一种全免清洗软钎焊功率模块及制备方法
【专利摘要】一种全免清洗软钎焊功率模块及制备方法，所述的功率模块主要包括：外壳，外壳上端子，键合金属线，金属基板，芯片，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，焊接芯片的第一焊接层，焊接衬底的第二焊接层，填充材料，以及其它必要的部件；所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底是一个烧结体，由第一金属层，陶瓷层，第二金属层三层覆合结构组成，第一金属层上通过焊片形成第一焊接层焊接有芯片；第二金属层也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板上；所述芯片通过键合线电连接到金属层或外壳上端子上；外壳包围模块的上半部分，包括外壳上端子的一部分，键合线，半导体芯片，二极管芯片，第一焊接层，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，第二焊接层；填充材料填充在外壳以内的区域，即外壳包围的上半部分。
【专利说明】一种全免清洗软钎焊功率模块及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种全免清洗软钎焊功率模块及其制备方法，属于半导体功率模块的封装【技术领域】。
【背景技术】
[0002]功率模块是在功率电子电路上使用的半导体封装体，比如，封装了绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片，或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)芯片的模块。一些模块也封装有半导体二极管(DIODE)芯片以提供过压保护。以上功率半导体芯片具有一系列电压和电流等级，以适应不同的场合或行业应用。
[0003]一般地，除芯片之外，功率模块还包括导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底(DBC)，基板，功率端子等部件，目前这些部件绝大部分是通过软钎焊(Soldering)连接的,如芯片-DBC、DBC-基板之间焊接，但焊接可能会产生大气孔。功率模块工作时电流密度大，发热大，而气孔里面是导热性很差的空气或助焊剂等有机物，其导致模块的热阻增大，会影响到模块可靠性，甚至导致模块失效。为了保持长期可靠的电气、热、机械连接，必须对焊接气孔的大小和分布进行有效控制。
[0004]目前功率模块的软钎焊工艺主要是先在衬底上钢网印刷焊膏，然后在印刷了焊膏的焊盘上贴装芯片等元件，再把组装体送入到设备内进行回流焊接的。有两种情况，第一种是组装体经过隧道式非真空回流炉焊接，因为这种回流炉焊接时仅充惰性气体保护焊接，而不能抽真空，气体不能有效排出，所以焊接气孔一般很大，典型地，气孔率可达10%以上；另一种情况是组装体经过真空式回流炉焊接，因为这种回流炉具有密封腔体，既能充惰性气体保护，又能抽真空，典型地，气孔率可以小于5%。
[0005]以上两种使用焊膏软钎焊的工艺有都很大的缺点，第一种是气孔率很大，难于满足功率模块焊接要求，故现在较少使用。第二种虽然气孔率较小，但是回流过程会产生大量助焊剂残留，设备维护时间长，利用率较低，且产品要经过化学液体清洗，费用高，并产生环境保护方面的问题，最重要的是，产品如果清洗不干净，有污染物残留，将会严重影响产品可靠性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能减少设备维护时间，提高设备使用效率，避免使用化学清洗液清洗回流后的功率模块，提高产品性能，降低生产成本，减少环境污染的一种全免清洗软钎焊功率模块及其制备方法。
[0007]本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的功率模块，它主要包括:夕卜壳，外壳上端子，键合金属线，金属基板，芯片(主要包括半导体和二极管芯片)，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，焊接芯片的第一焊接层，焊接衬底的第二焊接层，填充材料，以及其它必要的部件；所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底是一个烧结体，由第一金属层，陶瓷层，第二金属层三层覆合结构组成，第一金属层上通过焊片形成第一焊接层焊接有芯片；第二金属层也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板上；
所述芯片通过键合线电连接到金属层或外壳上端子上；
外壳包围模块的上半部分，包括外壳上端子的一部分，键合线，芯片，第一焊接层，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底，第二焊接层；填充材料填充在外壳以内的区域，即外壳包围的上半部分。
[0008]本发明所述的第一金属层和第二金属层分别由铜或镍、铝材料制成，所述的键合线由Al、Al-S1、Al-Mg、Cu、Au材料制成；所述外壳由工艺塑料制成并被固定连接在金属基板上；所述填充材料包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一。
