具有双面散热能力的双向开关功率器件及制作方法与流程

本发明涉及功率电子器件封装技术领域，具体涉及具有双面散热能力的双向开关功率装置及制作方法。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(igbt)因其具有驱动功率小、输入阻抗高、开关速度快、通态压降小、载流密度大、阻断电压高等特点，成为电力电子行业中的主要功率器件。采用igbt进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术，被称为功率变流产品的“cpu”、“绿色经济之核”。

双向开关能够控制电流向两个方向传导，是组成矩阵转换器开关矩阵的核心器件，矩阵转换器能够通过开关矩阵实现ac-ac转化，省去了直流支链，不需要体积庞大且昂贵的储能元件，因此在工业应用中，成为ac电源和负载之间双向传输功率的优选解决方案，在电动汽车、航空航天、轧机，电梯和离心机等的电机驱动中有着广泛的应用。此外，双向开关在可再生能源的处理上也有广泛应用。矩阵转化器的重要发展趋势之一是小型化和轻型化，这能带来节能和降低成本的好处，同时，这也是为了满足其在实际应用中的尺寸要求。为了使矩阵转化器小型化、轻型化，就必须使开关矩阵更加紧凑集成化，因此小型化、轻型化的双向开关矩阵模块就变得必不可少。但是，这种需求会导致双向开关模块内的电流密度的增加，从而使模块内部产生大量热量，从而引起节温的上升，如果该模块不能及时的将热量排出，那么较高的节温必然会对模块整体的热机械性性能和可靠性造成不良影响。

模块的双面散热结构使芯片产生的热量从两个方向散出，从而极大的提高模块的散热性能，这种结构已经在igbt功率模块中得到应用并极大的提升了模块的散热性能。

但是，双面散热结构的模块在服役过程中，连接层是其最为薄弱的部分，可靠性问题变得更为突出，这是因为模块在长期服役的过程中，会不断的经历温度循环的冲击，而芯片，缓冲层，基板及其之间的连接层存在热膨胀系数的差异，因此，模块会承受较大的热机械应力，同时，由于热应力的作用，连接层中会不断发生蠕变，直至产生裂纹，使连接层失效，从而使得整个模块失效。此外，传统双向开关模块中的连接层普遍选用焊料合金(如sn-pb共晶焊料合金)，经过回流，焊料完全溶解形成连接层，然而由于较低的熔点和工作温度(<300℃)，使得连接层抵抗高温蠕变能力较弱，模块的连接层变不可靠问题更加突出。

传统双向开关模块中的键合引线难以长期承受大电流，通常是模块中的薄弱部分，为了增加模块可靠性，必须重视这一问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于纳米银焊膏低温烧结技术的双面散热硅基igbt双向开关模块。为此，本发明采取的技术方案是，具有双面散热能力的双向开关功率器件，由两组igbt芯片和续流二极管芯片、功率端子和信号端子、缓冲层、粗铝丝、环氧树脂塑封胶、有两个集电极汇流结构的下陶瓷覆铜基板dbc、作为共发射极汇流结构的上陶瓷覆铜基板dbc组成；通过纳米银低温烧结方法，使得两组igbt芯片和续流二极管并联支路组与下陶瓷覆铜基板dbc基板相连，之后通过引线键合将硅基igbt的门极引出，再通过缓冲层使硅基半导体芯片与另一作为共发射极汇流结构的上陶瓷覆铜基板dbc基板相连，实现可双向导通的电路；所述功率端子和信号端子使得模块能够与外界传导功率电流和信号电流；功率端子的一端放置在下陶瓷覆铜基板dbc的集电极汇流结构上所述缓冲层能够缓解igbt芯片发射极和上dbc的连接时所引起的模块内部应力的作用；所述粗铝丝能够将igbt芯片门极引出到下dbc的电极区域，电极区域与信号端子相连，从而实现外部对igbt芯片门极电压的控制；最后通过环氧树脂塑封胶塑封制备完成igbt双向开关模块。

