CN104952813A - 一种加热板及igbt模块的焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于IGBT模块焊接的加热板及IGBT模块的焊接方法，所述加热板设计为带有加热柱结构的形式，焊接时，在重力作用下，加热板的基底和/或加热柱的上表面与底板的背面完全贴合，所述加热板可以适应不同预弯形状的底板，保证回流焊接过程中加热板与IGBT模块弧形底板的充分贴合，增加加热板与IGBT模块底板的接触面积，保证焊接过程中IGBT模块底板温度的均匀性，降低焊接空洞率，提高IGBT模块可靠性。

Description

一种加热板及IGBT模块的焊接方法

技术领域

本发明涉及电子封装领域，尤其涉及一种用于IGBT模块焊接的加热板及IGBT模块的焊接方法。

背景技术

IGBT模块(Insulated Gate Bipolar Transistor，中文译为绝缘栅双极型晶体管)，是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，该器件结合了大功率晶体管(GTR)及大功率场效应晶体管(MOSFET)的优点，是比较理想的全控型器件，具有控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等优点。目前商品化大功率IGBT模块容量已经达到750A/6500V，可满足电力电子与电力传动领域应用要求。

大功率IGBT模块封装过程中，由于底板与陶瓷覆铜板(DBC)热膨胀系数差异较大，因此经过大面积高温焊接后，底板会发生变形，与散热器接触不良，热阻增加。因此，底板在焊接前需要进行一定弧度的预弯，经过预弯的底板经过封装工艺后仍然具有一定拱度，模块安装在散热器表面时，底板与散热器之间接触充分，保证热阻处于较低水平，有利于模块散热。商品化的IGBT模块底板中心位置与边缘位置存在几百微米的高度差。

IGBT模块回流焊工艺中，热量通过加热板传导至底板，实现底板与DBC之间的焊接。由于底板存在拱度，底板只是中间部分与加热板接触，加热板热量通过底板中心向四周传导，如图1所示。因此在焊接过程中，底板中心位置两个DBC温度最高，四个角位置DBC温度稍低。通过超声波检测发现，四个角位置DBC焊接空洞率明显高于中心位置两个DBC，较高的空洞率严重影响了IGBT模块的可靠性。

现有技术中，通常是通过延长焊接时间与提升焊接温度，减小钎焊的金属表面张力，增加焊接的浸润性，降低焊接空洞率，改善焊接质量。该方法有助于减小焊接空洞率，但仍存在较多问题，如：

(1)焊接温度增加，焊料中助焊剂分解加快，焊料粘度增加，助焊剂的残留物不容易去除，有可能会增加空洞率；

(2)焊接温度过高，焊接部件氧化速率加剧，同时可能会造成芯片损坏，降低模块可靠性；

(3)延长焊接时间或提升焊接温度，焊料中的助焊剂挥发速度过快，容易溅出金属成分，产生焊锡球，降低了IGBT模块绝缘局放能力；

(4)延长焊接时间与提升焊接温度，降低了焊接效率，浪费了能源。

因此，我们亟需研究出如何提高IGBT模块回流焊接质量，保证焊接过程中IGBT模块底板温度的均匀性，降低焊接空洞率，提高IGBT模块可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种用于IGBT模块焊接的加热板及IGBT模块的焊接方法，所述加热板设计为带有加热柱结构的形式，可以适应不同预弯形状的底板，保证回流焊接过程中加热板与IGBT模块弧形底板的充分贴合，增加加热板与IGBT模块底板的接触面积，保证焊接过程中IGBT模块底板温度的均匀性，降低焊接空洞率，提高IGBT模块可靠性。

根据本发明的目的提出的一种用于IGBT模块焊接的加热板，所述IGBT模块底板的背面呈弧形曲面，所述加热板设置在底板的背面，其特征在于：所述加热板包括基底与位于该基底上的由多个加热柱组成的加热柱阵列，单个所述加热柱具备弹力，在焊接时所述加热柱阵列的上表面受所述底板的背面挤压形成与所述底板背面相配合的弧形曲面。

优选的，所述单个加热柱的顶部具有弹性结构，底部具有加热块，或者所述加热柱顶部具有加热块，底部具有弹性结构。

优选的，所述弹性结构选用导热弹簧或高导热率海绵垫。

优选的，所述单个加热柱可导热且自身具备弹力。

优选的，所述加热柱设置在所述底板放置于加热板上时底板无法与加热板贴合的部位。

优选的，所述加热柱阵列的高度均匀，所述加热柱阵列的上下表面呈水平线，其高度不低于底板正面与背面之间的最大高度差。

优选的，所述加热柱阵列的高度不均匀，所述加热柱阵列的下表面呈水平线、上表面呈向下凸出的弧形曲面，所述单个加热柱的厚度不低于对应的底板放置在加热板上时底板背面与基底的垂直高度差。

