專利名稱：采用激光焊接端子的功率模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用激光焊接端子的功率模塊。
背景技術：
現(xiàn)有的功率模塊，其端子通過釬焊料釬焊在DBC基板上，釬焊料主要有錫鉛，錫鉛銀，錫銀和錫銀銅合金，它們的熔點范圍在179-221°C，由于材料熱膨脹系數(shù)的差異，在模塊使用的過程中由于溫度的變化會導致熱應力，釬焊料在熱應力反復作用下會產(chǎn)生塑性變形。另外模塊在安裝使用的過程中端子和外部連接板之間還存在機械應力。釬焊點在應力的作用下會疲勞進而引起裂紋而導致失效。激光焊接是利用高能量的激光脈沖對材料進行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導向材料的內(nèi)部擴散，將材料熔化后形成特定熔池。它是一種新型的焊接方式，可實現(xiàn)點焊、對接焊、疊焊、密封焊等，深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫平整、美觀，焊后無需處理或只需簡單處理，焊縫質(zhì)量高，無氣孔，可精確控制，聚焦光點小，定位精度高，易實現(xiàn)自動化。焊接特性屬于熔融和非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓。目前，激光焊接已經(jīng)在以下領域得到廣泛的應用。1.制造業(yè)的應用。激光拼焊技術在國內(nèi)外轎車制造中得到廣泛的應用，據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。2.粉末冶金領域。隨著科學技術的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術上對材料特殊要求，應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。激光焊接以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性。3.汽車工業(yè)。20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。4.電子工業(yè)。激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區(qū)小且加熱集中迅速、熱應力低，因而在集成電路和半導體器件的封裝中，顯示出獨特的優(yōu)越性，如傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片的焊接，因其厚度在
0.05-0.1mm,采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。5.生物醫(yī)學。激光焊接各種生物組織，激光焊接方法與傳統(tǒng)的縫合方法比較，具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應，保持焊接部位的機械性質(zhì)，被修復組織按其原生物力學性狀生長等優(yōu)點，因而得到很廣泛的應用。6.其他領域。在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加，特別是在特種材料焊接，如對鋰離子電池的激光焊接，平板玻璃的激光焊接。激光在焊接高反射性和高熱導率材料例如鋁，銅及其合金時，焊接性會受激光所改變。鋁是熱和電的良導體，高密度的自由電子使它成為光的良好反射體，起始表面反射率超過90%，這就要求很高的輸入功率以保證焊接開始時必需的功率密度，而一旦小孔生成，它對光束的吸收率迅速提高，甚至可達到90%，從而使焊接過程順利進行。銅的材料特性使它非常適合作為導體，是電子工業(yè)中首選的材料。材料反射率也是阻礙其良好焊接的主要原因。當激光波長從1064 nm變?yōu)?32 nm時，銅以及其他材料的反射率就大大減小。焊接銅和銅合金易產(chǎn)生未熔合與未焊透，故一般采用能量集中、大功率的熱源并配合預熱等輔助措施。前文所述的釬焊料焊接，是通過將釬焊料熔化而將工件連接起來，而在激光焊接金屬例如銅時，是將銅等基體金屬熔化形成銅-銅的熔融焊接，兩者有明顯差別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無釬焊端子的功率模塊，通過激光焊接端子，避免因端子釬焊點疲勞而導致模塊失效，且可以提高模塊的耐高溫性能。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是:采用激光焊接端子的功率模塊，其包括覆銅陶瓷基板(DBC)，覆銅陶瓷基板(DBC)的第一銅表面上設有半導體芯片以及端子；所述端子通過激光焊接連接至覆銅陶瓷基板的第一銅表面。作為本發(fā)明的進一步改進，所述端子包括用以和外部電路連接的上部和用以和覆銅陶瓷基板第一銅表面激光焊接的下部，下部的橫截面積是上部的2-4倍。上部一般為方柱或圓柱形。用以和覆銅陶瓷基板第一銅表面焊接的下部優(yōu)選圓柱形。作為本發(fā)明的進一步改進，所述下部繞其軸線，向下開有截面為V形或U形的凹槽，激光束照射到凹槽處熔化凹槽處和覆銅陶瓷基板(DBC)第一銅表面上的金屬，金屬冷卻結晶形成焊點，構成端子和覆銅陶瓷基板(DBC)第一銅表面的連接。


