一種功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板的制作方法
【專利摘要】一種功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，它主要由陶瓷基板、第一金屬覆和層和第二金屬覆和層組成，其中材料的熱膨脹系數(shù)關(guān)系是：第一金屬覆和層＞第二金屬覆和層＞陶瓷基板；所述的第一金屬覆和層選用金屬銅，第二金屬覆和層選用Ni/Cu合金，通過高溫?zé)Y(jié)等使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵；所述的第一金屬覆和層在蝕刻后的熱膨脹系數(shù)＞第二金屬覆和層，并使絕緣基板總體呈向第二金屬覆和層一側(cè)彎曲的狀態(tài)；它可以克服普通絕緣基板在焊接半導(dǎo)體芯片后向上凸起而造成其整體再焊接到散熱基體上焊接層不良的技術(shù)難點，從而更好的提高了此類產(chǎn)品的可靠性。
【專利說明】一種功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，屬于半導(dǎo)體功率模塊封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體功率模塊封裝過程中，由于電路分布的需要，第一金屬覆和層會被蝕刻成各種溝槽致使上表面張力減小，普通絕緣基板會有一定程度的向上凸起，而在焊接了芯片后由于芯片(3.5?4.4 X 10-6/oC )和金屬覆和層(15?23 X 10_6/°C )熱膨脹系數(shù)的差別，焊料冷卻凝固至室溫時兩者存在1500?4000PPM的收縮差異，造成上表面張力進一步小于下表面，最終使絕緣基板向芯片一側(cè)凸起。在絕緣基板-散熱基板焊接時，由于兩者之間存在熱膨脹系數(shù)的不匹配，為使焊接后整體保持平整，焊接前需對散熱基板做向散熱基板外觀面一側(cè)的下凹處理，以補償熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的彎曲，因此造成焊接前絕緣基板與散熱基板間存在很大的間隙，此種間隙直接導(dǎo)致焊料受熱不均，焊接后焊料層厚度的不均勻，且中央極易出現(xiàn)大的氣孔等諸多問題。
[0003]功率電子模塊工作時電流密度大，發(fā)熱量大，模塊溫度升高，不工作時溫度則下降。而芯片、絕緣基板、散熱基板的制造材料的熱膨脹系數(shù)往往有很大的差異。因此，在功率電子模塊使用中，軟釬焊層要承受溫度循環(huán)過程中由熱膨脹系數(shù)失配帶來的應(yīng)力，焊料經(jīng)過反復(fù)疲勞后易產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展導(dǎo)致導(dǎo)熱面積減小，熱阻增加，而焊料厚度小的位置收縮更快，熱阻增加明顯；另外焊料層如本身存在大的氣孔將直接導(dǎo)致熱阻大幅度增加，進而功率電子模塊溫度升高，最終縮短模塊壽命甚至損壞模塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種通過改變絕緣基板上下金屬覆和層性能，使在焊接了芯片后絕緣基板彎曲方向及幅度與散熱基板保持相對一致，可有效控制焊料厚度、減小焊接氣孔率，有效提高焊接可靠性的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板。
[0005]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，它主要由陶瓷基板、第一金屬覆和層和第二金屬覆和層組成，其中材料的熱膨脹系數(shù)關(guān)系是:第一金屬覆和層>第二金屬覆和層>陶瓷基板。
[0006]所述的第一金屬覆和層6a選用金屬Cu,第二金屬覆和層6c選用Ni/Cu合金,所述的第一金屬覆和層6a在蝕刻后的熱膨脹系數(shù)>第二金屬覆和層6c，并使絕緣基板總體呈向第二金屬覆和層6c —側(cè)彎曲的狀態(tài)。
