子單元長(zhǎng)期存放對(duì)焊接質(zhì)量的影響*

*山西省科技重大專項(xiàng)：大功率絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）器件封裝技術(shù)，項(xiàng)目編號(hào)：20201101017

作者簡(jiǎn)介：郭大偉（1982—），男，漢族，山西永濟(jì)，工程師，主要從事鐵路機(jī)車車輛、電子電器等產(chǎn)品的研發(fā)。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為功率開關(guān)器件，具有驅(qū)動(dòng)容易、控制簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通壓降低、損耗小、通態(tài)電流大等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、電力系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、家電產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

IGBT 器件長(zhǎng)期在高電壓、大電流和高頻開關(guān)狀態(tài)等運(yùn)行環(huán)境中工作，其輸出功率高，功耗大，發(fā)熱量也大。研究表明，IGBT 器件失效的原因很大程度是由溫度升高造成的，器件的失效率會(huì)隨著溫度的升高而增長(zhǎng)^[1]。因此，在IGBT 器件實(shí)際應(yīng)用中，散熱是提高器件可靠性及壽命的關(guān)鍵。

IGBT 器件散熱方式主要是縱向熱傳導(dǎo)，器件內(nèi)部芯片上導(dǎo)通電流產(chǎn)生的熱量作為主要熱源，要通過(guò)器件封裝多層結(jié)構(gòu)由芯片層傳到底板進(jìn)行散熱^[2]。焊接式IGBT 器件封裝過(guò)程中，子單元是由芯片通過(guò)焊料焊接在DBC（覆銅陶瓷基板）上封裝而成，而子單元是通過(guò)焊料焊接在底板上。底板作為絕緣基片提供機(jī)械支撐，并起到散熱功能。底板不僅能夠散熱，而且其熱擴(kuò)散可使器件內(nèi)部芯片溫度分布更加均勻^[3]。

在IGBT 封裝焊接工藝中，子單元與底板進(jìn)行真空回流焊接后，由于工藝受限，均會(huì)存在空洞現(xiàn)象，而焊接過(guò)程中影響空洞率的因素有焊料、焊接溫度、甲酸環(huán)境、真空度等多方面^[4]?？斩吹拇嬖跇O大地影響了器件的熱性能，使IGBT 器件的熱阻增大，散熱性能降低，器件局部溫度升高，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成焊料層與底板脫層失效，從而降低IGBT 器件的可靠性和使用壽命^[5-6]。如何降低焊接過(guò)程中空洞率對(duì)提高IGBT 器件可靠性意義重大。

本文從來(lái)料方面入手，將關(guān)鍵部件子單元進(jìn)行來(lái)料檢查，分別對(duì)存放時(shí)間半年內(nèi)和3 年以上的子單元進(jìn)行IGBT 器件封裝，對(duì)比分析兩批封裝后產(chǎn)品的空洞率，從而為降低空洞率提供參考。

1   IGBT器件封裝焊接技術(shù)

1.1 焊接原理及焊層空洞的形成機(jī)理

子單元焊接原理是將子單元、焊料和底板裝配固定后進(jìn)行加熱，直到焊料熔化，利用液態(tài)焊料浸潤(rùn)底板并填充界面間隙，隨后液態(tài)焊料結(jié)晶凝固，從而實(shí)現(xiàn)元器件的連接^[7]。

焊接時(shí)，只有焊料很好的浸潤(rùn)被焊表面才能形成較好的焊接質(zhì)量。然而，在焊接過(guò)程中，一方面受工裝夾具裝配方式影響，焊料與底板間本身存在著空氣間隙，焊料熔化后表面張力會(huì)形成向內(nèi)拉力，阻礙氣泡排除，即便是在真空環(huán)境下焊接，也很難排出所有氣泡，焊料冷卻凝固后會(huì)殘留一定數(shù)量的空洞；另一方面，所選焊料不含助焊劑成分，不會(huì)存在助焊劑融化揮發(fā)氣體形成的氣泡，但會(huì)受焊料加工工藝的影響，同一成分不同加工工藝的焊料浸潤(rùn)性不同，焊接面吸附力不好也會(huì)形成空洞；最后，由于材料保管不當(dāng)造成焊接面氧化，也會(huì)導(dǎo)致焊接浸潤(rùn)性差，從而形成空洞。

而空洞率的檢測(cè)是檢驗(yàn)焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，“空洞”尺寸較大或者“空洞”局部密度過(guò)高都會(huì)影響焊接層的機(jī)械性能，從而降低連接強(qiáng)度，影響熱導(dǎo)，會(huì)使IGBT 器件局部過(guò)熱引起失效^[8]。

1.2 子單元焊接結(jié)構(gòu)

焊接式IGBT 器件封裝過(guò)程中，需要考慮焊接、灌封和測(cè)試等工藝技術(shù)。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)通常采用真空回流焊接工藝，將含有芯片的子單元與底板進(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)行空洞率檢測(cè)。子單元焊接結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 子單元焊接結(jié)構(gòu)

1.3 真空回流焊接工藝對(duì)IGBT器件空洞率的影響分析

真空回流焊接技術(shù)是封裝過(guò)程中的核心技術(shù)，該工藝是在真空環(huán)境下，使熔化后的焊料中空氣泡容易溢出，減少焊接層空洞率，增加焊接連通面積，降低界面熱阻，對(duì)器件的壽命和可靠性都起著重要的作用。