所述的igbt芯片并联支路组，每块dbc基板上有若干igbt芯片和续流二极管芯片反向并联；igbt芯片与续流二极管芯片数量比为1：1。

所述的双面散热结构，硅基igbt芯片的集电极与下dbc基板通过烧结纳米银焊膏相连，硅基igbt芯片的发射极通过缓冲层与上dbc基板相连，芯片与缓冲层、缓冲层与上dbc基板相连，从而使模块内部产生的热量从芯片集电极和发射极两个方向排出；所述集电极汇流结构是下dbc基板上与dbc基板其它部分绝缘的结构，实现二极管芯片的阴极与其对应的igbt芯片的集电极电气连接；所述发射极汇流结构是指上dbc基板上实现所有igbt发射极与所有二极管阳极连接的结构，通过这个结构，双向开关实现共发射极连接。

具有双面散热能力的双向开关功率制作方法，步骤如下：

第一步，在硅基igbt的发射极待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm-40μm的单层纳米银焊膏，将缓冲层贴在印刷完焊膏的区域；

第二步，在陶瓷覆铜dbc基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm-40μm的单层纳米银焊膏，将贴好缓冲层的芯片贴在印刷完焊膏的区域；

第三步，将印刷完毕的焊膏，加热到90℃-120℃保温5-15分钟预热，预热的目的是在确保焊膏可润湿性的同时使焊膏变得相对干燥，便于其与芯片或基板的连接及之后的热压；

第四步，将贴好芯片的dbc放置在甲酸/氮气氛围中施加5-10mpa的压力加热至270℃-290℃保温完成烧结。

纳米银焊膏的烧结也可以采用在甲酸/氮气氛围中的无压烧结。

具体步骤进一步细化如下：

步骤一、清洗下dbc基板，将下dbc基板超声清洗预处理：首先使用无水酒精超声清洗dbc基板，通过物理震荡的方法去除基板表面可能存在的污染物颗粒，然后用氮气枪吹干dbc基板表面；

步骤二、印刷纳米银焊膏，首先在半导体芯片和dbc基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm的单层纳米银焊膏；

步骤三、贴片组装：首先，利用贴片机将缓冲层贴在半导体芯片的焊膏印刷区域，再将贴好缓冲层的半导体芯片贴装在下dbc基板的焊膏印刷区域，将贴好芯片的下dbc基板放置在一次焊接夹具中，将功率端子、信号端子组装好；

步骤四、一次焊。将组装好的模块放置在加热炉进行烧结，首先将待焊工件加热到100℃预热10min，再在甲酸/氮气氛围中对焊膏施加5mpa的压力加热至280℃保温完成烧结；

步骤五、引线键合，通过引线键合技术实现粗铝丝的一端与硅基igbt芯片的门极连接，另一端与dbc基板电极区连接，电极区域已经与信号端子相连，从而实现对igbt芯片门极电压的控制。由于硅基igbt芯片的发射极通过缓冲层与上dbc基板连接，所以铝线键合的高度不能超过缓冲层的高度；

步骤六、二次焊接：首先，按步骤一将上dbc基板清洗干净，再按步骤二在上dbc基板上印刷焊膏，然后置于100℃加热装置中预热10min，之后和一下dbc基板组装，将组装完毕的模块放置在加热炉中，对焊膏施加5mpa的压力加热，烧结后完成后的连接层致密，连接强度可达25mpa以上；

步骤七、塑封，利用环氧树脂塑封胶填充模块内部空隙，并形成一个保护外壳，保护模块。

本发明的特点及有益效果是：

(1)基于低温烧结纳米银焊膏互连技术的双面散热硅基igbt双向开关模块，通过合理的结构设计，使得模块中芯片所产生的热量从两个方向散出，从而极大的提高模块的散热性能，与同等级的单面散热双向开关模块相比，散热性能提升约70％左右，同时功率电流不再流经引线键合，从而使得模块具有高可靠性和低寄生电感值的优点。该结构同时还实现了双向开关的共发射极连接，利于简化后续驱动。此外，该结构的高度对称性还使得双向开关两个回路的开关电性能具有很好的一致性。

(2)基于低温烧结纳米银焊膏互连技术的双面散热硅基igbt双向开关模块所有互连层均由纳米银焊膏低温加压烧结而成，从而使得模块的热阻电阻进一步降低，更重要的是，由于烧结纳米银焊膏较低的弹性模量使得模块的热机械应力得到松弛，烧结银焊膏连接层的高熔点使得连接层具有优异的高温抗蠕变能力，从而使模块具有高可靠性。