优选的，所述单个加热柱在横截面上为圆形或多边形。

本发明还提出了一种利用所述加热板以焊接IGBT模块底板与DBC板的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将IGBT模块通过工装放置于加热板上，在重力作用下，底板下沉，对加热柱形成压迫，致使带有弹性的加热柱发生弹性形变，基底和/或加热柱的上表面与底板的背面完全贴合；

S2、底板与DBC板之间采用真空回流焊的方式进行焊接，热量通过加热板传导至焊料，工艺过程分为预热、回流、冷却三个阶段。

优选的，所述步骤S2中的工艺过程具体为，

预热：将底板、焊料、DBC板等各部分在回流温度尖峰到来之前被均匀加热，保证焊接均匀性；

回流：焊接腔内的温度上升至峰值温度，并在峰值温度下保持一段时间，确保焊料充分熔化，焊接过程采用真空方式减小焊层中空洞；

冷却：各部件被冷却到室温。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：

仅需改变加热板的结构，设计带有加热柱的加热板，便可使其适应不同预弯形状的底板，使用范围大，且在焊接过程中底板不由外力产生形变，不会产生应力。

焊接过程中加热板与IGBT模块弧形底板充分贴合，加热板与IGBT模块底板的接触面积大，焊接过程中IGBT模块底板温度的均匀性高，焊接空洞率低，IGBT模块可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中加热板结构及IGBT模块焊接方式示意图

图2是本发明优选实施例中加热板结构的俯视图

图3是本发明优选实施例中加热板结构的正视图

图4是利用本发明优选实施例中的加热板对底板与DBC板进行焊接的过程示意图

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：1.加热板；2.底板；3.DBC板；4.基底；5.加热柱；6.加热块；7.弹性结构。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有IGBT模块回流焊工艺中，热量通过加热板传导至底板，实现底板与DBC之间的焊接。由于底板存在拱度，因此底板中心位置两个DBC温度最高，四个角位置DBC温度稍低，四个角位置DBC焊接空洞率明显高于中心位置两个DBC，较高的空洞率严重影响了IGBT模块的可靠性。延长焊接时间与提升焊接温度虽有可能减小焊接空洞率，但仍存在模块可靠性低、焊接效率低等诸多问题。

下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。

一种加热板1，应用于IGBT模块的焊接中，所述IGBT模块包括底板2，以及设置于底板上的至少一个IGBT器件，所述IGBT器件设有DBC板3，所述DBC板3与所述底板2之间设有焊料，所述底板2与设置有DBC板3那面相反的背面呈弧形曲面，所述加热板1设置在底板2的背面。所述加热板1包括基底4与位于该基底上的加热柱，加热柱具备弹力，在焊接时所述加热柱的上表面受所述底板的背面挤压形成与所述底板2背面相配合的弧形曲面，所述加热板将热量传导至焊料，焊料熔化，从而焊接底板与DBC板。

请参见图2～图3，图2是本发明优选实施例中加热板结构的俯视图，图3是本发明优选实施例中加热板结构的正视图。在本发明优选实施例中，所述多个加热柱组成加热柱阵列，所述每一个加热柱5均由顶部的加热块6与底部的弹性结构7组成，所述加热块6固定在弹性结构7上，或者是所述加热柱5的顶部为弹性结构7，底部为加热块6。所述加热块6选用导热材料，可以选用与基底4相同的材料，加热块可以与基底4一体成型。所述弹性结构7可以选用导热弹簧，或是高导热率海绵垫等弹性材料，由此，加热柱5可实现良好的热传导，以加热底板，实现底板2与DBC板3之间的焊接。为了使加热柱5更贴合于底板2的弧形面，加热柱5的可设置为更小的宽度，即加热板设有更多的独立加热柱。同时，加热柱在横截面上可以为圆形或多边形等形状。

