IGBT模塊封裝底板的氧化程度對(duì)焊接空洞率的影響分析

摘要：本文簡(jiǎn)介了IGBT模塊的主要封裝工藝流程，并在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)兩組不同氧化程度的模塊分別進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)掃描，將掃描圖像載入空洞統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過(guò)對(duì)比兩組空洞率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：非氧化底板焊接空洞率較低，氧化底板的焊接空洞率普遍偏大?；诒緦?shí)驗(yàn)的結(jié)果，本文建議IGBT模塊在封裝之前，應(yīng)對(duì)散熱底板做好防腐處理，以確保底板不被氧化。

引言

　　近年來(lái)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT，insulated gate bipolar transistor)以其輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流。其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高鐵及軌道交通、汽車電子、風(fēng)電、太陽(yáng)能、家電節(jié)能、UPS、數(shù)控機(jī)床、焊機(jī)以及電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

　　IGBT模塊封裝工藝中涉及的環(huán)節(jié)頗多，對(duì)高壓大功率IGBT器件的封裝而言，焊接技術(shù)對(duì)IGBT模塊的壽命和可靠性起著至關(guān)重要的作用，也是封裝過(guò)程的核心技術(shù)。檢驗(yàn)焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一就是焊接的空洞率，當(dāng)“空洞”尺寸較大或者其局部密度過(guò)大時(shí)，則會(huì)影響焊接層的機(jī)械性能，降低連接強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)降低焊接層的熱導(dǎo)，導(dǎo)致器件局部過(guò)熱，引起失效。因此，焊接空洞率的高低對(duì)高壓IGBT模塊的性能和長(zhǎng)期可靠性有著較大的影響。

1 IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)

　　IGBT模塊一般由IGBT芯片、二極管芯片、焊料、DBC基板、鍵合引線、散熱底板、外殼等按照工藝文件封裝而成。在IGBT模塊進(jìn)行外殼封裝之前，先將IGBT芯片和二極管芯片通過(guò)焊片將其焊接在DBC基板上，其次，將焊好芯片的DBC進(jìn)行芯片鍵合，然后再進(jìn)行二次焊接和超聲波檢測(cè)。

　　本文所討論的封裝工藝過(guò)程就是二次焊接和超聲波檢測(cè)。該封裝工藝過(guò)程中，先將焊接好的子單元進(jìn)行清洗，防止子單元被氧化，再將子單元、電極、焊片和焊環(huán)通過(guò)真空回流焊接爐將其焊接在鋁碳化硅的散熱底板上，然后進(jìn)行超聲波檢測(cè)^[3]。其封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　目前，國(guó)內(nèi)外大量研究發(fā)現(xiàn)，影響IGBT模塊焊接空洞率的因素有^[1]：焊接溫度、焊接條件、焊料材質(zhì)、焊料氧化等。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，底板氧化程度不同對(duì)焊接空洞率有較大影響。因此，本文從散熱底板氧化的角度來(lái)分析其對(duì)焊接空洞率的影響，并初步分析了不同氧化程度散熱底板與焊接空洞率的關(guān)系。此外，本文對(duì)改進(jìn)、優(yōu)化焊接工藝，提高IGBT模塊封裝工藝可靠性有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2 二次焊接工藝對(duì)IGBT空洞率的影響因素分析

　　為了分析對(duì)比底板氧化程度對(duì)焊接空洞率的影響，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要排除二次焊接工藝中其他因素對(duì)空洞率所造成的影響。

1. 焊料

　　目前，我們所采用的焊片和焊環(huán)材質(zhì)含有Sn、Pb和Ag，不存在助焊劑，且在焊接之前確保焊料不被氧化。

2. 焊接溫度

　　在真空回流焊接過(guò)程中，將被焊接的IGBT裝載在一個(gè)托盤中，并通過(guò)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)使其依次在加熱區(qū)、冷卻區(qū)、真空保壓等之間運(yùn)轉(zhuǎn)。焊接過(guò)程中，可根據(jù)焊料的熔點(diǎn)溫度來(lái)選取合適的焊接溫度即可，焊接溫度完全按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝文件設(shè)置。

3. 還原劑清洗環(huán)境

　　在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下進(jìn)行焊接已經(jīng)成為IGBT焊接的主流技術(shù)，與甲酸技術(shù)相結(jié)合就能更好的去除清洗工藝。通常，人們使用助焊劑來(lái)去除氧化物，可以有效地防止再氧化，但是，助焊劑卻會(huì)在焊接之后留下殘留物，對(duì)焊接質(zhì)量造成不良的影響。因此，我們采用的是在氮?dú)庵屑尤肷倭壳叶康募姿幔疵馇逑醇夹g(shù)。焊接后不用任何的清洗，且無(wú)殘留物。

