一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體芯片封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]目前國內(nèi)外功率模塊的互連工藝主要采用焊接方法，見圖1。在這種封裝結(jié)構(gòu)中，功率芯片7通過第一焊料層6回流焊接到DBC基板(敷銅陶瓷基板)4的上銅層5，焊接功率芯片后的DBC基板4再通過第二焊料層2回流焊接到底板1上；或者兩次回流焊接工藝同時(shí)完成。DBC基板通常為三明治結(jié)構(gòu)，如圖1中，其上下表面分別覆蓋有上銅層5和下銅層
3;底板1通常為銅、鋁或碳化硅等高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料。
[0004]功率電子器件所使用的硅功率芯片由于大功率要求，芯片面積較大，一般大于8 X 8mm2，且DBC基板焊接面也較大，故在現(xiàn)有的封裝結(jié)構(gòu)和工藝條件下，功率芯片、DBC基板和底板間的焊接存在以下缺點(diǎn):
(1)功率芯片貼裝過程中，焊料通過絲網(wǎng)印刷工藝涂覆在底板1和DBC基板上銅層5的待焊接位置。由于工藝限制，該過程容易產(chǎn)生焊料涂覆厚度不均及元器件貼裝傾斜等問題，進(jìn)而在回流焊接過程中，造成DBC基板及功率芯片的傾斜或偏移，見圖2。另外，第一焊料層6和第二焊料層2厚度的不均勻，會導(dǎo)致功率循環(huán)及溫度循環(huán)中功率芯片遭受的應(yīng)力增大2.2倍[1]，焊料層中的蠕變應(yīng)變明顯增加[2]，影響功率模塊的長期使用壽命。
[0005](2)回流焊接過程中，焊料熔融后溢出，導(dǎo)致相鄰焊料層接觸，造成短路失效。
[0006](3)焊料一般為無鉛焊料，其中含助焊劑等有機(jī)物，回流焊接過程中有機(jī)物會揮發(fā)，并產(chǎn)生氣泡。由于氣泡密度小，氣體壓力作用下氣泡會轉(zhuǎn)移到焊料層與外界的界面。若氣泡中氣體能釋放到外界氣體中，則最終不會形成空洞；但是有機(jī)物與氣泡會出現(xiàn)在DBC基板和焊料層的界面，受到DBC基板界面的作用力，氣體不容易釋放，最終在焊料層形成空洞，見圖3。空洞的存在使得功率模塊正常使用過程中易產(chǎn)生溫度集中，進(jìn)而形成熱斑，甚至燒毀功率芯片。同時(shí)由于空洞周圍的應(yīng)力集中，功率模塊在反復(fù)開關(guān)過程中極易在空洞處產(chǎn)生裂紋，進(jìn)一步影響功率模塊的可靠性。
[0007]文中涉及如下參考文獻(xiàn):
[1]Liu Y, Irving S, Desbiens D, et al.1mpact of the die attach process onpower & thermal cycling for a discrete style semiconductor package[C]//Thermal,Mechanical and Mult1-Physics Simulat1n and Experiments in Micro-Electronicsand Micro-Systems, 2005.EuroSimE 2005.Proceedings of the 6th Internat1nalConference on.1EEE, 2005: 221-226..[2]ffunderle B, Michel B.Lifetime modelling for microsystems integrat1n:from nano to systems[J].Microsystem technologies, 2009, 15(6): 799-812。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)，包括底板(1)、DBC基板(4)和功率芯片(7)，DBC基板(4 )上表面和下表面分別覆有上銅層(5 )和下銅層(3 )，功率芯片(7 )通過第二焊料層(6 )焊接于上銅層(5 )上，下銅層(3 )通過第一焊料層(2 )焊接于底板(1)上，采用引線(8 )將功率芯片(7)與上銅層(5)鍵合；
底板(1)上表面刻蝕有與第一焊料層(2)相匹配的帶倒角的第一凹槽(11)，第一焊料層(2)涂覆于第一凹槽(11)內(nèi)；上銅層(5)上表面刻蝕有與第二焊料層(6)相匹配的帶倒角的第二凹槽(12)，第二焊料層(6)涂覆于第二凹槽(12)內(nèi)。
[0010]作為優(yōu)選，第一焊料層(6)和第二焊料層(2)均設(shè)有貫穿焊料層且延伸至焊料層邊界的一條或多條氣道(9)。
[0011]所述的氣道(9)寬度為50μπι?ΙΟΟμ??。
[0012]所述的氣道(9)排列成網(wǎng)格狀或交叉排列。
[0013]
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和有益效果:
(1)在底板和DBC基板上銅層的上表面刻蝕凹槽，并使凹槽形狀與所需涂覆的焊料層形狀相匹配，凹槽深度可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整。這樣，在絲網(wǎng)印刷涂覆焊料工藝中，由于焊料層厚度可控，從而可保證焊料層厚度的一致性；另外，還可在回流焊接過程中輔助功率芯片定位，防止功率芯片隨熔融焊料表面張力發(fā)生漂移及傾斜；即該凹槽可解決焊料層厚度不均、基板及功率芯片傾斜的問題。同時(shí)，該凹槽還可防止焊料溢出，解決由此造成的相鄰焊料層接觸而導(dǎo)致的短路失效問題，總體提高功率模塊的熱學(xué)性能和長期可靠性。
[0014](2)焊料層中設(shè)置有與外界空氣連通的氣道，焊接過程中，焊料中揮發(fā)的有機(jī)物與氣泡可沿著氣道排出，不受基板界面作用力，從而減少焊料層空洞；同時(shí)氣道在焊料熔融流動再成型后會消失，進(jìn)一步防止熱斑及裂紋的產(chǎn)生，提高功率模塊的長期可靠性。