加热板1可以完全由加热柱5组成加热柱阵列，即基底4上均覆盖加热柱5，由此，当底板放置在加热板上进行焊接时，由于重力作用，底板2的背面与加热柱5的上表面紧密贴合。底板向下的压力越大，对应的弹性结构7的形变量便越大，即对应底板2中心处的弹性结构7形变量最大，往四周推移逐渐变小，加热柱5的顶端因此不再位于同一水平线上。加热板1也可以部分由加热柱组成，例如，可以仅在基底4对应于底板四个角的位置设置加热柱5，即加热柱设置在所述底板放置于加热板上时底板无法与加热板贴合的部位，即温度低、焊接空洞率高的位置，由此，当底板放置在加热板上进行焊接时，由于重力作用，底板2的背面与加热柱5的上表面、基底4紧密贴合。所述每个加热柱5的高度可不同，但每个加热柱5的高度应不低于其对应的底板放置在加热板上时底板背面与基底4的垂直高度差。在焊接时所述加热柱阵列的上表面受所述底板2的背面挤压形成与所述底板背面相配合的弧形曲面。通过该加热柱设计，保证了底板的接触面积，使得原本接触不好的地方也能达到相应的焊接温度，保证了焊接质量，同时，通过弹性设计，可以使加热板1适应不同预弯形状的底板2，由此，具有使用上的灵活性，使用环境不受限制。

作为本发明另外的一种实施方式，所述单个加热柱可导热且自身具备弹力，选用高导热率海绵垫、高导热率的橡胶垫等柔性材料，或者是细网丝堆叠成的高导热弹性板。当所述加热柱呈一块整体覆盖在基底4上，将底板2放置在加热板1上进行焊接时，由于重力作用，底板2压迫所述加热柱，致使加热柱发生弹性形变，对应底板2中心处的加热柱形变量最大，往四周推移逐渐变小，底板背面与加热块紧密贴合。所述加热柱的上下表面可以均为水平线，也可下表面呈水平线、上表面呈向下凸出的弧形，当加热柱的上下表面为水平线时，厚度不低于底板上表面与背面的最大高度差，当上表面呈向下凸出的弧形时，各点厚度不低于对应的底板放置在加热板上时底板背面与基底4的垂直高度差。所述加热柱也可以设置为多块整体，覆盖在基底4上，即可以仅在基底4对应于底板四个角的位置，即温度低、焊接空洞率高的位置设置柔性块，由此，当底板放置在加热板上进行焊接时，由于重力作用，底板2的背面与柔性块的上表面、基底4紧密贴合。同时，柔性块在横截面上可以为圆形或多边形等形状。

请参见图4，该图是利用本发明优选实施例中的加热板对底板与DBC板进行焊接的过程示意图。大功率IGBT模块底板通常为铝碳化硅(AlSiC)材料，铝碳化硅是一种颗粒增强型金属基复合材料，热导率高，可以通过改变SiC颗粒的体积及尺寸，获得极高的刚性和与DBC匹配的热膨胀系数，解决传统基板材料由于热膨胀系数不匹配而导致的焊料机械应变。制备过程中首先将多种粒径的碳化硅粉末与粘接剂混合均匀，然后进行预压成型，在预压成型中同时将铝碳化硅底板的背面预压为弧形，底板背面中心位置与边缘位置存在几百微米的高度差，同时底板与DBC板焊接面为平面，以保证良好的焊接质量。经预压成型后，通过压力渗透把熔融状态的铝压渗入碳化硅颗粒间。最后再在表面进行化学镀镍处理，以保证焊接质量，得到铝碳化硅底板。

底板2与DBC板3之间的焊接材料主要成分通常为锡/铅/银(Sn/Pb/Ag)，该焊接材料具有熔点低，浸润性能、导电性能和加工性能好、成本低的特点，是IGBT模块常用焊接材料。

所述DBC板基板材料为AlN，由于AlN是一种非氧化物陶瓷，因此需要首先进行氧化处理。DBC板制备过程中首先在AlN基板的两侧各覆上一层铜，在含氧的氮气气氛中高温下使得铜箔覆接在基板上。高温过程后，铜与氧形成的共晶液相润湿了相互接触的铜箔和陶瓷表面，同时还与Al2O3发生反应，生成Cu(Al2)2等氧化物，实现AlN陶瓷基板和覆铜层牢固的粘合，所述DBC基板具有高导热、高绝缘特性，又具有无氧铜的高导电性和高导热性，并可刻蚀出各种图形，在相同功率半导体中，采用AlN陶瓷基板焊接的IGBT模块比其它材料模块不仅体积小、重量轻，而且具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。底板AlSiC材料是一种颗粒增强型金属基复合材料，热导率高，可以通过改变SiC颗粒的体积及尺寸，获得极高的刚性和与DBC匹配的热膨胀系数，解决了传统基板材料由于热膨胀系数不匹配而导致的焊料机械应变。

