電力半導(dǎo)體功率模塊芯片焊接質(zhì)量可靠性研究

項羅毅，顏廷剛，陳晨

（常州瑞華電力電子器件模塊有限公司，江蘇常州213200）

電力半導(dǎo)體功率模塊芯片焊接質(zhì)量可靠性研究

項羅毅，顏廷剛，陳晨

（常州瑞華電力電子器件模塊有限公司，江蘇常州213200）

電力半導(dǎo)體功率模塊的失效常常與焊接缺陷密切相關(guān)，其中焊接層高空洞率，焊接層強(qiáng)度低等問題，是影響引起功率模塊失效的主要因素，同時也是可靠性研究的重要內(nèi)容之一。依據(jù)功率模塊芯片失效現(xiàn)象分析了芯片失效的原因，闡述了焊接空洞引起功率模塊芯片可靠性失效的機(jī)理，同時說明了在芯片焊接過程中影響焊接質(zhì)量的若干因素。

功率模塊；失效；焊接；空洞

微電子焊接可靠性的問題是微電子技術(shù)中的重要課題。據(jù)美國對導(dǎo)彈計算機(jī)系統(tǒng)的131個失效集成塊的分析，其中因芯片焊接造成的失效占4.8%，內(nèi)引線鍵合失效占5.1%.焊接可靠性對電子產(chǎn)品的壽命和經(jīng)濟(jì)效益有著直接的影響，國外對這些可靠性問題已經(jīng)進(jìn)行了深入的系統(tǒng)的研究。因此，需要對芯片焊接質(zhì)量的可靠性進(jìn)行深入的研究。

1 芯片焊接中常見缺陷

芯片焊層的焊接品質(zhì)是直接影響芯片至整個模塊性能的關(guān)鍵因素。生產(chǎn)中常見的焊接缺陷有潤濕不良、偏位、焊錫珠、浮起、短路、冷焊、空洞等現(xiàn)象，其表現(xiàn)形式主要如下：

（1）潤濕不良。通常潤濕不良是指焊點(diǎn)處的焊料在熔融狀態(tài)時鋪展性很差，從而使焊點(diǎn)較差，且直接地影響到了焊點(diǎn)的可靠性。其產(chǎn)生的原因：基片或芯片表面的鍍層被氧化，氧化層的存在阻擋了焊錫與鍍層之間良好的接觸；焊接溫度不夠。

（2）偏位。即芯片的邊緣移出基片或基板，超出了判定基準(zhǔn)。此種不良容易造成芯片邊緣打火，甚至擊穿。其產(chǎn)生的原因：基板定位不準(zhǔn)。

（3）焊錫珠。焊錫珠現(xiàn)象是芯片焊接過程中的主要缺陷之一（如圖1），由于回流過程中加熱急速造成的錫顆粒分散在芯片的周圍或基板上，冷卻后形成。此種不良容易造成芯片邊緣打火及芯片耐壓不足。其產(chǎn)生的原因：焊劑量太多，或是焊件表面受潮，焊接時容易造成焊錫飛濺。

圖1 焊錫球

（4）浮起。焊接于芯片表面的基片一側(cè)翹起的現(xiàn)象主要原因是焊料熔化時芯片四周受力不均勻所致，通過SAT照片可見芯片實際焊接狀況，如圖2用三種線型表示。其產(chǎn)生的原因：焊料填充不均或焊片沒有貼裝到位，懸空導(dǎo)致焊料部分熔化。

圖2 芯片浮起

（5）短路。芯片上下側(cè)邊緣有焊錫相連造成短路。此種不良容易造成芯片擊穿。其產(chǎn)生的原因：焊料太多，邊緣溢出；焊劑太多，焊料流動；芯片與焊料接觸壓力過大。

（6）冷焊。焊料在過回流爐后未徹底的融化，存在像細(xì)沙一樣的顆粒，焊點(diǎn)表面無光澤。此種不良容易造成芯片熱疲勞性能較差。

（7）空洞。焊點(diǎn)內(nèi)部填充空洞的出現(xiàn)與助焊劑的蒸發(fā)不完全有關(guān)。少量的空洞的出現(xiàn)對焊點(diǎn)不會造成太大影響，但大量出現(xiàn)就會影響到焊點(diǎn)可靠性。其產(chǎn)生的原因：錫膏中助焊劑比例偏大，難以在焊點(diǎn)凝固之前完全逸出；預(yù)熱溫度偏低；焊接時間過短。

