新結(jié)構(gòu)高可靠性大功率整流器的設(shè)計(jì)

海灣電子（山東）有限公司 董志強(qiáng) 岳躍忠 范永勝 侯志剛

1.引言

近幾年來，隨著科技技術(shù)的進(jìn)步及各種電器&設(shè)備功能的提升，大功率的整流器使用越來越廣泛，同時(shí)，對(duì)大功率整流器功能的要求也越來越高，不僅需要大功率整流器能夠在不同環(huán)境溫度下的正常工作，而且要求大功率整流器在溫度有突變時(shí)，仍然可以正常工作，大功率的整流器向高可靠性、穩(wěn)定性強(qiáng)等方向發(fā)展，大功率整流器的制造技術(shù)即成為了制約其發(fā)展的瓶頸。如何能夠增強(qiáng)整流器抗溫度突變的能力、抗高溫的能力，成為目前整流器的研究發(fā)展方向。

2.抗溫度突變的高可靠性大功率整流器的設(shè)計(jì)

2.1 高可靠性的設(shè)計(jì)

2.1.1 芯片在產(chǎn)品本體內(nèi)的分布設(shè)計(jì)

由于整流器由四顆芯片封裝而成，出于散熱等各方面的考慮，四顆芯片在產(chǎn)品本體內(nèi)的分布要均勻，且排列方向一致，這樣會(huì)有利于散熱及產(chǎn)品熱量的平均分布。如果分布不均勻，那么整流器的發(fā)熱就會(huì)集中，在集中點(diǎn)就容易出現(xiàn)高溫失效。目前市場(chǎng)上常見的整流器，芯片分布大多不均勻，有的即使分布均勻，但是排列方向不一致，導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性大打折扣。

根據(jù)我們長(zhǎng)期生產(chǎn)整流器總結(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，芯片分布不均勻的整流器，其在客戶端失效的幾率比芯片分布均勻的整流器平均要大5%。而在芯片排列方向不一致的整流器，失效的產(chǎn)品中，芯片P面朝向產(chǎn)品焊接框架的腳位失效比例（該腳位失效數(shù)量占總失效數(shù)量的比例）高達(dá)75%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)過程中良率低的批次，在客戶端失效的概率就高，所以芯片P面朝向產(chǎn)品焊接框架的腳位，在客戶端失效的概率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于芯片P面背向產(chǎn)品焊為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種芯片排列對(duì)稱，且芯片排列方向一致的大功率整流器，結(jié)構(gòu)如右圖1所示，四顆方形芯片于產(chǎn)品中對(duì)稱排列，且上下錯(cuò)開，確保產(chǎn)品發(fā)熱分布均勻，另外四顆芯片全部背向產(chǎn)品焊接框架，使產(chǎn)品生產(chǎn)的失效比例減小，提升產(chǎn)品良率，同時(shí)也能減少在客戶端的失效比例，而客戶端的驗(yàn)證即是對(duì)產(chǎn)品可靠性的驗(yàn)證，以此結(jié)構(gòu)提升產(chǎn)品可靠性。

2.1.2 芯片焊接點(diǎn)的設(shè)計(jì)

如圖1，圖中有四顆芯片分別與框架、跳線焊接。目前大多廠家使用圓形凸點(diǎn)與芯片焊接，且框架上沒有任何設(shè)計(jì)，僅僅是一個(gè)焊接的平面，不僅焊接面積大大縮小，而且芯片在焊接時(shí)，很容易隨著圓形凸點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致芯片的一個(gè)角偏出框架或者跳線的保護(hù)，在后工序中造成失效，而有的則受到大的應(yīng)力，在產(chǎn)品測(cè)試時(shí)無法測(cè)出，導(dǎo)致流到客戶端失效，無法保證產(chǎn)品的高可靠性。

為此，我們進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)。

1）之前的圓形凸點(diǎn)改為方形凸點(diǎn)，與芯片保持相同的形狀，使跳線可以與芯片的焊接面充分接觸焊接，增大焊接面積，減小產(chǎn)品的正向壓降，降低產(chǎn)品在使用中的功耗，同時(shí)由于焊料通過跳線對(duì)芯片的張力作用，使芯片四個(gè)邊與跳線方形凸點(diǎn)的四個(gè)邊平行，減小產(chǎn)品芯片的旋轉(zhuǎn)度。

2）在框架上設(shè)計(jì)與芯片N面相同的導(dǎo)流槽，使焊料在熔融狀態(tài)時(shí)，可以完全存留于芯片下方，確保芯片焊接的可靠度，同時(shí)由于導(dǎo)流槽與芯片大小相同，而且也是方形，同樣可以在焊接過程中對(duì)芯片產(chǎn)生張力，使芯片與導(dǎo)流槽重疊，大幅減小芯片的旋轉(zhuǎn)，確保產(chǎn)品的可靠度。