在焊接时，将IGBT模块通过工装放置于加热板1上，在重力作用下，底板2下沉，对加热柱形成压迫，致使带有弹性的加热柱发生弹性形变，此时，底板2的背面完全接触到加热柱的上表面，当加热板不完全由加热柱构成时，底板2的背面也会接触到加热板1的基底4，由此，加热柱的上表面受所述底板的背面挤压形成与所述底板背面相配合的弧形曲面。之后，进行焊接，为保证焊接质量，底板2与DBC板3之间通常采用真空回流焊进行焊接，热量通过加热板传导至焊料，工艺过程分为预热、回流、冷却三个阶段。第一阶段是预热阶段，该阶段保证底板、焊料、DBC板等各部分在回流温度尖峰到来之前被均匀加热，保证焊接均匀性。第二阶段是真空回流阶段，该阶段焊接腔内的温度上升至峰值温度，并在峰值温度下保持一段时间，确保焊料充分熔化。焊接过程采用真空方式减小焊层中空洞。第三阶段是冷却阶段，该阶段各部件被冷却到室温。冷却速率需要优化，以保证焊层蠕变强度、切变强度、抗疲劳性等性能。

在所述焊接过程中，加热柱在横截面上可以为圆形或多边形等形状，加热板带有所述加热柱，所述加热柱可以为由加热块与弹性结构组成的加热柱，也可以为本身具备弹力、可导热的加热柱。

另外，在本发明中，也可采用其它方式保证IGBT模块真空回流焊中预弯底板焊接温度均匀性，降低焊接空洞率，不限于本专利提出的具有加热柱结构的加热板。例如将加热板加工成对应形状，与模块底板紧密结合、底板通过压力紧密与加热板接触、采用辐照加热等方法，保证焊接过程中底板温度的均匀性，降低焊接空洞率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于IGBT模块焊接的加热板，所述IGBT模块底板的背面呈弧形曲面，所述加热板设置在底板的背面，其特征在于：所述加热板包括基底与位于该基底上的由多个加热柱组成的加热柱阵列，单个所述加热柱具备弹力，在焊接时所述加热柱阵列的上表面受所述底板的背面挤压形成与所述底板背面相配合的弧形曲面。

2.如权利要求1所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述单个加热柱的顶部具有弹性结构，底部具有加热块，或者所述加热柱顶部具有加热块，底部具有弹性结构。

3.如权利要求2所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述弹性结构选用导热弹簧或高导热率海绵垫。

4.如权利要求1所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述单个加热柱可导热且自身具备弹力。

5.如权利要求1所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述加热柱设置在所述底板放置于加热板上时底板无法与加热板贴合的部位。

6.如权利要求1所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述加热柱阵列的高度均匀，所述加热柱阵列的上下表面呈水平线，其高度不低于底板正面与背面之间的最大高度差。

7.如权利要求1所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述加热柱阵列的高度不均匀，所述加热柱阵列的下表面呈水平线、上表面呈向下凸出的弧形曲面，所述单个加热柱的厚度不低于对应的底板放置在加热板上时底板背面与基底的垂直高度差。

8.如权利要求1所述的一种用于IGBT模块焊接的加热板，其特征在于：所述单个加热柱在横截面上为圆形或多边形。

9.一种利用如权利要求1中所述的加热板以焊接IGBT模块底板与DBC板的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将IGBT模块通过工装放置于加热板上，在重力作用下，底板下沉，对加热柱形成压迫，致使带有弹性的加热柱发生弹性形变，基底和/或加热柱的上表面与底板的背面完全贴合；

S2、底板与DBC板之间采用真空回流焊的方式进行焊接，热量通过加热板传导至焊料，工艺过程分为预热、回流、冷却三个阶段。

10.如权利要求9所述的一种利用如权利要求1中所述的加热板以焊接IGBT模块底板与DBC板的方法，其特征在于：所述步骤S2中的工艺过程具体为，

预热：将底板、焊料、DBC板等各部分在回流温度尖峰到来之前被均匀加热，保证焊接均匀性；

回流：焊接腔内的温度上升至峰值温度，并在峰值温度下保持一段时间，确保焊料充分熔化，焊接过程采用真空方式减小焊层中空洞；

冷却：各部件被冷却到室温。