[0009]所述焊接层包括液相线温度在150_450°C的、不添加任何助焊剂的片状合金焊料；所述焊料由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素组成,包括 PbSnAg,SnAg, SnPb 合金。
[0010]一种如上所述功率模块的制造方法，所述制备方法包括以下步骤: a提供包括第一金属层和第二金属层的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底；
b在第一金属层上，先用工具围成一定区域，然后把所述片状合金焊料平整放入所述围成的区域内；
c将芯片施加至所述片状合金焊料上；
d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将所述芯片连接至所述第一金属层的第一焊接层；
e以及焊接后，取下工具，得到焊接有芯片的直接键合铜陶瓷衬底。
[0011]所述步骤c中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于450 °C的软钎焊料，所述焊料包含SnAu、PbSnAg、SnSb、SnAgCu、SnAg、SnPb之一,所述片状合金焊料包括厚度在60-160微米的薄焊片，焊接温度在100-450°C温度范围内。
[0012]所述步骤d中，还原性气体环境与真空环境中包括:真空度范围是O至lOOOmbar，还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体。
[0013]一种如上所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤: a提供包括未镀的铜表面，或镀镍，或镀金表面之一的金属基板；
b在金属基板的表面上，用工具围成一定区域，把片状合金焊料平整放入所述区域内；c将所述焊接有芯片的直接键合铜陶瓷衬底放置在所述片状合金焊料上；d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底连接至所述基板表面的第二焊接层；
e以及焊接后，取下工具，得到焊接有直接键合铜陶瓷衬底的金属基板。
[0014]所述的步骤b中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于350°C的软钎焊料,所述焊料包含SnAu、PbSnAg、SnSb、SnAgCu、SnAg、SnPb之一；片状合金焊料的厚度在100-400微米，焊接温度在100-350°C的范围内。
[0015]所述步骤d中，所述的还原性气体环境与真空环境中，包括真空度范围是O至lOOOmbar，所述还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体；在回流焊接过程中，还原性气氛的压强范围是O-1OOOmbar。[0016]本发明由于使用免清洗的焊片软钎焊技术，生产过程没有助焊剂残留，所以减少了设备维护时间，提高了设备使用效率，不使用化学清洗液清洗回流后的功率模块，降低了生产成本，减少了环境污染，提高了产品可靠性，取得明显的经济和社会效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明所述一个模块实施例的俯视结构示意图。
[0018]图2是本发明所述在衬底上放置固定框的横截面示意图。
[0019]图3是本发明所述在衬底上固定框内放置焊片的横截面示意图。
[0020]图4是本发明所述在衬底上固定框内，焊片上放置半导体芯片的横截面示意图。
[0021]图5是本发明所述芯片-衬底回流焊接后，去除了固定框之后的半组装体横截面视图。
[0022]图6是本发明所述装载了组装体的回流炉的一个实施例横截面视图。
[0023]图7是本发明所述衬底-基板回流焊接后去除了固定框之后半组装体的横截面视图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合附图对本发明做详细的介绍:图中所示，本发明所述的功率模块，它主要包括:外壳002，外壳上端子004，键合金属线006，金属基板008，半导体芯片010，二极管芯片012，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底014，焊接半导体芯片和二极管芯片的第一焊接层016，焊接衬底014的第二焊接层018，填充材料032，以及其它必要的部件；其特征在于所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底014是一个烧结体，由第一金属层014A，陶瓷014B，第二金属层014C三层覆合结构组成，第一金属层014A上通过焊片形成第一焊接层016焊接有半导体芯片010和二极管芯片012 ;第二金属层014C也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板008上；
所述半导体芯片010和二极管芯片012通过键合线006电连接到金属层014A或外壳上端子004上；
