專利名稱：一種改性Ag膏及其應(yīng)用以及功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高可靠性的功率模塊的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，尤其涉及一種改性Ag膏及其應(yīng)用，以及采用該改性Ag膏進(jìn)行功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體功率模塊封裝中傳統(tǒng)上一般采用Sn基、Pb基焊料來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣連接，但是Pb基不能滿足環(huán)保的要求，而Sn焊料由于其熔點(diǎn)較低，能承受的工作溫度有限。隨著混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的發(fā)展，為滿足大功率模塊更高的長(zhǎng)期可靠性要求，必須尋找一種比傳統(tǒng)的Sn基焊料更好的材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基體之間的機(jī)械、熱和電氣連接，現(xiàn)有技術(shù)中的基體一般為陶瓷上直接鍵合Cu(DBC)、陶瓷上主動(dòng)釬焊金屬(AMB)或陶瓷上直接鍵合Al(DBA)。Semikron和Infineon公司先后開發(fā)了 Ag膏燒結(jié)技術(shù),所使用的Ag膏中的Ag的含量至少在90%以上，由于Ag的熔點(diǎn)在961°C，且實(shí)現(xiàn)了 300°C左右的溫度下燒結(jié)，這種低溫?zé)Y(jié)Ag技術(shù)使得模塊能承受更高的工作溫度和更惡劣的工作環(huán)境，模塊工作壽命將提高5倍。但目前Ag膏燒結(jié)技術(shù)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(jié)過(guò)程中氧化問題的發(fā)生，并提高Ag膏與基體的結(jié)合力。而在基體上鍍貴金屬必然導(dǎo)致較高的成本。實(shí)際上為節(jié)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(jìn)行焊接?；w的另外一種供貨狀態(tài)是在DBC、DBA表面鍍Ni，為的是防止DBC、DBA表層的Cu、Al金屬層發(fā)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(jié)合力較弱，Ag與Ni互不固溶，直接燒結(jié)必然導(dǎo)致結(jié)合力很小，甚至根本無(wú)法結(jié)合，因而Ag與DBC或DBA或AMB上的Cu或Ni層直接結(jié)合的長(zhǎng)期可靠性存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。雖然Infineon公司也因避免貴金屬鍍層，降低成本，從而開發(fā)了真空Ag膏燒結(jié)技術(shù)，但是該技術(shù)只防止了 DBC、DBA表層的CiuAl金屬層發(fā)生氧化，并沒有給Ag膏燒結(jié)在N1、Cu層上的可靠性問題提供解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的低溫?zé)Y(jié)Ag技術(shù)中Ag膏與基體的N1、Cu層結(jié)合力差的問題，提供一種新的改性Ag膏及其應(yīng)用以及功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)方法。本發(fā)明的發(fā)明人在研究中意外發(fā)現(xiàn)，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(nèi)，可以極大提高低溫?zé)Y(jié)中Ag膏與基體的N1、Cu層的結(jié)合力。因此，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種改性Ag膏，所述改性Ag膏含有金屬粉和有機(jī)物，以所述改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，所述金屬粉的含量為70-80重量％，所述有機(jī)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(zhǔn)，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(jī)物包括粘結(jié)劑，以所述有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑的含量為15-100重量％。以所述金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Sn的含量?jī)?yōu)選為0.001-12重量進(jìn)一步優(yōu)選為5-12重量％。