一种功率模块焊接用焊片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功率模块焊接用焊片，尤其涉及改善焊片的结构组合。通过使用改善后的焊片，更好地抑制了模块芯片上的局部区域温度过高的问题，延缓了模块的老化速度，提高了使用寿命。
【背景技术】
[0002]随着大功率半导体工艺的发展和完善，已经使功率器件在电子工程的各个领域得到广泛的应用。相比分立器件，功率模块由于其功耗低、成本低、可靠性高的优点，在电机系统，尤其是在纯电动和混合动力汽车的应用方面，具有明显优势。
[0003]但是，由于功率模块连接组件的数量多于分立器件的组件数量，功率模块的焊接层数较多，每一层焊接层界面处的焊接质量对于功率模块的散热性能都有重大影响。就功率模块所有焊接层的焊接难度而言，焊片层的焊接质量最难以控制，对于功率模块散热能力的影响最为重要。
[0004]传统的焊片，即由软钎焊材料组成的片式焊片，在回流焊(回流焊温度高于软钎焊材料的液相线温度)的过程中，由固体状态熔融成液体状态，形成一个较大的球形液滴。在芯片下焊片熔融成液滴形状时，其上功率芯片质量较小，不足以凭借自身的重力使液滴形状发生较大改变，所以芯片上不同区域受到软钎焊材料液滴的张力不同，从而导致芯片较易出现切向方向上的滑动或者在法向方向上的倾斜。一旦芯片出现了位移情况，芯片不同区域到下方底板的热阻便不再相同。热阻较大的部分区域散热能力较差，温度较高，热可靠性较差，更加容易成为失效点。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种功率模块焊接用焊片，能够改善芯片上局部区域温度过高的问题，保证使用寿命。
[0006]为实现上述目的，本发明提供以下技术方案:
[0007]—种功率模块焊接用焊片，包括金属网状骨架，在金属网状骨架的网眼内填充有钎焊材料。
[0008]与现有的传统焊片相比，本发明的新型结构的焊片有以下优点:
[0009](I)对于传统的功率模块用焊片，在回流焊的过程中，固体状态的焊片熔融成为液体状态的焊片，且呈现类似球形的形状，另外，熔融焊片上支撑有长方体结构的固体芯片。芯片放置在焊片上，相当于球形体支撑长方体，造成长方体芯片上每个区域受到球形熔融焊片的支撑力不同。由于力的不同，即可能出现芯片法向方向和切面方向上的位移情况，一旦发生了位移，芯片上不同区域的散热能力也会随之发生改变，不同区域散热能力不一致，进而导致局部区域温度过高的问题。而本发明所述的新型结构的功率模块用焊片，因为网状骨架金属材料6.3.2的液相线温度远大于钎焊温度，网眼内软钎焊材料6.3.1的液相线温度小于钎焊温度，所以在回流焊的过程中，软钎焊材料6.3.1熔融成液体状态，网状骨架金属材料6.3.2不会熔融。98%?99%的软钎焊材料6.3.1熔融之后会注满网眼空间，网状骨架结构为液体状态的软钎焊材料6.3.1提供附着边界，二者形成类平面的结构。新型结构焊片上的芯片在每个区域受力均等，不容易发生切向方向和法向方向上的位移，功率芯片上每个区域到其下方底板的散热路径长度都是一致的，热阻也随之更加均匀化，能够避免功率芯片局部区域温度过高的情况。
[0010](2)本发明所述的新型结构的功率模块用焊片，由于所使用的网状骨架金属材料6.3.2的热导率优于软钎焊材料6.3.1的热导率，相比于传统的软钎焊焊片，新型结构的焊片的复合结构加强了焊片整体的散热能力，使得功率模块热传导效果更好，散热效率更高。
【附图说明】
[0011]图1为本发明所提供的一种新型结构的功率模块用焊片三维视图。
[0012]图2为本发明提供的一种新型结构的功率模块用焊片沿图1A-A截面方向的三维视图。
[0013]图3为本发明提供的一种新型结构的功率模块用焊片沿图2B方向的截面图。
[0014]图4为本发明提供的传统功率模块用焊片结构的三维视图。
[0015]图5为为本发明提供的使用传统焊片的功率模块的主视图(不含电极及信号端子)O
[0016]图6为本发明提供的使用传统焊片的功率模块芯片纵向方向位移的主视图。
[0017]图7为本发明提供的使用传统焊片的功率模块芯片切向方向位移的俯视图。
[0018]图8为本发明提供的使用新型结构焊片的功率模块的主视图。
[0019]图9为本发明提供的使用新型结构焊片的功率模块的三维视图(不含外壳)。
[0020]图10为本发明提供的使用新型结构焊片的功率模块的三维视图。
[0021 ] 其中，100、功率模块；1、绝缘外壳;2、功率端子;3、底板;4、DBC基板，4.1、DBC上表面覆铜，4.2、DBC中间陶瓷，4.3、DBC下表面覆铜；5、功率芯片；6、焊片，6.1、传统芯片下焊片，6.2传统DBC下焊片，6.3、新型结构焊片，6.3.1、钎焊材料，6.3.2、金属网状骨架。
【具体实施方式】
[0022]—种功率模块焊接用焊片，包括金属网状骨架6.3.2，在金属网状骨架6.3.2的网眼内填充有钎焊材料。在本实施例中，金属网状骨架为液相线温度大于450°C以上的包括铜Cu、银Ag、金Au或合金在内的金属材料，且该金属材料的热导率优于普通软钎焊焊片的热导率;钎焊材料为液相线温度在150°C?450°C之间的包括锡Sn、锡铅合金、锡铅银合金在内钎焊材料;焊片厚度为80μπι?ΙΙΟμπι，其中，网状骨架金属材料(6.3.2)与焊片厚度保持一致，钎焊材料填充至网眼内空间的98 %?99 %。
