基于高溫鉛錫合金焊料低空洞率焊接研究

項(xiàng)羅毅，顏廷剛

（常州瑞華電力電子器件有限公司，江蘇常州213200）

基于高溫鉛錫合金焊料低空洞率焊接研究

項(xiàng)羅毅，顏廷剛

（常州瑞華電力電子器件有限公司，江蘇常州213200）

功率模塊芯片級焊接主要使用的是高溫鉛錫合金焊料，便于芯片進(jìn)行二次模塊封裝，而焊接過程中的空洞是一個關(guān)鍵性的問題。通過高溫錫鉛合金焊料引入Ag元素，針對不同Ag元素組分下錫鉛銀合金焊片對焊接層空洞的影響進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)表明采用高溫焊料Pb92.5Sn5Ag2.5，焊接層具有較低的空洞率，高達(dá)98%以上的焊透率。

鉛錫合金；空洞率；焊接

在功率模塊芯片級焊接過程中主要使用的是高溫錫焊料，便于芯片在二次封裝焊接過程中不至于產(chǎn)生融化現(xiàn)象。焊接過程中的空洞是一個關(guān)鍵的問題，焊接層中的空洞會影響半導(dǎo)體器件的機(jī)械可靠性、散熱和電性能等[1-2]。因此研究高溫鉛錫合金焊料低空洞率焊接是非常必要的。本文在高溫錫合金焊料加入不同比例的Ag進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對不同加Ag錫合金焊料焊接層內(nèi)的空洞做了對比研究，從而優(yōu)選適合芯片級焊接高溫焊料，對提高芯片焊接質(zhì)量，降低焊接空洞具有重要意義。

1實(shí)驗(yàn)材料的選擇及制備

（1）樣品簡介。在焊接過程中，基片的可焊性對焊接質(zhì)量有很大的影響，其作用是有效、可靠地粘合芯片表面。本實(shí)驗(yàn)所選用的是表面鍍鎳的鉬片。試驗(yàn)樣品截面的示意圖如圖1所示。芯片尺寸為12.4 mm×12.4mm，其上焊盤的尺寸為9.8mm×9.8mm，其表面鍍層為Ag.焊接所用焊料為PbSn5Ag1、PbSn5Ag1.3、PbSn5Ag2、PbSn5Ag2.5，以及作為對比的Pb95Sn5焊料。

圖1 試驗(yàn)樣品截面的示意圖

（2）試驗(yàn)過程。將表面鍍銀的下鉬片放入正裝石墨夾具如圖2所示，然后噴上免清洗助焊劑，分別放入0.1mm厚的Pb95Sn5、PbSn5Ag1、PbSn5Ag1.3、PbSn5Ag2、PbSn5Ag2.5五種焊片，再將芯片準(zhǔn)確放入石墨夾具槽內(nèi)，最后在相應(yīng)的焊接曲線下經(jīng)過RNZ01-T真空燒結(jié)爐焊接。

圖2 正裝石墨夾具

（3）焊接曲線。選擇了一條典型的焊接溫度曲線如圖3所示，該曲線是一直廣泛采用的傳統(tǒng)的有預(yù)熱段的焊接曲線，該焊接曲線升溫過程較長[3]。該曲線的特點(diǎn)是預(yù)加熱6 min，峰值溫度340℃，焊接周期為25 m 30 s.

圖3 焊接溫度曲線

（4）焊料的選擇。焊料選擇了5種進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)中，采用德國進(jìn)口的5種鉛錫銀合金焊料進(jìn)行對比試驗(yàn)。其焊料合金成分都主要為鉛、錫成分，占95%以上。不同點(diǎn)在于5種焊片都添加了不同比例銀（Ag）元素，分別為0%、1%、1.3%、2%、2.5%.

