鞍山眾成電子有限公司
聯系人:樊緒成
手機:18604128286
電話:0412-2535848
傳真:0412-8991979
Q Q:2621165963
企業郵箱:aszcdz@163.com
地址:鞍山市千山區達道灣紅旗南街24號
功率半導體模塊焊接及無損檢查工藝的探析
  • 1. 引言

      新型功率半導體器件模塊(以下簡稱功率模塊)產品(如IGBT、MOSFET)是目前國際上發展最迅速、用途最廣泛的功率半導體模塊。作為電力電子節能技術的核心器件,現今已廣泛應用于輸變電(智能電網等)、冶金(高中頻爐等)、馬達驅動(變頻器等)、軌道交通(高鐵、輕軌、地鐵等)、大功率電源(電焊機、開關電源等)、環保節能新能源領域(電動汽車及太陽能、風電等)及節能家電產品(如空調機、電冰箱等)等各個領域,市場前景十分廣闊。

      隨著模塊功率密度加大和集成化程度的不斷提高,對焊接質量的要求也越來越高,對于大功率焊接型模塊來說,高功率、大電流、多芯片焊接技術及其焊接質量無損檢測技術尤其重要,因此功率模塊的焊接已成為功率模塊封裝的核心技術,無損檢測成為關鍵檢測工藝。作者根據多年來對“真空+氣體保護”功率模塊焊接及無損檢測技術的研究,在提高功率模塊焊接質量方面積累了一定的經驗。

      2. 常用焊接工藝簡介

      2.1 熱板焊接工藝

      熱板焊接可分為不帶箱體的平板式熱板焊接工藝和帶恒溫箱體的熱板焊接工藝,其中后者的恒溫效果更好。熱板焊接工藝的優點是設備簡單、成本低,以往常應用在一般硅器件的焊接。由于該工藝焊接質量難以保證,現已被淘汰,僅在少數小工廠中使用。

      2.2 回流焊接工藝

      回流焊接工藝一般指在鏈式爐上實施的焊接工藝,通常是在氮氣或氫氮混合氣體保護下,多采用膏狀焊料,能夠滿足一般硅整流器件或其模塊的焊接質量要求,有效焊接面積達到85%以上。由于其非常適合大規模批量化的生產要求,因而在八十年代和九十年代初被廣泛采用,但由于爐帶輸送的“抖動”易使焊料結晶時產生“位錯”和由于氧化、氣泡造成焊接“空洞”等焊接質量問題,不適用于新型功率半導體器件的焊接!拔诲e”會造成焊接層的電及機械性能下降!翱斩础眲t會降低模塊的電及熱傳導性,使有效導電、散熱面積減少、熱阻增加,導致熱點的產生,降低了模塊的可靠性。

      2.3 真空焊接工藝

      真空技術是幫助液態焊料去除空洞的可靠方法。真空焊接工藝是指在可以抽真空的箱式焊接爐中實施的焊接工藝,通常采用膏狀焊料,有效的避免了鏈式爐運行中爐帶抖動所導致得焊料“位錯”引起的焊接不良問題。通過抽真空排除氣泡,從而減少了焊接“空洞”的產生,提高了焊接質量。對于宜于實施膏狀焊料焊接工藝的可控硅等半控器件來講,有效焊接面積可達95%-99%,是一種較為理想的焊接方法。但由于需要清洗殘留助焊劑,易引起二次沾污和氧化,對于需要二次鍵合工藝的IGBT、MOSFET模塊,則效果不太理想。

      2.4 “真空+氣體保護”焊接工藝

      該工藝是在真空焊接工藝的基礎上發展起來的,由美國GE公司首先提出,并被應用于航天、航空等軍工器件的焊接上。從九十年代初開始應用于工業級半導體器件的生產中。由于該工藝同時采用了“靜止”焊接、“氮氣”保護、“真空”除氣泡和“H氣體”除氧化助焊等多種焊接工藝,具有較為理想的焊接效果,而且由于具備了免清洗特點,更適用于IGBT、MOSFET等全控器件的生產,是目前國際上先進的焊接工藝。新佳電子公司目前正使用這種焊接工藝并研發出自己的“ZKH+H”焊接工藝軟件,效果好。本文將在第二節中重點介紹該工藝。