圖1是實施例1的模塊100示意圖。圖2是實施例1的端子3的整體形狀圖。圖3A是實施例1的下部32的結構示意圖。圖3B是實施例1的下部32設置V形凹槽的剖面圖。圖3C是實施例1的下部32的設置U形凹槽的剖面圖。圖4A是實施例1的端子3設置V形凹槽的剖面圖。圖4B是實施例1的端子3設置V形凹槽的俯視圖。圖5是實施例1的激光束繞端子工作路徑示意圖。圖6A是實施例1的激光束繞端子工作的一種方式示意圖。圖6B是實施例1的激光束繞端子工作的另一種方式示意圖。圖7是實施例1的激光焊接端子的焊點示意圖。
具體實施例方式圖1是采用激光焊接端子的功率模塊100結構示意圖。它包括覆銅陶瓷基板(DBC) I，用焊料焊接在覆銅陶瓷基板(DBC)第一銅表面上的芯片2，以及用激光焊接在覆銅陶瓷基板(DBC)第一銅表面上的端子3。端子3的材料是銅、銅合金或銅表面鍍金、鎳、銀。相鄰3端子之間的中心間距大于5毫米，相鄰端子3之間的最小間距需保證電氣間隙和激光束的最小工作間距。圖2顯示端子3的整體形狀圖。它包括用以和外部電路連接的上部31和用以和覆銅陶瓷基板第一銅表面激光焊接的下部32。下部32的橫截面積一般是上部31的2-4倍。上部31 —般為方柱或圓柱形。用以和覆銅陶瓷基板第一銅表面焊接的下部32優(yōu)選圓柱形。圖3A、3B和3C顯示端子3的下部32的結構示意圖和端子的剖視圖。端子下部32繞其軸線A開有圓環(huán)狀凹槽321。凹槽截面呈V形或U形。圖3B和3C中分別示出這兩種開口形狀。圖4中以V形凹槽做具體描述。V形凹槽以321表示。凹槽321繞軸線A呈環(huán)狀，其外徑R321和內(nèi)徑R322介于柱體32外徑R320和柱體31外徑R310之間。柱體32外徑R320在0.7-1.5毫米，柱體31外徑R310在0.4-0.7毫米。凹槽321寬度在0.1-0.5毫米，凹槽深度Dl在0.1-0.8毫米，凹槽321最低處距端子底面的距離D2在0.1-0.5毫米。圖5是激光束工作路徑圖。激光束沿端子下部32的V形凹槽321的中心線并繞端子軸線A做圓周運動，激光束的工作路徑4用圖中箭頭所指虛線表示。圖6A和圖6B中不出了激光束工作的兩種典型方式。一種照射方式是激光束連續(xù)的沿V形凹槽321的中心線并繞端子軸線A做圓周運動照射焊接處，工作路徑形成連續(xù)的實線圓，見圖6A的示意圖；另一種方式是非連續(xù)的，激光束以每隔一定的時間間隔和距離沿V形凹槽321的中心線并繞端子軸線A做圓周運動，其工作路徑以一定間距的虛線圓表示，見圖6B的示意圖。圖7是激光焊接端子的焊點示意圖。激光束照射端子凹槽321處和覆銅陶瓷基板(DBC) I第一銅表面上的金屬銅或銅合金，激光束照射在焊接處進行焊接時，端子凹槽處和覆銅陶瓷基板(DBC)I第一銅表面上的金屬都必須達到熔融狀態(tài)，屬于銅-銅的熔融焊接。這與普通的釬焊中只是釬焊料熔化而基體金屬不熔化有根本的區(qū)別。金屬冷卻結晶后形成焊點5將端子和DBC第一銅表面連接。圖中黑色陰影部分表示端子凹槽處和覆銅陶瓷基板(DBC)第一銅表面上金屬熔化結晶后的焊點示意圖。本文已經(jīng)圖解并描述了本發(fā)明的特定實施例，但本發(fā)明要求保護的權利范圍并不限于此，利用了本發(fā)明的基本概念，所屬技術領域的技術人員進行的各種變形以及改善，仍屬于本發(fā)明請求的權利范圍。
權利要求
1.采用激光焊接端子的功率模塊，包括覆銅陶瓷基板(DBC)，覆銅陶瓷基板(DBC)的第一銅表面上設有半導體芯片以及端子；其特征是，所述端子通過激光焊接連接至覆銅陶瓷基板的第一銅表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述端子整體形狀為柱形或L形，端子底部為平坦的平面形，底部焊接面面積在0.5-2平方毫米之間，底部厚度在0.2-2毫米之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的功率模塊，其特征是，相鄰端子之間的中心間距大于5毫米。
4.根據(jù)權利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述端子包括用以和外部電路連接的上部和用以和覆銅陶瓷基板第一銅表面激光焊接的下部，下部的橫截面積是上部的2-4倍。
5.根據(jù)權利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述端子的材料是銅、銅合金或銅表面鍍金、鎳、銀。
6.根據(jù)權利要求4所述的功率模塊，其特征是，所述上部為方柱或圓柱形。
7.用所述下部為圓柱形。
8.根據(jù)權利要求4或6所述的功率模塊，其特征是，所述下部繞其軸線，向下開有截面為V形或U形的凹槽。
9.根據(jù)權利要求7所述的功率模塊，其特征是，所述凹槽寬度在0.1-0.5毫米，深度在.0.1-0.8毫米，凹槽最低處距端子底面的距離在0.1-0.5毫米。
全文摘要
本發(fā)明提供采用激光焊接端子的功率模塊，其包括覆銅陶瓷基板，覆銅陶瓷基板的第一銅表面上設有半導體芯片以及端子；所述端子通過激光焊接連接至覆銅陶瓷基板的第一銅表面。本發(fā)明中采用激光焊接端子，避免了因端子釬焊點疲勞而導致模塊失效，且可以提高模塊的耐高溫性能。
文檔編號B23K33/00GK103208473SQ20121054272
公開日2013年7月17日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權日2012年12月15日
發(fā)明者余傳武, 莊偉東 申請人:南京銀茂微電子制造有限公司