一种陶瓷板和引线框架共晶方法与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种陶瓷板和引线框架共晶方法。


背景技术：

2.新兴的半导体电子技术在工业、商用、新能源等领域得到了极大发展，尤其是各种ic及功率器件，需求数量及性能都在逐年提升，因此更高性能、更高效率、更高可靠性的器件是各个领域未来的主要需求。本文涉及到的共晶材料则为半导体器件封装领域的重要材料，能够极大程度改良器件的封装形式以及提升器件的可靠性。
3.陶瓷板和金属板共晶的典型应用为dbc(direct bonding copper)简称陶瓷覆铜板，又称直接键合铜陶瓷板。有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性，又兼具无氧铜的高导电性和优异焊接性能，且能像pcb电路板一样刻蚀出各种图形。陶瓷基片与铜箔在高温(1065℃)下共晶烧结而成，最后根据电路要求，以刻蚀方式形成电路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力，而陶瓷能有效控制cu-陶瓷-cu复合体的膨胀，使dbc基板具有近似陶瓷的热膨胀系数。dbc具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点，已广泛应用于igbt、ipm、pim和ld等封装。
4.现有的采用dbc的诸多封装技术中，封装的引出脚和dbc是2个部件，封装的引出脚需要跟dbc键合，一般的键合形式为激光点焊，而引脚材质有时也不同于dbc的表面材质，这样封装的引脚和dbc的焊点可能会出现虚焊、脱焊、焊接老化失效等现象，会引起器件失效。
5.一般的封装形式是将属于2个部件的引线框架与dbc的敷铜面进行键合，这种封装形式会产生更多的焊点，带来更大的内阻，会降低器件的可靠性并一定程度上降低器件的电性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种陶瓷板和引线框架共晶方法，本发明通过一种陶瓷板和引线框架共晶的结构和方法，在保持陶瓷板和金属板共晶后优良导热性能的基础上，彻底解决了封装引脚和原有dbc焊点之间老化问题。
7.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
8.一种陶瓷板和引线框架共晶方法，包括以下步骤：
9.步骤1，对引线框架做部分处理，做出符合引脚要求和贴片要求的引线框架图案，根据图案对引线框架进行加工；
10.步骤2，为保障引脚的稳定性和可靠性，对引脚做处理，给引脚留出足够的形变空间，并考虑热胀冷缩带来的余量空间，避免因膨胀或缩小带来的应力导致结构失效；或在大电流引脚上加工孔，便于大电流接触；
11.步骤3，选择合适的陶瓷板作为中间材料，合适的陶瓷板提高结构强度，并且能够抑制金属-陶瓷-金属复合体的膨胀，使dbm具有近似陶瓷的热膨胀系数；
12.步骤4，在承载治具上放置金属板与陶瓷板；将选定的陶瓷板放置于金属板上，再
将冲压定型后的引线框架放置于陶瓷板上方指定位置，并且用专用治具固定位置，且给该复合结构适当的正压力；
13.步骤5，将固定好的复合结构送至高温炉中发生共晶反应，得到底层是金属，中间层是陶瓷，最上层是引线框架；
14.步骤6，根据实际需要将dbm中的引线框架蚀刻出需要的电路，若如果引线框架已经预先制作好了全部线路，则可以省去步骤6。
15.进一步方案为，所述引线框架的引脚出脚方式包括单侧出脚、2侧出脚、3侧出脚、4侧出脚、多侧出脚、任意侧出脚。
16.进一步方案为，所述陶瓷板形状、引线框架形状、金属板形状包括规则多边形、不规则多边形、圆形、椭圆、不规则曲边形状。
17.进一步方案为，所述引线框架材质为任意金属或合金；引线框架结构为平面框架，或非平面框架。
18.进一步方案为，所述引线框架厚度为0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm，或0.01～5mm。
19.进一步方案为，所述陶瓷板包括氧化铝、氮化铝、氮化硅、高强度氮化铝、氧化锆。
20.进一步方案为，所述粘合方法采用高温下共晶的方法，若用铜板和铜引线框架，那么就是在1065～1083℃的条件下cu与氧化铝或氮化铝间的共晶反应。
21.本发明的有益效果在于：
22.引线框架与陶瓷板利用共晶反应直接粘合，引线框架和陶瓷板之间直接共晶粘合，既增加了引脚的抗拉强度，又提高了功率器件的工作性能。陶瓷板替代了原来的导热绝缘片，能够提供更好的结构强度，更好的绝缘性能。一般绝缘片的导热系数为一般为5.8w/(m
·
k)，氧化铝的热导率一般为24w/(m
·
k)，aln的导热率则为170w/(m
·
k)，陶瓷板拥有更好的导热性能。
23.共晶反应后的引线框架和陶瓷粘合紧密，能够满足车规的功率循环测试，不会产生金属和陶瓷分层的现象。
24.金属板的引脚与陶瓷板为一个整体，并非一般封装的焊接连接，因此引脚的强度会更好，同时能够带来更小的内阻和寄生电感以及更高的可靠性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明根据引脚要求加工后的引线框架的俯视图。
27.图2为本发明引线框架冲压后与陶瓷板共晶结合后的模型示例图。
28.图3为本发明模型示例的左示图。
29.图4为本发明非平面型框架共晶粘合的ipm的结构示意图。
