專利名稱：大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀膏厚度控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合動力汽車高溫功率電子模塊燒結(jié)封裝技術(shù)。特別是涉及一種可 降低混合動力汽車的制造和維護成本的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀膏厚度 控制裝置。
背景技術(shù)：
對于混合動力汽車，當使用蓄電池內(nèi)的能量驅(qū)動汽車時，需要用逆變器或換流器等 高功率電子模塊將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，大功率的逆變器或換流器中的電流可高達上百 安培，必會產(chǎn)生大量的熱量。目前， 一般使用無鉛或高鉛焊膏或預成型釬料薄膜，通過 在26(TC到30(TC以上的回流焊工藝，熔化并固化成釬料合金，來連接功率模塊中的芯片 和基體?？紤]到釬焊焊點的可靠性，目前市場上銷售的混合動力汽車中的功率電子模塊 芯片的結(jié)點溫度不得高于15(TC，通常使用125。C作為結(jié)點溫度。因此需要冷卻系統(tǒng)來冷 卻功率電子模塊。
傳統(tǒng)汽車只用一個環(huán)路液體冷卻系統(tǒng)組成的一個封閉冷卻循環(huán)，來帶走發(fā)動機上的 熱量，然后通過散熱器和風扇將熱量送走。傳統(tǒng)汽車散熱器中冷卻介質(zhì)溫度會高達105。C， 用于冷卻目前混合動力汽車上的功率電子系統(tǒng)(如逆變器和DC-DC換流器)(結(jié)點溫度125 °C)來說太高了。因此，與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力汽車需要格外增加一套冷卻循環(huán)系 統(tǒng)，新增的第二套冷卻系統(tǒng)用來降低散熱器中冷卻介質(zhì)的溫度，使冷卻介質(zhì)的溫度在65。 C以下。然而，第二套冷卻系統(tǒng)必然增加混合動力車的制造成本和長期的維修保養(yǎng)成本。
因此，混合動力汽車的發(fā)展急需一種新的汽車逆變器和換流器，使其可以在更高的 溫度(175°0下長期可靠的工作，從而去除第二套冷卻循環(huán)系統(tǒng)，降低混合動力汽車的制 造成本。很清楚，降低成本所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)只能依靠功率電子的發(fā)展來解決，即可用 105。C的冷卻介質(zhì)來冷卻巧片結(jié)點溫度超過175。C的功率電子模塊，并能保證正常工作。
這就需要發(fā)展一種可靠的、低成本的高溫功率封裝技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可降低混合動力汽車的制造和維護成本， 降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀 膏厚度控制裝置。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，包括有如下階
段
第一階段將已通過納米銀膏厚度控制裝置設(shè)定好納米銀膏厚度的具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)放入在焼結(jié)爐內(nèi)開放置設(shè)定的時問；
第二階段給燒結(jié)爐快速升溫至5(TC，保溫10分鐘； 第三階段給燒結(jié)爐快速升溫至125 。C，保溫20分鐘；
第四階段給燒結(jié)爐快速升溫至燒結(jié)溫度，保溫30-60分鐘，然后爐冷至室溫。 第一階段所述的納米銀膏厚度設(shè)定為30ura 50um。
第一階段所述的放置設(shè)定的溫度和時間，是在50-6(fC下放置3-5分鐘，或者在室 溫下放置24小時。
第四階段所述的燒結(jié)溫度設(shè)定為使燒結(jié)爐內(nèi)的壓力范圍達到l-5Mpa時的溫度。 第四階段所述的燒結(jié)溫度設(shè)定為260-300 。C。
一種大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，包括有加載支座，設(shè)置在加載支座內(nèi)
的用于放置具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)并測量該大功率芯片中納米銀膏厚度的測量 支撐結(jié)構(gòu)，以及貫穿加,支座的上端并伸入到加載支座內(nèi)由上至下對測量支撐結(jié)構(gòu)施加
壓力的加載螺釘。
所述的測量支撐結(jié)構(gòu)包括有支撐塊，設(shè)置在支撐塊上面的第一玻璃板，分別設(shè)置 在支撐塊兩側(cè)的第一引伸計和第二引伸計，所述的第一引伸計和第二引伸計的頂端支撐 有位于第一玻璃板的上方的第二玻璃板，所述的第一玻璃板和第二玻璃板之間用于放置 具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)，所述的加載螺釘頂在第二玻璃板的頂端對具有納米銀 膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)施壓。
所述的第一玻璃板和第二玻璃板的厚度相同。 所述的引伸計7采用位移計或激光測距計。
