一種igbt模塊及焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子封裝領(lǐng)域，尤其涉及一種IGBT模塊及焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT 模塊(Insulated Gate Bipolar Transistor，中文譯為絕緣棚.雙極型晶體管)，是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，IGBT模塊的應(yīng)用越來越廣泛，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用場合中占據(jù)了主導(dǎo)地位。IGBT模塊集成度的不斷提高必然使得發(fā)熱量提高，溫度超過其工作允許的范圍后，很可能導(dǎo)致器件失效甚至損壞，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。因此，模塊散熱問題成為制約電力電子模塊朝更高集成度發(fā)展的最大障礙。如何使得IGBT模塊內(nèi)部熱量有效散出，保證模塊內(nèi)部元器件在正常溫度范圍內(nèi)工作是目前IGBT模塊的研究重點(diǎn)。
[0003]在IGBT模塊封裝中，通常需要將焊接有IGBT芯片的覆銅陶瓷基板(Direct BondCopper)焊接在模塊AlSiC底板上，形成IGBT芯片散熱通道，同時(shí)DBC基板的陶瓷層也起著實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部電路與外部環(huán)境的絕緣隔離作用，然而，焊接式IGBT中DBC板和底板之間的熱膨脹系數(shù)差異使焊接層在溫度變化過程中承受周期性應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊接層發(fā)生熱疲勞、熱阻增加、焊料容易開裂的問題，最終導(dǎo)致IGBT模塊失效。目前，人們關(guān)注的熱點(diǎn)是提高DBC板與AlSiC底板之間的焊接質(zhì)量，減少焊接空洞率，保證IGBT模塊的長期使用可靠性。采用真空回流焊工藝，根據(jù)產(chǎn)品情況合理設(shè)置初始升溫速率、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、峰值溫度及冷卻速率等工藝參數(shù)，焊接空洞率完全能得到保證，已經(jīng)滿足大功率IGBT模塊焊接要求。然而，超聲波檢測發(fā)現(xiàn)，由于DBC板在焊接過程中可能會(huì)傾斜，DBC板與AlSiC底板之間的焊接層厚度均勻性不能完全得到保證，這將導(dǎo)致DBC板與AlSiC底板的熱分布發(fā)生變化，模塊因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致的失效增加。
[0004]中國專利文獻(xiàn)，CN201210231067.7，公開了一種可控制焊接后焊料層厚度的焊接材料，在合金焊料中摻入一定直徑(20μηι-60μηι)的招顆粒進(jìn)行焊接，由于金屬招的恪點(diǎn)高于焊接溫度，焊接時(shí)不會(huì)熔化，因此焊料層厚度就大于等于鋁顆粒的最大粒徑，從而達(dá)到控制焊料層厚度的目的。然而，該種方式存在一些缺陷，如:(I)該方式需要替換原有焊料與焊接工藝，焊接可靠性不一定增加。(2)通過鋁顆?？刂坪附訉雍穸染鶆蛐詴r(shí)，鋁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不容易控制。鋁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大會(huì)導(dǎo)致焊料較少，焊料不能完全將焊接的兩種材料填滿，空洞率增加。鋁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小會(huì)導(dǎo)致焊料溢出，模塊絕緣局放能力變差。(3)尺寸較小且均勻的鋁顆粒填入合金焊料會(huì)提高焊料成本，提高整個(gè)模塊的價(jià)格。(4)鋁顆粒只適合在焊錫膏中添加，采用焊片工藝進(jìn)行焊接時(shí)，無法添加鋁顆粒，使用環(huán)境受限。
[0005]因此，我們亟需一種可以既可以保證焊層厚度均勻性，保證可靠性，同時(shí)成本低的適合于IGBT模塊的底板結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種IGBT模塊及焊接方法。該IGBT模塊通過在底板制備過程中采用簡單工藝步驟來設(shè)置凸起物，保證焊層厚度均勻性，提高IGBT模塊熱阻均勻性與熱分布均勻性，提升IGBT模塊的可靠性，避免由于個(gè)別模塊熱分布不均勻而導(dǎo)致IGBT模塊提前失效。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種IGBT模塊及焊接方法，所述IGBT模塊包括底板以及通過焊料與所述底板焊接的DBC板，所述底板的焊接面上定義有焊接區(qū)域，其特征在于:在所述底板的焊接區(qū)域或DBC板上設(shè)置至少一個(gè)凸起。
[0008]優(yōu)選的，所述凸起為設(shè)置在底板或DBC板上的凸起物。
[0009]優(yōu)選的，所述凸起為打在底板或DBC板上的鍵合線。
[0010]優(yōu)選的，所述凸起與底板、凸起與DBC板的材料相同，且二者間采用相同的工藝一次制成。
[0011]優(yōu)選的，所述凸起的熔點(diǎn)高于所述焊料，在重力作用下DBC板下沉，最終被凸起物墊起，DBC板與凸起物完全接觸。