30.图5为本发明平面型引线框架共晶粘合的制造流程示意图。
31.图6为本发明非平面型引线框架共晶粘合的制造流程示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
33.在任一实施例中，如图1-6所示，本发明的一种陶瓷板和引线框架共晶方法，包括：
34.通过专用治具，先在治具内放置金属板和陶瓷板，再放置引线框架。如果金属引线框架是铜材料，则引线框架需经过预氧化工艺，若是陶瓷板采用aln，还需要对陶瓷板进行预氧化生成氧化铝薄膜，一起送入高温炉中，铜的熔点在1083.4℃左右，铝的熔点在660℃左右，氧化铝或aln的熔点都远高于2000℃，高温炉中的温度能够达到1065℃～1083℃，在此温度下，向高温炉中通入氧气得到cu-o共晶液，键合界面能形成足够的cuxoy相来湿润氧化铝陶瓷板与铜框架，铜(cu)和铝(al)能够发生共晶反应。高温下的两种金属微溶体(cu、al)能够同时结晶出两种一定成分的中间相(固相)，所生成的两种中间相(固相)机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，从而实现铜(cu)框架与陶瓷板(氧化铝或aln)化学冶金结合，这种键合方式具有较高的键合强度。
35.具体步骤为：
36.步骤1，对引线框架做部分处理，做出符合引脚要求和贴片要求的引线框架图案，根据图案对引线框架进行加工；
37.步骤2，为保障引脚的稳定性和可靠性，对引脚做处理，给引脚留出足够的形变空间，并考虑热胀冷缩带来的余量空间，避免因膨胀或缩小带来的应力导致结构失效；或在大电流引脚上加工孔，便于大电流接触；
38.步骤3，选择合适的陶瓷板作为中间材料，合适的陶瓷板提高结构强度，并且能够抑制金属-陶瓷-金属复合体的膨胀，使dbm具有近似陶瓷的热膨胀系数；
39.步骤4，在承载治具上放置金属板与陶瓷板；将选定的陶瓷板放置于金属板上，再将冲压定型后的引线框架放置于陶瓷板上方指定位置，并且用专用治具固定位置，且给该复合结构适当的正压力；
40.步骤5，将固定好的复合结构送至高温炉中发生共晶反应，得到底层是金属，中间层是陶瓷，最上层是引线框架；
41.步骤6，根据实际需要将dbm中的引线框架蚀刻出需要的电路，若如果引线框架已经预先制作好了全部线路，则可以省去步骤6。
42.如图1所示，引线框架的引脚已经预先制作好，101、102、103、104、105、106、109、114、119为大电流接线端子，其他均为小电流接线端子。引线框架从2侧引脚引出，符合本结构特征的任意侧引脚引出都在本专利保护范围之内，包括单侧引脚引出、2侧引脚引出、3侧引脚引出、4侧引脚引出、多侧引脚引出、任意面引脚引出。
43.图1中，陶瓷板、金属板和引线框架板都是方形，符合本结构特征的任意形状的陶瓷板、金属板、引线框架都在本专利保护范围之内，包括规则多边形、不规则多边形、圆形、椭圆、不规则曲边等形状。
44.图2为引线框架冲压后与陶瓷板共晶结合后的模型示例，图3是模型示例的左示图；图3中301为引线框架，302、304为两个通孔，303为冲压后的引线，305为陶瓷板；
45.图4是非平面型框架共晶粘合的ipm的结构示意图。
46.图4中401为共晶粘合后的引线框架402为键合所用的铝线或铝带或铜带；403、404、406、407为半导体芯片；405为键合所用的金线或合金线或铜线；408为共晶粘合后的陶瓷板；409为共晶粘合后的铜板层。
47.图5和图6以氧化铝板和铜引线框架和铜板的dbc为例，分别表示了2种共晶的工艺方法，图5为平面型引线框架共晶粘合的制造流程示意图，图6非平面型引线框架共晶粘合的制造流程示意图。
48.图5中501为引线框架；502为陶瓷板；503为覆在陶瓷板下面的铜层；
49.图6中601为引线框架；602为陶瓷板；603为覆在陶瓷板下面的铜层。
50.陶瓷板和金属板共晶的结构包含陶瓷板，1侧金属板或2侧金属板，其中一侧的金属板是引线框架，金属板的材质可以为任意金属或合金。
51.引线框架和陶瓷共晶结合后，能够在一定程度上降低内阻和寄生电感，提高器件性能。
52.陶瓷板可以是氧化铝或者氮化铝但不限于这两种高导热绝缘物质。
53.引线框架材质可以是铜，但不限于铜，可以为任意金属或合金。引线框架可以是平面框架，也可以是非平面框架。
54.引线框架厚度有0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm和0.6mm等，但不限于这些厚度。
55.粘合方法采用高温下共晶的方法，假设使用铜板和铜引线框架，那么就是在(1065～1083℃)的条件下cu与氧化铝或氮化铝间的共晶反应。
56.引线框架形状、金属板形状、陶瓷板形状包括规则多边形、不规则多边形、圆形、椭圆、不规则曲边等形状。
57.引线框架可以是预先蚀刻成电路的引线框架，也可以是预先没有蚀刻电路的引线框架。
58.引线框架的引脚出脚方式包括单侧出脚、2侧出脚、3侧出脚、4侧出脚、多侧出脚、任意侧出脚。
59.引线框架的引脚数量可以是任意数量。
60.引线框架的引脚形状可以是任意形状。
61.引线框架的引脚可以在共晶反应前制作好，也可以在共晶反应后制作。
62.引线框架和陶瓷接触的电路可以在共晶反应前制作好，也可以在共晶反应后制作。
63.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。