本發(fā)明涉及一種焊接技術(shù)，特別涉及一種焊接IGBT模塊的方法。

背景技術(shù)：

如圖1所示，目前IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊1包括基板2以及設(shè)置在基板2上的多個芯片單元。每個芯片單元包括依次層疊的芯片6、芯片焊層5、襯板4、襯板焊層3。襯板焊層3用于連接襯板4和基板2。芯片6之間通過橫向延伸的引線形成連接。襯板4之間通過功率端子形成相互連接。

基板2是IGBT模塊1散熱的主要通道，基板2在安裝到散熱器上之前都應(yīng)具有一定的拱度。基板2通常安裝在散熱器上，其向外凸出的一面與散熱器相抵接?；?的邊緣設(shè)置多個連接基板2和散熱器的螺釘以將基板2固定到散熱器上，又由于基板2具有一定的拱度，由此，基板2和散熱器之間的間隙更小更均勻，基板2和散熱器之間的導(dǎo)熱能力更強。為了提高散熱效果，通常在該間隙內(nèi)填充導(dǎo)熱硅脂。

基板2的拱度設(shè)計需考慮模塊封裝工藝過程，基板2與襯板4焊接是由焊料連接，焊料歷經(jīng)預(yù)熱、融化、冷卻的過程，焊料固態(tài)、液態(tài)、固態(tài)相變會使零部件承受一定的應(yīng)力，這種分子間的結(jié)合力對基板2的變形作用較明顯。若基板2與襯板焊層3相連接的面為平面，就會使焊接過程中基板2整體受力不均勻，引起基板2背面的拱度變化不規(guī)則，產(chǎn)生基板2背面翹曲，影響IGBT模塊1的散熱，嚴(yán)重情況下會產(chǎn)生模塊過熱失效。

現(xiàn)有的基板2的一面凹陷，另一面凸起?；?的拱度通常保持在幾十至幾百微米的范圍內(nèi)。通常在基板2成型后，再采用沖壓(或模具)和精加工的方式來加工出基板2上的拱度。

基板2主要由銅、陶瓷或其它金屬材料制成。目前的基板2拱度控制方法主要從基板2初始拱度設(shè)計、焊料選型、焊接工藝參數(shù)三個方面出發(fā)，適宜的基板2拱度設(shè)計與相匹配的焊料，不同拱度值的基板2使用的焊料和工藝參數(shù)不同。

在現(xiàn)有的封裝工藝條件下，對基板2拱度控制存在以下缺點：

(1)基板2拱度值僅依據(jù)基板2初始拱度設(shè)計值，不考慮工藝過程與工藝參數(shù)控制，封裝完成后的基板2拱度值即是IGBT模塊1出廠的基板2拱度。基板2拱度值較寬泛，在模塊使用時需要在基板2背面涂覆較厚的導(dǎo)熱硅脂，以確保模塊與散熱器接觸良好，對模塊的散熱有一定的影響；

(2)由于材料間熱膨脹系數(shù)不一致，若基板2尺寸較大，由于基板2的拱度存在，模塊焊接過程基板2受熱不均勻，模塊經(jīng)歷高溫過程后形成基板2背面局部凹凸不平，基板2扭曲變形較嚴(yán)重，基板2局部拱度過大，影響模塊散熱性能；

(3)若襯板4大小不一致，焊層分布不均勻，在焊接工藝過程中基板2受力也會不均，進(jìn)而引起基板2拱度變化不規(guī)則，基板2的拱度較難控制；

(4)由于基板2存在拱度，在焊接時，基板2的凸出面的頂點(一般在中心位置)與加熱板接觸，拱度較小的區(qū)域不與加熱板接觸。加熱過程中熱量自加熱板傳遞給基板2，靠近中心位置的焊料最先熔化，焊料熔化后，向基板2中心位置流動。熔化后的焊料在基板2表面流動性不一，導(dǎo)致冷卻后襯板焊層3厚度不一致，在同一襯板4下方，靠近基板2中心區(qū)域的襯板焊層3偏厚，而遠(yuǎn)離中心區(qū)域的襯板焊層3較??；

(5)基板2與加熱板在基板2拱度較大位置接觸，其余區(qū)域與熱板沒有接觸。熱量由熱板向基板2傳遞需要提高熱板的溫度，使基板2區(qū)域間存在溫差，進(jìn)而驅(qū)動熱量向基板2溫度較低的區(qū)域傳導(dǎo)，加熱時間延長，且熱板溫度提升需要消耗更多的能量，降低了焊接效率；

(6)襯板焊層3的厚度不均勻分布不僅影響模塊的散熱性能，而且在IGBT模塊1周期性溫度變化過程中，襯板焊層3的受力不均，會造成局部蠕變產(chǎn)生裂紋，影響模塊的長期可靠性；由于基板2在經(jīng)過焊料熔化的高溫焊接過程，基板2中心位置焊料多，在焊接冷卻的過程基板2拱度形變增大，加劇焊層厚度的不均勻分布。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為如何避免襯板和拱形的基板焊接在一起時引起的基板不規(guī)則變形。