另一方面，本發(fā)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(yīng)用。第三方面，本發(fā)明提供了一種功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)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(jié)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(fā)明提供的改性Ag膏提高了低溫?zé)Y(jié)中Ag膏與基體的N1、Cu層的結(jié)合力，進(jìn)而為提高大功率模塊的可靠性提供了解決方案；本發(fā)明提供的改性Ag膏相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的Ag膏,節(jié)省了 Ag的用量,并且無(wú)需鍍Au、Ag、Pd等貴金屬，即可實(shí)現(xiàn)Ag膏與基體良好的結(jié)合力，因此，極大地節(jié)省了成本；本發(fā)明提供的功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)方法進(jìn)一步降低了燒結(jié)溫度，使得模塊能進(jìn)一步承受更高的工作溫度和更惡劣的工作環(huán)境，進(jìn)一步提高了模塊的工作壽命。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式
部分予以詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的改性Ag膏在Cu層上燒結(jié)前的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的改性Ag膏在Cu層上的Ni鍍層上燒結(jié)前的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中(a)是根據(jù)本發(fā)明的改性Ag膏在Cu層上的Ni鍍層上燒結(jié)后受50N的水平推力作用10秒鐘后的截面的金相組織的微觀照片。圖3中(b)是純Ag膏在Cu層上的Ni鍍層上燒結(jié)后受50N的水平推力作用10秒鐘后的截面的金相組織的微觀照片。附圖標(biāo)記說(shuō)明I基體陶瓷層；2Cu層；3改性Ag膏層；31改性Ag膏燒結(jié)層；4芯片；5Ni鍍層；6純Ag膏燒結(jié)層；7間隙。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。一方面，本發(fā)明提供了一種改性Ag膏，該改性Ag膏含有金屬粉和有機(jī)物，以改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，金屬粉的含量為70-80重量％，有機(jī)物的含量為20-30重量％，金屬粉中含有Ag，并含有Sn、Sb、Cu、Ni和Zn中的至少一種，以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，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％，附的含量為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％ ;有機(jī)物包括粘結(jié)劑，以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，粘結(jié)劑的含量為15-100重量％。根據(jù)本發(fā)明，盡管改性Ag膏含有金屬粉和有機(jī)物，以改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，金屬粉的含量為70-80重量％，有機(jī)物的含量為20-30重量％，金屬粉中含有Ag，并含有Sn、Sb,Cu,Ni和Zn中的至少一種，以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，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％ ;有機(jī)物包括粘結(jié)劑，以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，粘結(jié)劑的含量為15-100重量％，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，即提高低溫?zé)Y(jié)中Ag膏與基體的N1、Cu層的結(jié)合力，降低燒結(jié)溫度，提高模塊的工作壽命。但優(yōu)選情況下，以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Sn的含量為0.001-12重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為5-12重量％，在優(yōu)選情況下，可進(jìn)一步提高低溫?zé)Y(jié)中Ag膏與基體的N1、Cu層的結(jié)合力，進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度，提高模塊的工作壽命。