IGBT模塊封裝底板的氧化程度對焊接空洞率的影響分析

黃小娟，王豹子，葉娜，謝龍飛，高凡，劉超

（中國中車永濟新時速電機電器有限責任公司——半導體分公司，陜西，西安,郵編：710000）

摘要：本文簡介了IGBT模塊的主要封裝工藝流程，并在相同的實驗條件下，對兩組不同氧化程度的模塊分別進行超聲波無損檢測掃描，將掃描圖像載入空洞統計分析軟件，通過對比兩組空洞率數據發現：非氧化底板焊接空洞率較低，氧化底板的焊接空洞率普遍偏大。基于本實驗的結果，本文建議IGBT模塊在封裝之前，應對散熱底板做好防腐處理，以確保底板不被氧化。

關鍵詞：IGBT；底板；氧化；空洞率；超聲波檢測

中圖分類號：TN305.94                                            文獻標識碼：T

Analysis of solder void ratio affected by oxidation degree of the IGBT module packaging base plate

HUANG Xiao-juan, WANG Bao-zi, YE Na, XIE Long-fei，GAO Fan, LIU Chao

(YONGJI XINSHISU ELECTRIC EOUIPMENT CO, LTD. Xian, Shannxi 710000，China)

Abstract：This paper introduces the main packaging process of IGBT module, and in the same experimental conditions, the two groups of modules of different oxidation degree of base plate be tested by SONOSCAN respectively, and then, we need to Load this scanning images into the void statistical analysis software. By comparing this void percentage dates: the rate of the non oxide plate is lower, and the rate of the oxidation of the base plate is large. Based on the result of this experiment, this paper suggests that the base plate should be treated with oxidation to ensure the base plate doesn’t oxidized before packing.

Keywords：IGBT; base plate; Oxidation; void percentage; SONOSCAN

 

 

 

 

 

1 引言

近年來，絕緣柵雙極晶體管（IGBT，insulated gate bipolar transistor）以其輸入阻抗高、開關速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大、熱穩定性好等特點，成為當今功率半導體器件發展的主流。其應用領域廣闊，現已廣泛應用于高鐵及軌道交通、汽車電子、風電、太陽能、家電節能、UPS、數控機床、焊機、電力傳輸等領域。

IGBT模塊封裝工藝中涉及的環節頗多，對高壓大功率IGBT器件的封裝而言，焊接技術對IGBT模塊的壽命和可靠性起著至關重要的作用，也是封裝過程的核心技術。檢驗焊接質量的標準之一就是焊接的空洞率，當“空洞”尺寸較大或者其局部密度過大時，則會影響焊接層的機械性能，降低連接強度；同時也會降低焊接層的熱導，導致器件局部過熱，引起失效。因此，焊接空洞率的高低對高壓IGBT模塊的性能和長期可靠性有著較大的影響。

2 IGBT模塊封裝結構

   IGBT模塊一般由IGBT芯片、二極管芯片、焊料、DBC基板、鍵合引線、散熱底板、外殼等按照工藝文件封裝而成。在IGBT模塊進行外殼封裝之前，先將IGBT芯片和二極管芯片通過焊片將其焊接在DBC基板上，其次，將焊好芯片的DBC進行芯片鍵合，然后再進行二次焊接和超聲波檢測。

本文所討論的封裝工藝過程就是二次焊接和超聲波檢測。該封裝工藝過程中，先將焊接好的子單元進行清洗，防止子單元被氧化，再將子單元、電極、焊片、焊環通過真空回流焊接爐將其焊接在鋁碳化硅的散熱底板上，然后進行超聲波檢測 ^[3]。其封裝結構如圖1所示：

SHAPE \* MERGEFORMAT

芯片

IGBT 芯片

焊料層

上銅層

圖1 IGBT模塊的封裝結構

目前，國內外大量研究發現，影響IGBT模塊焊接空洞率的因素有^[1]：焊接溫度、焊接條件、焊料材質、焊料氧化等。本文通過實驗發現，底板氧化程度不同對焊接空洞率有較大影響。因此，本文從散熱底板氧化的角度來分析其對焊接空洞率的影響，并初步分析了不同氧化程度散熱底板與焊接空洞率的關系；此外，本文對改進、優化焊接工藝，提高IGBT模塊封裝工藝可靠性有重要的實踐指導意義。