附图说明：

图1本发明所采用的下陶瓷覆铜基板。

图2本发明所采用的上陶瓷覆铜基板。

图3本发明一次焊及键合完成模块示意图。

图4本发明基于低温烧结纳米银焊膏互连技术的双面散热硅基igbt双向开关模块组装示意图。

图5本发明的最终成品图。

图6本发明所实现的电路。

其中，1-信号端子、2-功率端子、3-硅基igbt芯片、4-硅基二极管芯片、5-缓冲层、6-下陶瓷覆铜基板的集电极汇流结构、7-粗铝丝、8-塑封外壳。

具体实施方式

本发明公开一种基于纳米银焊膏低温烧结技术的双面散热硅基igbt双向开关模块。

考虑到模块对散热性能的高要求，本发明的硅基igbt双向开关模块通过合理的结构设计使得模块产生的热量可以从两个方向散出，与同等级的商用双向开关模块相比，散热性能提升约70％左右。此外，这种结构设计，实现了双向开关的共发射极连接，从而便于后续驱动，同时该结构能够使得功率电流不再流经键合引线，提升了模块的可靠性并使得模块的寄生电感值降低。由于本结构的高度对称性，使得双向开关的两个通路的寄生参数基本一致(通过数值模拟分析，本模块在通以10khz交流电时，两个通路的寄生电感值都为6.1nh)，从而使得模块的开关电性能将具有很好的一致性。

同时为了克服这种结构带来的连接层易失效的问题，本发明的双向开关模块内所有的互连层材料均选用纳米银焊膏，这是因为，在功率模块的制作中，相对传统焊料合金而言，不仅烧结纳米银焊膏的导电率和热导率大约是无铅焊料和其他导电粘合剂的3-5倍，而且具有多孔结构的烧结银焊膏具有相对较低的弹性模量(9gpa)，从而能够缓解模块中由于各组分的热膨胀系数不匹配而导致的热机械应力。此外，烧结银焊膏连接层的高熔点(960℃)使得连接层具有优异的高温抗蠕变能力。

本发明的一种基于低温烧结纳米银焊膏封装igbt芯片的具有双面散热能力的双向开关功率模块通过结构设计，使得模块具有双面散热能力，共发射极连接，功率电流不再流经键合引线，同时，针对薄弱的连接层选用纳米银焊膏，使得模块不仅具有卓越的散热能力，还有优异的可靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于低温烧结纳米银焊膏互连技术的双面散热硅基igbt双向开关模块；由两组双面镀金属膜从而具有双面可焊性的igbt芯片和续流二极管芯片、功率端子和信号端子、缓冲层、粗铝丝、环氧树脂塑封胶、有两个集电极汇流结构的下陶瓷覆铜基板(dbc基板)、作为共发射极汇流结构的上陶瓷覆铜dbc基板组成；通过纳米银低温烧结方法，使得两组igbt芯片和续流二极管并联支路组与下dbc基板相连，之后通过引线键合将硅基igbt的门极引出，再通过缓冲层使硅基半导体芯片与另一作为共发射极汇流结构的上dbc基板相连，实现可双向导通的电路；最后通过塑封制备完成igbt双向开关模块。

所述硅基igbt芯片，需在发射极镀金属膜钛、镍、银，以使其具有双面可焊性，从而使得igbt芯片的集电极可以与下dbc基板通过烧结纳米银焊膏相连，igbt芯片的发射极可以与缓冲层通过烧结纳米银焊膏相连。

所述的igbt芯片并联支路组，每块dbc基板上有若干igbt芯片和续流二极管芯片反向并联；igbt芯片与续流二极管芯片数量比为1：1。

在结构上，所述的双面散热结构，硅基igbt芯片的集电极与下dbc基板通过烧结纳米银焊膏相连，硅基igbt芯片的发射极通过缓冲层与上dbc基板相连，芯片与缓冲层、缓冲层与上dbc基板相连，从而使模块内部产生的热量从芯片集电极和发射极两个方向排出，使散热性能提升约70％左右；所述集电极汇流结构是下dbc基板上与dbc基板其它部分绝缘的结构，如附图3中6所示，实现二极管芯片的阴极与其对应的igbt芯片的集电极电气连接；所述发射极汇流结构是指上dbc基板上实现所有igbt发射极与所有二极管阳极连接的结构，通过这个结构，本双向开关实现共发射极连接。

