接结构，所述焊接工艺包括：将功率器件1的金属底部10的表面与所述金属散热器2的表面相互贴合形成焊接面3，然后将高频线圈5套设于所述焊接面3的外围，再将所述高频线圈5通电，开始高频焊接，完成焊接后得到功率模块的焊接结构。
作为进一步优化，所述焊接工艺还包括：在焊接之前，分别对所述功率器件1的金属底部10的表面和所述金属散热器2的表面进行氧化层去除和表面纳米化处理。
经过表面纳米化处理后，所述功率器件1的金属底部10的表面形成纳米金属结构30，所述金属散热器2的表面形成纳米金属结构30，如图3所示。
具体地，所述高频焊接在持续对所述功率器件1和所述金属散热器2加压的条件下进行，见图4，图4中箭头表示加压方向。
在一些优选实施例中，所述表面纳米化处理使所述功率器件1的金属底部10的表面形成纳米铜结构，使所述金属散热器2的表面形成纳米铜结构，具体地，所述高频焊接的过程中，对所述焊接面3的加热温度为600-800℃，加热时间为5-10分钟，完成焊接后，所述功率器件1的金属底部10与所述金属散热器2之间形成同质界面层。
在另一些优选实施例中，所述表面纳米化处理使所述功率器件1的金属底部10和所述金属散热器2中任一个的表面形成纳米铜结构，另一个的表面形成纳米银结构，具体地，所述高频焊接的过程中，对所述焊接面3的加热温度为300-400℃，加热时间为5-10分钟，完成焊接后，所述功率器件1的金属底部10与所述金属散热器2之间形成异质界面层。由于所形成的纳米银结构为银原子颗粒层，非常薄，所以焊接后所述金属底部10与所述金属散热器2之间不会形成焊料界面层，而是形成混合合金的异质界面层。
更具体地，所述表面纳米化处理采取现有的金属材料表面纳米化方法，比如溅射、激光熔覆、超声喷丸等。
请参阅图5，本发明提供的焊接装置用于所述焊接工艺，包括底部平台4、高频线圈5、高频电磁发生器6、驱动机构7、顶部平台8和冷却系统。
所述底部平台4用于承载功率器件1和金属散热器2，所述功率器件1放置在所述金属散热器2上，所述功率器件1的金属底部10的表面与所述金属散热器2的表面相互贴合形成焊接面3。所述底部平台4设有预设槽，所述预设槽用于容纳所述金属散热器2。
所述高频线圈5用于套设于所述功率器件1与所述金属散热器2形成的所述焊接面3的外围，通入高频电流后产生热量对所述焊接面3进行高频焊接。
请参阅图6-9，所述高频线圈5为高频电感线圈,，具体地，所述高频线圈5包括若干个不同直径的线圈组50，若干个所述线圈组50在同一平面上按直径从小到大的顺序由内向外套设在一起。而且，若干个所述线圈组50的圆心重合，见图9。
所述线圈组50包括中空的隔离管道51和设于所述隔离管道51内的相互缠绕的多个金属线圈52，若干个所述线圈组50中的金属线圈52相互串联，具体通过设于所述隔离管道51正面外的跳线53相互串联。
所述金属线圈52的材料为表面镀银的铜丝。所述隔离管道51采用非金属材料制成，例如由塑料制成，可以起到绝缘隔离金属线圈52的作用。
优选地，所述高频线圈5通电后形成的加热区A的宽度不超过5毫米，即图6中所示的加热区A在竖直方向上的宽度大小不超过5毫米。
所述高频电磁发生器6连接到所述高频线圈5，用于将产生的高频电流输送给所述高频线圈5。
所述顶部平台8固定于所述底部平台4的上方，用于在高频焊接过程中贴合所述功率器件1的顶部，与所述底部平台4一起对所述功率器件1和金属散热器2加压。
所述驱动机构7连接所述底部平台4，用于驱动所述底部平台4上升或下降。所述驱动机构7具体为升降螺杆7。
所述冷却系统用于持续为所述高频线圈5提供冷却水，设有进水管91和出水管92。所述隔离管道51的冷却水入口通过管道连接到所述进水管91，其冷却水出口通过管道连接到所述出水管92。
由所述冷却系统提供的冷却水通过进水管91、冷却水入口进入到每个线圈组50的隔离管道51内部，对金属线圈52进行冷却后，通过冷却水出口、出水管92返回到所述冷却系统中。
