子單元長期存放對焊接質(zhì)量的影響*

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

作者簡介：郭大偉（1982—），男，漢族，山西永濟，工程師，主要從事鐵路機車車輛、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)動容易、控制簡單、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，已廣泛應(yīng)用于軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、電力系統(tǒng)、電動汽車、家電產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

IGBT 器件長期在高電壓、大電流和高頻開關(guān)狀態(tài)等運行環(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，器件的失效率會隨著溫度的升高而增長^[1]。因此，在IGBT 器件實際應(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，要通過器件封裝多層結(jié)構(gòu)由芯片層傳到底板進行散熱^[2]。焊接式IGBT 器件封裝過程中，子單元是由芯片通過焊料焊接在DBC（覆銅陶瓷基板）上封裝而成，而子單元是通過焊料焊接在底板上。底板作為絕緣基片提供機械支撐，并起到散熱功能。底板不僅能夠散熱，而且其熱擴散可使器件內(nèi)部芯片溫度分布更加均勻^[3]。

在IGBT 封裝焊接工藝中，子單元與底板進行真空回流焊接后，由于工藝受限，均會存在空洞現(xiàn)象，而焊接過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，長期運行會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]。如何降低焊接過程中空洞率對提高IGBT 器件可靠性意義重大。

本文從來料方面入手，將關(guān)鍵部件子單元進行來料檢查，分別對存放時間半年內(nèi)和3 年以上的子單元進行IGBT 器件封裝，對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理

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

焊接時，只有焊料很好的浸潤被焊表面才能形成較好的焊接質(zhì)量。然而，在焊接過程中，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，不會存在助焊劑融化揮發(fā)氣體形成的氣泡，但會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性不同，焊接面吸附力不好也會形成空洞；最后，由于材料保管不當(dāng)造成焊接面氧化，也會導(dǎo)致焊接浸潤性差，從而形成空洞。

而空洞率的檢測是檢驗焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，“空洞”尺寸較大或者“空洞”局部密度過高都會影響焊接層的機械性能，從而降低連接強度，影響熱導(dǎo)，會使IGBT 器件局部過熱引起失效^[8]。

1.2 子單元焊接結(jié)構(gòu)

焊接式IGBT 器件封裝過程中，需要考慮焊接、灌封和測試等工藝技術(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行焊接，焊接完成后進行空洞率檢測。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IGBT器件空洞率的影響分析

真空回流焊接技術(shù)是封裝過程中的核心技術(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 種封裝形式對焊接質(zhì)量的影響，本實驗需要排除真空回流焊接工藝中其他因素對空洞率所造成的影響。

1）焊料

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

2）焊接條件^[8]

真空回流焊接過程中，需要根據(jù)不同焊料特性設(shè)計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行溫度、時間、真空度、抽真空速率、保壓時間以及甲酸環(huán)境等工藝參數(shù)，這些工藝參數(shù)的選取均會對焊接質(zhì)量造成不同的影響。在本次實驗中，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   實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗設(shè)備

為避免其他因素對空洞率造成影響，實驗設(shè)備采用相同的等離子清洗設(shè)備、真空回流焊接爐、超聲波無損檢測設(shè)備。實驗開始前，先對子單元、底板、操作臺、托盤、焊接盤等進行清潔，防止污染造成空洞。

2.2 實驗處理

將兩批IGBT 分別進行封裝：一種是對存放時間半年內(nèi)的子單元進行封裝，一種是對存放3 年以上的子單元進行封裝。每種封裝分別實驗10 只IGBT 器件，每只IGBT 器件上焊有6 個子單元。子單元焊接完成后進行空洞無損檢測，可以分別檢測出6 個子單元總空洞率大小和每個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間長和子單元存放時間短的2 只IGBT 器件焊接空洞率檢測圖像。

圖3 長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

從實驗檢測數(shù)據(jù)可知，子單元存放時間較長的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，子單元存放時間越短，空洞率范圍更小。兩批封裝形式的產(chǎn)品空洞率實驗檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。

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

圖5 子單元總空洞率對比

圖6 子單元最大空洞率對比

表1、圖5、圖6 對比可知，子單元存放時間長短會影響IGBT 焊接空洞率，存放時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 子單元長期存放

對空洞的影響分析為防止子單元氧化，子單元來料要求為密封包裝，如果長期存放會影響焊接效果，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)充滿氮氣，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，對存儲環(huán)境的濕度要求較高。除此之外，建議采購子單元要求生產(chǎn)日期距器件封裝時間越短越好。

針對空洞產(chǎn)生的常見原因，如焊料、焊接溫度、焊接時間、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]。目前針對來料存放時長的研究較少，本文通過實驗發(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)有工藝條件無法避免空洞的形成，需要從環(huán)境、來料等可控因素入手，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)勢完全釋放。

參考文獻：

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[8]黃小娟,王曉麗.6500V/600A IGBT自主化封裝研制與應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),2020(8):128-131.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）