本发明属于半导体封装技术领域，具体地，涉及一种微气孔功率电子模块及其制备方法。
背景技术：
目前功率电子模块的软钎焊工艺主要是先在衬底上丝网印刷焊膏，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，因为这种回流炉回流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2%。
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，难于满足功率微气孔功率电子模块焊接要求，故现在使用较少。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，费用较高，并产生环境保护方面的问题。
技术实现要素：
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供了一种微气孔功率电子模块及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的目的是提供一种微气孔功率电子模块及其制备方法，该微气孔功率电子模块包括：外壳、金属基板、衬底、半导体芯片、第一焊接层、第二焊接层、功率端子、信号引线、信号端子、键合线、填充材料，所述衬底为引线框架衬底，所述引线框架衬底包括陶瓷层、第一金属表面和第二金属表面，所述陶瓷层设于第一金属表面与第二金属表面之间，所述金属基板通过第二焊层与第二金属表面焊接，所述半导体芯片通过第一焊接层焊接至所述第一金属表面，所述半导体芯片通过键合线电连接到第一金属表面上，所述第一金属表面通过所述信号引线与所述信号端子电连接，所述第一金属表面与和功率端子电连接，所述外壳设于所述金属基板上，所述填充材料填充在外壳与金属基板构成的区域内，包括功率端子和信号端子的一部分，信号引线、键合线、半导体芯片、第一焊接层、引线框架衬底、第二焊接层的一部分或全部。
所述第一金属表面为第一铜表面，所述第二金属表面为第二铜表面，所述第一铜表面、所述陶瓷层和所述第二铜表面键合形成三明治式的导热绝缘的陶瓷覆铜衬底。
所述第一金属表面为第一镍表面，所述第二金属表面为第二镍表面，所述第一镍表面、所述陶瓷层和所述第二镍表面键合形成三明治式的导热绝缘的陶瓷覆镍衬底。所述填充材料008为硅凝胶、硅凝胶、环氧双层中的一种。
所述键合线通过超声波引线键合法键合至所述半导体芯片和所述第一金属表面上，所述键合线为al，al-si，al-mg，cu，au中的一种；
所述的微气孔功率电子模块的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）所述半导体芯片与所述第一金属表面的焊接：在第一金属表面上放置固定框，在固定框内，依次放置焊片和半导体芯片；将贴装好的半导体芯片、焊片、引线框架衬底作为一个组装体，放入回流设备内回流。完成回流工序的组装体冷却后，去除固定框，完成所述半导体芯片与所述第一金属表面的焊接。
（2）所述金属基板与所述第二金属表面的焊接、所述第一金属表面分别与功率端子和与所述信号引线的焊接：在金属基板上放置固定框，在固定框内，放置焊片，所述焊片与引线框架衬底的第二金属表面相接；在所述引线框架衬底的第一金属表面上放置固定框，在固定框内依次放置焊片和功率端子或者依次放置焊片和信号引线；将贴装好的金属基板、焊片、引线框架衬底、功率端子和信号引线作为一个组装体，放入回流设备内回流。完成回流工序的组装体冷却后，去除固定框，完成金属基板与所述第二金属表面的焊接、所述第一金属表面分别与功率端子和与所述信号引线的焊接。
所述的回流工序是在真空回流炉中进行的，所述真空回流炉包括进气管、回流腔气密性壁体、导气孔、回流底板和出气管道，所述的进气管包括进气管道ⅰ和进气管道ⅱ，所述进气管道ⅰ和所述进气管道ⅱ相连，所述进气管道ⅰ的一端通向回流炉外，所述进气管道ⅱ设于所述真空回流炉内，所述进气管道ⅱ上设有导气孔，所述回流腔气密性壁体设于回流炉内壁上，所述回流底板设于所述回流炉内的底面上，所述出气管道的一端通向回流炉外，另一端延伸至回流炉内，所述回流底板用于外接电源；所述的回流工序具体步骤如下：