更优地，如图6和图7所示，所述隔离管道51中设有隔离层54，所述隔离层54将所述隔离管道51的内部分隔为两个互不连通的腔室，一个腔室内设置所述金属线圈52，另一个腔室连通所述冷却水入口和冷却水出口，其内部流通冷却水以实现对所述金属线圈52的冷却。由此，所述隔离层54避免金属线圈52与冷却水直接接触，延长金属线圈52寿命。
所述焊接装置还可以包括密闭的箱体B，所述箱体B的内部环境能够实现真空。所述底部平台4、高频线圈5、高频电磁发生器6、驱动机构7、顶部平台8等设置在所述箱体B内。
更具体地，使用所述焊接装置将功率器件1与金属散热器2进行焊接的工艺，采取如下步骤：
(1)在真空或保护气体的环境下，将金属散热器2需要焊接的表面上的氧化层去除，将金属底部10(金属热沉或金属基板)需要焊接的表面上的氧化层去除。
(2)氧化层去掉后，在真空或保护气体的环境下，对金属散热器2需要焊接的表面进行纳米化处理，对金属底部10(金属热沉或金属基板)需要焊接的表面进行纳米化处理。
(3)将半导体芯片贴装在纳米化处理后的金属底部10(金属热沉或金属基板)上，使之成为一个整体，得到功率器件1。
(4)将金属散热器2与功率器件1的金属底部10(金属热沉或金属基板)对位，如图3所示，并放置在底部平台4的预设槽内。
(5)打开升降螺杆7的开关，使得底部平台4(升降端)上升，并使得金属散热器2与金属底部10(金属热沉或金属基板)及两者之间形成的焊接面3穿过高频线圈5，如图4所示，最后功率器件1与顶部平台8(固定端)紧紧贴合，并设置合压、保压参数。其中，所述高频线圈5的高频焊接区域(加热区A)设置为尽可能靠近金属散热器2一端，见图4，避免焊接时产生的热量造成器件损伤。
(6)打开高频电磁发生器6的开关，使得高频线圈5处于工作状态，开始高频焊接，此时底部平台4(升降端)持续给金属散热器2与金属热沉(金属基板)加压，并持续约5-10分钟。焊接过程中，冷却系统持续为高频线圈5内提供冷却水。
(7)完成焊接后，关闭高频电磁发生器6的开关，将底部平台4(升降端)下降，完成焊接。
本发明所述焊接工艺的工作原理如下：
1、如图8所示，高频线圈5工作时中间产生超高密度的电磁场，金属散热器2与金属热沉或金属基板置身于高频线圈5中间的加热区A后，会迅速产生热量以实现焊接，高频焊接工艺能够使得铜等非磁性材料也能够产生巨大的热量。
2、如图10所示，由于金属散热器2与功率器件1的金属底部10经过表面纳米化处理，两者表面贴合形成的焊接面3的金属原子比较活跃，在电磁加热提供能量同时顶部平台8与底部平台4不断施加压力的情况下，活跃的金属原子会通过原子扩散的形式，快速在界面间相互渗透，从而形成连接。这种连接是依靠金属原子扩散的形式形成的，不存在太过严谨的界面，故有效地降低了热阻。
3、如图11A所示，如果纳米化处理使金属散热器2与功率器件1的金属底部10的表面都形成纳米铜，则在温度为500-600℃时，就存在活跃铜原子扩散的情况，温度在600-800℃时，保持5-10分钟，能够得到较好的金属原子扩散焊接效果，而当温度达到800-1000℃时，铜表面已经开始融化。从材料热阻的角度来说，所述焊接面3形成的界面层为“同质界面层”，热阻等同于同质材料的金属原子注入，其热阻远远低于一般采用中间银焊料的焊接工艺。
4、另外，如图11B所示，为了降低使得原子跃迁的能量，使得低热阻焊接工艺更容易实现，所述表面纳米化处理的纳米材料还可采用银单质，在金属散热器2与功率器件1的金属底部10的表面形成纳米银结构，再进行电磁焊接，银的原子扩散温度比铜要低的多，一般在300-400℃就可以实现较好的扩散焊接，所述焊接面3形成的界面层则为“异质界面层”，区别于纳米化金属采用铜来说的“同质界面层”，需要扩散的能量更低，但是热阻更大，热阻大小关系如下：R[银烧结]>R[银异质界面]>R[铜同质界面]。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (19)