外壳002包围模块的上半部分，包括外壳上端子004的一部分，键合线006，半导体芯片010，二极管芯片012，第一焊接层016，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底014，第二焊接层018 ；填充材料032填充在外壳002以内的区域。，即外壳包围的上半部分。
[0025]所述的第一金属层014A和第二金属层014C分别由铜或镍、铝材料制成，所述的键合线由Al、Al-S1、Al-Mg、Cu、Au材料制成；所述外壳由工艺塑料制成并被固定连接在金属基板026上；所述填充材料032包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一。
[0026]所述焊接层包括液相线温度在150_450°C的、不添加任何助焊剂的片状合金焊料；所述焊料由 Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn 之部分元素组成,包括 PbSnAg,SnAg, SnPb 合金。
[0027]—种如上所述功率模块的制造方法，所述制备方法包括以下步骤:
a提供包括第一金属层和第二金属层的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底014 ；b在第一金属层上，先用工具围成一定区域，然后把所述片状合金焊料平整放入所述围成的区域内；C将半导体芯片OlO和二极管芯片012施加至所述片状合金焊料上；d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将所述半导体芯片010和二极管芯片012连接至所述第一金属层的第一焊接层016 ；
e焊接后，取下工具，得到焊接有半导体芯片010和二极管芯片012的直接键合铜陶瓷衬底014。
[0028]所述步骤c中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于450 °C的软钎焊料，所述焊料包含SnAu、PbSnAg、SnSb、SnAgCu、SnAg、SnPb之一,所述片状合金焊料包括厚度在60-160微米的薄焊片，焊接温度在100-450°C温度范围内。
[0029]所述步骤d中，还原性气体环境与真空环境中包括:真空度范围是O至lOOOmbar，还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体。
[0030]一种如上所述的功率模块的制造方法，所述制备方法包括以下步骤: a提供包括未镀的铜表面，或镀镍，或镀金表面之一的金属基板008 ；
b在金属基板008的表面上，用工具围成一定区域，把片状合金焊料平整放入所述区域
内；
c将所述焊接有半导体芯片010和二极管芯片012的直接键合铜陶瓷衬底放置在所述片状合金焊料上；
d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底连接至所述基板表面的第二焊接层；`
e以及焊接后，取下工具，得到焊接有直接键合铜陶瓷衬底的金属基板。
[0031]所述的步骤b中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于350°C的软钎焊料,所述焊料包含SnAu、PbSnAg、SnSb、SnAgCu、SnAg、SnPb之一；片状合金焊料的厚度在100-400微米，焊接温度在100-350°C的范围内。
[0032]所述步骤d中，所述的还原性气体环境与真空环境中，包括真空度范围是O至lOOOmbar，所述还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体；在回流焊接过程中，还原性气氛的压强范围是O-1OOOmbar。
[0033]本发明提供一种使用焊片、同时使用还原性气体与抽真空相结合的软钎焊方法，所获的连接非常清洁不用清洗，同时保证了很小的焊接气孔率。主要原理是还原性气体与待焊接表面反应，把金属氧化物还原成清洁的金属，并产生少量无害的气体。典型的两个反应式如下:
H2+Me0? H20+Me (Me 指金属，如 Cu、Sn 等)
HC00H+Me0aC02+H20+Me (Me 指金属，如 Cu、Sn 等)
还原后清洁的金属表面很活泼，容易形成可靠的焊点。如果辅以抽真空，焊料层中的气孔则进一步减少，典型地，气孔率小于5%。
[0034]实施例:在下面详细的说明中，参考如下附图，图1示出了功率模块的一个实施例700的横截面视图，模块700是一种完全用焊片焊接的功率模块，功率模块700可包括:外壳002，外壳上端子004，键合金属线006，铜基板008，半导体芯片010，二极管芯片012，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底014，焊接半导体芯片和二极管芯片的第一焊接层016，焊接衬底014的第二焊接层018，填充材料032，以及其它必要的部件等。
[0035]导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底014是一个烧结体，有三层结构，第一金属层014A，陶瓷014B，第二金属层014C。第一金属层014A和第二金属层014C包括铜或镍、铝等其它合适的材料。通过焊片形成第一焊接层016把半导体芯片010和二极管芯片012焊接到金属层014A上，而不是通过焊膏。同样是通过焊片形成第二焊接层把金属层014C焊接到金属基板008上，由于第二金属层014C是烧结衬底014的一部分，所以衬底014焊接到金属基板008上。