上述焊接缺陷中，焊接空洞相比其他缺陷而言，更為普遍，而且具有隱匿性、危害性大的特點(diǎn)。在表面貼裝中，空洞的問題尤其明顯。在一些焊接中，空洞率達(dá)到5%~20%，甚至達(dá)到50%.因此，對焊接空洞現(xiàn)象需要格外關(guān)注并加以解決。

2 空洞對功率模塊芯片可靠性影響

半導(dǎo)體功率模塊的可靠性對于模塊本身而言極其重要。焊點(diǎn)的熱疲勞失效的主要原因是由于芯片和基板的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的，所以研究芯片焊點(diǎn)的可靠性非常重要[1-2]。

2.1 空洞的形成機(jī)理

幾乎所有的空洞都是在被焊件界面處形成的。由于添加的助焊劑殘留于焊材上沒有潤濕的部分，所以氣泡產(chǎn)生于焊材和焊料的界面。界面處的液體表面張力是驅(qū)動氣泡形成最小表面的趨勢，氣泡從界面處逃出需要較多的能量，只有氣泡長大一定的尺寸，浮力大于液體表面張力，氣泡才能脫離界面[3]。在芯片級焊接工藝中焊接層常常容易產(chǎn)生空洞缺陷，其主要形成機(jī)理有可以歸結(jié)以下三點(diǎn)：（1）錫鉛焊料中一般會含有一些易揮發(fā)的物質(zhì)，在焊料冷卻成型時被包裹在焊料中來不及排出。（2）焊接材料存在氧化物或有揮發(fā)性的物質(zhì)，也會使焊層形成氣泡而產(chǎn)生空洞。（3）此外金屬氧化物化學(xué)反應(yīng)也能釋放一些氣體。

2.2 空洞對芯片性能的影響

（1）空洞對模塊的電學(xué)性能的影響。芯片級焊接中的焊層主要起著導(dǎo)熱、導(dǎo)電和機(jī)械支撐的作用，其中有一點(diǎn)重要的是電能的傳輸。因此，焊接層的阻抗應(yīng)盡可能的低。焊接層中存在空洞，就會減小焊接層電流傳導(dǎo)的橫截面積A，從而增大電阻，造成模塊的通流能力不足，導(dǎo)致模塊過流失效[4]。當(dāng)芯片焊接層空洞較多時，材料內(nèi)阻增大，功率損耗變大。

（2）空洞對模塊的機(jī)械性能的影響。焊接層的機(jī)械性能主要提供芯片和基片之間的互連和支撐作用。焊接層中的空洞會嚴(yán)重影響焊接層的支撐強(qiáng)度，從而影響模塊芯片的抗應(yīng)力、張力的能力，最終導(dǎo)致模塊抗溫度循環(huán)的能力下降。同時空洞與熱疲勞交互作用也會影響其機(jī)械性能，甚至?xí)a(chǎn)生裂紋。

（3）空洞對模塊的導(dǎo)熱性能的影響。芯片焊層的另一個主要的作用是導(dǎo)熱作用，芯片在通流工作時會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量的一個主要釋放的途徑就是通過焊點(diǎn)來排放出去，這樣模塊工作時就不會出現(xiàn)過熱而導(dǎo)致?lián)p壞。

3 芯片焊接空洞的影響因素

（1）助焊劑活性的影響。助焊劑是在焊接工藝中有助于促進(jìn)焊接過程，同時具有保護(hù)和阻止氧化反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。在焊接過程中，它是一種不可缺少的輔助材料，其作用極為重要。

（2）基片材質(zhì)的影響。首先，芯片與上下鉬片焊接，然后上下鉬片分別與銅電極連接。各層材料的熱膨脹系數(shù)不同，由于鉬片的膨脹系數(shù)在銅和硅之間，防止模塊因急冷急熱而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，從而造成芯片破裂，因此通常芯片與基片之間常用鉬片連接。