1.一种功率模块的焊接结构，其特征在于，包括功率器件和金属散热器，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器通过高频焊接工艺直接焊接在一起。
2.根据权利要求1所述的焊接结构，其特征在于，所述功率器件的金属底部为金属热沉或金属基板。
3.根据权利要求1或2任一项所述的焊接结构，其特征在于，所述功率器件的金属底部和所述金属散热器的材料均为铜。
4.一种焊接工艺，其特征在于，包括：将功率器件的金属底部的表面与所述金属散热器的表面相互贴合形成焊接面，然后将高频线圈套设于所述焊接面的外围，再将所述高频线圈通电，开始高频焊接，完成焊接后得到功率模块的焊接结构。
5.根据权利要求4所述的焊接工艺，其特征在于，还包括：在焊接之前，分别对所述功率器件的金属底部的表面和所述金属散热器的表面进行氧化层去除和表面纳米化处理。
6.根据权利要求5所述的焊接工艺，其特征在于，所述表面纳米化处理使所述功率器件的金属底部的表面形成纳米铜结构，使所述金属散热器的表面形成纳米铜结构；完成焊接后，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器之间形成同质界面层。
7.根据权利要求6所述的焊接工艺，其特征在于，所述高频焊接的过程中，对所述焊接面的加热温度为600-800℃，加热时间为5-10分钟。
8.根据权利要求4所述的焊接工艺，其特征在于，所述表面纳米化处理使所述功率器件的金属底部和所述金属散热器中任一个的表面形成纳米铜结构，另一个的表面形成纳米银结构；完成焊接后，所述功率器件的金属底部与所述金属散热器之间形成异质界面层。
9.根据权利要求8所述的焊接工艺，其特征在于，所述高频焊接的过程中，对所述焊接面的加热温度为300-400℃，加热时间为5-10分钟。
10.根据权利要求4-9任一项所述的焊接工艺，其特征在于，所述高频焊接在持续对所述功率器件和所述金属散热器加压的条件下进行。
11.一种焊接装置，其特征在于，用于实施权利要求4-10任一项所述的焊接工艺，所述焊接装置包括：
底部平台，用于承载功率器件和金属散热器，所述功率器件放置在所述金属散热器上，所述功率器件的金属底部的表面与所述金属散热器的表面相互贴合形成焊接面；
高频线圈，用于套设于所述功率器件与所述金属散热器形成的所述焊接面的外围，通入高频电流后产生热量对所述焊接面进行高频焊接；
高频电磁发生器，连接到所述高频线圈，用于将产生的高频电流输送给所述高频线圈。
12.根据权利要求11所述的焊接装置，其特征在于，所述高频线圈包括若干个不同直径的线圈组，若干个所述线圈组在同一平面上按直径从小到大的顺序由内向外套设在一起。
13.根据权利要求12所述的焊接装置，其特征在于，所述线圈组包括隔离管道和设于所述隔离管道内的相互缠绕的多个金属线圈，若干个所述线圈组中的金属线圈相互串联。
14.根据权利要求13所述的焊接装置，其特征在于，所述隔离管道设有连通其内部的冷却水入口和冷却水出口。
15.根据权利要求14所述的焊接装置，其特征在于，所述隔离管道中设有隔离层，所述隔离层将所述隔离管道的内部分隔为两个互不连通的腔室，一个腔室内设置所述金属线圈，另一个腔室连通所述冷却水入口和冷却水出口。
16.根据权利要求13所述的焊接装置，其特征在于，所述金属线圈的材料为表面镀银的铜丝。
17.根据权利要求13所述的焊接装置，其特征在于，所述高频线圈通电后形成的加热区的宽度不超过5毫米。
18.根据权利要求11所述的焊接装置，其特征在于，还包括顶部平台和驱动机构，所述顶部平台固定于所述底部平台的上方，用于在高频焊接过程中贴合所述功率器件的顶部，与所述底部平台一起对所述功率器件和金属散热器加压；所述驱动机构连接所述底部平台，用于驱动所述底部平台上升或下降。
19.根据权利要求18所述的焊接装置，其特征在于，所述驱动机构为升降螺杆。
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