3二次焊接工藝對IGBT空洞率的影響因素分析

    為了分析對比底板氧化程度對焊接空洞率的影響，本實驗過程中需要排除二次焊接工藝中其他因素對空洞率所造成的影響。

1、焊料

       目前，我們所采用的焊片、焊環材質含有Sn、Pb、Ag，不存在助焊劑，且在焊接之前確保焊料不被氧化。

2、焊接溫度

在真空回流焊接過程中，將被焊接的IGBT裝載在一個托盤中，并通過電機拖動系統使其依次在加熱區、冷卻區、真空保壓等之間運轉。焊接過程中，可根據焊料的熔點溫度來選取合適的焊接溫度即可，焊接溫度完全按照標準的工藝文件設置。

3、還原劑清洗環境

       在氮氣的保護下進行焊接已經成為IGBT焊接的主流技術，與甲酸技術相結合就能更好的去除清洗工藝。通常，人們使用助焊劑來去除氧化物，可以有效的防止再氧化，但是，助焊劑卻會在焊接之后留下殘留物，對焊接質量造成不良的影響。因此，我們采用的是在氮氣中加入少量且定量的甲酸，即免清洗技術。焊接后不用任何的清洗，且無殘留物。

       焊接過程中，甲酸的含量在充足與不充足的情況下，對空洞率也是有一定的影響。在操作時，嚴格按照標準的工藝文件要求，確保好甲酸的含量，以防甲酸對空洞率造成一定的影響。

4、降溫速率

       在冷卻過程中，也需要特別注意降溫的速率快慢，特別是在焊料結晶點附近降溫速率，降溫過快時，便會導致焊料成型的不均勻，當降溫速率過慢時，卻會導致空洞率的增加，從而影響焊接質量。因此，在實驗時，必須按照標準的工藝文件要求來設定速率，以防影響焊接的空洞率。

4 實驗過程

為了研究底板氧化程度對焊接空洞率的影響，本文的主要實驗過程如圖2所示。

   SHAPE \* MERGEFORMAT

、

一組非氧化底板

真空焊接爐焊接

真空焊接爐焊接

空洞率檢測

空洞率檢測

結果分析

                          

圖2 實驗流程

4.1 樣品制備

選擇同一批次的子單元、氧化底板、焊料，將一部分氧化底板進行處理變為非氧化底板。對這兩種底板分別進行封裝，封裝技術按照標準的生產線工藝流程執行，并在同一真空焊接爐里對其進行焊接，確保這兩組的焊接條件一致。將這兩部分焊接后的模塊進行分組，一組是氧化后的底板，一組是非氧化底板。最后，分別選取了4塊，在相同實驗條件下，對這8塊分別進行超聲波檢測。

4.2 實驗條件

       空洞的無損檢測通常采用超聲波檢查設備SONOSCAN來檢測，通過超聲波穿透IGBT模塊，其中有缺陷處的空氣層可以阻斷超聲波的傳輸，即可以分層反應出空洞的尺寸和位置。

對這兩組不同的模塊進行超聲波檢查掃描圖像，將掃描圖載入空洞統計分析軟件，計算出每個DBC板焊接區域的焊接空洞占整個焊接表面的百分比率（Window area data）及每個子單元焊接面積的最大空洞面積占該子單元焊接總面積的百分比率（Largest void data）。需要在相同的實驗條件下進行多次試驗進行對比分析。

4.3 空洞率檢測

       對選取的4塊氧化底板的模塊和4塊非氧化底板的模塊進行相同的實驗分析，并計算出各自的焊接空洞率（其中白色亮點即為空洞）。

（1）以一個編號為6430的氧化底板的模塊為例，如下圖3所示，即超聲波檢測的掃描圖像和空洞所占的面積圖：

 

