一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块方法与流程

本发明涉及功率电子器件封装领域，尤其涉及一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块方法。

背景技术：

碳化硅(sic)材料具有热导率高、击穿电场强度高和禁带宽度大等优点，这使得sic器件表现出更好的高温特性、更低的功耗以及更快的开关速度。近几年来，随着sic材料技术的进一步发展，在电力电子器件领域内的sic高功率模块逐渐成为研究和开发的热点。研究表明使用sic肖特基二极管替代传统的si二极管，与si基igbt组成的混合功率模块可以降低功率模块的通态损耗和开关损耗。

传统的混合功率模块采用低熔点的焊料合金连接igbt芯片和铜基板，但是随着功率模块技术的快速发展，要求功率模块能承受更大的功率密度和更好的高温工作特性，传统的合金焊料已经无法满足这些要求。新出现的纳米银焊膏可实现低温烧结，高温服役的功能，成为一种较好的可替代传统合金焊料的功率模块连接材料。所以采用纳米银焊膏烧结封装igbt混合功率模块，可在降低模块开关损耗的同时提高混合功率模块的高温服役特性。

但是，使用纳米银焊膏烧结封装混合功率模块时，混合功率模块内部的siigbt芯片面积较大(≥100mm2)，sic二极管芯片面积较小(≤25mm2)，二者面积相差较大，且sic二极管芯片易损坏不宜加压,现有技术方法不能实现在裸铜基板上同时烧结两种芯片时，获得的焊膏层都具有较高强度，这就需要一种方法解决此问题，实现纳米银焊膏封装混合功率模块的功能。

技术实现要素：

本发明提供一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法，实现在裸铜基板上同时烧结面积相差很大的两种芯片时，获得的焊膏层都具有大于30mpa的剪切强度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法；包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程；其中预干燥和加压在空气环境中进行，烧结和还原在密闭的真空回流炉中进行。

所述预干燥过程，先在空气气氛中预干燥印刷完纳米银焊膏并贴好igbt芯片的基板，然后再印刷焊膏并贴放二极管芯片。

所述的预干燥温度90-100℃，预干燥时间10-12min。

所述加压过程，在空气环境下对预干燥后基板上面积大于100mm²的硅igbt芯片施加压力；对面积小于25mm²的sic二极管芯片不加压，防止sic芯片加压易受损的现象出现。

所述加压过程施加压力优选2mpa的压力。

所述烧结过程，对施加好压力的芯片和基板在可控气氛密闭炉中烧结，纳米银焊膏烧结气氛为50％空气+50％氮气混合气氛，烧结升温致密化温度270-290℃，烧结致密化时间20-40min。

所述升温速率5℃/min。

所述还原过程，在烧结致密化结束后，抽真空并通入氮气甲酸混合气体，对基板表面生成的氧化物进行还原，还原时间10-15min；还原完成后，冷却芯片和基板。

所述冷却速率5℃/min。

本发明一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法，可以实现同时烧结面积相差很大的两种芯片，且获得两种芯片的纳米银焊膏层强度都较高。本方法包括四个过程：预干燥、加压、烧结和还原。预干燥过程是为了让焊膏获得一定的粘稠度，防止大面积芯片加压过程中焊膏的过多溢出，预干燥温度和时间都要严格控制，温度过高或者时间过长，都会导致小芯片焊膏层中的有机物过多挥发，纳米银颗粒大量团聚。加压过程是对大面积si芯片加压促进烧结，对小面积sic芯片不加压防止损坏。烧结过程在50％空气+50％氮气混合气氛下进行，保证焊膏烧结有足够的氧气同时限制基板表面氧化物的生成。还原过程使用甲酸对基板表面氧化物进行还原，防止氧化物对模块电性能产生影响。本发明整体工艺流程较为简单，可实现在裸铜基板上同时烧结面积相差很大的两种芯片时，获得的焊膏层都具有大于30mpa的剪切强度，适用于芯片面积相差较大的混合功率模块的生产制造。

附图说明

图1是本发明使用裸铜基板的示意图；

图2是本发明底板的示意图；

图3是未安装外壳的俯视结构示意图；

图4是安装外壳的结构示意图；

图中：1-底板、2-基板、3-sic二极管芯片、4-si基igbt芯片、5-粗铝线、6-电极、7-外壳。

具体实施方式

现在结合附图对本发明方法做进一步的说明。

一种纳米银焊膏低压烧结混合功率模块的封装方法；包括预干燥、加压、烧结和还原四个过程；其中预干燥和加压在空气环境中进行，烧结和还原在密闭的真空回流炉中进行。

所述预干燥过程，先在空气气氛中预干燥印刷完纳米银焊膏并贴好igbt芯片的基板，预干燥温度90-100℃，预干燥时间10-12min，然后再印刷焊膏并贴放二极管芯片。

所述加压过程，在空气环境下，对预干燥后基板上面积大于100mm²的硅igbt芯片施加2mpa的压力；对面积小于25mm²的sic二极管芯片不加压，防止sic芯片加压易受损的现象出现。

