一种无铅扩散焊的功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种无铅扩散焊的功率模块，属于半导体功率模块的封装领域。
【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(D1DE)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(Soft soldering)连接的，如芯片-DBC、DBC-基板之间焊接。
[0004]现在应用中已需求更大的功率密度，相应的芯片结温可达175°C甚至200°C，而这就与熔化温度约220°C的标准锡基软钎焊料相矛盾。因为如果使用这种软钎焊料焊接芯片，模块工作时的芯片结温与焊料熔化温度将非常接近，同系温度>0.8(同系温度，homologoustemperature, TtjpZTmedt=Ttom),这将导致焊接层在热应力负载下很快就疲劳失效。
[0005]为了解决这个矛盾，至少有三种解决方案。一是使用熔化温度更高的软钎焊焊料。二是银楽烧结技术(Ag paste sintering)。三是扩散焊接技术(diffus1n soldering)。一般地，熔化温度更高的焊料通常是高铅合金，但这与无铅化的趋势相矛盾，所以只能作为暂时的解决办法。银浆烧结技术是最近兴起的一种新技术，很有发展前途，但目前看来，有几个不足影响了其大规模应用:材料成本高，待烧结界面需特殊处理，烧结参数极端(大压力或长时间)，与现有软钎焊工艺相差较大，需要投资购买新的设备等。
[0006]相比而言，扩散焊接技术与现有软钎焊工艺相似，可以参考现有的工艺和设备，都是形成恪化温度高的金属间化合物(Intermetallics compounds, IMCs)。软钎焊只是焊接界面形成薄的一层金属间化合物，焊接层中间还是未反应的焊料合金。而扩散焊接是整个焊接层都转变成金属间化合物，焊接层中没有未反应的焊料合金。根据选择的芯片表面金属和焊料材料，通常形成Ag-Sn，Cu-Sn或N1-Sn等金属间化合物。这些金属间化合物的熔化温度可达4000C，甚至600°C以上。
[0007]由于焊接层的熔化温度有了极大的提高，同系温度〈0.65，减少热应力疲劳失效。提高了温度和功率循环能力，提升了模块的可靠性，即保持长期可靠的电气、热、机械连接。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构合理，制作工艺简单，既能满足无铅环保要求，又能提高模块的可靠性，减少热应力造成的疲劳失效，降低生产成本，减少环境污染的无铅扩散焊的功率模块。
[0009]本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种无铅扩散焊的功率模块，它主要包括:金属化陶瓷衬底，半导体芯片，键合金属线，第一焊接层，第二焊接层及基板，所述金属化陶瓷衬底由第一金属层、陶瓷层和第二金属层通过金属化陶瓷工艺制成，所述的第一焊接层和第二焊接层为片状的复合焊片，由中间金属层和两边焊料合金层复合而成；所述的半导体芯片通过第一焊接层的扩散软钎焊接到金属化陶瓷衬底上；所述的金属化陶瓷衬底通过第二焊接层扩散软钎焊接到基板上；所述半导体芯片通过键合金属线电连接到金属化陶瓷衬底的上面第一金属层上。
[0010]所述复合焊片的中间金属层是Ag或Cu，两边的焊料合金层是SnAg系或SnCu系；所述的金属化陶瓷工艺包括直接键合铜工艺(DBC，或称直接覆铜工艺)，活性金属钎焊(AMB)工艺，或其它合适的工艺；所述的基板上连接有包围模块上半部分的外壳，并在外壳内填充有包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一的填充材料。
[0011]所述复合焊片两边焊料合金层通过派射(sputtering)、层压(laminating)或电镀(plating)方法与中间金属层做成复合焊片；所述外壳包围的模块上部分包括:功率端子的一部分、键合金属线、半导体芯片、第一焊接层、金属化陶瓷衬底第二焊接层，且所述模块的上部分被外壳内的填充材料所覆盖。
[0012]所述复合焊片的中间金属层的厚度是25-125微米，两边焊料合金层的厚度是2.5-15微米，所述复合焊片的总厚度是30-155微米。
[0013]本发明使用扩散焊接技术，实现芯片与直接键合铜陶瓷衬底(DBC)之间完全生成金属间化合物的焊接，其中焊接原材料是一种复合焊片，其中间一层是金属如Ag，Cu，两边是焊料合金如SnAg系或SnCu系；待焊接表面金属和复合焊片的焊料合金层完全转变成金属间化合物，复合焊片的中间一层金属未熔化。典型的金属间化合物如下:
Cu3Sn, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag6Sn5
焊接过程中，可施加助焊剂或在还原性气氛下还原待焊接表面和复合焊片，以获得良好的焊接性，形成可靠的焊点。若辅以抽真空，焊接层中的气孔则进一步减少，典型地气孔率〈5%。
[0014]本发明具有结构合理，制作工艺简单，既能满足无铅环保要求，又能提高模块的可靠性，减少热应力造成的疲劳失效，降低生产成本，减少环境污染等特点。
【附图说明】
[0015]图1是本发明所述一个隐去外壳和端子后的模块俯视结构示意图。
[0016]图2是本发明所述一个复合焊片的横截面视图。
[0017]图3是本发明所述陶瓷衬底上放置复合焊片和半导体芯片的固定框横截面视图。
[0018]图4是本发明所述陶瓷衬底上固定框内放置复合焊片的横截面视图。
[0019]图5是本发明所述陶瓷衬底上固定框内、复合焊片上放置半导体芯片的横截面视图。
[0020]图6是本发明所述芯片-陶瓷衬底在扩散焊接后、移除固定框后半组装体横截面视图。
[0021]图7是本发明所述扩散焊接后组装体的局部横截面视图。
[0022]图8是本发明所述扩散焊接芯片、元件与陶瓷衬底后的俯视图。
【具体实施方式】
[0023]下面将结合附图对本发明作详细的说明。图1-8所示，本发明所述的一种无铅扩散焊的功率模块，它主要包括:金属化陶瓷衬底020，半导体芯片014，键合金属线006，第一焊接层018，第二焊接层024及基板008，所述金属化陶瓷衬底020由第一金属层020A、陶瓷层020B和第二金属层020C通过金属化陶瓷工艺制成，所述的第一焊接层018和第二焊接层024为片状的复合焊片016，由中间金属层016B和两边焊料合金层016A、016C复合而成；所述的半导体芯片014通过第一焊接层018的扩散软钎焊接到金属化陶瓷衬底020上；所述的金属化陶瓷衬底020通过第二焊接层024扩散软钎焊接到基板008上；所述半导体芯片014通过键合金属线006电连接到金属化陶瓷衬底020的上面第一金属层020A上。
[0024]本发明所述复合焊片016的中间金属层016B是Ag或Cu，两边的焊料合金层016A、016C是SnAg系或SnCu系；所述的金属化陶瓷工艺包括直接键合铜工艺(DBC，或称直接覆铜工艺)，活性金属钎焊(AMB)工艺，或其它合适的工艺；所述的基板008上连接有包围模块上半部分的外壳002，并在外壳002内填充有包括硅凝胶或者硅凝胶、环氧双层结构之一的填充材料026。
[0025]所述复合焊片016两边焊料合金层通过派射(sputtering)、层压(laminating)或电镀(plating)方法与中间金属层做成复合焊片；所述外壳002包围的模块上部分包括:端子的一部分、键合线、半导体芯片、第一焊