2實(shí)驗(yàn)過程，數(shù)據(jù)處理及討論

（1）X-ray測試分析

為了X-ray掃描后計(jì)算方便，分別使用這5種錫合金焊料進(jìn)行單面焊接，分別檢測其空洞率。經(jīng)過真空焊接工藝，各組焊接測試典型的空洞圖片如圖4所示和試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同含Ag錫合金焊料試驗(yàn)X-ray測試結(jié)果

作為對比，研究了PbSn焊料中空洞的形成，同時在此基礎(chǔ)上加入加不同比例的Ag進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用加Ag的高溫焊料時，不論焊料加Ag比例多少，空洞率都明顯低于PbSn5焊料。G4的空洞率為3.671%，G5也只有2.788%.

從圖4中可以看出：①灰色塊狀區(qū)域均為氣泡，氣泡多為規(guī)則圓形或橢球形，無明顯大尺寸氣泡。②隨焊料加Ag比例的增加，芯片空洞率有所下降，同時最大空洞比也有所下降。當(dāng)加Ag比例為2.5%時，芯片空洞率有了明顯的降低。可見，加Ag的SnPb焊料對芯片焊接空洞率有較大影響。③隨焊料加Ag比例的增加，芯片焊接層中的氣泡尺寸有明顯變化，有變小的趨勢，且最大氣泡的尺寸也有所減小。

加Ag的PbSn高溫焊料空洞率低的一個重要原因是加Ag的SnPb焊料的可焊性要稍好于SnPb焊料。另一方面，焊接層中空洞的形成還與助焊劑中揮發(fā)物揮發(fā)的體積、溫度以及揮發(fā)的速度都有關(guān)系。

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊料的種類、焊料高度、回流曲線，被焊件的種類及其氧化程度均對焊接空洞率都有不同程度的影響。但是總的來說，焊料因素的影響是非常重要的。工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況證明，空洞率在某些情況下達(dá)到了20%以上，成為了嚴(yán)重的可靠性問題。

圖4 各組焊接測試的典型空洞圖片

（2）ΔVf測試分析

ΔVf試驗(yàn)是測試器件熱敏電壓的變化。器件的熱敏電壓的變化與器件的結(jié)溫變化有關(guān)；同一只器件在結(jié)溫度升高時，其熱敏電壓隨之下降。不同器件的熱敏電壓變化略有區(qū)別。但對同一批次的器件芯片，熱敏電壓與溫度的變化大體一致。因此對熱敏電壓的測試，可間接反應(yīng)器件結(jié)溫的變化情況。從某種角度來說是對熱阻特性的間接測試。

器件在小電流下，壓降值隨溫度變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。芯片加熱后，熱主要是從芯片上向芯片底部傳遞，不同空洞率的芯片散熱效果有差異，其表面的溫度也會有所差別，在小電流情況下其在加熱前后的壓降同樣會有差異。在DBC-229模塊綜合參數(shù)測試臺上，對樣品器件進(jìn)行ΔVf以及ΔVf/W測試（見圖5）。ΔVf以及ΔVf/W測試的測試結(jié)果如表2所示。

圖5 ΔVf以及ΔVf/W測試界面

表2 不同比例含Ag錫合金焊料試驗(yàn)ΔVf測試結(jié)果表

隨著焊料含Ag比例降低，芯片焊接空洞率有所增加，芯片的ΔVf和ΔVf/W相應(yīng)增加，當(dāng)含Ag比例為2.5%，芯片焊接空洞率約達(dá)到2.7%，芯片的ΔVf/W變化不大約為1.3m V/W左右。當(dāng)空洞率為5%時，芯片的ΔVf/W已經(jīng)有了明顯的增加，其峰值壓降增加大約為0.3m V/W.當(dāng)空洞率達(dá)到9%時，芯片的ΔVf/W增加達(dá)到2.4m V/W左右?？梢?，不同比例含Ag焊料對焊接空洞率有影響，而空洞率對芯片的ΔVf和ΔVf/W有較大影響。模塊在小電流下，隨溫度變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。芯片加熱后，熱主要是從芯片上向芯片底部傳遞，不同空洞率的芯片散熱效果有差異，其表面的溫度也會有所差別，在小電流情況下其在加熱前后的壓降同樣會有差異。

