新型功率器件焊接空洞的探析及解决筹划

李维俊 段佐芳 林 峰 赵 宁 刘乐华 张培新 王艳宜

微电子焊料是电子产品组装过程中不可或缺的主要组成部分，它能够将器件的各部分有效地连接在一起。

随着5G时期的到来，电子技能向着高功率、高密度和集成化的方向发展，对付大功率器件的封装如IGBT、MOS、大功率LED等，也相应地对焊接材料提出了更高的、更全面的可靠性需求。

1 几类功率器件封装的现状

IGBT，一种功率半导体，它是能源转换与传输的核心器件，是电力装备的CPU。
采取IGBT进行功率转换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，其运用领域有工业领域（如变频器/逆变器），家用电器领域（如变频空调、洗衣机等），轨道交通领域（如动车、轻轨、地铁等），新能源领域（如新能源汽车、风力发电），医学领域（如医疗稳压电源），军工航天领域（如飞机、舰艇），可以说，当代社会IGBT无处不在。

全体IGBT模块中，最主要问题之一便是散热，因此急迫须要良好的热管理方案，比如DBC陶瓷覆铜板，其材料涉及氧化铝、氮化硅等，还有更多的新型材料在开拓中，这些材料都是为了更好地做事于模块的热传导和电传导性能，以是焊接材料显得尤为关键。
IGBT组装分一次焊接和二次焊接，一次焊接紧张是焊接芯片，这部分焊接紧张是建立电流利路和散热通路，对空洞率哀求最高；二次焊接紧张是针对DBC底板，这部分焊接紧张起散热的浸染，IGBT模块组装构造如图1所示。
焊接IGBT模块紧张采取锡膏和预制成型锡片两种形态焊料，焊接哀求如下：工业级模块，单个空洞率＜1%，整体空洞率＜3%；新能源领域，单个空洞率＜1%，整体空洞率＜1.5%。
对付新能源汽车而言，锡膏很难知足这样严苛的空洞哀求，只有部分工业化模块才会利用锡膏。
由此可见，为更好的降落空洞，担保稳定的低空洞是IGBT模块封装的急迫诉求。
IGBT的焊接工艺差异于传统的回流焊，它采取真空共晶炉+氮气+氢气（还原），也有采取真空回流炉+氮气+甲酸（还原）。
一样平常情形，高清洁焊片可知足较高空洞哀求，但采取锡膏焊接新能源领域的模块时，空洞率很难稳定在1.5%以下，其余，用户端常常碰着的问题之一，即焊层厚度不屈均，这可能的缘故原由是焊料熔化时润湿铺展的先后韶光导致。

汽车电子运用的功率器件MOS，其底部有个散热焊盘，焊接空洞的大小直接影响其散热，直接导致发热以及应力的产生；对付大功率LED，如果不能担保其良好的散热通道，直接导致LED灯珠的去世灯，光衰等问题。
以是，所谓的办理散热，最核心的便是极大可能地降落焊接空洞。

2 锡膏的焊接机理

锡膏紧张组成部分紧张有触变剂、松喷鼻香或者合成树脂、活化剂和溶剂。
松喷鼻香的浸染：固态时，化学性子稳定；液态时，可润湿锈蚀的金属表面，有足够低的粘度，便于去除天生物；焊接后，可形成稳定的绝缘层。
活性剂紧张指有机酸，形成焊点前不分解，否则就不能去除氧化物，焊接时，与被焊金属表面的氧化物反应天生有机酸盐和水。
触变剂和溶剂决定了锡膏的塌落性与黏性。
很多有机酸不溶于松喷鼻香，采取溶剂，使有机酸与松喷鼻香稠浊，均匀地铺展在焊点表面，发挥去除氧化物的功能。
在实际焊接时，130℃以下约有10%的溶剂挥发，130-190℃再有约50%的溶剂挥发掉，当温度达到焊料熔点时，焊球熔化，活化剂分解，随后冷却，焊剂成膜，固住残留物。