（1）载入组装体至真空回流炉腔体；
（2）关闭进气管道和出气管道的阀门；
（3）抽真空至真空度为0-100mbar；
（4）通过进气管道向真空回流炉腔体内充入还原性气体；
（5）活化待焊接表面：通过所述回流底板进行加热，使所述回流底板上升至一定温度，在还原性气氛下，所述第一金属层、第二金属层、焊片、半导体芯片表面的氧化物被还原，而成为清洁的表面；
（6）焊接：继续对所述回流底板加热，使其温度继续升高，达到所述焊片的熔点时，所述焊片逐渐熔化，金属间化合物生成；
（7）焊接层形成：抽真空，至真空度为0-100mbar；焊接层内的大部分气体也被抽出，形成微小气孔的焊接层；
（8）向真空回流炉的腔体内充入惰性气体，回流完成。
所述活化待焊接表面是在50℃-200℃的温度范围内进行的；所述焊接是在真空环境或非氧化性环境中进行，所述真空环境的真空度为0-100mbar，所述非氧化性环境包括惰性气体环境或还原气体环境中的一种，所述的还原性气体为氮气、氢气、甲酸气体中的一种或几种。
所述第一焊接层的焊片包括液相线温度在400℃-450℃的合金焊料，所述合金焊料由sn、pb、ag、cu、in、au、sb、bi、al、si、ge、zn中的任意两种或两种以上元素组成。
所述第一焊接层的焊片的合金成分是液相线温度为400℃-450℃的软钎焊料，所述焊料包含snau、pbsnag、snsb、snagcu、snag、snpb中的一种，所述焊片的厚度为60-160μm；所述第一焊接层的焊接温度为450℃。半导体芯片014通过软钎焊工艺、使用清洁的焊片016，实现了与金属层018之间的牢固可靠的电气、热、机械连接。
所述第二焊接层的焊片的合金成分是液相线温度300℃-350℃的软钎焊料，所述焊料包含snau、pbsnag、snsb、snagcu、snag、snpb中的一种，所述焊片的厚度为100-400μm；所述第二焊接层的焊接温度为350℃。
本发明保护的一种微气孔功率电子模块及其制备方法具有以下有益效果：所述微气孔功率电子模块的焊接层气孔率小于2%，且无大气孔，产品性能好；使用该制备方法制备功率电子模块，焊接后没有助焊剂残留，产品无需清洗，省去了清洗费用和清洗工艺，相应的降低了生产成本和设备维护成本，并且不会对环境造成污染。
附图说明
图1为微气孔功率电子模块的结构示意图。
图2为真空回流炉结构示意图。
图3为半导体芯片与第一金属表面焊接过程图解。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
该微气孔功率电子模块包括：外壳006、金属基板026、衬底、半导体芯片014、第一焊接层016、第二焊接层024、功率端子002、信号引线010、信号端子004、键合线012、填充材料008，所述衬底为引线框架衬底，所述引线框架衬底包括陶瓷层020、第一金属表面018和第二金属表面022，所述陶瓷层020设于第一金属表面018与第二金属表面022之间，所述金属基板026通过第二焊层024与第二金属表面022焊接，所述半导体芯片014通过第一焊接层016焊接至所述第一金属表面018，所述半导体芯片014通过键合线012电连接到第一金属表面018上，所述第一金属表面018通过所述信号引线010与所述信号端子004电连接，所述第一金属表面018与和功率端子002电连接，所述外壳006设于所述金属基板026上，所述填充材料008填充在外壳006与金属基板026构成的区域内，包括功率端子002和信号端子004的一部分，信号引线010、键合线012、半导体芯片014、第一焊接层016、引线框架衬底、第二焊接层024的一部分或全部。填充材料008防止了由于介电击穿而对功率模块的损坏。
所述第一金属表面018为第一铜表面，所述第二金属表面022为第二铜表面，所述第一铜表面、所述陶瓷层020和所述第二铜表面键合形成三明治式的导热绝缘的陶瓷覆铜衬底。
所述第一金属表面018为第一镍表面，所述第二金属表面022为第二镍表面，所述第一镍表面、所述陶瓷层和所述第二镍表面键合形成三明治式的导热绝缘的陶瓷覆镍衬底。
所述焊片016被要求清洁无污染，平整。