為更好地分析2 種封裝形式對(duì)焊接質(zhì)量的影響，本實(shí)驗(yàn)需要排除真空回流焊接工藝中其他因素對(duì)空洞率所造成的影響。

1）焊料

2種封裝形式均需要通過(guò)焊料將子單元與底板進(jìn)行真空回流焊接，確保焊接前焊料不被氧化，且材質(zhì)型號(hào)相同，不存在助焊劑。

2）焊接條件^[8]

真空回流焊接過(guò)程中，需要根據(jù)不同焊料特性設(shè)計(jì)合適的焊接回流曲線，如圖3 所示。焊接回流曲線分預(yù)熱區(qū)、活性區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)，不同區(qū)間控制焊接爐不同的運(yùn)行溫度、時(shí)間、真空度、抽真空速率、保壓時(shí)間以及甲酸環(huán)境等工藝參數(shù)，這些工藝參數(shù)的選取均會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成不同的影響。在本次實(shí)驗(yàn)中，需要確保兩種封裝形式的焊接條件一致（如圖2）。

圖2 焊接回流曲線

2   實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為避免其他因素對(duì)空洞率造成影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用相同的等離子清洗設(shè)備、真空回流焊接爐、超聲波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)開始前，先對(duì)子單元、底板、操作臺(tái)、托盤、焊接盤等進(jìn)行清潔，防止污染造成空洞。

2.2 實(shí)驗(yàn)處理

將兩批IGBT 分別進(jìn)行封裝：一種是對(duì)存放時(shí)間半年內(nèi)的子單元進(jìn)行封裝，一種是對(duì)存放3 年以上的子單元進(jìn)行封裝。每種封裝分別實(shí)驗(yàn)10 只IGBT 器件，每只IGBT 器件上焊有6 個(gè)子單元。子單元焊接完成后進(jìn)行空洞無(wú)損檢測(cè)，可以分別檢測(cè)出6 個(gè)子單元總空洞率大小和每個(gè)子單元上最大空洞率的大小。如圖3、圖4所示，分別為子單元存放時(shí)間長(zhǎng)和子單元存放時(shí)間短的2 只IGBT 器件焊接空洞率檢測(cè)圖像。

圖3 長(zhǎng)期存放的子單元空洞

圖4 短期存放的子單元空洞

2.3 結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，子單元存放時(shí)間較長(zhǎng)的IGBT 器件子單元總洞空率范圍0.23% ～ 9.41%，最大空洞率范圍0.04% ～ 4.9%；子單元存放時(shí)間較短的IGBT 器件總空洞率范圍0 ～ 1.67%，最大空洞率范圍0 ～ 0.33%，由此可見，子單元存放時(shí)間越短，空洞率范圍更小。兩批封裝形式的產(chǎn)品空洞率實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

此外，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出兩2 批IGBT產(chǎn)品的空洞率對(duì)比圖，見圖5、圖6。

圖5 子單元總空洞率對(duì)比

圖6 子單元最大空洞率對(duì)比

表1、圖5、圖6 對(duì)比可知，子單元存放時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)影響IGBT 焊接空洞率，存放時(shí)間越短顯著降低了較大空洞的比例，使得空洞率的分布更加均勻， 從而增加IGBT 器件可靠性。

2.4 子單元長(zhǎng)期存放

對(duì)空洞的影響分析為防止子單元氧化，子單元來(lái)料要求為密封包裝，如果長(zhǎng)期存放會(huì)影響焊接效果，最大的可能還是氧化。首先，在非常干燥的環(huán)境下是不會(huì)氧化的，必須有兩大前提條件，即空氣中的氧作為氧化劑和水蒸氣（濕氣）作為電解液，由此可推斷，子單元包裝應(yīng)該改為抽真空包裝，且袋內(nèi)充滿氮?dú)?，則不可能發(fā)生任何氧化，也便于定期檢查子單元包裝是否漏氣導(dǎo)致氧化；其次，對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境的濕度要求較高。除此之外，建議采購(gòu)子單元要求生產(chǎn)日期距器件封裝時(shí)間越短越好。

針對(duì)空洞產(chǎn)生的常見原因，如焊料、焊接溫度、焊接時(shí)間、抽真空速率及底板氧化程度等等，已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)，如減少底板氧化可有效減少氧化程度對(duì)空洞形成的影響，使子單元總體空洞率由0.78 ％ ～ 6.64 ％ 減少到0.24 ％ ～ 1.57 ％ ^[4]。目前針對(duì)來(lái)料存放時(shí)長(zhǎng)的研究較少，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用短期存放子單元封裝的器件使子單元總空洞率由0.23% ～ 9.41% 減少到0 ～ 1.67%，提供了一種新的降低空洞率的方法和思路。

3   結(jié)論及建議

在IGBT 器件封裝中，采用短期存放子單元封裝IGBT 器件后，可以有效降低焊接空洞率，尤其是顯著降低了空洞氣泡的均勻性，從而有效提高了焊接質(zhì)量。在焊接工藝中，影響焊接空洞的因素較多，而現(xiàn)有工藝條件無(wú)法避免空洞的形成，需要從環(huán)境、來(lái)料等可控因素入手，降低空洞率，從而提高IGBT 器件的可靠性，將半導(dǎo)體功率器件的優(yōu)勢(shì)完全釋放。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）