3 空洞产生缘故原由

活化剂与被焊金属表面氧化物发生化学反应，紧张有如下两类反应：

反应其一，天生可溶性盐类，如式（1）～（2）。

其二是氧化还原反应：

这两类化学反应均天生水分，其余焊膏利用过程中可能会接管部分水分，助焊膏溶剂的挥发等，这些水气如不能顺利排出，直接以空洞的形势保留下来；其次在基板方面，PCB板吸潮，焊盘导通孔设计不当，焊盘表面化学处理办法不同等，一样平常的，空洞率大小依次为，OSP>ENIG>Ag>Sn=HASL。

其余，环境大气压的剧变对空洞的影响不容忽略。
先假定大气环境的气压为P0，回流炉膛的气压为P1，当炉膛内气压呈负压时，有利于聚拢在炉膛内的挥发性气体排出，否则，炉膛内挥发性气体排放不畅乃至堵塞而滞留在焊料球内形成空洞。
焊接工艺温度曲线的影响也不容忽略，如恒温韶光增加，则空洞减少，这是由于恒温韶光的延长，有利于溶剂，水分等气体的向外排出。
其余，峰值温度越高，空洞增大，这是由于过高的温度可能会导致气体的过分膨胀，焊料的飞溅，以及PCB板内气体的溢出等。

4 空洞办理方案

针对上述空洞产生的缘故原由，可从三个方面办理：（1）合金改进，在合金中加入增强焊料润湿铺展的微量元素；（2）改进助焊膏，其核心是加入了空洞抑制剂；（3）焊接工艺的持续改进。

针对传统无铅合金改进，通过添加微量元素Mn、Ni等，制备新型焊料合金，紧张改进焊料的合金性能（能用），改进焊料的工艺性能（好用），改进焊料的可靠性能（稳定可靠）。
增加合金微量的目的有：（1）提高润湿性、流动性，减少锡桥等焊接不良与抑制裂纹产生；（2）界面稳定化元素抑制铜蚀和界面IMC层增厚；（3）细化组织元素的添加，促进非均质形核、使焊点表面光亮；（4）保留了传统无铅合金的良好延展性，缓和元件与PCB基板的膨胀率差异引起的伸缩效应；（5）抗氧化的添加使减少锡渣、提高产

品稳定性和焊点/镀层耐久性。

其余，合金改进的其他方案建议如下：（1）合金体系中添加一定量的In、Ga、P、Ni、Sb等微量元素，增加合金的流动性和抗氧化性；（2）合金粉的氧含量掌握；（3）尽可能避免采取细粉；（4）采取预制成型焊片工艺。

实验中，重点对助焊膏身分进行了优化，针对空洞改进，研究职员提出了添加一种空洞调节剂的办法。
即添加一种酸酐类物质，其反应机理：与水发生化学反应，天生多元有机酸，天生的多元有机酸连续参与反应，去除焊料与被焊金属表面的氧化物，从而减少了水分对空洞的影响，焊接效果见图3（添加空洞调节剂后焊接IGBT的X-RAY图片），图2为图3的比拟图片（传统无铅锡膏焊接IGBT的X-RAY图片），图4为高清洁焊片真空焊接工艺下IGBT的X-RAY图片；图6为同时添加空洞调节剂和微量合金元素后的IGBT的焊接X-RAY图像，图5是图6的比拟图片；图8为锡膏中添加空洞调节剂后焊接MOS的X-RAY图像，图7为图8的比拟图片。

其次，有机溶剂尽可能选择高沸点溶剂，防止在焊接过程中形成飞溅等征象。

末了，焊接工艺应该不断优化，详细如下：（1）PCB板防潮处理；（2）锡膏利用时的管控，建议常温下利用韶光不超过6 h，防止锡膏受潮；（3）回流曲线的合理设置，尤其是恒温韶光和峰值温度的设置；（4）环境温湿度的管控；（5）钢网开孔办法，如田字、井字、斜型等或者几种开孔办法相结合。

结语：

通过合金化元素的添加，增加合金的流动性及抗氧化性；添加空洞调节剂-酸酐类物质与焊接过程中天生的水分发生化学反应，可有效降落因水汽造成的焊接空洞；通过焊接工艺的持续改进，有效降落焊接空洞。