[發明專利]一種芯片燒結品、子單元、IGBT封裝模塊及制備方法

有效

• 申請號: 201710846539.2
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107845617B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 田麗紛;李現兵;張朋;武偉;林仲康;石浩;張喆;唐新靈;王亮
• 申請（專利權）人: 全球能源互聯網研究院有限公司;國網山東省電力公司電力科學研究院;國家電網有限公司
• 主分類號: H01L23/488
• 分類號: H01L23/488;H01L25/16;H01L21/603
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 李敏

本發明公開了一種芯片燒結品、子單元、IGBT封裝模塊及制備方法。該芯片燒結品包括第一鉬片和第二鉬片以及設置于兩者間的芯片，第一鉬片和第二鉬片中至少一個為預制鉬片，預制鉬片為表面設置預制納米銀膜的鉬片，且芯片中至少一面與預制納米銀膜相接觸，通過采用預制納米銀膜能有效提高后續加壓燒結過程中納米銀顆粒的分布均勻性，避免“咖啡環效應”，降低了熱阻。同時保證由其燒結得到的燒結層中分布均勻的納米級孔洞，通過這些納米級孔洞能有效降低芯片和鉬片間產生的應力，提高芯片燒結品的剪切強度。采用該芯片燒結品的單元和IGBT封裝模塊具有低的熱阻、高的剪切強度，由預制納米銀膜燒結得到的燒結層致密性高，且分布納米級孔洞。

技術領域

本發明屬于IGBT封裝模塊封裝技術領域，具體涉及一種芯片燒結品、子單元、IGBT封裝模塊及制備方法，特別涉及一種采用納米銀膜的芯片燒結品、子單元、壓接式IGBT封裝模塊及其制備方法。

背景技術

IGBT模塊作為新一代全控型電力電子器件，經過三十多年的快速發展，已經成為電力電子領域的主流器件，并且隨著電壓、電流參數的迅速提高，目前已經在工業領域、機車牽引、智能電網等領域迅速推廣。

IGBT模塊一般分為壓接式IGBT模塊和焊接型IGBT模塊。與傳統焊接型IGBT模塊相比，壓接IGBT模塊具有如下優點：1)芯片布局更密集，模塊電流密度更高，易于實現大電流；2)大幅減少模塊內部引線和焊點，提高了模塊整體可靠性；3)失效形式為“失效短路模式”，給出設計冗余條件下，大幅提高系統可靠性；4)壓接型IGBT易于串聯安裝，更適合于高電壓裝置，在柔性直流輸電、直流斷路器中具有顯著的串聯高壓優勢。基于上述優點，壓接IGBT模塊將使主電路結構大為簡化，控制復雜性大為降低，所需器件減少，裝置更加緊湊、重量更輕，可靠性不會隨著裝置電壓風機的提高而明顯降低，故其逐漸成為電網中的主流器件，被廣泛地應用在柔性直流輸電、柔性交流輸電、定制電力園區、“全國聯網”工程、海上風電接入、光伏接入等工程建設中，如在我國開發的柔性直流輸電換流閥和直流斷路器中得到了大量應用。

但因壓接式IGBT模塊是由芯片、鉬片和電極等部件進行多層級的疊加而形成的，這樣就會造成芯片與鉬片、鉬片與電極之間存在較大的接觸熱阻和接觸電阻，經測試，多層疊加后的IGBT模塊熱阻提高了30％左右，從而引發早期失效。為了降低接觸熱阻和接觸電阻，現有技術一般在芯片與鉬片間設置熱界面層，來降低熱阻。比如中國專利文獻CN106373954A公開了一種采用納米銀焊膏的燒結式IGBT模塊及其制備方法，該技術包括如下步驟：1)采用貼膠帶或者鋼網控制印刷厚度的方式，控制刮刀壓力、刮刀速度、刮刀的尺寸參數和網板參數等操作條件，將納米銀焊膏均勻預涂覆在鉬基板表面，然后利用手動貼片機將芯片貼裝在焊膏表面；2)將貼好片的待燒結結構放在加熱臺上保溫干燥：從室溫升至150℃～180℃，保溫10min～15min；得到干燥后的待燒結結構；3)將干燥后的待燒結結構移到已升至燒結溫度為260℃～300℃的熱壓機中燒結，從而制得單芯片燒結連接結構；4)將單芯片燒結連接結構，裝入塑料框架中，完成單芯片焊接子模組的組裝。通過上述制備方法在一定程度上降低了熱阻值。

上述技術中，納米銀焊膏在涂覆過程中易出現涂覆不均勻的現象，同時刮刀壓力、刮刀速度、刮刀的尺寸參數和網板參數等操作條件較難選擇和控制，這樣就會出現焊膏塌陷、焊膏量不足和焊膏偏移等不良現象，造成燒結層出現大孔洞，降低了其致密性和剪切強度。再者焊膏在涂覆過程中存在“咖啡環效應”，也即焊膏中的水分和有機物揮發后，會呈現邊緣納米銀顆粒濃度遠高于中間濃度的不均勻現象，使得芯片和鉬片的實際接觸面積減少，這將造成芯片和鉬片接觸熱阻大、芯片不均流現象增強，降低了器件的可靠性。

發明內容

為此，本發明所要解決的現有IGBT模塊中熱界面層存在致密性差、剪切強度低以及降低熱阻能力不足的缺陷，進而提供了一種熱界面層致密性好、剪切強度高、降低熱阻能力強的芯片燒結品、子單元、IGBT封裝模塊及制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：