（3）焊料厚度的影響。隨著焊料厚度的增加，空洞率明顯下降。由于焊料越厚，助焊劑相對較多，去被焊件表面的氧化物的能力越強(qiáng)，所以空洞率降低。如果空洞在臨界值以下，那么空洞將是穩(wěn)定的。臨界值與焊層焊點(diǎn)的最大直徑有關(guān)。

（4）焊料選擇的影響。芯片級焊接需要焊接層的熔點(diǎn)溫度較高，以便于二次焊接時不使焊接層熔化，影響二次封裝。同時希望焊接層的機(jī)械性能好，能夠有足夠的耐熱疲勞的能力。因此選擇合適的焊料是非常關(guān)鍵的。

（5）夾具設(shè)計的影響。芯片在焊接前，焊料、芯片和基片組裝都需要一定的定位，同時焊接過程中熔化的焊料也需要芯片定位。良好設(shè)計的夾具既能保證焊接質(zhì)量，又能大幅度地提高焊接的效率。

（6）工藝參數(shù)的影響。工藝參數(shù)主要包括以下幾方面：

一是，焊料厚度：芯片貼裝在焊片上，當(dāng)焊片厚度過薄，焊料在芯片表面鋪張性較差，容易大面積空洞。因此焊片厚度對焊接空洞也會產(chǎn)生影響。

二是，焊接預(yù)壓力：在芯片上施加一定的壓力，可以有效地降低芯片和基片間的間隙，降低焊接空洞率。芯片表面的壓力應(yīng)當(dāng)選擇適中。

三是，焊接溫度曲線：溫度曲線是焊接的主要參數(shù)，對焊料的預(yù)熱、活化、熔融、回流及凝固起著關(guān)鍵作用。焊接過程一般由預(yù)熱區(qū)域、保溫區(qū)域、焊接區(qū)域、冷卻區(qū)域等四個溫區(qū)組成。需要嚴(yán)格控制浸潤時間、浸潤溫度、最高峰值溫度、高于液相溫度的時間以及由于選擇助焊劑和焊料而引起的升溫和降溫速率等關(guān)鍵變量也是必須的。

4 結(jié)束語

本文介紹了常見的焊接質(zhì)量的缺陷，如存在潤濕不良、偏位、焊錫珠、浮起、短路、冷焊、空洞等不良現(xiàn)象，特別是空洞對功率模塊性能方面的影響，結(jié)果表明：

（1）空洞是引起半導(dǎo)體功率模塊芯片失效的非常重要原因之一。在通流和冷熱溫度循環(huán)的條件下，空洞周圍容易產(chǎn)生電應(yīng)力或熱應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋及裂紋擴(kuò)展，甚至造成芯片失效。

（2）空洞是影響半導(dǎo)體功率模塊可靠性的重要因素之一，芯片焊接空洞的影響因素眾多，需要進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝，減少空洞率，提高模塊可靠性。

[1]?？×?功率模塊無鉛焊料焊接層可靠性研究[D].北京：中國科學(xué)院，2006.

[2]孔學(xué)東，恩云飛.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]H.Iwanishi，A.Hirose，T.Imamura，K.Tateyama，I.Mor1 and K.F.Kobayashi.ProPerties of Quad Flat Package Joints Using Sn-Zn-Bi Solder with Varying Lead-Plating Materials[J]. Journal of ELECTRONIC MATERIALS，2003，12（32）：1540 -1547.

[4]吳建忠.MOS集成電路電過應(yīng)力損傷的模式和機(jī)理[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1994（02）：24-28.

The Research on the Reliability of Power Semiconductor Modules’Chip Welding Quality

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

The failures of power electronic devices are often closely related with welding defects in the process of welding.The problems of high hole rate and low intensity in the welding layer are a major cause of electronic devices’failure，are also one of the important contents of reliability research at the same time.According to the power semiconductor devices’chip failure phenomenon this paper analyzed the cause of devices’chip failure，and failure mechanism which is caused by welding hollow.At the same time，this paper expounds several factors affecting the chip welding quality in the welding process.

power module；failure；welding；hollow

TG44

：A

：1672-545X（2017）01-0130-02

2016-10-27

項羅毅（1986-），男，江蘇常州人，碩士，應(yīng)用技術(shù)部經(jīng)理，研究方向：材料加工。