[0007]所述的第一金屬覆和層為金屬Cu ;所述第二金屬覆和層為Ni/Cu合金；所述第一金屬覆和層與第二金屬覆和層是通過高溫?zé)Y(jié)使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵，上、下金屬覆和層厚度為0.2?0.4mm。
[0008]所述陶瓷基板是A1203、AIN、BeO、ZnO, Si3N4其中之一，陶瓷基板為厚度0.2?0.7mm的均質(zhì)材料；所述陶瓷基板是最大尺寸為56 X 56mm的矩形或四周帶有圓角或倒角的矩形；所述第一金屬覆和層各邊尺寸小于陶瓷基板0.5?3.0mm,第二金屬覆和層各邊尺寸小于陶瓷基板0.5?1.0mm。
[0009]所述第一金屬覆和層上通過蝕刻技術(shù)分割至陶瓷層而成為各種獨立的圖形分布以形成電流回路，其分割溝槽寬度為0.5mm?2.0mm。
[0010]所述的第一金屬覆和層被分割后的獨立圖形區(qū)域上焊接有IGBT、MOSFET, Diode中的一種或幾種半導(dǎo)體芯片及其他器件。
[0011]所述第一金屬覆和層上連接半導(dǎo)體芯片是采用相對高溫釬焊技術(shù)焊接，焊接溫度應(yīng)在240°C?320°C之間，其中焊料成分為Sn、Pb、Ag、Cu、Sb中的兩種或兩種以上元素組成。
[0012]所述第一金屬覆和層上還通過釬焊或超聲波焊接方法焊接有銅材的端子。
[0013]所述第一金屬覆和層上還通過超聲鍵合技術(shù)焊接純鋁線或銅線至芯片上并構(gòu)成電路連接。
[0014]一種如上任一所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，所述第一金屬覆和層與第二金屬覆和層是通過高溫?zé)Y(jié)使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵，其特征在于該制備方法依次包括如下步驟:金屬和陶瓷片的清洗一烘干一預(yù)氧化一恒溫?zé)Y(jié)一降溫一去氧化層一拋光一清洗一烘干，其中還可以包括化學(xué)沉積，電鍍，檢驗。
[0015]本發(fā)明主要用于半導(dǎo)體功率模塊的封裝，是一種帶有上下表面熱膨脹系數(shù)不同的金屬覆和層的絕緣基板，在其整體與散熱基板焊接時間隙小，達(dá)到焊料厚度更均勻，氣孔率更小的效果，從而提高功率模塊的連接可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1示出了普通絕緣基板蝕刻前的橫截面圖；
圖2示出了普通絕緣基板在蝕刻完電路布局后的凸起狀態(tài)；
圖3示出了普通絕緣基板在焊接完芯片后的凸起狀態(tài)；
圖4示出了散熱基板預(yù)彎曲后的狀態(tài)；
圖5示出了普通絕緣基板完成芯片焊接后與散熱基板焊接時的間隙；
圖6不出了新型絕緣基板在蝕刻完電路布局后的凸起狀態(tài)；
圖7示出了新型絕緣基板在焊接完芯片后的凸起狀態(tài)；
圖8示出了新型絕緣基板完成芯片焊接后與散熱基板焊接時的狀態(tài)。
【具體實施方式】
[0017]下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0018]圖1示出了普通絕緣基板蝕刻前的橫截面圖，Ia為第一金屬覆和層，Ic為第二金屬覆和層，兩者一般為同種金屬，Ib為陶瓷基板，Ia與lb、la與Ic之間通過高溫?zé)Y(jié)形成牢固的結(jié)合鍵成為一個整體101。此絕緣基板被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體功率模塊的封裝及其他電子行業(yè)。
[0019]圖2不出了由于電路分布的需求，Ia金屬層被蝕刻成各種圖形后由于2a、2c與2b上下表面結(jié)合力的失衡造成普通絕緣基板201整體向2a層一側(cè)凸起。
[0020]圖3示出了普通絕緣基板201在焊接完芯片3d后由于3d及焊料3e的熱膨脹系數(shù)<絕緣基板201的熱膨脹系數(shù)，焊接冷卻時201收縮量大于3d及3e的收縮量，從而加劇了 201向3d—側(cè)的凸起，成為301。
[0021]圖4示出了 301-散熱基板4g焊接時，由于兩者之間存在熱膨脹系數(shù)的不匹配(前者<后者)，為使焊接后整體保持平整，焊接前需對4g做向4g外觀面一側(cè)的下凹處理，以補償熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的彎曲。
