新型功率器件焊接空洞的探析及解決方案

深圳市唯特偶新材料股份有限公司 李維俊 段佐芳

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 林 峰 趙 寧

深圳瑞歐光技術(shù)有限公司 劉樂(lè)華

深圳大學(xué) 張培新 王艷宜

微電子焊料是電子產(chǎn)品組裝過(guò)程中不可或缺的重要組成部分，它能夠?qū)⑵骷母鞑糠钟行У剡B接在一起。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，電子技術(shù)向著高功率、高密度和集成化的方向發(fā)展，對(duì)于大功率器件的封裝如IGBT、MOS、大功率LED等，也相應(yīng)地對(duì)焊接材料提出了更高的、更全面的可靠性需求。

1 幾類功率器件封裝的現(xiàn)狀

IGBT，一種功率半導(dǎo)體，它是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷请娏ρb備的CPU。采用IGBT進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域有工業(yè)領(lǐng)域（如變頻器/逆變器），家用電器領(lǐng)域（如變頻空調(diào)、洗衣機(jī)等），軌道交通領(lǐng)域（如動(dòng)車、輕軌、地鐵等），新能源領(lǐng)域（如新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電），醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如醫(yī)療穩(wěn)壓電源），軍工航天領(lǐng)域（如飛機(jī)、艦艇），可以說(shuō)，當(dāng)代社會(huì)IGBT無(wú)處不在。

圖1 IGBT焊接結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)IGBT模塊中，最重要問(wèn)題之一就是散熱，因此迫切需要良好的熱管理方案，比如DBC陶瓷覆銅板，其材料涉及氧化鋁、氮化硅等，還有更多的新型材料在開(kāi)發(fā)中，這些材料都是為了更好地服務(wù)于模塊的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)性能，所以焊接材料顯得尤為關(guān)鍵。IGBT組裝分一次焊接和二次焊接，一次焊接主要是焊接芯片，這部分焊接主要是建立電流通路和散熱通路，對(duì)空洞率要求最高；二次焊接主要是針對(duì)DBC底板，這部分焊接主要起散熱的作用，IGBT模塊組裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊接IGBT模塊主要采用錫膏和預(yù)制成型錫片兩種形態(tài)焊料，焊接要求如下：工業(yè)級(jí)模塊，單個(gè)空洞率＜1%，整體空洞率＜3%；新能源領(lǐng)域，單個(gè)空洞率＜1%，整體空洞率＜1.5%。對(duì)于新能源汽車而言，錫膏很難滿足這樣嚴(yán)苛的空洞要求，只有部分工業(yè)化模塊才會(huì)使用錫膏。由此可見(jiàn)，為更好的降低空洞，保證穩(wěn)定的低空洞是IGBT模塊封裝的迫切訴求。IGBT的焊接工藝區(qū)別于傳統(tǒng)的回流焊，它采用真空共晶爐+氮?dú)?氫氣（還原），也有采用真空回流爐+氮?dú)?甲酸（還原）。一般情況，高潔凈焊片可滿足較高空洞要求，但采用錫膏焊接新能源領(lǐng)域的模塊時(shí)，空洞率很難穩(wěn)定在1.5%以下，另外，用戶端經(jīng)常遇到的問(wèn)題之一，即焊層厚度不均勻，這可能的原因是焊料熔化時(shí)潤(rùn)濕鋪展的先后時(shí)間導(dǎo)致。

汽車電子應(yīng)用的功率器件MOS，其底部有個(gè)散熱焊盤，焊接空洞的大小直接影響其散熱，直接導(dǎo)致發(fā)熱以及應(yīng)力的產(chǎn)生；對(duì)于大功率LED，如果不能保證其良好的散熱通道，直接導(dǎo)致LED燈珠的死燈，光衰等問(wèn)題。所以，所謂的解決散熱，最核心的就是極大可能地降低焊接空洞。

2 錫膏的焊接機(jī)理

錫膏主要組成部分主要有觸變劑、松香或者合成樹(shù)脂、活化劑和溶劑。松香的作用：固態(tài)時(shí)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；液態(tài)時(shí)，可潤(rùn)濕銹蝕的金屬表面，有足夠低的粘度，便于去除生成物；焊接后，可形成穩(wěn)定的絕緣層。活性劑主要指有機(jī)酸，形成焊點(diǎn)前不分解，否則就不能去除氧化物，焊接時(shí)，與被焊金屬表面的氧化物反應(yīng)生成有機(jī)酸鹽和水。觸變劑和溶劑決定了錫膏的塌落性與黏性。很多有機(jī)酸不溶于松香，采用溶劑，使有機(jī)酸與松香混合，均勻地鋪展在焊點(diǎn)表面，發(fā)揮去除氧化物的功能。在實(shí)際焊接時(shí)，130℃以下約有10%的溶劑揮發(fā)，130-190℃再有約50%的溶劑揮發(fā)掉，當(dāng)溫度達(dá)到焊料熔點(diǎn)時(shí)，焊球熔化，活化劑分解，隨后冷卻，焊劑成膜，固住殘留物。

3 空洞產(chǎn)生原因

活化劑與被焊金屬表面氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要有如下兩類反應(yīng)：

反應(yīng)其一，生成可溶性鹽類，如式（1）～（2）。

其二是氧化還原反應(yīng)：

這兩類化學(xué)反應(yīng)均生成水分，另外焊膏使用過(guò)程中可能會(huì)吸收部分水分，助焊膏溶劑的揮發(fā)等，這些水氣如不能順利排出，直接以空洞的形勢(shì)保留下來(lái)；其次在基板方面，PCB板吸潮，焊盤導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)不當(dāng)，焊盤表面化學(xué)處理方式不同等，一般的，空洞率大小依次為，OSP＞ENIG＞Ag＞Sn=HASL。

