[实用新型]功率半导体用新型金属-陶瓷绝缘基板

说明书

技术领域

本实用新型涉及的是一种功率半导体用新型金属-陶瓷绝缘基板,属于半导体功率模块封装技术领域。

背景技术

半导体功率模块封装过程中,由于电路分布的需要,第一金属覆和层会被蚀刻成各种沟槽致使上表面张力减小，普通绝缘基板会有一定程度的向上凸起，而在焊接了芯片后由于芯片（3.5～4.4×10^-6/℃）和金属覆和层（15～23×10^-6/℃）热膨胀系数的差别，焊料冷却凝固至室温时两者存在1500～4000PPM的收缩差异，造成上表面张力进一步小于下表面，最终使绝缘基板向芯片一侧凸起。在绝缘基板-散热基板焊接时，由于两者之间存在热膨胀系数的不匹配，为使焊接后整体保持平整，焊接前需对散热基板做向散热基板外观面一侧的下凹处理，以补偿热膨胀系数不匹配带来的弯曲，因此造成焊接前绝缘基板与散热基板间存在很大的间隙，此种间隙直接导致焊料受热不均，焊接后焊料层厚度的不均匀，且中央极易出现大的气孔等诸多问题。

功率电子模块工作时电流密度大，发热量大，模块温度升高，不工作时温度则下降。而芯片、绝缘基板、散热基板的制造材料的热膨胀系数往往有很大的差异。因此，在功率电子模块使用中，软钎焊层要承受温度循环过程中由热膨胀系数失配带来的应力，焊料经过反复疲劳后易产生裂纹，裂纹扩展导致导热面积减小，热阻增加，而焊料厚度小的位置收缩更快，热阻增加明显；另外焊料层如本身存在大的气孔将直接导致热阻大幅度增加，进而功率电子模块温度升高，最终缩短模块寿命甚至损坏模块。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种通过改变绝缘基板上下金属覆和层性能，使在焊接了芯片后绝缘基板弯曲方向及幅度与散热基板保持相对一致，可有效控制焊料厚度、减小焊接气孔率，有效提高焊接可靠性的功率半导体用新型金属-陶瓷绝缘基板。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的,所述的功率半导体用新型金属-陶瓷绝缘基板，它主要由陶瓷基板、第一金属覆和层和第二金属覆和层组成，其中材料的热膨胀系数关系是：第一金属覆和层＞第二金属覆和层＞陶瓷基板。

所述的第一金属覆和层6a选用金属Cu，第二金属覆和层6c选用Ni/Cu合金，所述的第一金属覆和层6a在蚀刻后的热膨胀系数＞第二金属覆和层6c，并使绝缘基板总体呈向第二金属覆和层6c一侧弯曲的状态。

所述的第一金属覆和层为金属Cu；所述第二金属覆和层为Ni/Cu合金；所述第一金属覆和层与第二金属覆和层是通过高温烧结使金属与陶瓷基板间形成共价键，上、下金属覆和层厚度为0.2～0.4mm。

所述陶瓷基板是Al₂O₃、AlN、BeO、ZnO、Si₃N₄其中之一，陶瓷基板为厚度0.2～0.7mm的均质材料；所述陶瓷基板是最大尺寸为56×56mm的矩形或四周带有圆角或倒角的矩形；所述第一金属覆和层各边尺寸小于陶瓷基板0.5～3.0mm，第二金属覆和层各边尺寸小于陶瓷基板0.5～1.0mm。

所述第一金属覆和层上通过蚀刻技术分割至陶瓷层而成为各种独立的图形分布以形成电流回路，其分割沟槽宽度为0.5mm～2.0mm。

所述的第一金属覆和层被分割后的独立图形区域上焊接有IGBT、MOSFET、Diode中的一种或几种半导体芯片及其他器件。

所述第一金属覆和层上连接半导体芯片是采用相对高温钎焊技术焊接，焊接温度应在240℃～320℃之间，其中焊料成分为Sn、Pb、Ag、Cu、Sb中的两种或两种以上元素组成。

所述第一金属覆和层上还通过钎焊或超声波焊接方法焊接有铜材的端子。

所述第一金属覆和层上还通过超声键合技术焊接纯铝线或铜线至芯片上并构成电路连接。

一种如上任一所述的功率半导体用新型金属-陶瓷绝缘基板，所述第一金属覆和层与第二金属覆和层是通过高温烧结使金属与陶瓷基板间形成共价键，其特征在于该制备方法依次包括如下步骤：金属和陶瓷片的清洗→烘干→预氧化→恒温烧结→降温→去氧化层→抛光→清洗→烘干，其中还可以包括化学沉积，电镀，检验。

本实用新型主要用于半导体功率模块的封装,是一种带有上下表面热膨胀系数不同的金属覆和层的绝缘基板，在其整体与散热基板焊接时间隙小，达到焊料厚度更均匀，气孔率更小的效果，从而提高功率模块的连接可靠性。

附图说明

图1示出了普通绝缘基板蚀刻前的横截面图；

图2示出了普通绝缘基板在蚀刻完电路布局后的凸起状态；