半導體功率模塊芯片低空洞焊接研究

項羅毅，邵凌翔，顏廷剛

制造工藝

半導體功率模塊芯片低空洞焊接研究

項羅毅，邵凌翔，顏廷剛

（常州瑞華電力電子器件有限公司，江蘇常州213200）

芯片的焊接技術是功率模塊制造最為重要的一環，芯片低空洞率焊接對功率模塊的參數性能至關重要。主要通過不同的工裝夾具和焊接方法比較了兩種不同焊接方案，在此基礎上選用Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Sb三種不同焊片進行真空焊接，利用X-Ray衍射儀、光學顯微鏡等測試手段，對微觀組織進行了分析，發現Ag元素對合金組織有很好的潤濕性，對減少焊接層空洞有利。

芯片；低空洞；真空焊接

功率模塊芯片的焊接質量與模塊的參數性能指標息息相關，特別是焊接層的質量[1]。焊接層不但為芯片與基片之間提供機械連接，還是芯片的導熱通道，同時還將承擔導電功能。通常在焊接過程中，焊接空洞是芯片焊接面臨的主要問題[2]。因此，芯片低空洞焊接的研究對提高功率模塊使用壽命至關重要。本文通過不同的焊接方法，在此基礎上選用Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Sb三種不同焊料，優選芯片低空洞焊接工藝。

1 實驗材料的選擇及制備

（1）基片材料的選擇。焊接時基片的可焊性對焊接質量有很大的影響，其作用是有效、可靠地粘合芯片表面。因此基片的選擇就非常重要。本實驗所選用的是表面鍍鎳的鉬片。

（2）焊片材料的選擇。本實驗先選用的是三種低溫錫合金SnCu0.7、SnSb5、SnAg3.5焊片，其厚度的規格為0.14 mm，作為焊接層釬料。上述錫合金焊片主要性能見表1.

表1 錫合金焊片的物理性能

（3）助焊劑的選擇。本實驗所選用的是RETA-02低松香型助焊劑，其活性成份在230～290℃全部揮發完畢。與傳統的松香、無機酸型助焊劑相比，該低松香型助焊劑可以免清洗，污染較少。

（4）夾具的選擇。本實驗所選用的是石墨夾具。石墨具有優良的耐高溫性、化學穩定性和導熱性。石墨的熔點非常高，其強度與溫度成正比關系，且熱膨脹系數很小，特別是在2 000℃條件下，石墨強度提高了近一倍，其導熱性遠高于鉛、鋼、鐵等金屬材料。

2 芯片真空焊接

真空焊接設備根據用戶焊接工藝要求，按程序自動或手動完成工藝焊接，最后對加熱室充氮氣，起到快速冷卻的作用[3]。

2.1 真空焊接的工藝過程和工藝參數選擇

真空焊接過程分預熱區、保溫區、焊接區及冷卻區四個階段，每個階段的溫度和時間參照樣品焊片理論溫度曲線設定。

（1）預熱區：預熱區的目的是在焊接前通過對被焊的鉬片和芯片裸片進行預加熱，使其溫度達到一致。這個過程中去除爐腔內的氧氣和水分，通過反復沖放氮、氫混合氣體，起到純化爐腔內氣氛的目的。

（2）保溫區：保溫區的目的是使被焊件各處的溫度保持均一，避免溫差，同時確保焊料完全去除水分，保證助焊劑處于活性溫度的范圍。到保溫區結束時，基片和芯片表面上的氧化物基本去除。

（3）焊接區：在這一階段加熱溫度達到峰值溫度，其設定取決于不同焊料的熔點，通常為高于焊料的熔點溫度的30～50℃之間。理想的溫度曲線是超過焊錫熔點的峰值區域面積最小且左右對稱。通常以1.5℃/s的加熱速率升至峰值溫度，時間為30～80 s.

（4）冷卻區：冷卻速度盡可能快些，可以得到飽滿、明亮的焊點。降溫速率一般為3℃/s以內，冷卻至150℃即可。

選擇一條典型的焊接溫度曲線，如圖1所示。該曲線是普遍采用的有預熱段的焊接曲線，升溫過程較長。該曲線的特點是預加熱6 min，峰值溫度340℃，焊接周期25 m 30 s，具體工藝參數如圖2.2.2芯片真空焊接的不同工藝方案

圖1 焊接溫度曲線

圖2 焊接工藝參數

試驗樣品截面的示意圖如圖3所示。芯片真空焊接采用正裝和倒裝兩種焊接方案，同時對比傳統手工錫鍋焊接方案。焊接所用焊料為SnAg3.5.

圖3 試驗樣品截面的示意圖

（1）真空焊接方案：通過石墨夾具將表面鍍鎳的鉬片在器件芯片裸片上裝配成圖4所示，放入真空爐中。方案一，芯片真空正裝焊接。芯片真空正裝焊接采用正裝石墨夾具如圖5所示。方案二芯片真空倒裝焊接。芯片真空倒裝焊接采用倒裝石墨夾具如圖6所示。

圖4 手工錫鍋焊的裝配圖

圖5 正裝石墨夾具

圖6 倒裝石墨夾具

（2）手工錫鍋焊接方案：將預上好錫的鉬片在器件芯片裸片上裝配成圖4所示，放入錫鍋，具體操作如下步驟：鉬片預上錫，用熱水超聲清洗已預上錫鉬片，用鑷子裝配器件芯片裸片放入錫鍋（2～3 s后取出），清洗烘干搪完錫的芯片。

