CN203218249U - 采用激光焊接端子的功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供采用激光焊接端子的功率模块，其包括覆铜陶瓷基板，覆铜陶瓷基板的第一铜表面上设有半导体芯片以及端子；所述端子通过激光焊接连接至覆铜陶瓷基板的第一铜表面。本实用新型中采用激光焊接端子，避免了因端子钎焊点疲劳而导致模块失效，且可以提高模块的耐高温性能。

Description

采用激光焊接端子的功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种使用激光焊接端子的功率模块。 

背景技术

现有的功率模块,其端子通过钎焊料钎焊在DBC基板上，钎焊料主要有锡铅，锡铅银，锡银和锡银铜合金，它们的熔点范围在179-221℃,由于材料热膨胀系数的差异,在模块使用的过程中由于温度的变化会导致热应力，钎焊料在热应力反复作用下会产生塑性变形。另外模块在安装使用的过程中端子和外部连接板之间还存在机械应力。钎焊点在应力的作用下会疲劳进而引起裂纹而导致失效。激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。焊接特性属于熔融和非接触式焊接，作业过程不需加压。 目前，激光焊接已经在以下领域得到广泛的应用。 

1.制造业的应用。激光拼焊技术在国内外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。 

2.粉末冶金领域。随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。激光焊接以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性。 

3.汽车工业。20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。 

4.电子工业。 激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小且加热集中迅速、热应力低，因而在集成电路和半导体器件的封装中，显示出独特的优越性，如传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片的焊接，因其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。 

5.生物医学。激光焊接各种生物组织，激光焊接方法与传统的缝合方法比较，具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点，因而得到很广泛的应用。 

6. 其他领域。在其他行业中，激光焊接也逐渐增加，特别是在特种材料焊接，如对锂离子电池的激光焊接，平板玻璃的激光焊接。 

激光在焊接高反射性和高热导率材料例如铝，铜及其合金时，焊接性会受激光所改变。铝是热和电的良导体，高密度的自由电子使它成为光的良好反射体，起始表面反射率超过90％，这就要求很高的输入功率以保证焊接开始时必需的功率密度，而一旦小孔生成，它对光束的吸收率迅速提高，甚至可达到90％，从而使焊接过程顺利进行。铜的材料特性使它非常适合作为导体，是电子工业中首选的材料。材料反射率也是阻碍其良好焊接的主要原因。当激光波长从1064 nm变为532 nm时，铜以及其他材料的反射率就大大减小。焊接铜和铜合金易产生未熔合与未焊透，故一般采用能量集中、大功率的热源并配合预热等辅助措施。 

前文所述的钎焊料焊接，是通过将钎焊料熔化而将工件连接起来，而在激光焊接金属例如铜时，是将铜等基体金属熔化形成铜-铜的熔融焊接，两者有明显差别。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种无钎焊端子的功率模块，通过激光焊接端子，避免因端子钎焊点疲劳而导致模块失效，且可以提高模块的耐高温性能。 

实现本发明目的的技术方案是：采用激光焊接端子的功率模块，其包括覆铜陶瓷基板（DBC），覆铜陶瓷基板（DBC）的第一铜表面上设有半导体芯片以及端子；所述端子通过激光焊接连接至覆铜陶瓷基板的第一铜表面。 

作为本实用新型的进一步改进，所述端子包括用以和外部电路连接的上部和用以和覆铜陶瓷基板第一铜表面激光焊接的下部，下部的横截面积是上部的2-4倍。上部一般为方柱或圆柱形。用以和覆铜陶瓷基板第一铜表面焊接的下部优选圆柱形。所述端子整体形状为柱形或L形，端子底部为平坦的平面形，底部焊接面面积在0.5-2平方毫米之间，底部厚度在0.2-2毫米之间。 

作为本实用新型的进一步改进，所述下部绕其轴线，向下开有截面为V形或U形的凹槽，激光束照射到凹槽处熔化凹槽处和覆铜陶瓷基板（DBC）第一铜表面上的金属，金属冷却结晶形成焊点，构成端子和覆铜陶瓷基板（DBC）第一铜表面的连接。 

