[发明专利]一种改性Ag膏及其应用以及功率模块中芯片和基体连接的烧结方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高可靠性的功率模块的低温烧结技术，尤其涉及一种改性Ag膏及其应用，以及采用该改性Ag膏进行功率模块中芯片和基体连接的烧结方法。

背景技术

半导体功率模块封装中传统上一般采用Sn基、Pb基焊料来实现电气连接，但是Pb基不能满足环保的要求，而Sn焊料由于其熔点较低，能承受的工作温度有限。随着混合动力汽车和纯电动汽车的发展，为满足大功率模块更高的长期可靠性要求，必须寻找一种比传统的Sn基焊料更好的材料，来实现芯片与基体之间的机械、热和电气连接，现有技术中的基体一般为陶瓷上直接键合Cu(DBC)、陶瓷上主动钎焊金属(AMB)或陶瓷上直接键合Al(DBA)。

Semikron和Infineon公司先后开发了Ag膏烧结技术，所使用的Ag膏中的Ag的含量至少在90％以上，由于Ag的熔点在961℃，且实现了300℃左右的温度下烧结，这种低温烧结Ag技术使得模块能承受更高的工作温度和更恶劣的工作环境，模块工作寿命将提高5倍。但目前Ag膏烧结技术普遍需要在与之连接的基体上镀贵金属Au、Ag、Pd等，以防止烧结过程中氧化问题的发生，并提高Ag膏与基体的结合力。而在基体上镀贵金属必然导致较高的成本。

实际上为节省成本，在IGBT功率模块封装中，可以在DBC表层的Cu层上直接进行焊接。基体的另外一种供货状态是在DBC、DBA表面镀Ni，为的是防止DBC、DBA表层的Cu、Al金属层发生氧化。但Ag与Cu之间在低温下固溶度很小，所以这种界面结合力较弱，Ag与Ni互不固溶，直接烧结必然导致结合力很小，甚至根本无法结合，因而Ag与DBC或DBA或AMB上的Cu或Ni层直接结合的长期可靠性存在潜在的风险。

虽然Infineon公司也因避免贵金属镀层，降低成本，从而开发了真空Ag膏烧结技术，但是该技术只防止了DBC、DBA表层的Cu、Al金属层发生氧化，并没有给Ag膏烧结在Ni、Cu层上的可靠性问题提供解决方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的低温烧结Ag技术中Ag膏与基体的Ni、Cu层结合力差的问题，提供一种新的改性Ag膏及其应用以及功率模块中芯片和基体连接的烧结方法。

本发明的发明人在研究中意外发现，在Ag膏中加入Sn、Sb、Cu、Ni和Zn中的至少一种，并将各组分的含量分别控制在一定的范围内，可以极大提高低温烧结中Ag膏与基体的Ni、Cu层的结合力。因此，为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种改性Ag膏，所述改性Ag膏含有金属粉和有机物，以所述改性Ag膏的总量为基准，所述金属粉的含量为70-80重量％，所述有机物的含量为20-30重量％，所述金属粉中含有Ag，并含有Sn、Sb、Cu、Ni和Zn中的至少一种，以所述金属粉的总量为基准，Ag的含量为75-99.9重量％，Sn的含量为0-12重量％，Sb的含量为0-8重量％，Cu的含量为0-5重量％，Ni的含量为0-0.01重量％，Zn的含量为0-0.01重量％，且Sn、Sb、Cu、Ni和Zn的总量为0.1-25重量％；所述有机物包括粘结剂，以所述有机物的总量为基准，所述粘结剂的含量为15-100重量％。

以所述金属粉的总量为基准，Sn的含量优选为0.001-12重量％，进一步优选为5-12重量％。

另一方面，本发明提供了一种如上所述的改性Ag膏在功率模块的芯片和基体连接中的应用。

第三方面，本发明提供了一种功率模块中芯片和基体连接的烧结方法，所述方法包括：在所述基体上涂覆一层膏体，将所述芯片放置于膏体层上，烧结所述膏体使所述芯片和所述基体连接，其特征在于，所述膏体为如上所述的改性Ag膏。

本发明提供的改性Ag膏提高了低温烧结中Ag膏与基体的Ni、Cu层的结合力，进而为提高大功率模块的可靠性提供了解决方案；本发明提供的改性Ag膏相对于现有技术中的Ag膏，节省了Ag的用量，并且无需镀Au、Ag、Pd等贵金属，即可实现Ag膏与基体良好的结合力，因此，极大地节省了成本；本发明提供的功率模块中芯片和基体连接的烧结方法进一步降低了烧结温度，使得模块能进一步承受更高的工作温度和更恶劣的工作环境，进一步提高了模块的工作寿命。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是根据本发明的改性Ag膏在Cu层上烧结前的结构示意图。

图2是根据本发明的改性Ag膏在Cu层上的Ni镀层上烧结前的结构示意图。