【附圖說明】
[0015]圖1為典型的功率模塊封裝焊接結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為功率模塊封裝結(jié)構(gòu)焊料層厚度不均的示意圖；
圖3為功率模塊封裝結(jié)構(gòu)焊料層存在空洞的示意圖；
圖4為本發(fā)明功率模型的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明功率模型的一種具體結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖6為本發(fā)明第一焊料層中氣道的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中，1-底板，2-第一焊料層，3-下銅層，4-DBC基板，5_上銅層，6_第二焊料層，7-功率芯片，8-引線，9-氣道，10-空洞，11-第一凹槽，12-第二凹槽。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]見圖1，現(xiàn)有技術(shù)中典型的功率模塊主要包括底板1、DBC基板4和功率芯片7，DBC基板4上表面和下表面分別覆有上銅層5和下銅層3。功率芯片7通過第二焊料層6焊接于上銅層5上，下銅層3通過第一焊料層2焊接于底板1上。采用引線8將功率芯片7與上銅層5鍵合。
[0019]圖4~5為本發(fā)明功率模塊的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖，和典型的功率模塊相比，本發(fā)明有如下改進(jìn):在底板1上表面刻蝕有與第一焊料層2相匹配的帶倒角的第一凹槽11，在上銅層5上表面刻蝕有與第二焊料層6相匹配的帶倒角的第二凹槽12 ;采用絲網(wǎng)印刷工藝在第一凹槽11內(nèi)涂覆厚度一致的第一焊料層2，用來將DBC基板4焊接于底板1上；采用絲網(wǎng)印刷工藝在第二凹槽12內(nèi)涂覆厚度一致的第二焊料層6，用來將功率芯片7焊接于上銅層5上。
[0020]見圖5，在第一焊料層6和第二焊料層2中設(shè)置氣道9，且與外界空氣連通，即氣道9要貫穿焊料層并延伸到焊料層邊界，這樣才可保證回流焊接過程中揮發(fā)的有機(jī)物與氣泡可沿著氣道排出。氣道寬度優(yōu)選為50 μ m?100 μ m，根據(jù)焊料層面積進(jìn)行取值。氣道數(shù)量和排列方式不限，可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)，例如，氣道可排列成網(wǎng)格狀，見圖6 ;也可以是兩條氣道交叉排列，見圖5中第一焊料層。
[0021]氣道可采用如下方法獲得:
一種是，通過設(shè)計(jì)帶氣道圖案的絲網(wǎng)印板，通過該絲網(wǎng)印板直接涂覆含氣道的焊料層。另一種是，先采用傳統(tǒng)絲網(wǎng)印板進(jìn)行絲網(wǎng)印刷工藝涂覆焊料層，采用金屬片在焊料層直接壓出氣道。
[0022]
以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施結(jié)構(gòu)，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)，包括底板(1)、DBC基板(4)和功率芯片(7)，DBC基板(4)上表面和下表面分別覆有上銅層(5)和下銅層(3)，功率芯片(7)通過第二焊料層(6)焊接于上銅層(5)上，下銅層(3)通過第一焊料層(2)焊接于底板(1)上，采用引線(8 )將功率芯片(7 )與上銅層(5 )鍵合，其特征是: 底板(1)上表面刻蝕有與第一焊料層(2)相匹配的帶倒角的第一凹槽(11)，第一焊料層(2)涂覆于第一凹槽(11)內(nèi)；上銅層(5)上表面刻蝕有與第二焊料層(6)相匹配的帶倒角的第二凹槽(12)，第二焊料層(6)涂覆于第二凹槽(12)內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)，其特征是: 所述的第一焊料層(6)和第二焊料層(2)均設(shè)有貫穿焊料層且延伸至焊料層邊界的一條或多條氣道(9)。3.如權(quán)利要求2所述的可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)，其特征是: 所述的氣道(9)寬度為50μπι?100 μm。4.如權(quán)利要求2所述的可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)，其特征是: 所述的氣道(9)排列成網(wǎng)格狀或交叉排列。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可提高焊接質(zhì)量的功率模塊結(jié)構(gòu)，包括底板、DBC基板和功率芯片，DBC基板上表面和下表面分別覆有上銅層和下銅層，功率芯片通過第二焊料層焊接于上銅層上，下銅層通過第一焊料層焊接于底板上，采用引線將功率芯片與上銅層鍵合；底板上表面刻蝕有與第一焊料層相匹配的帶倒角的第一凹槽，第一焊料層涂覆于第一凹槽內(nèi)；上銅層上表面刻蝕有與第二焊料層相匹配的帶倒角的第二凹槽，第二焊料層涂覆于第二凹槽內(nèi)。本發(fā)明可避免焊料層厚度不均和焊料溢出，減少焊料層的空洞，從而提高功率模塊的焊接質(zhì)量，進(jìn)而提高功率模塊的熱學(xué)性能和長期可靠性。
【IPC分類】H01L23/498, H01L23/13
【公開號】CN105280565
【申請?zhí)枴緾N201510795454
【發(fā)明人】劉勝, 王淼操, 徐玲, 周洋
【申請人】南京皓賽米電力科技有限公司
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月18日