所述的具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)包括有位于底層的基板，位于頂層的芯片，
以及位于基板和芯片之間的納米銀膏。
本發(fā)明的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀膏厚度控制裝置，使用了新型的 無鉛界面連接材料一納米銀膏。使用該技術(shù)制造的汽車功率電子模塊可將其結(jié)點溫度提
高至175。C，因此可免除目前混合動力汽車中必需的第二套冷卻水系統(tǒng)，降低混合動力汽 車的制造成本和長期維護成本。所使用的新型界面連接材料具有高導電性、高導熱性、 低彈性模量、高粘結(jié)性等優(yōu)異性能，且耐高溫性能優(yōu)良，可保證功率電子模塊在高溫下 長期可靠工作。本發(fā)明可用來制造新型的混合動力汽車逆變器和換流器等汽車功率電子 模塊，可降低混合動力汽車的制造和維護成本，可促進費用低廉、節(jié)能降耗且環(huán)保的混 合動力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放。


圖1是本發(fā)明的納米銀膏厚度控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中
1:加載支座 2:加載螺釘
43:測量支撐結(jié)構(gòu) 5:第一玻璃板 7:第一引伸計 9:基板
6:第二玻璃板 8:第二引伸計 10:納米銀膏
4:支撐塊
11:芯片
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀膏厚度 控制裝置做出詳細說明。
本發(fā)明的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀膏厚度控制裝置，對于混合動力 汽車中的功率模塊中芯片和基體的連接，采用新型無鉛界面連接材料，并基于新型材料
開發(fā)用于大功率電子模塊的低溫燒結(jié)技術(shù)，即采用芯片粘接技術(shù)代替現(xiàn)在的釬料互聯(lián)技 術(shù)。
當使用本發(fā)明的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法連接芯片和基體時，必須使得納米 銀膏中的有機成分揮發(fā)或燒蝕掉，保證最后的燒結(jié)過程只剩下納米銀。對于lOmmx 10咖 及更大的大芯片，在燒結(jié)技術(shù)中，在涂上銀膏、控制好其厚度后，必須先進行干燥，以 除掉部分有機物。所以，本發(fā)明的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，包括有如下階段
第一階段將己通過納米銀膏厚度控制裝置設(shè)定好納米銀膏厚度的具有納米銀膏的 大功率芯片結(jié)構(gòu)放入在燒結(jié)爐內(nèi)并放置設(shè)定的時間；
所述的納米銀膏厚度設(shè)定為30um 50um。所述的放置設(shè)定的溫度和時間，是在50-60 。C下放置3-5分鐘，或者在室溫下放置24小時。
第二階段給燒結(jié)爐快速升溫至50。C，保溫10分鐘；
第三階段給燒結(jié)爐快速升溫至125 °C，保溫20分鐘；
第四階段給燒結(jié)爐快速升溫至燒結(jié)溫度，保溫30-60分鐘，然后爐冷至窒溫。
所述的燒結(jié)溫度設(shè)定為使燒結(jié)爐內(nèi)的壓力范圍達到l-5Mpa時的溫度。壓力越大，燒 結(jié)溫度越低。所述的燒結(jié)溫度可以設(shè)定為260-300 °C。
納米銀膏的厚度對封裝的可靠性影響很大，如超過100um，將產(chǎn)生剝離。因此在納米 銀膏燒結(jié)前，必須控制銀膏的厚度。
如圖1所示，本發(fā)明的大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，包括有加載支座l， 設(shè)置在加載支座1內(nèi)的用于放置具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)并測量該芯片中納米銀 膏厚度的測量支撐結(jié)構(gòu)3，以及貫穿加載支座1的上端并伸入到加載支座1內(nèi)由上至下對 測量支撐結(jié)構(gòu)3施加壓力的加載螺釘2。
所述的測量支撐結(jié)構(gòu)3包括有支撐塊4，設(shè)置在支撐塊4上面的第一玻璃板5，分 別設(shè)置在支撐塊4兩側(cè)的第一引伸計7和第二引伸計8，所述的第一引伸計7和第二引伸 計8的頂端支撐有位于第一玻璃板5的上方的第二玻璃板6，所述的第一玻璃板5和第二玻璃板6之間用于放置具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)，所述的加載螺釘2頂在第二玻 璃板6的頂端對具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)施壓。
所述的第一玻璃板5和第二玻璃板6的厚度相同。所述的引伸計7可采用位移計或 激光測距計。
所述的具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)包括有位于底層的基板9，位于頂層的芯片 11，以及位于基板9和芯片11之間的納米銀膏10。