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種焊接IGBT模塊的方法，其包括以下步驟：步驟一：將拱形的基板展平并固定在平板上，基板的凸出面抵接于平板；步驟二：在基板的凹陷面上設(shè)置焊料以形成厚度均勻的襯板焊料層；步驟三：將襯板覆蓋在襯板焊料層上；步驟四：將平板放置在水平的加熱板上加熱以使得襯板焊料層熔化，然后冷卻襯板焊料層。

在一個具體的實施例中，在步驟一中，在基板的邊緣部分上設(shè)置多個用于連接平板和基板的螺釘以將基板緊固在平板上。

在一個具體的實施例中，在步驟四中，在襯板焊料層的溫度上升到襯板焊料層的熔點之前，加熱板的升溫速率為0.5～2℃/s。

在一個具體的實施例中，在步驟四中，在冷卻過程中，襯板焊料層的降溫速度1～3℃/s。

在一個具體的實施例中，在步驟四中，在真空環(huán)境中進(jìn)行加熱。

在一個具體的實施例中，襯板包括依次層疊的第一金屬層、絕緣層和第二金屬層。

在一個具體的實施例中，絕緣層由氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅或四氮化三硅制成。

在一個具體的實施例中，襯板焊料層為錫膏或箔狀的焊錫。

在一個具體的實施例中，在步驟三之后步驟四之前，還在襯板上設(shè)置焊料以形成厚度均勻的芯片焊料層，芯片焊料層的熔點低于所述襯板焊料層的熔點，將芯片覆蓋在所述芯片焊料層上，

在步驟四中，芯片焊料層與襯板焊料層一同被加熱直至均熔化，然后同時冷卻芯片焊料層和所述襯板焊料層。

在一個具體的實施例中，在加熱時，加熱板與平板之間的界面處的熱流密度分布均勻。

采用本發(fā)明中的方法進(jìn)行焊接后，襯板焊料層凝固后在其內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而襯板焊料層位于凹陷面，當(dāng)基板與平板分離后基板重新拱起，這樣就匹配了襯板焊料層內(nèi)的拉應(yīng)力的變形方向，進(jìn)而消除基板的不規(guī)則焊接形變，從而有效的控制基板拱度不規(guī)則變化，使模塊封裝后達(dá)到規(guī)定的基板拱度值，在焊接時不需要考慮焊接材料與封裝工藝參數(shù)，基板拱度合格率提高。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1為現(xiàn)有的一種IGBT模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種實施方式中的焊接IGBT模塊的方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明的一種實施方式中的基板放置到平板上的示意圖；

圖4為本發(fā)明的一種實施方式中的基板與平板的裝配示意圖；

圖5為本發(fā)明的一種實施方式中的IGBT模塊、平板與加熱板之間的裝配示意圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實際的比例繪制。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖2所示，本發(fā)明的實施例中提出一種焊接IGBT模塊10的方法。該方法包括以下步驟：

步驟一：將拱形的基板60展平在平板70上，基板60的凸出面62抵接于平板70。

基板60其作為IGBT模塊的骨架支撐起多個芯片單元，同時還作為IGBT模塊的散熱通道中的重要一環(huán)，用于將芯片單元傳遞到其上的熱量傳遞到散熱器上?；?0可以采用金屬材料制成，例如銅或銅的合金材料?；?0優(yōu)選采用鋁碳化硅(AlSiC)金屬基熱管理復(fù)合材料制成。由鋁碳化硅金屬基熱管理復(fù)合材料制成的基板60具有高導(dǎo)熱率(170～200W/m·K)，芯片50上產(chǎn)生的熱量可以通過基板60及時傳導(dǎo)出去，避免芯片50熱失效?；?0為大致的矩形板結(jié)構(gòu)，其中部凸出。基板60的兩個板面分別為向內(nèi)凹陷的凹陷面61和向外凸出的凸出面62。凹陷面61和凸出面62優(yōu)選為弧面?；?0的厚度通常為6000微米以下?；?0的拱度一般為10～900微米?；?0的邊緣設(shè)置有多個通孔，通孔垂直于基板60。多個通孔可以沿基板的相對的兩條邊依次排列成兩行。

夾具包括平板70和多個螺栓80。平板70的兩個板面均平坦且光滑，平板70的兩個板面均相互平行。平板70通常由線性膨脹系數(shù)較小且導(dǎo)熱較好的金屬材料制成，例如平板70為銅板。為獲得較大的剛度，平板70的厚度為基板60厚度的數(shù)倍以上。平板70設(shè)置有多個垂直于其板面的螺孔，多個螺孔在平板70 上排列成兩行。平板70上的螺孔可以與基板60一一對齊。

如圖3所示，先將拱形的基板60放置到平板70上，基板60的凸出面62抵接于平板70?；?0上的通孔和平板70上的螺孔相互對齊。如圖4所示，將螺栓80穿過基板60的通孔而擰入到平板70的螺孔中。這樣，多顆螺栓80將基板60翹起的邊緣緊壓在平板70，以使得基板60展平在平板70上。