理論推導(dǎo)可能是由于改性Ag膏中含Sn時(shí)，低溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，Sn可與Cu、Ni形成CuSn、Ni Sn，比起Sb、Cu、Ni和Zn在低溫?zé)Y(jié)時(shí)與Cu, Ni層發(fā)生原子的互擴(kuò)散具有更強(qiáng)的結(jié)合力。本發(fā)明中，金屬粉的顆粒尺寸優(yōu)選為納米級(jí)或微米級(jí)，當(dāng)金屬粉的顆粒尺寸為納米級(jí)時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)選彡IOOnm ;當(dāng)金屬粉的顆粒尺寸為微米級(jí)時(shí),進(jìn)一步優(yōu)選彡40 μ m。本發(fā)明中的金屬粉可以為Ag、Sn、Sb、Cu、Ni和Zn各自的金屬粉，即Ag、Sn、Sb、Cu、Ni和Zn以各自的粉末的形式存在于改 性Ag膏中，也可以為Ag、Sn、Sb、Cu、Ni和Zn形成的合金的金屬粉，即Ag、Sn、Sb、Cu、Ni和Zn形成合金,形成的合金再以其粉末的形式存在于改性Ag膏中。本發(fā)明的金屬粉可以商購(gòu)獲得，也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所能想到的各種方法制備，例如通過(guò)水溶液還原法或多元醇還原法制備，即采用水合肼、葡萄糖、硼氫化鈉、己二醇等還原劑還原金屬鹽或氫氧化物來(lái)制備。金屬粉再與改性Ag膏中的粘結(jié)劑等成份機(jī)械混合均勻得到改性Ag膏。本發(fā)明中，對(duì)于粘結(jié)劑的種類無(wú)特殊要求，可以采用本領(lǐng)域常用的各種粘結(jié)劑，例如可以為α-松油醇、檸檬酸三丁酯、乙基纖維素等，優(yōu)選為α-松油醇。本發(fā)明中，有機(jī)物優(yōu)選還包括溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑中的一種或多種。對(duì)于溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑各自的含量無(wú)特殊要求，可以采用本領(lǐng)域常規(guī)采用的含量，例如，以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，溶劑的含量為0-80重量％，分散劑的含量為0-3.5重量％，表面裂紋抑制劑的含量為0-5重量％。對(duì)于溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑的種類也無(wú)特殊要求，可以采用本領(lǐng)域常用的溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑，例如，溶劑可以為丙酮、甲醇，分散劑可以為魚油、PVP (聚乙烯基吡咯烷酮)，表面裂紋抑制劑可以為聚乙烯醇縮丁醛。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，改性Ag膏可以同時(shí)含有溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑，也可以含有溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑中的一類或兩類，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。第二方面，本發(fā)明提供了如上所述的改性Ag膏在功率模塊的芯片和基體連接中的應(yīng)用。第三方面，如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供了一種功率模塊中芯片4和基體連接的燒結(jié)方法，該方法包括:在基體上涂覆一層膏體，將芯片4放置于膏體層上，燒結(jié)膏體使芯片4和基體連接，所述膏體為如上所述的改性Ag膏。