[0023]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图及一优选实例来对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0024]图1为本发明所提供的一种新型结构的功率模块用焊片三维视图，图2为本发明提供的一种新型结构的功率模块用焊片沿图1A-A截面方向的三维视图，图3为本发明提供的一种新型结构的功率模块用焊片沿图2Β方向的截面图，图4为本发明提供的传统功率模块用焊片结构的三维视图，图5为为本发明提供的使用传统焊片的功率模块的主视图(不含电极及信号端子)，图6为本发明提供的使用传统焊片的功率模块芯片纵向方向位移的主视图，图7为本发明提供的使用传统焊片的功率模块芯片切向方向位移的俯视图，图8为本发明提供的使用新型结构焊片的功率模块的主视图。
[0025]如图1、2、3所示，新型结构的焊片的网状骨架由液相线温度>450°C的金属材料
6.3.2构成，如铜Cu、金Au、银Ag或者其合金等；网眼空间内填充的材料为液相线温度处于150°C?450°C之内的软钎焊材料(6.3.1)，如锡Sn、合金材料等。新型结构的焊片的厚度为80μπι?ΙΙΟμπι，其中，网状骨架的厚度同焊片的厚度保持一致，网眼空间内98%?99%填充为软钎焊材料。
[0026]一种新型结构的功率模块用焊片，其制备方法包括:将液相线温度>450°C的金属片式材料钻孔成为网状结构，然后将网状骨架金属材料6.3.2固定，熔融的软钎焊材料6.3.1注入至网眼空间中，当网眼空间内填满软钎焊材料(6.3.1)时，经冷却、冲压之后，便形成了新型结构的功率模块用焊片的成品。
[0027]图4所示为一种传统结构的功率模块用焊片，该传统焊片在回流焊的过程中，会熔化成球形状态，其上面承载的芯片依靠自身的重力不足以克服焊片液滴表面的张力使液滴产生较大形变，导致焊片上方的芯片比较容易产生切向和法向上的位移，如图6所示为使用传统功率模块用焊片的芯片产生纵向方向位移的图例，图7则为使用传统功率模块用焊片的芯片产生切向方向位移的图例说明。
[0028]如图8所示，一种新型结构的功率模块用焊片，用于芯片与DBC基板之间的相连焊接，DBC基板和底板之间仍然使用传统的焊片进行焊接相连。在回流焊的过程中，金属材料6.3.2为熔融的软钎焊材料6.3.1提供附着点，熔融的软钎焊材料与仍然是固体状态的网状骨架形成了类平面的结构，上面放置的芯片无论是法向方向还是切向方向上都更加不容易产生位移。DBC基板和底板之间仍然使用传统的焊片焊接相连，是因为DBC基板和其上方承重的芯片等组件综合起来有足够大的重力来使得DBC基板下液体焊料发生较大的形变，DBC基板各区域受力变得较为一致，不容易移动。
[0029]如图5、8所示，使用传统焊片和新型结构焊片的功率模块。对于图5所示的使用传统功率模块用焊片产生位移的情况，如图6、7，芯片上不同区域到底板表面的热阻是不等的，芯片上不同区域的散热能力因此也不一致，导致芯片上的局部区域温度过高，加速功率模块整体的老化。图8所示的使用新型结构焊片的功率模块中的芯片更加不容易产生位移，芯片上不同区域到底板表面的热阻更加均匀，不会出现部分区域温度过高的问题。同时，新型结构中网状骨架的金属材料(6.3.2)的热导率优于传统软钎焊材料，复合的新型结构的焊片减小了芯片到底板的热阻，提高了功率模块的散热能力。
[0030]本发明的应用实例并不局限于菱形的网状孔，它同样适用于其他形状的网状孔。
[0031]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不限定本发明的保护范围。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种功率模块焊接用焊片，其特征在于，包括金属网状骨架(6.3.2)，在金属网状骨架(6.3.2)的网眼内填充有钎焊材料。2.根据权利要求书I所述的功率模块焊接用焊片，其特征在于，金属网状骨架为液相线温度大于450°C以上的包括铜Cu、银Ag、金Au或合金在内的金属材料，且该金属材料的热导率优于普通软钎焊焊片的热导率;钎焊材料为液相线温度在150°C?450°C之间的包括锡Sn、锡铅合金、锡铅银合金在内钎焊材料。3.根据权利要求书I或2所述的功率模块焊接用焊片，其特征在于，焊片厚度为80μπι?ΙΙΟμπι，其中，金属网状骨架(6.3.2)与焊片厚度保持一致，钎焊材料填充至网眼内空间的98%?99%。
【专利摘要】本发明公开了一种功率模块焊接用焊片，包括金属网状骨架，在金属网状骨架的网眼空间内填充有钎焊材料。因为金属网状骨架的液相线温度远大于钎焊温度，在回流焊的过程中，钎焊材料先熔融成液体状态，98％～99％的钎焊材料熔融之后会注满网眼空间，金属网状骨架为液体状态的钎焊材料提供附着边界，二者形成类平面的结构。焊片上的芯片在每个区域受力均匀，不容易发生切向方向和法向方向上的位移，功率芯片上每个区域到其下方底板的散热路径长度都是一致的，热阻也随之更加均匀化，能够避免功率芯片局部区域温度过高的情况。
【IPC分类】B23K35/24, B23K35/28, H01L23/367
【公开号】CN105537793
【申请号】CN201610029389
【发明人】刘斯扬, 魏家行, 王宁, 宋海洋, 叶然, 孙伟锋, 陆生礼, 时龙兴
【申请人】东南大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月15日