芯片真空焊接采用正裝焊接工藝，然后選用三種不同錫合金焊料SnCu0.7、SnSb5、SnAg3.5焊片進行焊接實驗。為計算空洞率的方便，每組實驗時都焊接進行1組單面焊芯片。

3 試驗結果，數據處理及討論

3.1 不同工藝方案對芯片焊接的影響

將錫鍋爐焊接后的芯片經過清洗處理，而真空焊后的芯片無須處理，并且在X-Ray顯微透射觀察焊接層組織，進行對比。從圖7中可以看出芯片錫鍋焊時產生的氣泡數分布有一定的明顯規律。在錫鍋焊接中芯片中的空洞率極高，約為15%～40%.主要原因是在焊接過程中，助焊劑融化同時溶劑蒸發，揮發氣體被液態助焊劑包裹形成氣泡。

圖7 錫鍋焊的X-Ray顯微照片

（1）對比手工錫鍋焊的優勢

圖8是真空焊的X-Ray顯微照片，從圖中可以看出芯片真空焊時產生的氣泡數分布有一定的明顯規律。與錫鍋焊接的芯片相比，真空焊接的芯片空洞率低得多，約為3%～5%，焊接質量很好。因此，真空焊接芯片具有明顯的優勢。

圖8 真空焊的X-Ray顯微照片

（2）真空正裝焊接的優勢

芯片真空焊接采用兩種不同工藝方案進行試驗，比較兩種工藝方案的優劣。

1）裝配方面。芯片采用倒裝結構石墨夾具，裝配時上基片定位準確，但下基片定位困難。而采用正裝結構石墨夾具，裝配時很好地解決了這一定位問題。

2）焊接效果。倒裝焊下基片容易出現移位現象，下基片與芯片邊緣距離太近容易造成打火現象。而采用正裝焊，上、下基片定位較為準確，芯片不易出現打火現象。

3）靈活性。實際生產中往往需要根據生產狀況，生產單面焊或雙面焊芯片。單面焊只需要焊接下基片，此時倒裝夾具就顯得并不靈活，而正裝夾具裝配較為便捷。

3.2 不同錫合金焊料對芯片焊接的影響

為了X-ray掃描后計算方便，分別使用這三種錫合金焊料進行單面焊接，分別檢測其空洞率。#a、#b、#c單面焊樣品測試的典型空洞圖片如圖9所示，試驗數據如表2所示。

圖9 各組X-ray測試的典型空洞圖片

表2 不同錫合金焊料試驗X-ray測試結果

從圖#a中可以看出：（1）白色塊狀區域均為氣泡，氣泡多為不規則條形，無明顯大尺寸氣泡。（2）芯片整個面均有氣泡，且芯片中心區域氣泡個數較少，而芯片周邊區域氣泡個數較多，無明顯規律。從圖#b中可以看出：（1）白色塊狀區域均為氣泡，氣泡大小不一致，個別氣泡尺寸很大達到了1.985%.（2）芯片整個面氣泡較為零散，氣泡較少，分布不均。從圖#c中可以看出：（1）白色塊狀區域均為氣泡，氣泡大小不一致，氣泡整體尺寸很小，除個別稍大。（2）芯片整個面均有氣泡，分布較為均勻。

結果表明，使用SnSb5焊料時，空洞率都明顯高于SnCu0.7焊料和SnAg3.5焊料，且個別氣泡尺寸很大，幾乎占到整個芯片空洞比。但使用SnAg3.5焊料的芯片空洞分布較為均勻。SnCu0.7焊料和SnAg3.5焊料空洞率低的一個重要原因是其可焊性要好于SnSb5焊料。與SnSb5焊料焊接的芯片相比，SnAg3.5焊料焊接的芯片空洞率低得多，焊接質量較好。因此，選擇SnAg3.5焊料較為合理。

4 結語

本文通過功率模塊芯片在真空焊接下采用不同的焊接工藝方案和不同的錫合金焊料，焊接層中低空洞的研究可以得出如下的結論：（1）與傳統焊接的芯片相比，真空焊接的芯片空洞率低得多，約為3%～5%，真空焊接具有明顯的優勢。（2）與倒裝石墨夾具相比，正裝夾具更利用裝配，且操作靈活，很好解決了基片定位難的問題。因此，正裝石墨夾具有利于減少芯片因裝配不良產生的焊接空洞。（3）SnCu0.7焊料和SnAg3.5焊料可焊性較好，其空洞率明顯低于SnSb5焊料。

[1]李建軍，許振富，劉鳳莉.提高晶閘管模塊焊接層質量的實驗研究[J].齊齊哈爾大學學報，2011，17（2）：79-82.

[2]賈耀平.功率芯片低空洞率真空共晶焊接工藝研究[J].中國科技信息，2013，469（8）：125-126.

[3]任耀文.真空釬焊工藝[M].北京：機械工業出版社，1993：89-96.

The Research of Semiconductor Chips’Low Hole Welding

XIANG Luo-yi，SHAO Ling-xiang，YAN Ting-gang
（Changzhou Ruihua Power Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213200，China）

Chips’welding technology is the most important part of power electronics device manufacturing.The rate of chips’low hole welding is very important to the parameters of the power module performance.This paper contrasts two different welding plans by different fixtures and welding methods，selects the three different welding pieces（Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Sb）for vacuum welding on this basis，analyzes the microstructure by using X-Ray diffraction，optical microscope and other test means，and discoves that Ag in the alloy has good wettability to reduce welding layer hole.

chip；low hole；vacuum welding

TG44

A

1672-545X（2017）02-0082-04

2016-11-23

項羅毅（1986-），男，江蘇常州人，碩士，研究方向：材料加工。