本發(fā)明中，對(duì)于芯片4無(wú)特殊要求，可以為本領(lǐng)域中常規(guī)采用的各種芯片4，對(duì)于芯片4的尺寸也無(wú)特殊要求，可以為本領(lǐng)域中常用的各種規(guī)格，由于本發(fā)明提供的改性Ag膏與基體間具有高的結(jié)合力，因此，本發(fā)明的改性Ag膏適合用于大尺寸的芯片4與基體的結(jié)合，芯片4的尺寸優(yōu)選大至13mmX 13mm。本發(fā)明中，對(duì)于基體無(wú)特殊要求，可以采用本領(lǐng)域常用的各種基體，例如可以為陶瓷上直接鍵合Cu (DBC)、陶瓷上主動(dòng)釬焊金屬(AMB)或陶瓷上直接鍵合Al (DBA)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，基體包括基體陶瓷層I和金屬層，本發(fā)明中，基體陶瓷層I優(yōu)選由A1203、A1N和Si3N4中的至少一種構(gòu)成，金屬層無(wú)特殊要求，可以采用本領(lǐng)域常用的金屬，例如可以為Cu 或 Al。本發(fā)明中，當(dāng)金屬層的金屬為Cu時(shí)，膏體可以直接涂覆于金屬層上，如圖1所示，在基體的Cu層2上直接涂覆改性Ag膏，形成改性Ag膏層3，再在改性Ag膏層3上放置芯片4，進(jìn)行燒結(jié)。為了防止燒結(jié)時(shí)Cu被氧化，燒結(jié)可以在真空中進(jìn)行，例如可以采用Infineon公司開發(fā)的真空Ag膏燒結(jié)技術(shù)；也可以在金屬層上鍍一層金屬A，將膏體涂覆于金屬A層上，如圖2所示，在基體的Cu層2上鍍一層Ni，形成Ni鍍層5，在Ni鍍層5上涂覆改性Ag膏，形成改性Ag膏層3，再在改性Ag膏層3上放置芯片4，進(jìn)行燒結(jié)。當(dāng)金屬層的金屬不是Cu時(shí)，優(yōu)選在金屬層上鍍一層金屬A，膏體涂覆于金屬A層上。金屬A可以為本領(lǐng)域常用的各種可以作為鍍層的金屬，例如可以為N1、Cu、Au、Ag或Pd中的一種，從節(jié)約成本的角度考慮，金屬A優(yōu)選為Ni或Cu，從防止Cu在燒結(jié)時(shí)被氧化的方面考慮，金屬A進(jìn)一步優(yōu)選為Ni。本發(fā)明中，為了使改性Ag膏與基體更好的結(jié)合，涂覆的改性Ag膏層3的厚度優(yōu)選為10-100 μ m，涂覆的方法優(yōu)選為鋼網(wǎng)印刷、絲網(wǎng)印刷或點(diǎn)膠法。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，燒結(jié)需要在一定的壓力下進(jìn)行，本發(fā)明中，燒結(jié)同樣需要在一定的壓力下進(jìn)行，在燒結(jié)時(shí)加載的壓力根據(jù)改性Ag膏中金屬粉的顆粒尺寸的不同而不同，當(dāng)金屬粉的顆粒尺寸為納米級(jí)時(shí)，燒結(jié)在1-1OMPa下進(jìn)行；當(dāng)金屬粉的顆粒尺寸為微米級(jí)時(shí)，燒結(jié)在10-40MPa下進(jìn)行。本發(fā)明中，燒結(jié)的溫度優(yōu)選為200-300°C ;時(shí)間優(yōu)選為0.5-30分鐘，進(jìn)一步優(yōu)選為8-30分鐘。本發(fā)明中，當(dāng)直接在Cu層2上涂覆膏體，或金屬A為Ni或Cu時(shí)，燒結(jié)在還原氣氛中進(jìn)行，并在將芯片4放置于改性Ag膏層3上之后，在燒結(jié)之前，進(jìn)行有機(jī)物揮發(fā)。還原氣氛可以為本領(lǐng)域常用的各種還原氣氛，例如可以為H2、N2和甲酸中的一種或者多種混合的氣氛。有機(jī)物揮發(fā)是指在燒結(jié)之前將改性Ag膏中的粘結(jié)劑、溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑等有機(jī)物揮發(fā)掉，為了使有機(jī)物更好地進(jìn)行揮發(fā)，優(yōu)選有機(jī)物揮發(fā)的方法包括在大氣氣氛中階段性升溫至190-220°C下后繼續(xù)在大氣氣氛中放置至膏體層的顏色發(fā)生變化為止，例如改性Ag膏層3的顏色從灰黑色變成白色，變色之后，轉(zhuǎn)移到還原氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明中，階段性升溫是指升高一定溫度后保溫一段時(shí)間再繼續(xù)升溫一定溫度后再保溫一段時(shí)間再繼續(xù)升溫，如此進(jìn)行直到升到目標(biāo)溫度為止，例如可以以15-30°C /分鐘的升溫速度升高25-50°C后保溫0.08-0.3h，每次升高的溫度可以相同或不同，每次保溫的時(shí)間可以相同或不同。當(dāng)金屬A為Au、Ag或Pd時(shí)，燒結(jié)在大氣氣氛中進(jìn)行。燒結(jié)后，改性Ag膏燒結(jié)層的厚度為5-50 μ m。
以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式
