[發明專利]一種改性Ag膏及其應用以及功率模塊中芯片和基體連接的燒結方法

有效

• 申請號: 201110439611.2
• 申請日: 2011-12-23
• 公開（公告）號: CN103170617A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 楊欽耀;陳剛;曾秋蓮;張昌勇;吳超平;周莉莉;符色艷
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F7/04;C22C5/06;C22C5/08;H01L21/58
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 王浩然;王鳳桐

技術領域

本發明涉及一種高可靠性的功率模塊的低溫燒結技術，尤其涉及一種改性Ag膏及其應用，以及采用該改性Ag膏進行功率模塊中芯片和基體連接的燒結方法。

背景技術

半導體功率模塊封裝中傳統上一般采用Sn基、Pb基焊料來實現電氣連接，但是Pb基不能滿足環保的要求，而Sn焊料由于其熔點較低，能承受的工作溫度有限。隨著混合動力汽車和純電動汽車的發展，為滿足大功率模塊更高的長期可靠性要求，必須尋找一種比傳統的Sn基焊料更好的材料，來實現芯片與基體之間的機械、熱和電氣連接，現有技術中的基體一般為陶瓷上直接鍵合Cu(DBC)、陶瓷上主動釬焊金屬(AMB)或陶瓷上直接鍵合Al(DBA)。

Semikron和Infineon公司先后開發了Ag膏燒結技術，所使用的Ag膏中的Ag的含量至少在90％以上，由于Ag的熔點在961℃，且實現了300℃左右的溫度下燒結，這種低溫燒結Ag技術使得模塊能承受更高的工作溫度和更惡劣的工作環境，模塊工作壽命將提高5倍。但目前Ag膏燒結技術普遍需要在與之連接的基體上鍍貴金屬Au、Ag、Pd等，以防止燒結過程中氧化問題的發生，并提高Ag膏與基體的結合力。而在基體上鍍貴金屬必然導致較高的成本。

實際上為節省成本，在IGBT功率模塊封裝中，可以在DBC表層的Cu層上直接進行焊接。基體的另外一種供貨狀態是在DBC、DBA表面鍍Ni，為的是防止DBC、DBA表層的Cu、Al金屬層發生氧化。但Ag與Cu之間在低溫下固溶度很小，所以這種界面結合力較弱，Ag與Ni互不固溶，直接燒結必然導致結合力很小，甚至根本無法結合，因而Ag與DBC或DBA或AMB上的Cu或Ni層直接結合的長期可靠性存在潛在的風險。

雖然Infineon公司也因避免貴金屬鍍層，降低成本，從而開發了真空Ag膏燒結技術，但是該技術只防止了DBC、DBA表層的Cu、Al金屬層發生氧化，并沒有給Ag膏燒結在Ni、Cu層上的可靠性問題提供解決方案。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有的低溫燒結Ag技術中Ag膏與基體的Ni、Cu層結合力差的問題，提供一種新的改性Ag膏及其應用以及功率模塊中芯片和基體連接的燒結方法。

本發明的發明人在研究中意外發現，在Ag膏中加入Sn、Sb、Cu、Ni和Zn中的至少一種，并將各組分的含量分別控制在一定的范圍內，可以極大提高低溫燒結中Ag膏與基體的Ni、Cu層的結合力。因此，為了實現上述目的，一方面，本發明提供了一種改性Ag膏，所述改性Ag膏含有金屬粉和有機物，以所述改性Ag膏的總量為基準，所述金屬粉的含量為70-80重量％，所述有機物的含量為20-30重量％，所述金屬粉中含有Ag，并含有Sn、Sb、Cu、Ni和Zn中的至少一種，以所述金屬粉的總量為基準，Ag的含量為75-99.9重量％，Sn的含量為0-12重量％，Sb的含量為0-8重量％，Cu的含量為0-5重量％，Ni的含量為0-0.01重量％，Zn的含量為0-0.01重量％，且Sn、Sb、Cu、Ni和Zn的總量為0.1-25重量％；所述有機物包括粘結劑，以所述有機物的總量為基準，所述粘結劑的含量為15-100重量％。

以所述金屬粉的總量為基準，Sn的含量優選為0.001-12重量％，進一步優選為5-12重量％。

另一方面，本發明提供了一種如上所述的改性Ag膏在功率模塊的芯片和基體連接中的應用。

第三方面，本發明提供了一種功率模塊中芯片和基體連接的燒結方法，所述方法包括：在所述基體上涂覆一層膏體，將所述芯片放置于膏體層上，燒結所述膏體使所述芯片和所述基體連接，其特征在于，所述膏體為如上所述的改性Ag膏。

本發明提供的改性Ag膏提高了低溫燒結中Ag膏與基體的Ni、Cu層的結合力，進而為提高大功率模塊的可靠性提供了解決方案；本發明提供的改性Ag膏相對于現有技術中的Ag膏，節省了Ag的用量，并且無需鍍Au、Ag、Pd等貴金屬，即可實現Ag膏與基體良好的結合力，因此，極大地節省了成本；本發明提供的功率模塊中芯片和基體連接的燒結方法進一步降低了燒結溫度，使得模塊能進一步承受更高的工作溫度和更惡劣的工作環境，進一步提高了模塊的工作壽命。

本發明的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

圖1是根據本發明的改性Ag膏在Cu層上燒結前的結構示意圖。

圖2是根據本發明的改性Ag膏在Cu層上的Ni鍍層上燒結前的結構示意圖。