[0036]以上整个焊接过程没有使用任何助焊剂，所以没有需要清洗助焊剂残留等污染物，无需引入额外的清洗工艺。因此，与使用焊膏的工艺相比，既降低了产品成本，提高了产品可靠性，又保护了环境。
[0037]半导体芯片010和二极管芯片012通过键合线006电连接到金属层014A或端子004上。键合线包括Al，Al-Si, Al-Mg, Cu，Au或者其它合适的材料。
[0038]外壳002包围模块的上半部分，包括端子004的一部分，键合线006，半导体芯片010，二极管芯片012，第一焊接层016，导热绝缘金属陶瓷衬底014，第二焊接层018。外壳包括工艺塑料和其它合适的材料。外壳006被连接在金属基板026上。
[0039]填充材料032包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一，或其它合适的材料。填充材料032防止了由于介电击穿而对功率模块的损坏。填充材料032填充了外壳002以内的区域。即外壳包围的上半部分，包括端子004的一部分，键合线006，半导体芯片010，二极管芯片012，第一焊接层016，导热绝缘金属陶瓷衬底014，第二焊接层018等。
[0040]附图2-7所示的是:将半导体芯片清洁焊接至包括铜表面的衬底的实施例。图1所示和描述的将半导体芯片010和二级管芯片012连接到铜层014A ;相似的工艺被用来将直接键合铜陶瓷衬底014连接到金属基板008上。
[0041]图2所示的是:在直接键合铜陶瓷衬底014上放置了一个固定框工具的实施例的横截面视图。该固定框020可以是Ti合金，或其它合适的材料，用于固定和定位焊片016、芯片010或012的位置，固定框020平放在金属层014A上。
[0042]图3所示的是:在金属层014A上、固定框020内，放置焊片016的一个实施例的横截面视图；
图4所示的是:在焊片016正上方，放置芯片010或012的实施例的横截面视图。贴装好的芯片010和012、焊片016、包括金属层014A和014C的陶瓷衬底014作为一个组装体300，放入回流设备内回流。
[0043]图5所示的是:一个回流焊接好、已经去除固定框020的组装体300的横截面视图。芯片010和012通过软钎焊工艺、使用清洁的焊片016，实现了与金属层014A之间的牢固可靠的电气、热、机械连接。芯片010和012与焊料016形成金属间化合物，同样，焊料016与金属层014A也形成金属间化合物。
[0044]图6所示的是一个回流炉腔体的一个实施例的横截面视图，从上到下依次是:进气管道022，回流腔气密性壁体024，带导气孔的进气管026，回流加热板或冷却板028，出气管道030，以及若干排列整齐的待回流组装体300。在一个实施例中，回流炉是可抽真空的回流炉500，实现第一焊接层016的回流工艺步骤如下:
(I)载入组装体300，或其它合适的待回流组装体至真空回流炉腔体500 ； (2)关闭进气管道022和出气管道030的阀门；
(3)抽掉腔体500内残留氧气和其它气体，真空度可至高于IOmbar；
(4)通过进气管道022对腔体500充入还原性气体，在一个实施例中，充入还原性混合气体，如氮气和氢气混合气体(Forming gas, N2+H2),或氮气和甲酸气体(又称蚁酸，Formicacid, HC00H)，或其它合适的混合气体；
(5)使加热板028上升至一定温度，活化待清洁表面。在还原性气氛下，待焊接的金属层014A、焊片016、芯片010和012表面的氧化物逐渐还原成清洁的金属表面，有利于焊接；
(6)继续升高加热板028的温度，焊片016逐渐熔化，回流进行，金属间化合物生成，表示焊接层初步形成；
(7)反应一段时间后，通过出气管道030抽出腔体500的废气，包括氮气、未反应完的还原性气体、以及其它气体。真空度可以抽至高于lOmbar，同时，第一焊接层016内的大部分气体也被抽出，形成仅包含微小气孔的焊接层；
(8)抽真空完成后，往腔体500内充入氮气，或其它合适的惰性气体；
(9)回流反应过的组装体300在腔体500的冷却板028上冷却，或组装体300移至其它专用冷却的腔体开始冷却；
(10)完全冷却后，焊接好的组装体从腔体500或其它专用冷却腔体输送出来；
(11)去除固定框020，得到的是焊接好的微气孔清洁组装体300。
[0045]图7示出了衬底-基板回流焊接后，去除了固定框之后的半组装体的横截面视图。实现第二焊接层018的工艺和实现第一焊接层016的工艺非常类似，也是用焊片在还原性气氛与真空环境下，将包括金属化陶瓷衬底可靠地连接到金属基板上，例如将包括金属层014C的直接键合铜陶瓷衬底014焊接到到基板008上，做成了一个模块组装体600。
[0046]以上焊接完成后，不需要任何清洗，随后安装外壳002，打键合线006，灌填充物032，再测试。一个可靠性能更好的功率模块即可生产出来了。
【权利要求】