中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。實(shí)施例以下的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不因此限制本發(fā)明。在以下實(shí)施例和對(duì)比例中:金屬粉購(gòu)自山東正元納米材料工程有限公司。魚油購(gòu)于杭州格林達(dá)化學(xué)有限公司，CAS號(hào):8016-13_5。聚乙烯醇縮丁醛購(gòu)于營(yíng)口天元化工研究所股份有限公司，CAS號(hào):63148-65_2。實(shí)施例1該實(shí)施例用于說(shuō)明采用本發(fā)明提供的改性Ag膏連接功率模塊中芯片和基體的燒結(jié)方法。將顆粒尺寸為40_80nm的Ag金屬粉、Sn金屬粉和Sb金屬粉與有機(jī)物(α -松油醇、丙酮、魚油和聚乙烯醇縮丁醛)混合均勻，制成改性Ag膏。以改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，金屬粉的含量為78.5重量％，有機(jī)物的含量為21.5重量％。以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Ag金屬粉的含量為84重量Sn金屬粉的含量為10重量Sb金屬粉的含量為6重量％ ；以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，α-松油醇的含量為23重量％，丙酮的含量為70重量％、魚油的含量為2.3重量％，聚乙烯醇縮丁醛的含量為4.7重量％。在DBC基體上鍍一層Ni，在Ni鍍層5上采用絲網(wǎng)印刷的方式涂覆制成的改性Ag膏，改性Ag膏層3的厚度為50 μ m,將8.9mmX 7.2mm的芯片4放置于改性Ag膏層3上，在大氣氣氛中采用升溫速度為25°C /分鐘且每升高25°C保溫0.0Sh的階段性升溫法升溫至200°C下放置至改性Ag膏層3的顏色從灰黑色變成白色，然后轉(zhuǎn)移到H2氣氛中，在5MPa壓力下，在250°C溫度下燒結(jié)8分鐘，完成芯片4與基體的連接。燒結(jié)后測(cè)得改性Ag膏燒結(jié)層31的厚度為ΙΟμπι。將基體固定，用50Ν的水平推力作用于芯片4，30秒鐘后停止施力，用顯微鏡觀察芯片4與基體的截面的金相組織，微觀照片如圖3中(a)所示，芯片4與基體連接良好。實(shí)施例2該實(shí)施例用于說(shuō)明采用本發(fā)明提供的改性Ag膏連接功率模塊中芯片和基體的燒結(jié)方法。將顆粒尺寸為8-10 μ m的Ag金屬粉、Sn金屬粉和Cu金屬粉與有機(jī)物(α -松油醇、甲醇、魚油和聚乙烯醇縮丁醛)混合均勻，制成改性Ag膏。以改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，金屬粉的含量為77重量％，有機(jī)物的含量為23重量％。以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Ag金屬粉的含量為94重量Sn金屬粉的含量為5重量Cu金屬粉的含量為I重量％ ；以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，α-松油醇的含量為17.4重量％，甲醇的含量為78.2重量％，魚油的含量為2.2重量％，聚乙烯醇縮丁醛的含量為2.2重量％。在AMB基體上鍍一層Ni，在Ni鍍層5上采用鋼網(wǎng)印刷的方式涂覆制成的改性Ag膏，改性Ag膏層3的厚度為100 μ m,將4.8mmX 3.6mm的芯片4放置于改性Ag膏層3上，在大氣氣氛中采用升溫速度為15°C /分鐘且每升高40°C保溫0.15h的階段性升溫法升溫至190°C下放置至改性Ag膏層3的顏色從灰黑色變成白色，然后轉(zhuǎn)移到N2氣氛中，在20MPa壓力下，在200°C溫度下燒結(jié)10分鐘，完成芯片4與基體的連接。燒結(jié)后測(cè)得改性Ag膏燒結(jié)層31的厚度為50 μ m。將基體固定，用50N的水平推力作用于芯片4，30秒鐘后停止施力，用顯微鏡觀察芯片4與基體的截面的金相組織，微觀照片(未示出)表明芯片4與基體連接良好。實(shí)施例3該實(shí)施例用于說(shuō)明采用本發(fā)明提供的改性Ag膏連接功率模塊中芯片和基體的燒結(jié)方法。將顆粒尺寸為25-30 μ m的Ag金屬粉、Sn金屬粉、Sb金屬粉、Cu金屬粉、Ni金屬粉和Zn金屬粉與有機(jī)物(α-松油醇、甲醇、魚油和聚乙烯醇縮丁醛)混合均勻，制成改性Ag膏。以改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，金屬粉的含量為70重量％，有機(jī)物的含量為30重量％。以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Ag金屬粉的含量為77.98重量％，Sn金屬粉的含量為12重量％，Sb金屬粉的含量為8重量％，Cu金屬粉的含量為2重量％，Ni金屬粉的含量為0.01重量％，Zn金屬粉的含量為0.01重量以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，α -松油醇的含量為26.7重量％，甲醇的含量為66.7重量％，魚油的含量為3.3重量％，聚乙烯醇縮丁醛的含量為3.3重量％。在DBA基體上鍍一層Ni，在Ni鍍層5上采用點(diǎn)膠法的方式涂覆制成的改性Ag膏，改性Ag膏層3的厚度為10 μ m,將13mmX 13mm的芯片4放置于改性Ag膏層3上，在大氣氣氛中采用升溫速度為30°C /分鐘且每升高50°C保溫0.3h的階段性升溫法升溫至220°C下放置至改性Ag膏層3的顏色從灰黑色變成白色，然后轉(zhuǎn)移到甲酸和氫氣的混合氣氛中，在30MPa壓力下，在300°C溫度下燒結(jié)30分鐘，完成芯片4與基體的連接。