[0022]圖5示出了 301-散熱基板4g焊接時兩者以相反的方向彎曲，中央存在不可避免的間隙。
[0023]圖6示出了新型絕緣基板100上以Cu做為第一金屬覆和層6a，以Ni/Cu合金做為第二金屬覆和層6c，6a蝕刻后雖然結(jié)合力有所減小，但由于6a的熱膨脹系數(shù)> 6c，總體仍向6c —側(cè)彎曲的狀態(tài)。
[0024]圖7示出了 100在焊接了芯片7d后，由于7d和焊料7e焊接后的收縮抵消了 100一部分彎曲后成為200,但200總體仍向7c方向凸出。
[0025]圖8示出了 200-散熱基板焊接時兩者彎曲方向和弧度基本保持一致，大幅減小了原301-散熱基板焊接時的間隙，使焊料更為均勻，氣孔率更低，有效提高了模塊的使用可靠性。
[0026]本發(fā)明的技術(shù)效果是:
線性熱膨脹系數(shù)以α表示，則a=AL/(L*AT).第一金屬覆和層的熱膨脹系數(shù)以a ±表示，則a ± = AL±/(L±*AT)；
第二金屬覆和層的熱膨脹系數(shù)以a τ表示，則a t = ALt/(Lt*AT)；
而通常第一金屬覆和層與第二金屬覆和層尺寸是相同的，即L±=Lt ；
在絕緣基板的制造過程中兩種金屬或合金冷卻凝固時開始收縮，由于a上> a下，即a上-a下> 0，則
AL 上/(L 上氺 AT)_AL 下/(L 下氺 AT) > O, BP AL±> AL 下。
[0027]從而造成絕緣基板如附圖6的整體向上凹陷，而在芯片焊接過程中，由于芯片尺寸小，厚度低(相較絕緣基板)，雖其熱膨脹系數(shù)小于整體絕緣基板，對已有彎曲的絕緣基板的凹向已構(gòu)不成返轉(zhuǎn)影響，因此整體絕緣基板還是以附圖7的狀態(tài)進行下一步與散熱基板的焊接，其貼合性明顯優(yōu)于普通絕緣基板。
[0028]實施例:
本發(fā)明所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，它主要由陶瓷基板、第一金屬覆和層和第二金屬覆和層組成，其特征在于其中材料的熱膨脹系數(shù)關(guān)系是:第一金屬覆和層>第二金屬覆和層>陶瓷基板。
[0029]所述的第一金屬覆和層6a選用金屬Cu,第二金屬覆和層6c選用Ni/Cu合金,所述的第一金屬覆和層6a在蝕刻后的熱膨脹系數(shù)>第二金屬覆和層6c，并使絕緣基板總體呈向第二金屬覆和層6c —側(cè)彎曲的狀態(tài)。
[0030]所述的第一金屬覆和層為金屬Cu ;所述第二金屬覆和層為Ni/Cu合金；所述第一金屬覆和層與第二金屬覆和層是通過高溫?zé)Y(jié)使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵，上、下金屬覆和層厚度為0.2~0.4mm。
[0031]所述陶瓷基板是A1203、AIN、BeO、ZnO, Si3N4其中之一，陶瓷基板為厚度0.2~
0.7mm的均質(zhì)材料；所述陶瓷基板是最大尺寸為56X56_的矩形或四周帶有圓角或倒角的矩形；所述第一金屬覆和層各邊尺寸小于陶瓷基板0.5?3.0mm,第二金屬覆和層各邊尺寸小于陶瓷基板0.5?1.0mm。
[0032]所述第一金屬覆和層上通過蝕刻技術(shù)分割至陶瓷層而成為各種獨立的圖形分布以形成電流回路，其分割溝槽寬度為0.5mm?2.0mm。
[0033]所述的第一金屬覆和層被分割后的獨立圖形區(qū)域上焊接有IGBT、MOSFET, Diode中的一種或幾種半導(dǎo)體芯片及其他器件。
[0034]所述第一金屬覆和層上連接半導(dǎo)體芯片是采用相對高溫釬焊技術(shù)焊接，焊接溫度應(yīng)在240°C?320°C之間，其中焊料成分為Sn、Pb、Ag、Cu、Sb中的兩種或兩種以上元素組成。
[0035]所述第一金屬覆和層上還通過釬焊或超聲波焊接方法焊接有銅材的端子。
[0036]所述第一金屬覆和層上還通過超聲鍵合技術(shù)焊接純鋁線或銅線至芯片上并構(gòu)成電路連接。
