一种无压烧结连接大功率gto模块的方法
【专利摘要】本发明公开了一种无压烧结连接大功率GTO模块的方法；以钛为中间金属层，利用磁控溅射设备实现钼基板表面镀银，接着通过纳米银焊膏低温无压烧结实现芯片与基板大面积互连。对钼基板进行等离子清洗，实现表面清洁活化；通过磁控溅射设备依次镀钛和银，将试样在氮气或者惰性气体下进行热处理保证镀膜的稳定性。镀银膜的厚度可通过镀膜功率和镀膜时间来调节。钛作为金属过渡层可以克服由于银和钼互不固溶体造成的无法在钼上镀银的问题。烧结后的银接头具有高的导电性能(4.10×107S m‐1)和导热性能(240W K‐1m‐1)；烧结后的银接头可耐高温(<960℃)，进一步提高了模块的应用温度范围。
【专利说明】一种无压烧结连接大功率GTO模块的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率电子器件封装【技术领域】，具体地说，涉及大功率可关断晶闸管(GTO)封装过程中钥基板表面改性，及采用纳米银焊膏低温无压烧结实现GTO芯片与钥基板大面积连接的方法。
【背景技术】
[0002]可关断晶闸管工作电流大，在大容量变频器中居主要地位，但其制造过程中芯片与钥基板的互连一直是个难题。由于温度和芯片承受载荷的限制，现有技术主要为真空扩散互连，镀膜的芯片与镀膜基板在适当的压力和温度下保持长时间，通过界面原子扩散实现互连。这种技术成本高，且界面处形成的金属间化合物会降低GTO的可靠性。此外随着互连面积的增大，工艺将较为复杂。因此在高压/大功率/大电流GTO封装过程中急需一种简单可靠的大面积芯片与基板的互连技术。功率大则芯片的面积也变大，连接的难度增大；纳米银焊膏作为绿色“无铅化”的高温互连材料在大功率电力电子器件中的应用备受关注，本发明创新性采用纳米银焊膏低温无压烧结技术实现大面积芯片与钥基板之间的互连。但是在利用纳米银作为互连材料之前，钥基板需要进行表面处理一镀银。银和钥是互不固溶体系，生成热为正，因此很难通过扩散而实现合金化来完成钥表面直接镀银。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术的问题，本发明主要提出了一种无压烧结连接大功率(>10MVA)GTO模块的方法。本发明以钛为中间金属层实现钥基板镀银，后期配合适当的热处理工艺，成功保证了镀膜的质量，接着利用低温无压烧结工艺实现GTO芯片与钥基板的大面积连接，这为高性能电力电子模块的制造接奠定了基础。
[0004]本发明方法通过以下技术方案实现。
[0005]一种无压烧结连接大功率GTO模块的方法，其特征是以钛为中间金属层，利用磁控溅射设备实现钥基板表面镀银，接着通过纳米银焊膏低温无压烧结实现芯片与基板大面积互连。
[0006]具体步骤如下:
[0007](I)对钥基板进行预处理，去除表面污染物，使表面清洁；
[0008](2)进行镀膜，在钥基板上依次镀钛膜和银膜；
[0009](3)对镀膜试样进行退火处理，随炉冷，保护气氛为高纯度> 99.99%在氮气或惰性气体IS气；
[0010](4)使用纳米银焊膏作为互连材料，焊膏涂抹厚度为30-90um，芯片与基板的连接面积为314-1256mm2，将互连接头放在加热台或者加热炉中，实现芯片与基板的低温无压烧结互连，其升温速率为3-8°C /min，加热到250_320°C，保温5_30min ;芯片与钥基板实现连接，中间的焊膏层的厚度降为15-45um。
[0011]所述的步骤(I)通过磁控溅射设备自带的等离子清洗装置清洗钥基板表面。
[0012]所述的步骤(2)，通过调节溅射功率来控制镀膜的速率，调节溅射时间来控制最终膜层的厚度。
[0013]所述的步骤(2)，镀钛是功率为20-30W，时间为10_30min。
[0014]所述的步骤(2)，镀银功率为20-30W，时间为30_80min。
[0015]所述的步骤(3)，退火处理温度300-900°C，时间60_240min。
[0016]以钛为中间金属层，利用磁控溅射设备实现钥基板表面镀银，接着通过纳米银焊膏低温无压烧结实现芯片与基板大面积互连，工艺简单且封装可靠性高；在钥基板上依次镀钛膜和银膜，通过调节溅射功率来控制镀膜的速率，调节溅射时间来控制最终膜层的厚度，镀膜的厚度很据具体情况进行适当调节。