2.2 抗溫度突變的設(shè)計(jì)

現(xiàn)行的大功率整流器的焊接工藝，多以焊錫膏作為焊料，焊錫膏在高溫熔融后，連接框架、芯片、跳線；當(dāng)產(chǎn)品受到溫度突變的外界環(huán)境沖擊時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部框架、芯片、跳線之間熱脹冷縮，由于銅與硅熱膨脹系數(shù)不同，故框架、芯片、跳線之間會(huì)互相作用，對(duì)較脆弱的芯片形成應(yīng)力破壞；焊錫膏中92.5%的成分為鉛，由于鉛硬度（相對(duì)于硅）較小，當(dāng)上述熱脹冷縮發(fā)生時(shí)，介于框架與芯片之間、芯片與跳線之間的焊錫（主要成分為鉛）起到緩沖作用，通過鉛自身變形，緩解框架或者跳線作用于芯片的應(yīng)力，從而保護(hù)芯片不受損壞。

傳統(tǒng)的焊錫膏成分，在裝填過程中，受到工裝的擠壓，存于框架與芯片之間、芯片與跳線之間的厚度無法保證；在高溫焊接過程中，焊錫膏變?yōu)槿廴诘囊簯B(tài)焊錫，受到芯片及跳線自身重力的擠壓，厚度更是無法保證。

焊錫膏熔融點(diǎn)位283℃，而鋁的熔點(diǎn)為660℃，且鋁的硬度（相對(duì)于硅）也較小，故我們將鋁粉摻入焊錫膏中，那么焊錫熔融后，框架與芯片之間、芯片與跳線之間的焊錫厚度將≥鋁粉的直徑；所以我們要確保焊錫厚度，只要保證鋁粉的直徑即可。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，焊錫厚度至少要0.05mm，才能更好地起到緩沖作用，確保芯片不受損壞，故我們將鋁粉直徑設(shè)計(jì)為0.05～0.06mm；另外為了防止鋁粉過多，鋁粉堆積導(dǎo)致焊錫厚度過大，我們將摻入鋁粉的數(shù)量加以控制，平均保證每個(gè)焊錫點(diǎn)有4～5粒鋁粉以支撐芯片、跳線，其它成分保持原有焊錫膏不變。

3.抗溫度突變的高可靠性大功率整流器的工藝實(shí)現(xiàn)

3.1 抗溫度突變的高可靠性大功率整流器焊接工藝流程

圖2為我們?cè)O(shè)計(jì)的抗溫度突變的高可靠性大功率整流器焊接工藝流程。選用0.6mm的框架厚度，0.3mm的跳線厚度，焊錫膏的成分為鉛：錫：銀=92.5%：5%：2.5%（助焊劑含量15%），鋁粉直徑0.05～0.06mm，鋁粉摻入數(shù)量為1粒/立方毫米。

3.2 不同設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)(如表1所示)

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

圖1 整流器焊接件

圖2 大功率整流器焊接裝填流程

4.結(jié)果與討論

（1）由上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：

1）芯片均勻分布的新框架結(jié)構(gòu)、方形凸點(diǎn)，可以提升產(chǎn)品常溫良率及可靠性。

2）焊錫膏中摻入鋁粉，能夠有效的保證焊錫厚度，確保產(chǎn)品在受到溫度突變或者惡劣環(huán)境時(shí)正常工作。

（2）于是，我們得出一種大功率整流器的較優(yōu)設(shè)計(jì)為：

1）芯片均勻分布的框架結(jié)構(gòu)（芯片排列方向一致），框架上設(shè)計(jì)與芯片大小一致的導(dǎo)流槽。

2）跳線“縮脖”設(shè)計(jì)。

3）跳線凸點(diǎn)設(shè)計(jì)為方形。

4）焊錫膏中摻入0.05～0.06mm直徑的鋁粉，鋁粉摻入數(shù)量為1粒/立方毫米。

5.結(jié)束語

隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)于電子器件的可靠性要求會(huì)越來越高，但為了降低成本，電子產(chǎn)品中的保護(hù)線路又被簡(jiǎn)化甚至去掉，這樣對(duì)器件的抗沖擊能力又有更高的要求，更加要求器件能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。所以，將來對(duì)于這種高性能的電子器件的研究會(huì)越來越多，而所要求的性能也會(huì)越來越高。

[1]Michael Quirk.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2009:23-24.

[2]田民波.電子封裝工程[M].清華大學(xué)出版社,2003,9:51-53.

[3]中國電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì)叢書編委會(huì).微電子封裝技術(shù)[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2003,4:46-49.