[0037]—種如上任一所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，所述第一金屬覆和層與第二金屬覆和層是通過高溫?zé)Y(jié)使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵，其特征在于該制備方法依次包括如下步驟:金屬和陶瓷片的清洗一烘干一預(yù)氧化一恒溫?zé)Y(jié)一降溫一去氧化層一拋光一清洗一烘干，其中還可以包括化學(xué)沉積，電鍍，檢驗。
【權(quán)利要求】
1.一種功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，它主要由陶瓷基板、第一金屬覆和層和第二金屬覆和層組成，其特征在于其中材料的熱膨脹系數(shù)關(guān)系是:第一金屬覆和層>第二金屬覆和層>陶瓷基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述的第一金屬覆和層6a選用金屬Cu,第二金屬覆和層6c選用Ni/Cu合金,所述的第一金屬覆和層6a在蝕刻后的熱膨脹系數(shù)>第二金屬覆和層6c，并使絕緣基板總體呈向第二金屬覆和層6c —側(cè)彎曲的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征是第一金屬覆和層為金屬Cu ;第二金屬覆和層為Ni/Cu合金；所述第一金屬覆和層與第二金屬覆和層是通過高溫?zé)Y(jié)使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵，上、下金屬覆和層厚度為0.2?0.4mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述陶瓷基板是Al203、AlN、Be0、ZnO、Si3N4其中之一(AlN更優(yōu))，陶瓷基板為厚度0.2?0.7mm的均質(zhì)材料；所述陶瓷基板是最大尺寸為56X 56mm的矩形或四周帶有圓角或倒角的矩形；所述第一金屬覆和層各邊尺寸小于陶瓷基板0.5?3.0mm,第二金屬覆和層各邊尺寸小于陶瓷基板0.5?1.0mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述第一金屬覆和層上通過蝕刻技術(shù)分割至陶瓷層而成為各種獨立的圖形分布以形成電流回路，其分割溝槽寬度為0.5mm?2.0mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述的第一金屬覆和層被分割后的獨立圖形區(qū)域上焊接有IGBT、MOSFET, Diode中的一種或幾種半導(dǎo)體芯片及其他器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述第一金屬覆和層上連接半導(dǎo)體芯片是采用相對高溫釬焊技術(shù)焊接，焊接溫度應(yīng)在240°C?320°C之間，其中焊料成分為Sn、Pb、Ag、Cu、Sb中的兩種或兩種以上元素組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述第一金屬覆和層上還通過釬焊或超聲波焊接方法焊接有銅材的端子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板，其特征在于所述第一金屬覆和層上還通過超聲鍵合技術(shù)焊接純鋁線或銅線至芯片上并構(gòu)成電路連接。
10.一種如權(quán)利要求1至9中任一所述的功率半導(dǎo)體用新型金屬-陶瓷絕緣基板的制備方法，所述第一金屬覆和層和第二金屬覆和層是通過高溫?zé)Y(jié)使金屬與陶瓷基板間形成共價鍵，其特征在于該制備方法依次包括如下步驟:金屬和陶瓷片的清洗一烘干一預(yù)氧化一恒溫?zé)Y(jié)一降溫一去氧化層一拋光一清洗一烘干，其中還可以包括化學(xué)沉積，電鍍，檢驗。
【文檔編號】H01L23/498GK103794571SQ201410034557
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月25日
【發(fā)明者】蔣靜超 申請人:嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司