[0017]通过热处理加强界面原子的扩散使得镀膜的与基板的连接更加牢退，同时使表面镀银层更加致密，保证镀膜的可靠性。
[0018]使用纳米银焊膏作为互连材料，连接接头的示意图如图1所示，图中I为钥基板，其面积为325-1240mm2 ；2为磁控溅射镀的膜，3纳米银焊膏，焊膏涂抹厚度为30-90um，4GT0芯片，面积为314-1256mm2，将互连接头放在加热台或者加热炉中，按照图2的烧结曲线实现芯片与基板的低温无压烧结互连，其升温速率为3-8°C /min，加热到250-320°C，保温5-30min。经过烧结，芯片与钥基板实现连接，中间的焊膏层的厚度降为15_45um。
[0019]本发明一种钥基板镀银的方法，以金属钛作为为过渡层，利用磁控溅射设备实现钥基板薄膜银层金属化，最终配合适当热处理工艺获得优质可靠的表层银膜。
[0020]以金属钛作为为过渡层。金属钛可以分别和钥及银互连，从而避免钥上无法直接镀银的问题。
[0021]先在钥基板上镀钛作为中间层，接着镀银作为表面层，最后配合热处理工艺保证镀膜的稳定性。
[0022]本发明公布了一种无压烧结连接大功率晶闸管(GTO)模块的新方法，主要特征在于采用了纳米银焊膏低温无压烧结技术实现大功率GTO封装过程中芯片与钥基板的大面积互连。相比传统真空扩散互连工艺(工艺温度高达600°C )，本发明的工艺温度低，低至250°C，因此互连过程中造成的热应力低，封装的可靠性好；且本发明采用了无压工艺不会对芯片造成任何预损坏，工艺简单。此外，烧结后的银接头具有高的导电性能(4.1OXlO7SπΓ1)和导热性能(240W IT1Iir1),可提高GTO模块的散热性能从而提高其可靠性；烧结后的银接头可耐高温(<960°C )，进一步提高了模块的应用温度范围。利用纳米银焊膏实现芯片与钥基板互连之前，本发明通过对钥基板进行表面改性一镀银，来提高连接性能。由于银和钥互不固溶体钥基板直接镀银的效果不好。本发明选择钛为过渡金属层，利用磁控溅射的方法实现钥基板表面沉积银薄膜，最后配合热处理工艺得到了质量优、性能可靠的银薄膜。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1:芯片与钥基板互连示意图，I钥基板，2镀膜，3纳米银焊膏，4GT0芯片；
[0024]图2:焊膏烧结曲线；
[0025]图3:表面镀银层微观形貌；
[0026]图4:镀层的能谱图；
[0027]图5:断口图。
【具体实施方式】
[0028]本发明提供了一种无压烧结连接大功率GTO模块的新方法。整个过程分为两大部分，第一部分为镀膜工艺，第二部分为连接工艺。整个过程需一台超高真空磁控及等离子束清洗镀膜装置，一台热处理炉及一个可控编程加热台。以钛为中间金属层，利用真空磁控溅射设备实现钥基板表面镀银，接着通过热处理工艺来提高镀膜的可靠性，最后使用纳米银焊膏作为互连材料，通过合适的烧结曲线实现GTO芯片与钥基板无压烧结连接。
[0029]实例I
[0030]钥基板面积708mm,芯片面积700mm,等离子清洗钥表面,清洗时间为30min ;在钥基板上镀钛膜，镀膜功率为20W，时间为15min，接着镀银，功率为20W，时间30min，得到的钛膜厚为260nm，银膜厚为10nm ;热处理温度为300°C，保温时间240min。最终表面镀银层微观形貌如图3所示，镀层的能谱图如图4所示。纳米银焊膏作为芯片与基板的之间的连接材料，焊膏涂抹的厚度为50um，烧结升温速率为5°C /min，加热到270°C，保温15min。接头力学性能测试强度达到25MPa，且最终断裂处均发生在纳米银膏层，如图5所示。烧结后的银接头具有高的导电性能(4.1OXlO7S m-1)和导热性能(240W K-V1)，提高I 了 GTO模块的散热性能从而提高其可靠性；烧结后的银接头可耐高温(<960°C )，进一步提高了模块的应用温度范围。
[0031]实例2