本發(fā)明的納米銀膏厚度具體控制過程是將在基板9上點上納米銀膏10后，放置芯 片ll,然后將基板-銀膏-芯片放置在兩個厚度完全相同的第一、二玻璃板5、 6之間，下 面的第一玻璃板5固定，通過旋轉(zhuǎn)加載螺釘2對上方的第二玻璃板6輕輕加載，同時用 引伸計7測量玻璃板向下移動的距離，當納米銀膏10的厚度達到30um 50um之間后， 停止旋轉(zhuǎn)加載螺釘2。
權(quán)利要求
1.一種大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，其特征在于，包括有如下階段第一階段將已通過納米銀膏厚度控制裝置設(shè)定好納米銀膏厚度的具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)放入在燒結(jié)爐內(nèi)并放置設(shè)定的時間；第二階段給燒結(jié)爐快速升溫至50℃，保溫10分鐘；第三階段給燒結(jié)爐快速升溫至125℃，保溫20分鐘；第四階段給燒結(jié)爐快速升溫至燒結(jié)溫度，保溫30-60分鐘，然后爐冷至室溫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，其特征在于，第一階段所述的納米銀膏厚度設(shè)定為30um 50um。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，其特征在于，第一階段 所述的放置設(shè)定的溫度和時間，是在50-60。C下放置3-5分鐘，或者在室溫下放置24小 時。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，其特征在于，第四階段 所述的燒結(jié)溫度設(shè)定為使燒結(jié)爐內(nèi)的壓力范圍達到l-5Mpa時的溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法，其特征在于，第四階段 所述的燒結(jié)溫度設(shè)定為260-300 。C。
6. —種權(quán)利要求l所述的大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，其特征在于，包括 有加載支座(1)，設(shè)置在加載支座(1)內(nèi)的用于放置具有納米銀膏的大功率芯片結(jié) 構(gòu)并測量該大功率芯片中納米銀膏厚度的測量支撐結(jié)構(gòu)(3)，以及貫穿加載支座(1) 的上端并伸入到加載支座(l)內(nèi)由上至下對測量支撐結(jié)構(gòu)(3)施加壓力的加載螺釘(2)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，其特征在于，所述 的測量支撐結(jié)構(gòu)(3)包括有支撐塊(4),設(shè)置在支撐塊(4)上面的第一玻璃板(5)， 分別設(shè)置在支撐塊(4)兩側(cè)的第一引伸計(7)和第二引伸計(8)，所述的第一引伸計(7)和第二引伸計(8)的頂端支撐有位于第一玻璃板(5)的上方的第二玻璃板(6)， 所述的第一玻璃板(5)和第二玻璃板(6)之間用于放置具有納米銀膏的大功率芯片結(jié) 構(gòu)，所述的加載螺釘(2)頂在第二玻璃板(6)的頂端對具有納米銀膏的大功率芯片結(jié) 構(gòu)施壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，其特征在于，所述 的第一玻璃板(5)和第二玻璃板(6)的厚度相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，其特征在于，所述 的引伸計7采用位移計或激光測距計。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的大功率芯片中納米銀膏厚度控制裝置，其特征在于， 所述的具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)包括有位于底層的基板(9)，位于頂層的芯片(11)，以及位于基板(9)和芯片(11)之間的納米銀膏(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種大功率芯片連接的低溫燒結(jié)方法及納米銀膏厚度控制裝置，方法將已通過納米銀膏厚度控制裝置設(shè)定好納米銀膏厚度的具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)放入在燒結(jié)爐內(nèi)并放置設(shè)定的時間；給燒結(jié)爐快速升溫至50℃，保溫10分鐘；給燒結(jié)爐快速升溫至125℃，保溫20分鐘；給燒結(jié)爐快速升溫至燒結(jié)溫度，保溫30-60分鐘，然后爐冷至室溫。裝置有加載支座，設(shè)置在加載支座內(nèi)的用于放置具有納米銀膏的大功率芯片結(jié)構(gòu)并測量該大功率芯片中納米銀膏厚度的測量支撐結(jié)構(gòu)，以及貫穿加載支座的上端并伸入到加載支座內(nèi)由上至下對測量支撐結(jié)構(gòu)施加壓力的加載螺釘。本發(fā)明可降低混合動力汽車的制造和維護成本，節(jié)能降耗且環(huán)保降低二氧化碳的排放。
文檔編號H01L21/00GK101593712SQ20091006944
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者徐連勇, 荊洪陽, 陸國權(quán) 申請人:天津大學