附图说明

图1是实施例1的模块100示意图。 

图2是实施例1的端子3的整体形状图。 

图3A是实施例1的下部32的结构示意图。 

图3B是实施例1的下部32设置V形凹槽的剖面图。 

图3C是实施例1的下部32的设置U形凹槽的剖面图。 

图4A是实施例1的端子3设置V形凹槽的剖面图。 

图4B是实施例1的端子3设置V形凹槽的俯视图。 

图5是实施例1的激光束绕端子工作路径示意图。 

图6A是实施例1的激光束绕端子工作的一种方式示意图。 

图6B是实施例1的激光束绕端子工作的另一种方式示意图。 

图7是实施例1的激光焊接端子的焊点示意图。 

具体实施方式

图1是采用激光焊接端子的功率模块100结构示意图。它包括覆铜陶瓷基板(DBC)1，用焊料焊接在覆铜陶瓷基板(DBC)第一铜表面上的芯片2，以及用激光焊接在覆铜陶瓷基板(DBC)第一铜表面上的端子3。端子3的材料是铜、铜合金或铜表面镀金或镍或银。相邻端子3之间的中心间距大于5毫米，相邻端子3之间的最小间距需保证电气间隙和激光束的最小工作间距。 

图2显示端子3的整体形状图。它包括用以和外部电路连接的上部31和用以和覆铜陶瓷基板第一铜表面激光焊接的下部32。下部32的横截面积一般是上部31的2-4倍。上部31一般为方柱或圆柱形。用以和覆铜陶瓷基板第一铜表面焊接的下部32优选圆柱形。 

    图3A、3B和3C显示端子3的下部32的结构示意图和端子的剖视图。端子下部32绕其轴线A开有圆环状凹槽321。凹槽截面呈V形或U形。图3B和3C中分别示出这两种开口形状。 

图4中以V形凹槽做具体描述。V形凹槽以321表示。凹槽321绕轴线A呈环状，其外径R321和内径R322介于柱体32外径R320和柱体31外径R310之间。柱体32外径R320在0.7-1.5毫米，柱体31外径R310在0.4-0.7毫米。凹槽321宽度在0.1-0.5毫米，凹槽深度D1在0.1-0.8毫米，凹槽321最低处距端子底面的距离D2在0.1-0.5毫米。 

    图5是激光束工作路径图。激光束沿端子下部32的V形凹槽321的中心线并绕端子轴线A做圆周运动，激光束的工作路径4用图中箭头所指虚线表示。 

图6A和图6B中示出了激光束工作的两种典型方式。一种照射方式是激光束连续的沿V形凹槽321的中心线并绕端子轴线A做圆周运动照射焊接处，工作路径形成连续的实线圆，见图6A的示意图；另一种方式是非连续的，激光束以每隔一定的时间间隔和距离沿V形凹槽321的中心线并绕端子轴线A做圆周运动，其工作路径以一定间距的虚线圆表示，见图6B的示意图。 

    图7是激光焊接端子的焊点示意图。激光束照射端子凹槽321处和覆铜陶瓷基板(DBC)1第一铜表面上的金属铜或铜合金，激光束照射在焊接处进行焊接时，端子凹槽处和覆铜陶瓷基板(DBC)1第一铜表面上的金属都必须达到熔融状态，属于铜-铜的熔融焊接。这与普通的钎焊中只是钎焊料熔化而基体金属不熔化有根本的区别。金属冷却结晶后形成焊点5将端子和DBC第一铜表面连接。图中黑色阴影部分表示端子凹槽处和覆铜陶瓷基板(DBC)第一铜表面上金属熔化结晶后的焊点示意图。 

本文已经图解并描述了本实用新型的特定实施例，但本实用新型要求保护的权利范围并不限于此，利用了本实用新型的基本概念，所属技术领域的技术人员进行的各种变形以及改善，仍属于本实用新型请求的权利范围。 

Claims (8)

1.采用激光焊接端子的功率模块，包括覆铜陶瓷基板DBC，覆铜陶瓷基板DBC的第一铜表面上设有半导体芯片以及端子；其特征是，所述端子通过激光焊接连接至覆铜陶瓷基板的第一铜表面。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述端子整体形状为柱形或L形，端子底部为平坦的平面形，底部焊接面面积在0.5-2平方毫米之间，底部厚度在0.2-2毫米之间。

3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，相邻端子之间的中心间距大于5毫米。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述端子包括用以和外部电路连接的上部和用以和覆铜陶瓷基板第一铜表面激光焊接的下部，下部的横截面积是上部的2-4倍。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述端子的材料是铜、铜合金或铜表面镀金或镍或银。

6.根据权利要求4所述的功率模块，其特征是，所述上部为方柱或圆柱形，所述下部为圆柱形。

7.根据权利要求4或6所述的功率模块，其特征是，所述下部绕其轴线，向下开有截面为V形或U形的凹槽。

8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征是，所述凹槽宽度在0.1-0.5毫米，深度在0.1-0.8毫米，凹槽最低处距端子底面的距离在0.1-0.5毫米。

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