IGBT功率模塊的一次性焊接工藝研究＊

管功湖，梁思平

（1.臺(tái)州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000；2.臨海市志鼎電子科技有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引言

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）目前是功率半導(dǎo)體器件的主流產(chǎn)品，它是實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的關(guān)鍵部件，集合了高壓、高頻、大電流三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于焊接設(shè)備、變頻器、軌道交通、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域?；诮陙砭薮蟮氖袌?chǎng)需求，IGBT的器件技術(shù)和應(yīng)用鄰域都得到快速的發(fā)展，各種新的芯片技術(shù)、封裝技術(shù)及材料技術(shù)等被應(yīng)用于IGBT的研發(fā)中［1］。

IGBT器件的封裝方式主要有單管和模塊兩種，單管IGBT主要應(yīng)用在中低壓和小電流場(chǎng)合，而IGBT模塊則應(yīng)用于高電壓和大電流場(chǎng)合，IGBT模塊封裝方式又分焊接式和壓接式。在模塊封裝技術(shù)方面，國內(nèi)已基本掌握傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù)，中低壓IGBT模塊的封裝廠家較多，而高壓IGBT模塊的封裝主要集中在中車公司等大公司［2］。與國外英飛凌（Infineon）、三菱（Mitsubishi）、ABB、富士（Fuji）等公司相比，技術(shù)上依然相差甚遠(yuǎn)。

在焊接式IGBT模塊封裝過程中，需考慮散熱管理設(shè)計(jì)、超聲波端子焊接技術(shù)和高可靠錫焊技術(shù)。IGBT模塊有3個(gè)連接部分：芯片上的鋁線鍵合點(diǎn)、芯片與DBC陶瓷板的焊接層、DBC陶瓷板與基板的焊接層［3］。傳統(tǒng)的焊接式封裝通常采取兩次真空焊接工藝，先進(jìn)行芯片與DBC陶瓷板的焊接［4］，再進(jìn)行母排端子與DBC陶瓷板的焊接以及DBC陶瓷板和基板的焊接［5］，焊接質(zhì)量直接影響IGBT功率模塊的可靠性。制造高可靠性、高性價(jià)比的IGBT模塊是整個(gè)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展趨勢(shì)［6-7］，這就要對(duì)IGBT模塊的制造工藝進(jìn)行創(chuàng)新。在分析和研究國內(nèi)外IGBT功率模塊的封裝技術(shù)基礎(chǔ)上，采用預(yù)彎處理技術(shù)的基板和互聯(lián)電極，研發(fā)IGBT功率模塊的焊接前倒裝工藝和一次性焊接工藝，并申請(qǐng)相關(guān)的發(fā)明專利［8-9］。

1 IGBT功率模塊構(gòu)成及封裝工藝

1.1 IGBT功率模塊構(gòu)成

圖1 IGBT功率模塊和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The IGBT power module and internal structure diagram

IGBT功率模塊把二個(gè)或者二個(gè)以上的IGBT芯片按一定的電路連接在一起，焊接在散熱底板上，用硅膠、環(huán)氧樹脂等保護(hù)材料，密封在一個(gè)絕緣的外殼內(nèi)。圖1a為二單元的半橋IGBT功率模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1b所示，焊接式IGBT功率模塊由多層不同的材料構(gòu)成，（1）基板：銅基板為模塊提供支撐，同時(shí)作為模塊的散熱通道和散熱器相連；（2）DBC陶瓷板：由上層覆銅、DBC襯板、下層覆銅組成，作為芯片的支撐和電極的中轉(zhuǎn)連接；（3）芯片：包括IGBT芯片和續(xù)流二極管FWD芯片；（4）鍵合引線：用來連接芯片及襯底金屬端，導(dǎo)通電流；（5）焊層：芯片和DBC陶瓷板之間的焊層、母排端子與DBC陶瓷板之間的焊層及DBC陶瓷板和基板之間的焊層；（6）硅膠：主要提高絕緣強(qiáng)度，保護(hù)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受潮濕、酸堿腐蝕；（7）環(huán)氧樹脂：它是外殼和硅膠的緩沖，保護(hù)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受機(jī)械沖擊；（8）注塑外殼：主要保護(hù)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2 封裝工藝及改進(jìn)