针对本结构薄弱的连接层，本发明选用纳米银焊膏作为连接材料，利用纳米银优异的导热导电性能，使得模块的热阻电阻进一步降低，更重要的是，由于烧结纳米银焊膏较低的弹性模量使得模块的热机械应力得到松弛，烧结银焊膏连接层的高熔点使得连接层具有优异的高温抗蠕变能力，从而使模块的可靠性得到大幅提升；所述的纳米阴焊膏低温加压烧结方法是：第一步，在硅基igbt的发射极待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm-40μm的单层纳米银焊膏，将缓冲层贴在印刷完焊膏的区域；第二步，在dbc基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm-40μm的单层纳米银焊膏，将贴好缓冲层的芯片贴在印刷完焊膏的区域；第三步，将贴好芯片的dbc基板放置在甲酸环境中施加5-10mpa的压力加热。

具体说明如下：

一种基于低温烧结纳米银焊膏互连技术的双面散热硅基igbt双向开关模块由两组具有双面可焊性的igbt芯片和续流二极管芯片、功率端子和信号端子、缓冲层、粗铝丝、有两个集电极汇流结构的下dbc基板、作为共发射极汇流结构的上dbc基板、环氧树脂塑封胶组成；通过纳米银低温烧结方法，使得两组igbt芯片和续流二极管并联支路组与有两个集电极汇流结构的下dbc基板相连，并通过缓冲层与另一作为共发射极汇流结构的上dbc基板相连，实现可双向导通的电路；再通过塑封制备完成igbt双向开关模块；与同等级的商业硅基igbt双向开关模块相比，本发明的硅基igbt双向开关模块具有良好的电气性能，更低的热阻和更优的散热特性；与采用传统焊料合金的双面散热结构模块相比，本发明的模块中所有互连层均由纳米银焊膏低温加压烧结而成，从而使得模块的热阻电阻进一步降低，更重要的是，由于烧结纳米银焊膏较低的弹性模量使得模块的热机械应力得到松弛，烧结银焊膏连接层的高熔点使得连接层具有优异的高温抗蠕变能力，从而使模块具有高可靠性。

所述的igbt芯片并联支路组，每块dbc基板上有若干igbt芯片和续流二极管芯片反向并联；igbt芯片与续流二极管芯片数量比为1：1。二极管一方面增强双向开关的反向阻断能力，另一方面在igbt换流时对其提供保护。

在结构上，所述的双面散热结构，硅基igbt芯片的集电极与下dbc基板通过烧结纳米银焊膏相连，硅基igbt芯片的发射极通过缓冲层与上dbc基板相连，芯片与缓冲层、缓冲层与上dbc基板相连，从而使模块内部产生的热量从芯片集电极和发射极两个方向排出，使散热性能提升约70％左右；所述集电极汇流结构是下dbc基板上与dbc基板其它部分绝缘的结构，如附图3中6所示，实现二极管芯片的阴极与其对应的igbt芯片的集电极电气连接；所述发射极汇流结构是指上dbc基板上实现所有igbt发射极与所有二极管阳极连接的结构，通过这个结构，本双向开关实现共发射极连接，这对于后续简化驱动十分有利；所述缓冲层可以使用钼或钼铜合金，这是由于其热膨胀系数与硅相近，在温度变化时，对硅基芯片的热机械应力较小，因此优先考虑使用钼或钼铜合金，但考虑到钼的机械加工性较差，导热系数不高，缓冲层也可以使用铜块，此外，无论使用哪种金属，为了增强其焊接性，应在其表面镀银。

