新型功率器件焊接空洞的探析及解決方案

轉自：半導體封裝工程師之家，來源：海綿寶寶的耳朵，作者：李維俊 段佐芳 林 峰 趙 寧 劉樂華 張培新 王艷宜

微電子焊料是電子產(chǎn)品組裝過程中不可或缺的重要組成部分，它能夠將器件的各部分有效地連接在一起。隨著5G時代的到來，電子技術向著高功率、高密度和集成化的方向發(fā)展，對于大功率器件的封裝如IGBT、MOS、大功率LED等，也相應地對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，一種功率半導體，它是能源轉換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，是電力裝備的CPU。采用IGBT進行功率轉換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點，其應用領域有工業(yè)領域（如變頻器/逆變器），家用電器領域（如變頻空調、洗衣機等），軌道交通領域（如動車、輕軌、地鐵等），新能源領域（如新能源汽車、風力發(fā)電），醫(yī)學領域（如醫(yī)療穩(wěn)壓電源），軍工航天領域（如飛機、艦艇），可以說，當代社會IGBT無處不在。

整個IGBT模塊中，最重要問題之一就是散熱，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發(fā)中，這些材料都是為了更好地服務于模塊的熱傳導和電傳導性能，所以焊接材料顯得尤為關鍵。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，對空洞率要求最高；二次焊接主要是針對DBC底板，這部分焊接主要起散熱的作用，IGBT模塊組裝結構如圖1所示。焊接IGBT模塊主要采用錫膏和預制成型錫片兩種形態(tài)焊料，焊接要求如下：工業(yè)級模塊，單個空洞率＜1%，整體空洞率＜3%；新能源領域，單個空洞率＜1%，整體空洞率＜1.5%。對于新能源汽車而言，錫膏很難滿足這樣嚴苛的空洞要求，只有部分工業(yè)化模塊才會使用錫膏。由此可見，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+氮氣+氫氣（還原），也有采用真空回流爐+氮氣+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域的模塊時，空洞率很難穩(wěn)定在1.5%以下，另外，用戶端經(jīng)常遇到的問題之一，即焊層厚度不均勻，這可能的原因是焊料熔化時潤濕鋪展的先后時間導致。

汽車電子應用的功率器件MOS，其底部有個散熱焊盤，焊接空洞的大小直接影響其散熱，直接導致發(fā)熱以及應力的產(chǎn)生；對于大功率LED，如果不能保證其良好的散熱通道，直接導致LED燈珠的死燈，光衰等問題。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 錫膏的焊接機理

錫膏主要組成部分主要有觸變劑、松香或者合成樹脂、活化劑和溶劑。松香的作用：固態(tài)時，化學性質穩(wěn)定；液態(tài)時，可潤濕銹蝕的金屬表面，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。活性劑主要指有機酸，形成焊點前不分解，否則就不能去除氧化物，焊接時，與被焊金屬表面的氧化物反應生成有機酸鹽和水。觸變劑和溶劑決定了錫膏的塌落性與黏性。很多有機酸不溶于松香，采用溶劑，使有機酸與松香混合，均勻地鋪展在焊點表面，發(fā)揮去除氧化物的功能。在實際焊接時，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，當溫度達到焊料熔點時，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)生化學反應，主要有如下兩類反應：

反應其一，生成可溶性鹽類，如式（1）～（2）。

其二是氧化還原反應：

這兩類化學反應均生成水分，另外焊膏使用過程中可能會吸收部分水分，助焊膏溶劑的揮發(fā)等，這些水氣如不能順利排出，直接以空洞的形勢保留下來；其次在基板方面，PCB板吸潮，焊盤導通孔設計不當，焊盤表面化學處理方式不同等，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，當爐膛內(nèi)氣壓呈負壓時，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，如恒溫時間增加，則空洞減少，這是因為恒溫時間的延長，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，這是由于過高的溫度可能會導致氣體的過分膨脹，焊料的飛濺，以及PCB板內(nèi)氣體的溢出等。

4 空洞解決方案

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

針對傳統(tǒng)無鉛合金改進，通過添加微量元素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）提高潤濕性、流動性，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）細化組織元素的添加，促進非均質形核、使焊點表面光亮；（4）保留了傳統(tǒng)無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；（5）抗氧化的添加使減少錫渣、提高產(chǎn)

品穩(wěn)定性和焊點/鍍層耐久性。

另外，合金改進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）盡可能避免采用細粉；（4）采用預制成型焊片工藝。

實驗中，重點對助焊膏成分進行了優(yōu)化，針對空洞改善，研究人員提出了添加一種空洞調節(jié)劑的方式。即添加一種酸酐類物質，其反應機理：與水發(fā)生化學反應，生成多元有機酸，生成的多元有機酸繼續(xù)參與反應，去除焊料與被焊金屬表面的氧化物，從而減少了水分對空洞的影響，焊接效果見圖3（添加空洞調節(jié)劑后焊接IGBT的X-RAY圖片），圖2為圖3的對比圖片（傳統(tǒng)無鉛錫膏焊接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為同時添加空洞調節(jié)劑和微量合金元素后的IGBT的焊接X-RAY圖像，圖5是圖6的對比圖片；圖8為錫膏中添加空洞調節(jié)劑后焊接MOS的X-RAY圖像，圖7為圖8的對比圖片。

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

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

結語：

 通過合金化元素的添加，增加合金的流動性及抗氧化性；添加空洞調節(jié)劑-酸酐類物質與焊接過程中生成的水分發(fā)生化學反應，可有效降低因水汽造成的焊接空洞；通過焊接工藝的持續(xù)改進，有效降低焊接空洞。

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