所述烧结过程，对施加好压力的芯片和基板在可控气氛密闭炉中烧结，纳米银焊膏烧结气氛为50％空气+50％氮气混合气氛，升温速率5℃/min，烧结致密化温度270-290℃，烧结致密化时间20-40min。

所述还原过程，在烧结致密化结束后，抽真空并通入氮气甲酸混合气体，对基板表面生成的氧化物进行还原，还原时间10-15min。还原完成后，冷却芯片和基板，冷却速度5℃/min。

结合附图说明如下

准备工作：如图1所示，选择覆铜陶瓷基板(2)作为衬板材料，如图2所示，选择镀镍的铜板作为铜底板(1)；然后依照9％浓度稀盐酸-去离子水-酒精的顺序清洗基板(2)和铜底板(1)。

预干燥：使用钢网印刷的方法在基板(2)上涂覆一层纳米银焊膏，厚度60μm；之后将si基igbt芯片(4)贴在焊膏上方对齐并轻轻挤压，使芯片与焊膏良好润湿；然后将基板(2)置于加热台上加热，加热温度控制在90-100℃，加热时间控制在10-12min；加热后取下基板(2)，再印刷焊膏并贴放sic二极管芯片(3)。

加压：对预干燥后基板上面积大于100mm²的硅igbt芯片施加2mpa的压力；对面积小于25mm²的sic二极管芯片(3)不加压，防止sic二极管芯片(3)加压易受损的现象出现。

烧结：对施加好压力的芯片和基板(2)在可控气氛真空回流炉中烧结，纳米银焊膏烧结气氛为50％空气+50％氮气混合气氛，升温速率5℃/min，烧结致密化温度控制在270-290℃，烧结致密化时间控制在20-40min。

还原：在烧结致密化结束后，抽真空并通入氮气甲酸混合气体，对基板(2)表面生成的氧化物进行还原，还原时间10-15min。还原完成后，冷却芯片和基板，冷却速度5℃/min。

后序工作：如图3所示，采用粗铝丝(5)实现大功率igbt芯片，二极管芯片和衬板电极(6)区连接，再使用sac305焊片将基板(2)焊接到铜底板(1)上，接着安装外壳(7)，涂胶封装，最后填充密闭剂，如图4所示为完成所有工序后的完整模块。

实施例1：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿；预干燥：先把试样放在加热台上加热到90℃并保温10min完成预干燥；加压：对大面积si基igbt芯片(4)施加2mpa的压力，小面积sic二极管芯片(3)不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到270℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温20min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原10min。烧结成型后，两种面积芯片剪切强度均达到30mpa以上。烧结后进行引线键合，二次焊，安装外壳，涂胶封装，填充密闭剂等后续工序。

实施例2：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿。预干燥：先把试样放在加热台上加热到100℃并保温12min完成预干燥；加压：对大面积si基igbt芯片(4)施加2mpa的压力，小面积sic二极管芯片(3)不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到270℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温20min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原10min。烧结成型后，两种面积芯片剪切强度均达到30mpa以上。烧结后进行引线键合，二次焊，安装外壳，涂胶封装，填充密闭剂等后续工序。

实施例3：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿。预干燥：先把试样放在加热台上加热到90℃并保温10min完成预干燥；加压：对大面积si基igbt芯片(4)施加2mpa的压力，小面积sic二极管芯片(3)不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到280℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温30min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原12.5min。烧结成型后，两种面积芯片剪切强度均达到30mpa以上。烧结后进行引线键合，二次焊，安装外壳，涂胶封装，填充密闭剂等后续工序。

实施例4：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿。预干燥：先把试样放在加热台上加热到100℃并保温12min完成预干燥；加压：对大面积si基igbt芯片(4)施加2mpa的压力，小面积sic二极管芯片不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到280℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温30min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原12.5min。烧结成型后，两种面积芯片剪切强度均达到30mpa以上。烧结后进行引线键合，二次焊，安装外壳，涂胶封装，填充密闭剂等后续工序。

实施例5：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿。预干燥：先把试样放在加热台上加热到90℃并保温10min完成预干燥；加压：对大面积si基igbt芯片(4)施加2mpa的压力，小面积sic二极管芯片(3)不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到290℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温40min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原15min。烧结成型后，两种面积芯片剪切强度均达到30mpa以上。烧结后进行引线键合，二次焊，安装外壳，涂胶封装，填充密闭剂等后续工序。

实施例6：超声清洗覆铜基板(2)和铜底板(1)，然后在基板(2)上印刷纳米银焊膏并贴片润湿。预干燥：先把试样放在加热台上加热到100℃并保温12min完成预干燥；加压：对大面积si基igbt芯片(4)施加2mpa的压力，小面积sic二极管芯片(3)不加压；烧结：然后以5℃/min的升温速率加热到290℃并在50％空气+50％氮气混合气氛中保温40min；还原：随后抽真空通氮气甲酸混合气体还原15min。烧结成型后，两种面积芯片剪切强度均达到30mpa以上。烧结后进行引线键合，二次焊，安装外壳，涂胶封装，填充密闭剂等后续工序。

本发明封装方法操作简单，相对于传统合金焊料连接的芯片和基板，表现出更好的耐热循环和热疲劳能力，在大功率混合模块领域有较高的应用价值。