步驟二：在基板60的凹陷面61上設(shè)置焊料以形成厚度均勻的襯板焊料層30。

如圖5所示，在基板60的凹陷面61上設(shè)置厚度均勻的焊料。該焊料可以是箔狀的釬料。該釬料為軟釬料，即熔點低于450℃。焊料優(yōu)選為焊膏。通常采用印刷工藝將焊膏均勻地涂布在基板60上。焊膏包括助焊劑和焊料粉。助焊劑主要包括活化劑、觸變劑。焊料粉主要由錫鉛、錫鉍、錫銀銅的合金粉末混合而成?；罨瘎┯糜诔セ?0和襯板40表面上的氧化物質(zhì)，還用于降低錫、鉛表面的張力。觸變劑用于調(diào)節(jié)焊膏的粘度以防止焊膏在印刷中出現(xiàn)拖尾、粘連等現(xiàn)象。襯板焊料層30的厚度范圍為100～300微米。襯板焊料層30的面積略小于襯板40的面積。優(yōu)選地，襯板焊料層30的面積為襯板面積的90％。

步驟三：將襯板40覆蓋在襯板焊料層30上。

襯板40為矩形平板。襯板40包括依次層疊的第一金屬層、絕緣層和第二金屬層。第一金屬層和第二金屬層優(yōu)選為由銅制成。絕緣層由氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹或、碳化硅或四氮化三硅制成，絕緣層將第一金屬層和第二金屬層相互隔離開，這樣，襯板40具有很好的絕緣性能。同時，第一金屬層和第二金屬層均能與焊料更牢固地結(jié)合在一起。襯板40還具有很好的導(dǎo)熱性能。將襯板40覆蓋在襯板焊料層30上，襯板40的各條邊與襯板焊料層30的各條邊一一平行。

步驟四：將平板70放置在水平的加熱板90上加熱以使得襯板焊料層30熔化，然后冷卻襯板焊料層30。

加熱板90的外部輪廓為平板結(jié)構(gòu)。加熱板90可以是電熱板。加熱板90水平設(shè)置。將平板70置于加熱板90上，平板70背離基板60的板面與加熱板90抵接。加熱板90能在與平板70相抵接的表面上形成均勻的熱流密度，以對平板70均勻加熱。加熱板90對平板70進(jìn)行加熱，熱量經(jīng)基板60傳遞到襯板焊料層30上直至襯板焊料層30熔化，在這個過程中，基板60對襯板焊料層30均勻加熱。液態(tài)的襯板焊料層30潤濕基板60和襯板40并填充滿基板60和襯板40之間的間隙。當(dāng)襯板焊料層30冷卻后，襯板焊料層30將基板60和襯板40焊接在 一起。

步驟五：將基板60從平板70拆卸下來。

將螺栓80從平板70上拆卸下來，從而將基板60從平板70上拆卸下來。

襯板焊料層30凝固后在其內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而襯板焊料層30位于凹陷面61，當(dāng)基板60與平板70分離后基板60重新拱起，這樣就消除了襯板焊料層30內(nèi)的拉應(yīng)力的影響，進(jìn)而消除基板60不規(guī)則的焊接形變，從而有效的控制基板拱度不規(guī)則變化，使模塊封裝后達(dá)到規(guī)定的基板拱度值，在焊接時不需要考慮焊接材料與封裝工藝參數(shù)，基板拱度合格率高。

優(yōu)選地，在步驟四中，采用真空回流焊工藝對襯板焊料層30加熱。采用該工藝，對襯板焊料層30的加熱在真空環(huán)境下進(jìn)行。在真空環(huán)境下，熔融的襯板焊料層30難以飛濺，同時還能避免各個元器件被氧化。

優(yōu)選地，在加熱過程中，在襯板焊料層30的溫度上升到襯板焊料層30的熔點之前，加熱板90的升溫速率為0.5～2℃/s。襯板40升溫平緩以防止襯板40碎裂。

優(yōu)選地，在冷卻過程中，襯板焊料層30的降溫速度為1～3℃/s。這樣能使得襯板焊料層30在冷卻后更致密，機械強度更高。

優(yōu)選地，在加熱過程中，襯板焊料層30上的最高溫度高于襯板焊料層30的熔點溫度并超出該熔點溫度40℃。這樣能使襯板焊料層30充分熔化，襯板焊料層30內(nèi)的焊劑充分蒸發(fā)。

優(yōu)選地，在步驟三之后步驟四之前，在襯板40背離襯板焊料層30的板面上均勻鋪設(shè)焊料，形成厚度均勻的芯片焊料層20。將芯片50覆蓋在芯片焊料層20上。芯片焊料層20的熔點低于襯板焊料層20的熔點。

在步驟四中，芯片焊料層20與襯板焊料層30一同被加熱直至均熔化，然后同時冷卻芯片焊料層20和襯板焊料層30。

這樣，在將基板60和襯板40焊接在一起的同時還能將芯片50和襯板40焊接在一起。

在一個優(yōu)選地實施例中，上述方法還包括在步驟一之前的預(yù)步驟：

將芯片50和襯板40焊接在一起，用于焊接芯片50和襯板40的芯片焊料層20的熔點高于步驟四中芯片焊料層20的所達(dá)到的最高溫度。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的 情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個實施例中所提到的各項技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。