燒結(jié)后測(cè)得改性Ag膏燒結(jié)層31的厚度為5 μ m。將基體固定，用50N的水平推力作用于芯片4，30秒鐘后停止施力，用顯微鏡觀察芯片4與基體的截面的金相組織，微觀照片(未示出)表明芯片4與基體連接良好。實(shí)施例4按照實(shí)施例1的方法連接功率模塊中的芯片和基體，不同的是，采用的改性Ag膏中金屬粉的成分為Ag、Sb和Zn，以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Ag金屬粉的含量為91.99重量％，Sb金屬粉的含量為8重量％，Zn金屬粉的含量為0.01重量％。燒結(jié)完成后用50N的水平推力作用于芯片4，10秒鐘后停止施力，用顯微鏡觀察芯片4與基體的截面的金相組織，微觀照片(未示出)表明芯片4與基體連接良好。實(shí)施例5按照實(shí)施例1的方法連接功率模塊中的芯片和基體，不同的是，采用的改性Ag膏中金屬粉的成分為Ag、Sb、Cu、Ni和Zn，以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Ag金屬粉的含量為90.99重量Sb金屬粉的含量為4重量Cu金屬粉的含量為5重量Ni金屬粉的含量為
0.005重量％，Zn金屬粉的含量為0.005重量％。燒結(jié)完成后用50N的水平推力作用于芯片4，10秒鐘后停止施力，用顯微鏡觀察芯片4與基體的截面的金相組織，微觀照片(未示出)表明芯片4與基體連接良好。對(duì)比例I按照實(shí)施例1的方法將Ag膏與基體進(jìn)行燒結(jié)(即在Ag膏層上不放置芯片，直接進(jìn)行燒結(jié))，不同的是，采用的是純Ag膏，即Ag膏中金屬粉的成分為純Ag，有機(jī)物的成分和含量與實(shí)施例1相同。燒結(jié)后測(cè)得純Ag膏燒結(jié)層6的厚度為ΙΟμπι。將基體固定，用50Ν的水平推力作用于純Ag膏燒結(jié)層6，10秒鐘后停止施力，顯微鏡觀察純Ag膏燒結(jié)層6與基體的截面的金相組織，微觀照片如圖3中(b)所示，純Ag膏燒結(jié)層6在Ni鍍層5上發(fā)生界面剝離，在純Ag膏燒結(jié)層6和Ni鍍層5之間存在一層間隙7。從實(shí)施例1-5和對(duì)比例I以及圖3中的(a)和(b)可以看出，本發(fā)明的改性Ag膏相比于現(xiàn)有技術(shù)中的純Ag膏與Ni鍍層5之間具有更好的結(jié)合力。本發(fā)明提供的改性Ag膏提高了低溫?zé)Y(jié)中Ag膏與基體的N1、Cu層的結(jié)合力；相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的Ag膏，節(jié)省了 Ag的用量，并且無(wú)需鍍Au、Ag、Pd等貴金屬，即可實(shí)現(xiàn)Ag膏與基體良好的結(jié)合力，因此，極大地節(jié)省了成本；本發(fā)明提供的功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)方法進(jìn)一步降低了燒結(jié)溫度，使得模塊能進(jìn)一步承受更高的工作溫度和更惡劣的工作環(huán)境，進(jìn)一步提高了模塊的工作壽命。
權(quán)利要求
1.一種改性Ag膏，其特征在于，所述改性Ag膏含有金屬粉和有機(jī)物，以所述改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，所述金屬粉的含量為70-80重量％，所述有機(jī)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(zhǔn)，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(jī)物包括粘結(jié)劑，以所述有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑的含量為15-100重量％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性Ag膏，其中，以所述金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Sn的含量為0.001-12 重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改性Ag膏，其中，所述金屬粉的顆粒尺寸為納米級(jí)或微米級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的改性Ag膏，其中，所述金屬粉為所述Ag、Sn、Sb、Cu、Ni和Zn各自的金屬粉，或者為所述Ag、Sn、Sb、Cu、Ni和Zn形成的合金的金屬粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的改性Ag膏，其中，所述有機(jī)物還包括溶劑、分散劑和表面裂紋抑制劑中的一種或多種。