      3. “真空+氣體保護”焊接工藝

      3.1 工藝原理

      通常情況下,影響焊接質量的最主要因素是焊接“空洞”,產生焊接空洞的原因:一是焊接過程中,鉛錫焊膏中助焊劑因升溫蒸發或鉛錫焊片在熔化過程中包裹的氣泡造成焊接空洞。而真空環境可使空洞內部和焊接面外部形成高壓差,壓差能夠克服焊料粘度,達到釋放空洞的效果;二是焊接面的不良加濕所造成的焊接空洞,一般情況下是由于被焊接面有輕微的氧化造成的,這包括了由于材料保管的不當造成的部件氧化和焊接過程中高溫造成的氧化,即使真空技術也不能完全消除其影響。在焊接過程中適量的加入氫氣或N2+HCOOH助焊氣體可有效地去除氧化層,使被焊接面有良好的浸潤性,加濕良好;谏鲜鲈,經過多年的探索,“真空+氣體保護”焊接技術現已成為高功率、大電流、多芯片功率模塊封裝焊接工藝的最佳選擇。

      該焊接工藝升溫時利用高純氮氣保護焊接組件不被其氧化。到達焊接溫度時利用高純氫氣或N2+HCOOH助焊氣體對焊接表面進行還原清洗,去除氧化物,使焊接表面具有良好的浸潤性。再利用真空技術將焊接面內的氣泡排除,保證焊接面內無空洞,焊接面有良好的歐姆接觸。最后采用可程控的冷卻方式,獲得被焊接面的最佳電氣及機械性能。全過程在具有程控加熱、冷卻、真空、充氣功能的真空倉內進行。

      3.2 工藝特點

      通常情況下,功率模塊焊接的工藝原理是基本相同的,但對于不同用途的功率模塊,其電路拓撲不同,內部的芯片的數量、電流大小和結構設計不同,使用的焊料不同,因而其具體的焊接工藝參數是不盡相同的,本文僅就作者從事IGBT模塊的焊接工藝研究工作中所掌握的情況概括地敘述一下,僅供參考。具體的參數值應在具體的工藝試驗中確定。

      影響焊接質量的主要因素有元器件和零部件表面狀態、焊接材料性能以及焊接工藝條件等,本文重點討論焊接工藝條件。主要工藝條件包括工藝溫度、真空度、升溫速率、降溫速率,恒溫時間、保護氣體的種類及純度等。正確的設置這些參數是保證焊接質量重要前提。工藝參數的設置與工藝設備直接相關。下面我們介紹兩種“真空+保護氣體”焊接工藝:

      3.2.1 單真空倉工藝

      

     

      圖3.1 “ZKH+H”焊接工藝曲線示意圖

      圖3.1是我們公司自行研發的“ZKH+H”焊接工藝示意圖,顯示了“真空+氣體保護”焊接工藝的參數設置及工藝過程。對溫度、真空度、升溫速率、降溫速率和恒溫時間的工藝參數設置,確定焊接氣體的性質、流量、濃度、溫度、混合比例,和廢氣的無害化排放處理、安全模式等方面,進行了優化設計。我公司用了多年時間進行了大量試驗,國內首家在IGBT模塊項目上成功運用該工藝,使公司在大面積、高功率、多芯片的新型功率半導體模塊的焊接技術工藝上走向了行業前列。通過程序控制,該工藝可在具備上述工藝條件的單真空倉設備上進行,工藝過程在《電力半導體功率模塊焊接工藝的探討》1一文中已有介紹,本文不再續述。其工藝特點如下:

     、磐ㄟ^氮氣清洗、氫氣保護焊接、真空排除氣泡、助焊氣體提高焊料浸潤性,從而達到最佳的焊接效果(無孔洞焊接)。

     、剖褂酶邷睾附硬牧,加強產品抗熱疲勞能力,提高可靠性。

     、呛附颖砻娓叨葷崈,免清洗,粗鋁絲鍵合穩定可靠。

     、褥o止焊接,冷卻速率可控,實現焊料最佳結晶效果,達到良好的電、熱及機械特性。

      3.2.2 多真空倉工藝

      單真空倉工藝設備的工藝過程簡單實用,但工藝周期較長。目前,國外一家公司推出了三倉結構的工藝設備,預熱、真空焊接和冷卻分別在三個工作倉內完成,具有獨立加熱板和冷卻板,且分別保持恒溫狀態,不必每次都由室溫大幅度變化到焊接溫度,焊接時間和設備耗能均有所下降,適用于聯線生產,使生產速率倍增。

      

     

      圖3.2 國外某公司推薦的典型焊接溫度工藝曲線圖示意圖

      從圖3.2可以看出,由于工藝設備的設計原因,工藝溫度梯度較為明顯,溫度上升及下降曲率有較寬的調整范圍,恒溫區可以做的較為平坦。圖3.3是其用于加熱和冷卻過程中具有較陡梯度的溫度的工藝曲線例圖,模塊重量為1000克,工藝時間為4分鐘。

      

     

