[发明专利]一种芯片烧结品、子单元、IGBT封装模块及制备方法

说明书

本发明公开了一种芯片烧结品、子单元、IGBT封装模块及制备方法。该芯片烧结品包括第一钼片和第二钼片以及设置于两者间的芯片，第一钼片和第二钼片中至少一个为预制钼片，预制钼片为表面设置预制纳米银膜的钼片，且芯片中至少一面与预制纳米银膜相接触，通过采用预制纳米银膜能有效提高后续加压烧结过程中纳米银颗粒的分布均匀性，避免“咖啡环效应”，降低了热阻。同时保证由其烧结得到的烧结层中分布均匀的纳米级孔洞，通过这些纳米级孔洞能有效降低芯片和钼片间产生的应力，提高芯片烧结品的剪切强度。采用该芯片烧结品的单元和IGBT封装模块具有低的热阻、高的剪切强度，由预制纳米银膜烧结得到的烧结层致密性高，且分布纳米级孔洞。

技术领域

本发明属于IGBT封装模块封装技术领域，具体涉及一种芯片烧结品、子单元、IGBT封装模块及制备方法，特别涉及一种采用纳米银膜的芯片烧结品、子单元、压接式IGBT封装模块及其制备方法。

背景技术

IGBT模块作为新一代全控型电力电子器件，经过三十多年的快速发展，已经成为电力电子领域的主流器件，并且随着电压、电流参数的迅速提高，目前已经在工业领域、机车牵引、智能电网等领域迅速推广。

IGBT模块一般分为压接式IGBT模块和焊接型IGBT模块。与传统焊接型IGBT模块相比，压接IGBT模块具有如下优点：1)芯片布局更密集，模块电流密度更高，易于实现大电流；2)大幅减少模块内部引线和焊点，提高了模块整体可靠性；3)失效形式为“失效短路模式”，给出设计冗余条件下，大幅提高系统可靠性；4)压接型IGBT易于串联安装，更适合于高电压装置，在柔性直流输电、直流断路器中具有显著的串联高压优势。基于上述优点，压接IGBT模块将使主电路结构大为简化，控制复杂性大为降低，所需器件减少，装置更加紧凑、重量更轻，可靠性不会随着装置电压风机的提高而明显降低，故其逐渐成为电网中的主流器件，被广泛地应用在柔性直流输电、柔性交流输电、定制电力园区、“全国联网”工程、海上风电接入、光伏接入等工程建设中，如在我国开发的柔性直流输电换流阀和直流断路器中得到了大量应用。

但因压接式IGBT模块是由芯片、钼片和电极等部件进行多层级的叠加而形成的，这样就会造成芯片与钼片、钼片与电极之间存在较大的接触热阻和接触电阻，经测试，多层叠加后的IGBT模块热阻提高了30％左右，从而引发早期失效。为了降低接触热阻和接触电阻，现有技术一般在芯片与钼片间设置热界面层，来降低热阻。比如中国专利文献CN106373954A公开了一种采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块及其制备方法，该技术包括如下步骤：1)采用贴胶带或者钢网控制印刷厚度的方式，控制刮刀压力、刮刀速度、刮刀的尺寸参数和网板参数等操作条件，将纳米银焊膏均匀预涂覆在钼基板表面，然后利用手动贴片机将芯片贴装在焊膏表面；2)将贴好片的待烧结结构放在加热台上保温干燥：从室温升至150℃～180℃，保温10min～15min；得到干燥后的待烧结结构；3)将干燥后的待烧结结构移到已升至烧结温度为260℃～300℃的热压机中烧结，从而制得单芯片烧结连接结构；4)将单芯片烧结连接结构，装入塑料框架中，完成单芯片焊接子模组的组装。通过上述制备方法在一定程度上降低了热阻值。

上述技术中，纳米银焊膏在涂覆过程中易出现涂覆不均匀的现象，同时刮刀压力、刮刀速度、刮刀的尺寸参数和网板参数等操作条件较难选择和控制，这样就会出现焊膏塌陷、焊膏量不足和焊膏偏移等不良现象，造成烧结层出现大孔洞，降低了其致密性和剪切强度。再者焊膏在涂覆过程中存在“咖啡环效应”，也即焊膏中的水分和有机物挥发后，会呈现边缘纳米银颗粒浓度远高于中间浓度的不均匀现象，使得芯片和钼片的实际接触面积减少，这将造成芯片和钼片接触热阻大、芯片不均流现象增强，降低了器件的可靠性。

发明内容

为此，本发明所要解决的现有IGBT模块中热界面层存在致密性差、剪切强度低以及降低热阻能力不足的缺陷，进而提供了一种热界面层致密性好、剪切强度高、降低热阻能力强的芯片烧结品、子单元、IGBT封装模块及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：