芯片散熱主要依賴與芯片貼裝的散熱基板，一般從芯片底面進(jìn)行熱量傳遞。芯片通過一定時間大電流通流后，芯片有空洞的位置，傳熱較差?？斩绰试礁?，散熱越差，對于芯片而言熱量積累，熱量沒有得到有效散出，芯片溫升相對較高。在小電流熱敏電流檢測下，芯片加熱前后壓降差值ΔVf就較大。因?yàn)槠骷谛‰娏飨?，壓降隨溫度變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。隨著空洞率的增加，芯片散熱面積減小，ΔVf值增加。所示結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：隨著焊料含Ag比例降低，空洞率增加，ΔVf值也隨著增加。當(dāng)空洞率在4%及以下時，ΔVf值增加幅度較小。當(dāng)空洞率為5%以上時，ΔVf值增加幅度明顯。因此，大空洞對ΔVf值的增加顯著，其對芯片散熱有很大的影響。

3結(jié)束語

在芯片級焊接中使用高溫錫合金焊料加入不同比例的Ag時，焊接層中空洞形成的研究可以得出如下的結(jié)論：

（1）焊料的種類影響焊接層中空洞的形成，隨焊料加Ag比例的增加，芯片空洞率有所下降，同時最大空洞比也有所下降，芯片焊接層中的氣泡尺寸有明顯變化，有變小的趨勢。當(dāng)加Ag比例為2.5%時，芯片空洞率有了明顯的降低。

（2）隨著焊料含Ag比例降低，芯片焊接空洞率有所增加，芯片通流面積減小，通態(tài)電阻增加，芯片峰值壓降增加。當(dāng)空洞率為5%以上時，峰值壓降增加幅度明顯。因此，大尺寸的空洞對通態(tài)電阻的增加顯著，其對通流損耗有很大的影響。

（3）隨著焊料含Ag比例降低，芯片焊接空洞率有所增加，芯片散熱面積減小，芯片的ΔVf和ΔVf/W相應(yīng)增加，當(dāng)含Ag比例為2.5%，芯片的ΔVf/W值最低。

不同比例含Ag錫合金焊料進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，可以通過X-ray測試、ΔVf測試等表征。隨著焊料含Ag比例降低，試樣空洞率增加。當(dāng)含Ag比例為2.5%，芯片焊接空洞率最低，焊透率達(dá)到98%以上。

[1]?？×?功率器件無鉛焊料焊接層可靠性研究[D].北京：中國科學(xué)院，2006，23-31.

[2]孔學(xué)東.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：3-6.

[3]馮志剛，郁鼎文.回流焊工藝參數(shù)對溫度曲線的影響[J].電子工藝技術(shù)，2004，25（06）：243-251.

Based on Tin-Lead Solder Research of Low Hole Welding

XIANG Luo-yi，YAN Ting-gang
（Changzhou Ruihua Power Co.Ltd.，Changzhou Jiangsu 213200，China）

The solder Mainly used for power modules’chip welding is tin-lead solder at a high temperature，facilitating chips for the second modules’encapsulation，and the hole in the welding process is a key problem. Tin-lead solder at a high temperature joins Ag elements，the influence of welding hollow has conducted the thorough research under different Ag element components for tin-lead-silver alloy solder piece.The experimental results in this paper show that welding layer has lower void content by using high temperature solder Pb92.5Sn5Ag2.5 and optimalwelding process，welding penetration rate ismore than 98%.

tin-lead solder；void rate；welding

TG44

A

1672-545X（2016）12-0081-04

2016-09-15

項(xiàng)羅毅（1986-），男，江蘇常州人，碩士，研究方向：材料加工。