一種可提高焊接質量的功率模塊結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于半導體芯片封裝技術領域，特別涉及一種可提高焊接質量的功率模塊結構。
【背景技術】
[0002]目前國內外功率模塊的互連工藝主要采用焊接方法，見圖I。在這種封裝結構中，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I上；或者兩次回流焊接工藝同時完成。DBC基板通常為三明治結構，如圖I中，其上下表面分別覆蓋有上銅層5和下銅層3;底板I通常為銅、鋁或碳化硅等高導熱導電材料。
[0003]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8X8mm2，且DBC基板焊接面也較大，故在現有的封裝結構和工藝條件下，功率芯片、DBC基板和底板間的焊接存在以下缺點：
[0004](I)功率芯片貼裝過程中，焊料通過絲網印刷工藝涂覆在底板I和DBC基板上銅層5的待焊接位置。由于工藝限制，該過程容易產生焊料涂覆厚度不均及元器件貼裝傾斜等問題，進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，會導致功率循環及溫度循環中功率芯片遭受的應力增大2.2倍[1]，焊料層中的蠕變應變明顯增加[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物，回流焊接過程中有機物會揮發，并產生氣泡。由于氣泡密度小，氣體壓力作用下氣泡會轉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;但是有機物與氣泡會出現在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生溫度集中，進而形成熱斑，甚至燒毀功率芯片。同時由于空洞周圍的應力集中，功率模塊在反復開關過程中極易在空洞處產生裂紋，進一步影響功率模塊的可靠性。
[0007]文中涉及如下參考文獻：
[0008][I] Liu Y, Irving S，Desbiens D, et al. Impact of the die attachprocess on power & thermal cycling for a discrete style semiconductor package[C]//Thermal， Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments inMicro-Electronics and Micro-Systems, 2005. EuroSimE 2005. Proceedings of the6th International Conference on. IEEE, 2005: 221-226..
[0009][2] Wunderle B， Michel B. Lifetime modelling for microsystemsintegration: from nano to systems[J]. Microsystem technologies, 2009，15(6):799-812。【實用新型內容】
[0010]針對現有技術存在的問題，本實用新型提供了一種可提高焊接質量的功率模塊結構。
[0011]為解決上述技術問題，本實用新型采用如下的技術方案：
[0012]一種可提高焊接質量的功率模塊結構，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（I)上，采用引線(8)將功率芯片(7)與上銅層(5)鍵合；
[0013]底板(I)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；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。
[0014]作為優選，第一焊料層(6)和第二焊料層(2)均設有貫穿焊料層且延伸至焊料層邊界的一條或多條氣道(9)。
[0015]所述的氣道(9)寬度為50μπι?ΙΟΟμπι。
[0016]所述的氣道(9)排列成網格狀或交叉排列。
[0017]和現有技術相比，本實用新型具有如下特點和有益效果：
[0018](I)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，凹槽深度可根據實際需求調整。這樣，在絲網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，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致的短路失效問題，總體提高功率模塊的熱學性能和長期可靠性。
[0019](2)焊料層中設置有與外界空氣連通的氣道，焊接過程中，焊料中揮發的有機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；同時氣道在焊料熔融流動再成型后會消失，進一步防止熱斑及裂紋的產生，提高功率模塊的長期可靠性。
【附圖說明】
[0020]圖I為典型的功率模塊封裝焊接結構示意圖；
[0021 ]圖2為功率模塊封裝結構焊料層厚度不均的示意圖；
[0022]圖3為功率模塊封裝結構焊料層存在空洞的示意圖；
[0023]圖4為本實用新型功率模型的一種具體結構示意圖；
[0024]圖5為本實用新型功率模型的一種具體結構剖視圖；
[0025]圖6為本實用新型第一焊料層中氣道的一種具體結構示意圖。
[0026]圖中，I-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。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。
[0028]見圖I，現有技術中典型的功率模塊主要包括底板I、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I上。采用引線8將功率芯片7與上銅層5鍵合。
[0029]圖4?5為本實用新型功率模塊的一種具體結構示意圖，和典型的功率模塊相比，本實用新型有如下改進:在底板I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;采用絲網印刷工藝在第一凹槽11內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I上;采用絲網印刷工藝在第二凹槽12內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。
[0030]見圖5，在第一焊料層6和第二焊料層2中設置氣道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的有機物與氣泡可沿著氣道排出。氣道寬度優選為50μπι?ΙΟΟμπι，根據焊料層面積進行取值。氣道數量和排列方式不限，可根據需要自行設計，例如，氣道可排列成網格狀，見圖6;也可以是兩條氣道交叉排列，見圖5中第一焊料層。
[0031]氣道可采用如下方法獲得：
[0032]—種是，通過設計帶氣道圖案的絲網印板，通過該絲網印板直接涂覆含氣道的焊料層。另一種是，先采用傳統絲網印板進行絲網印刷工藝涂覆焊料層，采用金屬片在焊料層直接壓出氣道。
[0033]以上僅為本實用新型的優選實施方案，本實用新型的保護范圍并不僅局限于上述實施結構，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范圍。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種可提高焊接質量的功率模塊結構，包括底板（I)、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（I)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（I)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；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。2.如權利要求I所述的可提高焊接質量的功率模塊結構，其特征是： 所述的第一焊料層(6)和第二焊料層(2)均設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.如權利要求2所述的可提高焊接質量的功率模塊結構，其特征是： 所述的氣道(9)寬度為50μπι?ΙΟΟμπι。4.如權利要求2所述的可提高焊接質量的功率模塊結構，其特征是： 所述的氣道(9)排列成網格狀或交叉排列。
【專利摘要】本實用新型公開了一種可提高焊接質量的功率模塊結構，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；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。本實用新型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量，進而提高功率模塊的熱學性能和長期可靠性。
【IPC分類】H01L23/13, H01L23/498
【公開號】CN205159304
【申請號】CN201520921740
【發明人】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4月13日
【申請日】2015年11月18日