6.—種如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的改性Ag膏在功率模塊的芯片和基體連接中的應(yīng)用。
7.—種功率模塊中芯片和基體連接的燒結(jié)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(jié)所述膏體使所述芯片和所述基體連接，其特征在于，所述膏體為權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的改性Ag膏。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，當(dāng)所述改性Ag膏中金屬粉的顆粒尺寸為納米級(jí)時(shí)，所述燒結(jié)在1-1OMPa下進(jìn)行；當(dāng)所述改性Ag膏中金屬粉的顆粒尺寸為微米級(jí)時(shí)，所述燒結(jié)在10-40MPa下進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，所述燒結(jié)的溫度為200-300°C，時(shí)間為0.5-30 分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述膏體層的厚度為10-100μ m。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述涂覆的方法包括鋼網(wǎng)印刷、絲網(wǎng)印刷或點(diǎn)膠法。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-11中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述芯片的尺寸大至13mmX 13mm0
13.根據(jù)權(quán)利要求7-12中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述基體包括基體陶瓷層和金屬層，當(dāng)所述金屬層的金屬為Cu時(shí)，所述膏體直接涂覆于所述金屬層上，或在所述金屬層上鍍一層金屬A，所述膏體涂覆于金屬A層上；當(dāng)所述金屬層的金屬不是Cu時(shí)，在所述金屬層上鍍一層金屬A，所述膏體涂覆于金屬A層上，所述金屬A為N1、Cu、Au、Ag或Pd中的一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述基體為陶瓷上直接鍵合Cu、陶瓷上主動(dòng)釬焊金屬或陶瓷上直接鍵合A l的基體。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中，所述基體陶瓷層由A1203、A1N和Si3N4中的至少一種構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15中任意一項(xiàng)所述的方法,其中，所述金屬A為Ni或Cu時(shí),所述燒結(jié)在還原氣氛中進(jìn)行，并在將所述芯片放置于膏體層上之后，在所述燒結(jié)之前，進(jìn)行有機(jī)物揮發(fā)；所述金屬A為Au、Ag或Pd時(shí),所述燒結(jié)在大氣氣氛中進(jìn)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述還原氣氛為H2、N2和甲酸中的一種或者多種混合的氣氛。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其中，所述有機(jī)物揮發(fā)的方法包括在大氣氣氛中階段性升溫至190- 220°C下后放置至膏體層的顏色發(fā)生變化為止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改性Ag膏，其特征在于，該改性Ag膏含有金屬粉和有機(jī)物，以改性Ag膏的總量為基準(zhǔn)，金屬粉為70-80重量％，有機(jī)物為20-30重量％，金屬粉中含有Ag，并含有Sn、Sb、Cu、Ni和Zn中的至少一種，以金屬粉的總量為基準(zhǔn)，Ag為75-99.9重量％，Sn為0-12重量％，Sb為0-8重量％，Cu為0-5重量％，Ni為0-0.01重量％，Zn為0-0.01重量％，且Sn、Sb、Cu、Ni和Zn的總量為0.1-25重量％；有機(jī)物包括粘結(jié)劑，以有機(jī)物的總量為基準(zhǔn)，粘結(jié)劑為15-100重量％。公開了上述改性Ag膏的應(yīng)用及燒結(jié)方法。本發(fā)明的改性Ag膏提高了低溫?zé)Y(jié)中Ag膏與基體的結(jié)合力。
文檔編號(hào)B22F1/00GK103170617SQ20111043961
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者楊欽耀, 陳剛, 曾秋蓮, 張昌勇, 吳超平, 周莉莉, 符色艷 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司