另外，環(huán)境大氣壓的劇變對(duì)空洞的影響不容忽視。先假定大氣環(huán)境的氣壓為P0，回流爐膛的氣壓為P1，當(dāng)爐膛內(nèi)氣壓呈負(fù)壓時(shí)，有利于聚集在爐膛內(nèi)的揮發(fā)性氣體排出，否則，爐膛內(nèi)揮發(fā)性氣體排放不暢甚至堵塞而滯留在焊料球內(nèi)形成空洞。焊接工藝溫度曲線的影響也不容忽視，如恒溫時(shí)間增加，則空洞減少，這是因?yàn)楹銣貢r(shí)間的延長(zhǎng)，有利于溶劑，水分等氣體的向外排出。另外，峰值溫度越高，空洞增大，這是由于過(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致氣體的過(guò)分膨脹，焊料的飛濺，以及PCB板內(nèi)氣體的溢出等。

4 空洞解決方案

針對(duì)上述空洞產(chǎn)生的原因，可從三個(gè)方面解決：（1）合金改進(jìn)，在合金中加入增強(qiáng)焊料潤(rùn)濕鋪展的微量元素；（2）改進(jìn)助焊膏，其核心是加入了空洞抑制劑；（3）焊接工藝的持續(xù)改進(jìn)。

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)鉛合金改進(jìn)，通過(guò)添加微量元素Mn、Ni等，制備新型焊料合金，主要改善焊料的合金性能（能用），改善焊料的工藝性能（好用），改善焊料的可靠性能（穩(wěn)定可靠）。增加合金微量的目的有：（1）提高潤(rùn)濕性、流動(dòng)性，減少錫橋等焊接不良與抑制裂紋產(chǎn)生；（2）界面穩(wěn)定化元素抑制銅蝕和界面IMC層增厚；（3）細(xì)化組織元素的添加，促進(jìn)非均質(zhì)形核、使焊點(diǎn)表面光亮；（4）保留了傳統(tǒng)無(wú)鉛合金的良好延展性，緩和元件與PCB基板的膨脹率差異引起的伸縮效應(yīng)；（5）抗氧化的添加使減少錫渣、提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和焊點(diǎn)/鍍層耐久性。

另外，合金改進(jìn)的其他方案建議如下：（1）合金體系中添加一定量的In、Ga、P、Ni、Sb等微量元素，增加合金的流動(dòng)性和抗氧化性；（2）合金粉的氧含量控制；（3）盡可能避免采用細(xì)粉；（4）采用預(yù)制成型焊片工藝。

實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)對(duì)助焊膏成分進(jìn)行了優(yōu)化，針對(duì)空洞改善，研究人員提出了添加一種空洞調(diào)節(jié)劑的方式。即添加一種酸酐類物質(zhì)，其反應(yīng)機(jī)理：與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多元有機(jī)酸，生成的多元有機(jī)酸繼續(xù)參與反應(yīng)，去除焊料與被焊金屬表面的氧化物，從而減少了水分對(duì)空洞的影響，焊接效果見(jiàn)圖3（添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接IGBT的X-RAY圖片），圖2為圖3的對(duì)比圖片（傳統(tǒng)無(wú)鉛錫膏焊接IGBT的X-RAY圖片），圖4為高潔凈焊片真空焊接工藝下IGBT的X-RAY圖片；圖6為同時(shí)添加空洞調(diào)節(jié)劑和微量合金元素后的IGBT的焊接X(jué)-RAY圖像，圖5是圖6的對(duì)比圖片；圖8為錫膏中添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接MOS的X-RAY圖像，圖7為圖8的對(duì)比圖片。

其次，有機(jī)溶劑盡可能選擇高沸點(diǎn)溶劑，防止在焊接過(guò)程中形成飛濺等現(xiàn)象。

圖2 傳統(tǒng)無(wú)鉛錫膏焊接IGBT的X-RAY圖片

圖3 傳統(tǒng)錫膏添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接IGBT的X-RAY圖片

圖4 高潔凈焊片真空焊接工藝下IGBT的X-RAY圖片

圖5 傳統(tǒng)無(wú)鉛焊料IGBT的焊接X(jué)-RAY圖像

圖6 添加空洞調(diào)節(jié)劑和微量合金元素后的IGBT的焊接X(jué)-RAY圖像

圖7 傳統(tǒng)錫膏焊接MOS的X-RAY圖像

圖8 錫膏中添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接MOS的X-RAY圖像

最后，焊接工藝應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化，具體如下：（1）PCB板防潮處理；（2）錫膏使用時(shí)的管控，建議常溫下使用時(shí)間不超過(guò)6 h，防止錫膏受潮；（3）回流曲線的合理設(shè)置，尤其是恒溫時(shí)間和峰值溫度的設(shè)置；（4）環(huán)境溫濕度的管控；（5）鋼網(wǎng)開(kāi)孔方式，如田字、井字、斜型等或者幾種開(kāi)孔方式相結(jié)合。

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)合金化元素的添加，增加合金的流動(dòng)性及抗氧化性；添加空洞調(diào)節(jié)劑-酸酐類物質(zhì)與焊接過(guò)程中生成的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可有效降低因水汽造成的焊接空洞；通過(guò)焊接工藝的持續(xù)改進(jìn)，有效降低焊接空洞。