目前焊接式IGBT功率模塊封裝采用預(yù)彎處理的T2銅作基板，通過多次高溫焊接工藝制造。其主要封裝工藝流程為：芯片真空燒結(jié)→空洞率檢驗(yàn)→鋁絲鍵合→拉力剪力測(cè)試→IGBT性能測(cè)試→DBC陶瓷板、母線端子和基板等裝配→二次真空燒結(jié)→空洞率檢驗(yàn)→端子裝配→超聲清洗→氮?dú)夂娓伞匦詼y(cè)試→外殼自動(dòng)點(diǎn)膠→外殼密封→高溫固化→自動(dòng)灌膠保護(hù)→高溫固化→端子打彎→外觀處理→入庫測(cè)試。

在國內(nèi)外現(xiàn)有封裝技術(shù)中，焊接式IGBT功率模塊需經(jīng)過二次或多次高溫焊接，這樣的方法使芯片受到的熱應(yīng)力增加，芯片可靠性降低；焊接層空洞較多［10］，模塊熱阻抗增大，模塊的可靠性得不到保證。金屬細(xì)絲引線互連，容易高頻疲勞斷裂，損壞模塊。為此在研究國內(nèi)外現(xiàn)有封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出IGBT功率模塊的一次性焊接工藝和焊接前倒裝工藝，根據(jù)焊接前倒裝工藝，對(duì)基板、芯片、DBC陶瓷板、引出電極等進(jìn)行組裝和固定，然后按一次性焊接工藝進(jìn)行焊接。

2 焊接前倒裝工藝

要實(shí)現(xiàn)IGBT功率模塊的一次性焊接，首先要對(duì)基板、芯片、DBC陶瓷板、引出電極等進(jìn)行組裝和固定。現(xiàn)有技術(shù)通常采用正（順）裝工藝來實(shí)現(xiàn)，就是將基板放在底層，在基板上疊加放置芯片，再在芯片上疊加放置引出電極，在芯片與基板之間增加DBC陶瓷板，各焊接層之間又要添加焊片，從而形成了多層的正（順）裝工藝。這種正（順）裝工藝存在以下問題：第一、固定支架制造復(fù)雜，固定或拆御困難，組裝難度大；第二、層與層之間焊接點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)困難，導(dǎo)致器件性能一致性很差，合格率低；第三、組裝支架的復(fù)雜性導(dǎo)致組裝工藝復(fù)雜，增加了組裝時(shí)間，勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，不能實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)；第四，引出電極不能與芯片進(jìn)行直接焊接，因而又要引入金屬細(xì)絲進(jìn)行過渡連接，不能一次性完成組裝。所以IGBT功率模塊焊接前正（順）裝方法，組裝工藝復(fù)雜，不能很好控制產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，不易于產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

針對(duì)正（順）裝工藝存在的問題，設(shè)計(jì)了焊接前倒裝工藝，該倒裝工藝能夠提高IGBT功率模塊的生產(chǎn)率，并且生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好，成本低，可靠性高。IGBT功率模塊包括基板（底板）、DBC陶瓷板（DBC基片）、芯片、內(nèi)部互連電極和引出電極等，該倒裝工藝的具體步驟如下：

（1）制作一個(gè)具有安裝槽的支架，通過安裝槽對(duì)IGBT功率模塊中各部件進(jìn)行支撐和固定；

（2）將引出電極放置在支架的安裝槽內(nèi)并進(jìn)行定位固定，引出電極包括用于連接外接電路的引出極和用于與IGBT功率模塊中其他部件連接的焊接極，其引出極朝下插入支架的安裝槽中，焊接極朝上；