　　焊接過(guò)程中，甲酸的含量在充足與不充足的情況下，對(duì)空洞率也是有一定的影響。在操作時(shí)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝文件要求，確保好甲酸的含量，以防甲酸對(duì)空洞率造成一定的影響。

4. 降溫速率

　　在冷卻過(guò)程中，也需要特別注意降溫的速率快慢。特別是在焊料結(jié)晶點(diǎn)附近的降溫速率，降溫過(guò)快時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致焊料成型的不均勻;當(dāng)降溫速率過(guò)慢時(shí)，卻會(huì)導(dǎo)致空洞率的增加，從而影響焊接質(zhì)量。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝文件要求來(lái)設(shè)定速率，以防影響焊接的空洞率。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　為了研究底板氧化程度對(duì)焊接空洞率的影響，本文的主要實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

3.1 樣品制備

　　選擇同一批次的子單元、氧化底板和焊料，將一部分氧化底板處理為非氧化底板。對(duì)這兩種底板分別進(jìn)行封裝，封裝技術(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線工藝流程執(zhí)行，并在同一真空焊接爐里對(duì)其進(jìn)行焊接，確保這兩組的焊接條件一致。將這兩部分焊接后的模塊進(jìn)行分組，一組是氧化后的底板，一組是非氧化底板。最后，分別選取4塊，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)這8塊分別進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

　　空洞的無(wú)損檢測(cè)通常采用超聲波檢查設(shè)備SONOSCAN來(lái)檢測(cè)，通過(guò)超聲波穿透IGBT模塊，其中有缺陷處的空氣層可以阻斷超聲波的傳輸，即可以分層反應(yīng)出空洞的尺寸和位置。

　　對(duì)這兩組不同的模塊進(jìn)行超聲波檢查掃描圖像，將掃描圖載入空洞統(tǒng)計(jì)分析軟件，計(jì)算出每個(gè)DBC板焊接區(qū)域的焊接空洞占整個(gè)焊接表面的百分比率(Window area data)及每個(gè)子單元焊接面積的最大空洞面積占該子單元焊接總面積的百分比率(Largest void data)。需要在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行多次試驗(yàn)來(lái)對(duì)比分析。

3.3 空洞率檢測(cè)

　　對(duì)選取的4塊氧化底板模塊和4塊非氧化底板模塊進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)分析，并計(jì)算出各自的焊接空洞率(其中白色亮點(diǎn)即為空洞)。

　　(1)以一個(gè)編號(hào)為6430的氧化底板的模塊為例，如圖3所示，即為超聲波檢測(cè)的掃描圖像和空洞所占的面積圖：

　　(2)以一個(gè)編號(hào)為6613的非氧化底板的模塊為例，如圖4所示，即為超聲波檢測(cè)的掃描圖像和空洞所占的面積圖：

　　(3)對(duì)兩組模塊分別進(jìn)行超聲波檢測(cè)，以每個(gè)模塊的六個(gè)子單元為例，觀察空洞率的變化，如表1所示。

4 結(jié)果分析及討論

4.1 空洞率檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)對(duì)這兩組模塊的超聲波檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，氧化底板的模塊比非氧化底板的模塊焊接空洞率普遍增大，如表2所示。該表可以直觀的看出兩組模塊焊接空洞率的變化范圍。

4.2 結(jié)論

　　通過(guò)上述分析，得出以下結(jié)論：

　　1)散熱底板被氧化對(duì)IGBT模塊焊接的空洞率有明顯的影響。如果對(duì)氧化后的散熱底板進(jìn)行封裝，封裝后的IGBT模塊焊接空洞率明顯提高，達(dá)不到超聲波檢查的質(zhì)量要求，同時(shí)也降低了IGBT模塊的性能;

　　2)超聲波檢測(cè)出氧化底板模塊的空洞明顯靠近中心位置，相應(yīng)芯片就越接近高溫，失效的可能性也就越大。

5 工藝改進(jìn)及優(yōu)化建議

　　在焊接工藝中，由于IGBT模塊封裝的工藝中涉及的環(huán)節(jié)較多，則影響IGBT模塊的焊接空洞率的因素就較多，即現(xiàn)有的工藝條件無(wú)法避免空洞的形成。那么就需要有效的防止一些可控因素對(duì)空洞率的影響。

　　底板氧化對(duì)IGBT模塊空洞率的影響可通過(guò)一次真空焊接爐高溫處理，在真空焊接爐運(yùn)行過(guò)程中，需用無(wú)塵紙將每個(gè)底板隔開(kāi)進(jìn)行高溫處理，防止底板的二次污染。經(jīng)過(guò)高溫烘干處理后的底板將極大地降低了空洞的存在，從而提高了模塊的可靠性和使用壽命。

　　由于現(xiàn)有的工藝條件有限，應(yīng)在以后的研究中對(duì)防止底板被氧化的工藝進(jìn)行改進(jìn)，以期進(jìn)一步降低空洞率。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第62頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。