[0012]優(yōu)選的，所述凸起有至少三個(gè)，呈三角、矩形或圓形分布于底板的焊接區(qū)域或DBC板上。
[0013]優(yōu)選的，所述每個(gè)凸起的高度相同，凸起的高度與無凸起的底板焊接層厚度相同。
[0014]優(yōu)選的，所述凸起的形狀是圓柱形、長方形或圓臺(tái)形。
[0015]—種焊接如權(quán)利要求1中所述的IGBT模塊底板與DBC板的方法，其步驟包括:
[0016]S1、首先將多種粒徑的碳化硅粉末與粘接劑混合均勻，然后進(jìn)行預(yù)壓成型，并在預(yù)壓過程中形成至少一個(gè)底板凸起；
[0017]S2、經(jīng)預(yù)壓成型后通過壓力滲透把熔融狀態(tài)的鋁壓滲入碳化硅顆粒間。最后在表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理，以保證焊接質(zhì)量，得到AlSiC底板；
[0018]S3、底板與DBC板之間通常采用真空回流焊進(jìn)行焊接，工藝過程分為預(yù)熱、回流、冷卻三個(gè)階段。
[0019]優(yōu)選的，所述步驟S3中的工藝過程具體為，將焊料、DBC板依次置于底板凸起上，經(jīng)過預(yù)熱，底板、焊料、凸起、DBC板被均勻加熱，經(jīng)真空回流，當(dāng)焊料在焊接過程中充分熔化后，凸起物由于其材料的熔化溫度高于焊料，因此在重力作用下DBC板隨著焊料的熔化而下沉，最終被底板凸起物墊起，DBC板與凸起物完全接觸。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)優(yōu)勢(shì):
[0021]通過在原有焊接式IGBT模塊底板上設(shè)置凸起，保證了焊層厚度的均勻性，提高了IGBT模塊散熱路徑上熱阻均勻性與熱分布均勻性，IGBT模塊由熱而導(dǎo)致的失效問題得到了改善，可靠性得到了提升。
[0022]凸起材料與底板可采用相同的材料、相同的工藝一次制成，不需要改變DBC板與底板之間的焊接材料與工藝，不增加工藝過程與復(fù)雜程度，焊接可靠性可以得到保證。
[0023]不需改變DBC板與底板之間的焊接材料，使用環(huán)境不受限，成本低。
【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中IGBT模塊底板俯視圖
[0026]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中IGBT模塊底板結(jié)構(gòu)剖視圖
[0027]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中IGBT模塊底板與DBC板焊接方法示意圖
[0028]附圖中涉及的附圖標(biāo)記和組成部分說明:1.底板；2.凸起；3.焊料；4.DBC板。
【具體實(shí)施方式】
[0029]正如【背景技術(shù)】中所述，現(xiàn)有控制焊料層厚度的方式是在合金焊料中摻入一定直徑的鋁顆粒進(jìn)行焊接，以達(dá)到控制焊料層厚度的目的。然而這樣的方式，焊料層厚度均勻度并不好控制，且使用環(huán)境受限。
[0030]下面，將對(duì)本發(fā)明的具體技術(shù)方案做詳細(xì)介紹。
[0031]請(qǐng)參見圖1?圖2，圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中IGBT模塊底板俯視圖，圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中IGBT模塊底板結(jié)構(gòu)剖視圖。所述IGBT模塊包括IGBT芯片(圖未示)、底板1，以及通過焊料與該底板焊接的DBC板4，其中，IGBT芯片設(shè)于DBC板上，所述底板通常為AlSiC材料，所述焊料3主要成分通常為錫/鉛/銀(Sn/Pb/Ag)，該材料焊料具有熔點(diǎn)低，浸潤性能、導(dǎo)電性能和加工性能好，成本低的特點(diǎn)，是IGBT模塊常用焊接材料，在本發(fā)明中，焊料可為膏狀或片狀。所述DBC板基板材料為A1N，由于AlN是一種非氧化物陶瓷，因此需要首先進(jìn)行氧化處理。DBC板制備過程中首先在AlN基板的兩側(cè)各覆上一層銅，在含氧的氮?dú)鈿夥罩懈邷叵率沟勉~箔覆接在基板上。高溫過程后，銅與氧形成的共晶液相潤濕了相互接觸的銅箔和陶瓷表面，同時(shí)還與A1203發(fā)生反應(yīng)，生成Cu (A12) 2等氧化物，實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷基板和覆銅層牢固的粘合，所述DBC基板具有高導(dǎo)熱、高絕緣特性，又具有無氧銅的高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，并可刻蝕出各種圖形，在相同功率半導(dǎo)體中，采用AlN陶瓷基板焊接的IGBT模塊比其它材料模塊不僅體積小、重量輕，而且具有更好的熱疲勞穩(wěn)定性和更高的集成度。底板AlSiC材料是一種顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，熱導(dǎo)率高，可以通過改變SiC顆粒的體積及尺寸，獲得極高的剛性和與DBC匹配的熱膨脹系數(shù)，解決了傳統(tǒng)基板材料由于熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的焊料機(jī)械應(yīng)變。
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