[发明专利]焊层厚度控制方法及由该方法制作的功率半导体器件

说明书

本发明公开了一种焊层厚度控制方法及由该方法制作的功率半导体器件，方法包括：在将电子元件安装至基板之前，先向基板上用于焊接电子元件的区域加入金属颗粒，金属颗粒在焊片贴片于基板之前，或焊片贴片于基板之后加入，金属颗粒的熔点或软化点高于焊片的焊接温度；将电子元件贴放于焊片或金属颗粒的上部并进行焊接操作，焊片熔化并包覆金属颗粒的外表面，金属颗粒支撑于电子元件与基板之间，在电子元件与基板之间形成厚度均匀的第一焊层；金属颗粒的粒径尺寸小于或等于第一焊层的设计厚度。本发明能够解决现有功率半导体器件因焊层厚度不均匀导致焊层寿命过短的技术问题。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种焊层厚度控制方法及由该方法制作的功率半导体器件。

背景技术

焊接式结构是目前功率半导体器件广泛采用的一种连接结构形式，电子元件100焊接在基板8上，电子元件100包括设置于基板8之上的衬板3，及设置于衬板3之上的芯片1；衬板3进一步包括上至下依次设置的上覆铜层4、陶瓷层5和下覆铜层6；芯片1设置于上覆铜层4之上，上覆铜层4连接有功率端子9；在芯片1与上覆铜层4之间形成有第二焊层7，在下覆铜层6与基板8之间形成有第一焊层2，如附图1所示。其中，在芯片1与衬板3之间，以及衬板3与基板8之间均利用焊料以回流焊工艺进行连接。所有焊料在融化后都变成液体，受到不均衡的外部应力(例如器件的自身重量)之后必然发生变形。其中，芯片1和衬板3之间的第二焊层7，以及衬板3和基板8之间的第一焊层2都是可靠性的薄弱点。由于与外部连接的功率端子9自身重量将对焊层造成一定程度的挤压，导致个别位置焊层的厚度偏离设计值H，特别是在功率端子9的重力不作用于衬板3中心的情况下，这种情况尤为严重，如附图2和3所示。在衬板3和基板8之间的第一焊层2中，衬板3的右侧由于存在外部压力(如：功率端子9的自身重量)使得该处焊层受到挤压导致厚度较薄，由于焊层被挤出到左侧，相应的左侧焊层较厚，两处焊层的厚度都严重偏离了设计值，如附图3所示。

在正常情况下，功率半导体器件的焊接质量一般采用X射线或超声波检测技术对焊接空洞进行检查，但是这两种检测技术均无法实现对焊层厚度的均匀性做出判断，因此焊层的厚度是否均匀在功率半导体器件的生产工艺中是完全失控的。焊层厚度不均匀的功率半导体器件，在模拟使用情况的被动热循环试验中，其焊层较薄的位置(该处焊层厚度一般只有设计值的50％)很容易与衬板3的覆铜层发生分离，这种情况利用超声波检测技术可以很直观的发现。有限元仿真结果表明，基板8的焊层越薄该处的应力越大，功率半导体器件在使用过程中产生的周期性温度应力更容易使该处的焊层发生损伤，该较薄处的寿命通常只有设计值的1/3。如附图4所示，为不同焊层厚度偏差下的累积应变与温度循环周期关系的曲线，可见偏差越大，相同循环周期下累积应变越多，焊层越容易发生失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种焊层厚度控制方法及由该方法制作的功率半导体器件，以解决现有功率半导体器件因焊层厚度不均匀导致焊层寿命过短的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种功率半导体器件焊层厚度控制方法的技术实现方案，一种功率半导体器件焊层厚度控制方法，包括以下步骤：

S11)在将电子元件安装至基板之前，先向所述基板上用于焊接所述电子元件的区域加入金属颗粒，所述金属颗粒在焊片贴片于所述基板之前，或所述焊片贴片于所述基板之后加入，所述金属颗粒的熔点或软化点高于所述焊片的焊接温度；

S12)将所述电子元件贴放于所述焊片或所述金属颗粒的上部并进行焊接操作，所述焊片熔化并包覆所述金属颗粒的外表面，所述金属颗粒支撑于所述电子元件与所述基板之间，在所述电子元件与所述基板之间形成厚度均匀的第一焊层；所述金属颗粒的粒径尺寸小于或等于所述第一焊层的设计厚度。

本发明还具体提供了另一种功率半导体器件焊层厚度控制方法的技术实现方案，一种功率半导体器件焊层厚度控制方法，包括以下步骤：