所述的纳米阴焊膏低温加压烧结方法是：第一步，在硅基igbt的发射极待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm-40μm的单层纳米银焊膏，将缓冲层贴在印刷完焊膏的区域；第二步，在陶瓷覆铜dbc基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm-40μm的单层纳米银焊膏，将贴好缓冲层的芯片贴在印刷完焊膏的区域；第三步，将印刷完毕的焊膏，加热到90℃-120℃保温5-15分钟预热，预热的目的是在确保焊膏可润湿性的同时使焊膏变得相对干燥，便于其与芯片或基板的连接及之后的热压；第四步，将贴好芯片的dbc放置在甲酸/氮气氛围中施加5-10mpa的压力加热至270℃-290℃保温完成烧结。若温度过高，会导致连接层晶粒长大，从而使得连接层性能恶化，若温度过低，会使得纳米银焊膏中的有机物挥发不完全，从而导致连接层的不致密，纳米银焊膏的烧结也可以采用在甲酸/氮气氛围中的无压烧结，这也可以得到25mpa以上的连接强度，同时能使得烧结时的工装变得简单，但相比于加压烧结，其连接的致密程度还是有所欠缺。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

基于低温烧结纳米银焊膏互连技术的双面散热硅基igbt双向开关模块，制作方法具体包括如下步骤：

步骤一、清洗下dbc基板。将图1所示的下dbc基板超声清洗预处理。首先使用无水酒精超声清洗dbc基板，通过物理震荡的方法去除基板表面可能存在的污染物颗粒，然后用氮气枪吹干dbc基板表面。

步骤二、印刷纳米银焊膏。首先在半导体芯片3、4和dbc基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm的单层纳米银焊膏。

步骤三、贴片组装。首先，利用贴片机将缓冲层5贴在半导体芯片3、4的焊膏印刷区域，再将贴好缓冲层的半导体芯片贴装在下dbc基板的焊膏印刷区域，将贴好芯片的下dbc基板放置在一次焊接夹具中，将功率端子2的一端放置在下dbc的集电极汇流结构上，信号端子1的一端放置在下dbc的电极区域上，另一端均放置在夹具上，并在下dbc与端子之间预印刷焊膏，完成组装，当然，也可以预先将功率端子和端子利用超声焊接技术预先焊在下dbc基板上。

步骤四、一次焊。将组装好的模块放置在加热炉进行烧结，首先将待焊工件加热到100℃预热10min，再在甲酸/氮气氛围中对焊膏施加5mpa的压力加热至280℃保温完成烧结。烧结后完成后的连接层致密，连接强度可达25mpa以上。

步骤五、引线键合。通过引线键合技术实现粗铝丝7的一端与硅基igbt芯片3的门极连接，另一端与dbc基板电极区连接。由于硅基igbt芯片3的发射极通过缓冲层与上dbc基板连接，所以铝线键合的高度不能超过缓冲层的高度，烧结及键合完成模块示意图见图3。

步骤六、二次焊接。首先，按步骤一将上dbc基板清洗干净，再按步骤二在上dbc基板上印刷焊膏，然后置于100℃加热装置中预热10min，之后和下dbc组装，将上dbc倒置，通过夹具使其与一次焊接后的下dbc对齐，组装后如图4所示。将组装完毕的模块放置在加热炉中，对焊膏施加5mpa的压力加热，烧结后完成后的连接层致密，连接强度可达25mpa以上。

步骤七、塑封。利用环氧树脂塑封胶填充模块内部空隙，并形成一个保护外壳，塑封后的模块如图5所示。

实例1：对基于低温烧结纳米银焊膏封装igbt芯片的具有双面散热能力的双向开关功率模块进行绝缘漏电测试，静态i-v特性，动态开关特性测试，与同等级商业模块漏电曲线基本吻合，具有同样良好的电气性能。

实例2：对基于低温烧结纳米银焊膏封装igbt芯片的具有双面散热能力的双向开关功率模块进行热阻测试，与同等级商业模块相比，热阻降低50％，具有更好的散热特性，在相同负载的条件下，基于低温烧结纳米银焊膏封装igbt芯片的具有双面散热能力的双向开关功率模块的结温明显降低。

实例3：对基于低温烧结纳米银焊膏封装igbt芯片的具有双面散热能力的双向开关功率模块进行高低温冲击老化和功率循环老化试验，定义模块的单条通路在额定电流下的导通压降比老化冲击前高20％为失效标准，同等级商业模块低经历500cycles老化后，模块失效，而本发明的模块在800cycles时才失效，拥有优良的可靠性。