（3）將內(nèi)部互連電極放置在引出電極上并由支架進(jìn)行定位固定，其內(nèi)部互連電極通過焊接片與引出電極的焊接極相連；

（4）將芯片放置在內(nèi)部互連電極上，芯片通過焊接片與內(nèi)部互連電極相連；

（5）將DBC陶瓷板放置在芯片上，并通過支架定位固定，其DBC陶瓷板通過焊接片與芯片相連；

（6）在DBC陶瓷板上放置底板，其底板通過焊接片與DBC陶瓷板相接，并由支架進(jìn)行固定、支撐和定位。

焊接前倒裝工藝組裝圖如圖2所示，將采用一種不隨溫度變化而變形合金，先在底層放置支架，其支架上設(shè)有安裝槽，在安裝槽的第一層放置引出電極，第二層放置內(nèi)部互連電極，第三層放置芯片，第四層放置DBC陶瓷板，第五層放置底板，每層放置的部件分別通過支架進(jìn)行定位、支撐和固定。

圖2 倒裝工藝組裝圖Fig.2 The reverse process assembly diagram

3 一次性焊接工藝

實(shí)現(xiàn)的一次性焊接工藝流程圖如圖3所示，該焊接工藝的具體步驟如下：

（1）使用IGBT功率模塊焊接前倒裝工藝，將構(gòu)成IGBT功率模塊的引出電極、內(nèi)部互連電極、芯片、DBC陶瓷板、合金焊料和基板進(jìn)行組裝和固定成整體，這一整體稱為工件；

（2）把已組裝好的工件按放在載物臺(tái)上；在載物臺(tái)上可以放置n×m只工件，n、m代表自然數(shù)。載物臺(tái)可放置多個(gè)工件，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

（3）把載物臺(tái)推入真空焊接爐中，關(guān)閉爐門；打開通向真空焊接爐的氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）混合氣體氣閥，向真空焊接爐充氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）混合氣體，進(jìn)行保護(hù)加熱，加熱時(shí)間3～5 min，使真空焊接爐內(nèi)溫度超過設(shè)定值1，然后斷開加熱電源，關(guān)閉真空焊接爐的氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）混合氣體氣閥，再對(duì)真空焊接爐進(jìn)行抽真空處理，時(shí)間為4～8 min，可使焊接層在形成新合金過程中產(chǎn)生的氣體逸出，消除焊接層中的空洞。

圖3 一次性焊接工藝流程圖Fig.3 The one-time soldering process flow diagram

（4）停止加熱，再次打開通向真空焊接爐的氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）混合氣體氣閥，向真空焊接爐充氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）混合氣體，使真空焊接爐內(nèi)溫度冷卻到設(shè)定值2以下；關(guān)閉通向真空焊接爐的氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）混合氣體氣閥，打開真空焊接爐爐門，取出載物臺(tái)，卸下工件支架。

采用IGBT功率模塊一次性焊接工藝，它使得芯片的熱應(yīng)力降低，模塊焊接層無空洞，熱阻抗減少，模塊可靠性得到了極大的提高。在生產(chǎn)IGBT功率模塊時(shí)，簡(jiǎn)化了工藝復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的工業(yè)化批量生產(chǎn)，降低了產(chǎn)品成本。

4 結(jié)束語

在焊接式IGBT功率模塊封裝過程中，采取IGBT功率模塊的焊接前倒裝工藝，把基板、DBC陶瓷板、芯片、內(nèi)部互連電極和引出電極等固定好，然后放入真空焊接爐，根據(jù)一次性焊接工藝要求進(jìn)行焊接，可提高IGBT功率模塊的可靠性和生產(chǎn)效率。

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用預(yù)彎處理技術(shù)的基板和互聯(lián)電極，利用焊接前倒裝工藝和一次性焊接工藝，封裝的 IGBT 功率模塊主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：Vces：1200 V，Ic：100 A，VCEsat≤2.5 V，Rjc≤0.11℃/W。經(jīng)測(cè)試熱疲勞壽命大于1000次以上。