[0032]钥基板面积708mm，芯片面积700mm，镀膜工艺:等离子清洗钥表面，清洗时间为30min ;在钥基板上镀钛膜，镀膜功率为25W，时间为lOmin，接着镀银，功率为25W，时间60min，热处理温度为600°C，保温时间120min。焊膏涂抹的厚度为90um，烧结温度曲线:升温速率为8°C /min,加热到250°C，保温30min。整个封装工艺简单，且最终封装好的GTO模块散热性好，可靠性高。
[0033]实例3
[0034]钥基板面积708mm，芯片面积700mm，镀膜工艺:等离子清洗钥表面，清洗时间为30min ;在钥基板上镀钛膜，镀膜功率为30W，时间为15min，接着镀银，功率为30W，时间80min，热处理温度为900°C，保温时间60min。焊膏涂抹的厚度为90um，烧结温度曲线:升温速率为3°C /min,加热到320°C，保温5min。整个封装工艺简单，且最终封装好的GTO模块散热性好，可靠性高。
[0035]实例4
[0036]钥基板面积1240mm，芯片面积1256mm镀膜工艺:等离子清洗钥表面，清洗时间为30min ;在钥基板上镀钛膜，镀膜功率为30W，时间为15min，接着镀银，功率为30W，时间80min，热处理温度为900°C，保温时间60min。焊膏涂抹的厚度为90um，烧结温度曲线:升温速率为3°C /min，加热到320°C，保温5min，整个封装工艺简单。随着钥基板和芯片的增大，封装的可靠性有所下降，但力学性能测试强度达到20MPa，满足应用的要求。
[0037]实例5
[0038]钥基板面积325mm，芯片面积314mm，镀膜工艺:等离子清洗钥表面，清洗时间为30min ;在钥基板上镀钛膜，镀膜功率为25W，时间为lOmin，接着镀银，功率为25W，时间60min，热处理温度为600°C，保温时间120min。焊膏涂抹的厚度为90um，烧结温度曲线:升温速率为8°C /min,加热到250°C，保温30min。整个封装工艺简单，且最终封装好的GTO模块散热性好，可靠性高。
[0039] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种无压烧结连接大功率GTO模块的方法，其特征是以钛为中间金属层，利用磁控溅射设备实现钥基板表面镀银，接着通过纳米银焊膏低温无压烧结实现芯片与基板大面积互连。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是具体步骤如下: (1)对钥基板进行预处理，去除表面污染物，使表面清洁； (2)进行镀膜，在钥基板上依次镀钛膜和银膜； (3)对镀膜试样进行退火处理，随炉冷，保护气氛为高纯度>99.99%在氮气或惰性气体氩气； (4)使用纳米银焊膏作为互连材料，焊膏涂抹厚度为30-90um，芯片与基板的连接面积为314-1256mm2，将互连接头放在加热台或者加热炉中，实现芯片与基板的低温无压烧结互连，其升温速率为3-8°C /min，加热到250_320°C，保温5_30min ;芯片与钥基板实现连接，中间的焊膏层的厚度降为15-45um。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤(I)通过磁控溅射设备自带的等离子清洗装置清洗钥基板表面。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤(2)，通过调节溅射功率来控制镀膜的速率，调节溅射时间来控制最终膜层的厚度。
5.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤(2)，镀钛是功率为20-30W，时间为10_30min。
6.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤(2)，镀银功率为20-30W，时间为30_80mino
7.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤(3)，退火处理温度300-900°C，时间60_240mino
【文档编号】H01L21/60GK104319241SQ201410470189
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】梅云辉, 李万里, 陆国权, 李欣 申请人:天津大学