一種igbt芯片與直接覆銅基板的快速燒結連接方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)芯片與直接覆銅(DBC)基板的快速燒結連接方法，具體地說，涉及IGBT芯片與DBC基板以納米銀焊膏為中間層的快速(傳統熱壓燒結需要時間大于lh，而本工藝可以在3min以內實現燒結)燒結連接方法，屬于材料加工領域創新型技術。特別是一種IGBT芯片與DBC基板的快速燒結連接方法及裝置。
【背景技術】
[0002]納米銀焊膏作為一種新型的綠色無鉛封裝材料，其熔點高(961°C)、導電、導熱性能優，可低溫燒結互連(不高于250°C)。納米銀焊膏已逐步取代焊料合金和和導電銀膠，成為未來半導體器件的首選高溫電子封裝互連材料但是IGBT芯片與DBC基板的連接工藝主要是采用熱壓工藝，但是由于傳統熱壓燒結實現納米銀焊膏的燒結連接工藝比較復雜，包括燒結前需要10?20min的預熱階段，之后需要隨爐緩冷，然后在加熱至燒結溫度并保溫30?60min以實現納米銀焊膏的燒結，所以完成燒結所需時間較長(>lh)，效率較低，自動化生產裝備要求高，并且長時間的高溫狀態下，燒結銀接頭的顆粒尺寸明顯粗化，這不利于燒結接頭的力學性能和可靠性。為簡化燒結工藝，提高燒結效率。
[0003]本發明以直流脈沖電流輔助燒結機理為基礎，以納米銀焊膏為中間層，創造性的利用電流加熱原理實現了 IGBT芯片與DBC基板的快速連接。燒結時間的縮短，不僅有利于效率的提高，也有助于抑制銀顆粒在高溫時段長時間的增長，使晶粒尺寸較熱壓工藝明顯減小，有利于燒結接頭的力學性能和穩定性，即獲得高可靠性的燒結接接頭。這能夠很好地滿足市場對以IGBT芯片為代表的功率半導體器件的快速封裝及生產的需求。
【發明內容】
[0004]本發明主要解決IGBT芯片與DBC基板燒結連接時存在技術復雜且效率低的問題，提供了一種操作簡單，工藝時間短，且接頭導電、導熱性能優異，強度可靠的IGBT芯片與DBC基板快速燒結連接方法。
[0005 ]本發明方法通過以下技術方案實現。
[0006]一種絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)芯片與直接覆銅(DBC)基板的快速燒結連接方法；以納米銀焊膏為中間連接層，利用直流脈沖電流加熱原理實現IGBT芯片與DBC基板的快速燒結連接。
[0007]IGBT芯片與直接覆銅基板的快速燒結連接方法步驟如下:
[0008](1)對DBC基板進行清洗預處理，通過物理震蕩的方法去除基板表面的油污；
[0009](2)在DBC基板待連接區域表面絲網印刷上一層50μπι?90μπι的納米銀焊膏，然后置于90°C環境中預熱20min;
[0010](3)將施壓裝置通過緊固螺栓固定在直流脈沖電流加熱設備的基座上，然后將預熱好的試樣放置在壓柱正下方，通過螺栓在加壓螺紋孔中向下行進，對其下方的壓柱施壓，利用直流脈沖電流加熱實現IGBT芯片與DBC基板的快速燒結連接。
[0011]壓柱施壓優選0.5MPa?2MPa。直流脈沖電流優選為1.0kA?2.0kA，電流導通時間優選為90s?180s。
[0012]本發明的IGBT芯片與直接覆銅基板的快速燒結連接裝置。其特征是通過緊固螺栓將加壓裝置固定在直流脈沖電流加熱裝置的基座上，然后將預熱好的試樣放置在壓柱正下方，通過螺栓在加壓螺紋孔中向下行進，對其下方的壓柱施壓，進而在芯片上施加壓力；隨后兩個鎢電極平行施壓在印制焊膏層的DBC基板兩端，再隨后開通直流脈沖電流裝置，當直流脈沖電流從其中任一鎢電極沿基板表面流至另一鎢電極過程中，由于基板金屬與鎢電極間存在顯著的接觸電阻，其所產生的大量電阻熱足以實現納米銀焊膏的充分燒結致密化，進而實現IGBT芯片與DBC基板的快速連接。
[0013]本發明的優點:
[0014](1)本發明創造性地利用直流脈沖電流加熱原理及裝置實現了 IGBT芯片與DBC基板的快速燒結連接，工藝過程具有速度快，效率高，總能量輸入小，且成本低的優點。
[0015](2)本發明使用銀焊膏作為為中間連接層，整體燒結工藝時間短，可以有效阻止燒結接頭中銀顆粒/晶粒尺寸的過度長大及粗化，有益于燒結納米銀接頭力學性能和長期服役可靠性的提尚。
【附圖說明】
[0016]圖1為本案例所用直流脈沖電流加熱裝置。
[0017]圖2本方法案例所用施壓裝置。
[0018]圖3為本方法案例所用DBC基板。
[0019]圖4為本方法案例所用IGBT芯片。
[0020]圖5為直流脈沖電流快速燒結連接工藝過程圖。
[0021 ]圖6為電流燒結納米銀接頭的金相圖。
[0022]圖7為IGBT芯片與DBC基板的快速燒結納米銀接頭連接界面的SEM圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明提供了一種基于納米銀焊膏的IGBT芯片與DBC基板快速連接的方法。整個過程只需一個加熱臺和一臺直流脈沖電流通電裝置。
[0024]以納米銀焊膏為中間連接層，利用直流脈沖電流加熱原理及裝置實現IGBT芯片與DBC基板的快速燒結連接。其中所涉及連接材料一一納米銀焊膏，焊膏中銀的質量分數為85%，銀顆粒的粒徑為30?50nm，所述快速燒結連接的裝置和原理的具體說明如下:
[0025]1、所述直流脈沖電流加熱原理及裝置
[0026](1)直流脈沖電流加熱裝置采用單面雙點過流加熱的原理，工作時兩個鎢電極加壓基板的兩端，使基板金屬在兩鎢電極的壓力下形成一定的接觸電阻產生電阻熱，并且結合電流從一鎢電極流經另一鎢電極時在焊膏層處形成的電阻熱實現納米銀焊膏的燒結，且電流瞬間從另一鎢電極沿基板流至此鎢電極形成回路，因為電流流經電阻較低的路徑，而IGBT芯片材質為半導體，而基板為鍍銀銅板，所以電流會流經DBC基板和納米銀焊膏層；又因為，納米銀焊膏層中存在大量有機物，所以其電阻較高，依據焦耳定律，在焊膏層處會產生大量熱，因而實現燒結的過程不傷及基板與芯片的內部結構。該電流加熱裝置如圖1所示，其中絕緣陶瓷為氮化硅材料，可避免電流流向基板以外的部分。
[0027](2)加壓裝置的剖面，如圖2所示，過緊固螺栓將加壓裝置固定