圖3 編號為6430的氧化底板模塊空洞率檢測圖

（2）以一個編號為6613的非氧化底板的模塊為例，如下圖4所示，即超聲波檢測的掃描圖像和空洞所占的面積圖：

圖4 編號為6613的非氧化底板模塊空洞率檢測圖

（3）對兩組模塊分別進行超聲波檢測，以每個模塊的六個子單元為例，觀察空洞率的變化，如下表1所示：

表1 兩組模塊的空洞率統計表

	氧化底板的模塊				非氧化底板的模塊
模塊編號	6430	6435	6436	6438	6613	6628	6638	6642
Window area data      (％)	5.46	3.42	4.35	6.64	1.57	1.18	1.47	0.74
	2.14	5.78	2.73	3.12	0.83	0.46	1.12	0.37
	2.20	3.99	6.49	3.56	1.11	0.97	1.05	0.32
	2.21	2.93	3.64	2.57	1.40	0.38	1.49	0.30
	0.78	1.41	3.10	0.64	0.52	0.58	0.31	0.24
	2.14	2.28	4.39	1.29	0.44	0.84	0.29	0.35
Largest void data      （％）	0.48	0.45	0.35	0.37	0.33	0.20	0.16	0.12
	0.17	0.64	0.23	0.28	0.13	0.08	0.09	0.09
	0.23	0.23	1.91	0.20	0.25	0.11	0.14	0.11
	0.17	0.40	0.32	0.28	0.08	0.14	0.11	0.08
	0.11	0.10	0.28	0.04	0.10	0.16	0.07	0.04
	0.37	0.22	0.35	0.13	0.07	0.13	0.05	0.09

5 結果分析及討論

5.1 空洞率檢測試驗結果

通過對這兩組模塊的超聲波檢測，根據檢測的數據結果分析，氧化底板的模塊比非氧化底板的模塊焊接空洞率普遍增大，如下表2所示，該表可以直觀的看出兩組模塊焊接空洞率的變化范圍。

表2 兩組模塊的空洞率檢測結果對比分析表

 

5.2  結論

   通過上述分析，得出以下結論：

1） 散熱底板被氧化對IGBT模塊焊接的空洞率有明顯的影響。如果對氧化后的散熱底板進行封裝，封裝后的IGBT模塊焊接空洞率明顯提高，達不到超聲波檢查的質量要求，同時也降低了IGBT模塊的性能。

2）超聲波檢測出氧化底板模塊的空洞明顯靠近中心位置，相應芯片就越接近高溫，失效的可能性也就越大。

6 工藝改進及優化建議

   在焊接工藝中，由于IGBT模塊封裝的工藝中涉及的環節較多，則影響IGBT模塊的焊接空洞率的因素就較多，即現有的工藝條件無法避免空洞的形成。那么就需要有效的防止一些可控因素對空洞率的影響。

       底板氧化對IGBT模塊空洞率的影響可通過一次真空焊接爐高溫處理，在真空焊接爐運行過程中，需用無塵紙將每個底板隔開進行高溫處理，防止底板的二次污染。經過高溫烘干處理后的底板將極大地降低了空洞的存在，從而提高了模塊的可靠性和使用壽命。

   由于現有的工藝條件有限，應在以后的研究中對防止底板被氧化的工藝進行改進，以期進一步降低空洞率

7 參考文獻

[1] 徐玲，周洋，張澤峰，陳明祥，劉勝. IGBT模塊焊料層空洞對模塊溫度影響的研究．中國電子科學研究院學報[J]，2014（2）：125～129

[2] 張泉.高壓IGBT模塊基板焊接工藝研究.大功率變流技術[J]，2011（3）：5～7

[3] 周洋，徐玲.IGBT模塊回流焊工藝中預翹曲銅基板的研究.中國電子科學研究院學報[J],2013(12):578～582

[4] 唐勇，汪波，陳明，劉賓禮.高溫下的IGBT可靠性與在線評估.電工技術學報[J],2014(6):17～23