所述键合线012通过超声波引线键合法键合至所述半导体芯片014和所述第一金属表面018上，所述键合线为al，al-si，al-mg，cu，au中的一种。所述填充材料008为硅凝胶、硅凝胶、环氧双层中的一种。
所述的微气孔功率电子模块的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）所述半导体芯片014与所述第一金属表面018的焊接：在第一金属表面018上放置固定框030，在固定框030内，依次放置焊片016和半导体芯片014；将贴装好的半导体芯片014、焊片016、引线框架衬底作为一个组装体，放入回流设备内回流。完成回流工序的组装体冷却后，去除固定框030，完成所述半导体芯片014与所述第一金属表面018的焊接。
（2）所述金属基板026与所述第二金属表面022的焊接、所述第一金属表面018分别与功率端子002和与所述信号引线010的焊接：在金属基板026上放置固定框030，在固定框030内，放置焊片016，所述焊片016与引线框架衬底的第二金属表面022相接；在所述引线框架衬底的第一金属表面018上放置固定框030，在固定框030内依次放置焊片016和功率端子002或者依次放置焊片016和信号引线010；将贴装好的金属基板026、焊片016、引线框架衬底、功率端子002和信号引线010作为一个组装体，放入回流设备内回流。完成回流工序的组装体冷却后，去除固定框030，完成金属基板026与所述第二金属表面022的焊接、所述第一金属表面018分别与功率端子002和与所述信号引线010的焊接。
所述的回流工序是在真空回流炉中进行的，所述真空回流炉包括进气管、回流腔气密性壁体042、导气孔044、回流底板046和出气管道048，所述的进气管包括进气管道ⅰ040和进气管道ⅱ041，所述进气管道ⅰ040和所述进气管道ⅱ041相连，所述进气管道ⅰ040的一端通向真空回流炉外，所述进气管道ⅱ041设于所述真空回流炉内，所述进气管道ⅱ041上设有导气孔044，所述回流腔气密性壁体042设于回流炉内壁上，所述回流底板046设于所述回流炉内的底面上，所述出气管道048的一端通向回流炉外，另一端延伸至回流炉内，所述回流底板用于外接电源；所述的回流工序具体步骤如下：
（1）载入组装体至真空回流炉腔体；
（2）关闭进气管道和出气管道048的阀门；
（3）抽真空至真空度为0-100mbar；
（4）通过进气管道向真空回流炉腔体内充入还原性气体；
（5）活化待焊接表面：通过所述回流底板046进行加热，使所述回流底板046上升至一定温度，在还原性气氛下，所述第一金属层018、第二金属层022、焊片016、半导体芯014片表面的氧化物被还原，而成为清洁的表面；
（6）焊接：继续对所述回流底板046加热，使其温度继续升高，达到所述焊片016的熔点时，所述焊片016逐渐熔化，金属间化合物生成；
（7）焊接层形成：抽真空，至真空度为0-100mbar；焊接层016内的大部分气体也被抽出，形成微小气孔的焊接层；
（8）向真空回流炉的腔体内充入惰性气体，回流完成。
所述活化待焊接表面是在50℃-200℃的温度范围内进行的；所述焊接是在真空环境或非氧化性环境中进行，所述真空环境的真空度为0-100mbar，所述非氧化性环境包括惰性气体环境或还原气体环境中的一种，所述的还原性气体为氮气、氢气、甲酸气体中的一种或几种。
所述第一焊接层的焊片包括液相线温度在400℃-450℃的合金焊料，所述合金焊料由sn、pb、ag、cu、in、au、sb、bi、al、si、ge、zn中的任意两种或两种以上元素组成。
所述第一焊接层的焊片的合金成分是液相线温度为400℃-450℃的软钎焊料，所述焊料包含snau、pbsnag、snsb、snagcu、snag、snpb中的一种，所述焊片的厚度为60-160μm；所述第一焊接层的焊接温度为450℃。
所述第二焊接层的焊片的合金成分是液相线温度300℃-350℃的软钎焊料，所述焊料包含snau、pbsnag、snsb、snagcu、snag、snpb中的一种，所述焊片的厚度为100-400μm；所述第二焊接层的焊接温度为350℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。