1.一种功率模块，它主要包括:外壳(002)，外壳上端子(004)，键合金属线(006)，金属基板(008)，芯片，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底(014)，焊接芯片的第一焊接层(016)，焊接衬底(014)的第二焊接层(018)，填充材料(032)以及其它部件；其特征在于所述的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底(014)是一个烧结体，由第一金属层(014A)，陶瓷(014B)，第二金属层(014C)三层覆合结构组成，第一金属层(014A)上通过焊片形成第一焊接层(016)焊接有芯片；第二金属层(014C)也通过焊片形成第二焊接层焊接在金属基板(008)上； 所述芯片通过键合线(006)电连接到金属层(014A)或外壳上端子(004)上； 外壳(002)包围模块的上半部分，包括外壳上端子(004)的一部分，键合线(006)，芯片，第一焊接层(016)，导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底(014)，第二焊接层(018);填充材料(032)填充在外壳(002)以内的区域，即外壳包围的上半部分。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于所述的第一金属层(014A)和第二金属层(014C)分别由铜或镍、铝材料制成，所述的键合线由Al、Al-S1、Al-Mg、Cu、Au材料制成；所述外壳由工艺塑料制成并被固定连接在金属基板(026)上；所述填充材料(032)包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于所述焊接层包括液相线温度在150-450°C的、不添加任何助焊剂的片状合金焊料；所述焊料由Sn、Pb、Ag、Cu、In、Au、Sb、B1、Al、S1、Ge、Zn之部分元素组成,包括PbSnAg, SnAg, SnPb合金。
4.一种如权利要求1或2或3所述功率模块的制造方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤: a提供包括第一金属层和第二金属层的导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底；b在第一金属层上，先用工具围成一定区域，然后把所述片状合金焊料平整放入所述围成的区域内； c将芯片施加至所述片状合金焊料上； d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将所述芯片连接至所述第一金属层的第一焊接层； e以及焊接后，取下工具，得到焊接有芯片的直接键合铜陶瓷衬底014。
5.根据权利要求4所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述步骤c中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于450°C的软钎焊料，所述焊料包含SnAu、PbSnAg, SnSb, SnAgCu, SnAg, SnPb之一，所述片状合金焊料包括厚度在60-160微米的薄焊片，焊接温度在100-450°C温度范围内。
6.根据权利要求4所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述步骤d中，还原性气体环境与真空环境中包括:真空度范围是O至lOOOmbar，还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体。
7.—种如权利要求1或2或3所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤: a提供包括未镀的铜表面，或镀镍，或镀金表面之一的金属基板； b在金属基板的表面上，用工具围成一定区域，把片状合金焊料平整放入所述区域内； c将所述焊接有芯片的直接键合铜陶瓷衬底放置在所述片状合金焊料上；d在还原性气体环境中，焊接所述片状合金焊料，以提供将导热绝缘直接键合铜陶瓷衬底连接至所述基板表面的第二焊接层； e以及焊接后，取下工具，得到焊接有直接键合铜陶瓷衬底的金属基板。
8.根据权利要求7所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述步骤b中，平整放入的所述片状合金焊料的合金成分是液相线温度低于350°C的软钎焊料，所述焊料包含SnAu、PbSnAg, SnSb, SnAgCu, SnAg, SnPb之一；片状合金焊料的厚度在100-400微米，焊接温度在100-350°C的范围内。
9.根据权利要求7所述的功率模块的制造方法，其特征在于所述步骤d中，所述的还原性气体环境与真空环境中，包括真空度范围是O至lOOOmbar，所述还原气体环境包括氢气、氮气的混合气体，或者甲酸、氮气的鼓泡混合气体，或者其他合适的还原性气体和惰性气体的混合气体；在回流焊接`过程中，还原性气氛的压强范围是O-1OOOmbar。
【文档编号】H01L23/488GK103779307SQ201410038553
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月25日 优先权日:2014年1月25日
【发明者】胡少华 申请人:嘉兴斯达半导体股份有限公司