      圖3.3 大功率IGBT模塊焊接工藝曲線

      表3.1是設備生產公司推薦的一種工藝溫度參數表,在實際工藝中,由于使用焊料熔點、是否含鉛、使用助焊方法以及助焊劑成分的不同,工藝參數的設置及工藝曲線有較大的差別,最佳的工藝參數需要在實踐中試驗確定。我們的經驗是,適當的提高峰值溫度以及減慢冷卻速度可獲得更好的焊接效果。

      表3.1 工藝溫度參數表

      工藝參數含鉛焊接工藝無鉛焊接工藝

      溫度平均增加率(Tsmax-Tp)最大 3℃/Sec最大 3℃/Sec

      預

      加

      熱最低溫度Tsmin

      最高溫度Tsmax

      時間Ts100℃

      150℃

      60-120秒150℃

      200℃

      60-180秒

      保持

      時間溫度TL

      時間tL183℃

      60-150秒217℃

      60-150秒

      峰值/規定溫度TpTL+5℃TL+5℃

      溫度保持在峰值溫度的時間tp10-30秒20-40秒

      降溫速率最大6℃/Sec最大6℃/Sec

      25℃至峰值溫度的時間最長6分鐘最長8分鐘

      3.3 應注意的問題

      3.3.1 焊接工藝的選擇

      模塊的焊接工藝通常分為使用膏狀焊料的“濕式”焊接工藝和使用焊片的“干式”焊接工藝,由于濕式焊接工藝完成后的半成品必須進行清洗,而清洗效果直接影響模塊的質量,尤其對于需要鋁絲鍵接工藝的IGBT模塊,影響不容忽視。對于表面鈍化稍有缺陷的芯片(玻璃鈍化層上的微小裂紋),清洗的“殘留物”會進一步破壞鈍化層,嚴重時會造成產品提前失效。因而,IGBT模塊等新型功率半導體模塊的生產多采用干式焊接工藝,即免清洗工藝。我們公司所采用“ZKH+H”工藝屬于這種工藝,其焊接完成的半成品表面非常潔凈,不需要進行清洗。

      雖然干式焊接工藝的焊接質量較高,但其對工藝條件的要求也較高,例如工藝設備條件,工藝環境的潔凈程度,工藝氣體的純度,芯片、DBC基片等焊接表面應無沾污和氧化情況,焊接過程中的壓力大小及均勻性等,要根據實際需要和現場條件來選擇合適的焊接工藝。

      3.3.2 升溫速率

      升溫過程中,應特別注意在焊料趨于熔化時的升溫速率,在到達這個關鍵溫度點附近時,要將升溫速率降下來,盡量避免或減小芯片的竄動。這對于“濕式”焊接工藝尤為重要,在到達100℃附近時,如升溫速率過高,膏狀焊料中溶劑的氣體蒸發就會過快,可能會導致“火山效應”,從而影響焊接質量。

      3.3.3 真空度及真空速率

      真空對減少焊接空洞非常有利,真空度的高低對焊接空洞率的影響較大,據德國PINK公司介紹,真空度對焊接空洞的影響如表3.2:

      表3.2 真空度對焊接空洞率的影響表

      序號真空(mbar)空洞率(%)

      11013.2543

      24010

      356

      413

      表中的數據表明,不采用真空的焊接工藝將可能產生高達43%的空洞。圖3.4是用剝離檢查(撕裂)方法看到的可控硅模塊焊接空洞的圖片,從圖片上可以看到焊接面上分布著大量的空洞,這也印證了上述說法。

      

     

      圖3.4 非真空焊接工藝剝離圖片

      采用真空焊接工藝后,隨著真空度的提高,焊接空洞在逐漸減少,從表中看出,真空度≤1mbar時,空洞率可減少到3%以下,達到了很好的焊接效果。作者認為,除非特殊要求,1mbar真空度就可以滿足模塊的焊接質量要求,不必追求太高的真空值。圖3.5是采用真空焊接工藝完成的焊接效果圖片,焊接過程中的真空度達到1mbar。

      

     

      圖3.5 真空焊接工藝剝離圖片

      同時,還應注意在上條所述的關鍵溫度點實施真空工藝時,要限制真空速率,使氣泡得到軟釋放,避免由于氣泡的硬釋放造成器件的竄動從而影響焊接質量。

      3.3.4 冷卻速率

      在冷卻過程中,要注意焊料結晶點附近的冷卻速率,較緩慢的冷卻速度可以獲得最佳結晶效果,達到良好的電、熱及機械特性。

      4. 焊接效果的檢測分析

      焊接質量的檢查方法一般有兩種:非破壞性和破壞性檢查。其中,廣泛使用的非破壞性檢查方法有外觀目測檢查、電氣性能檢查、X光射線檢查和超聲波掃描顯微鏡檢查。破壞性檢查主要為剝離檢查,電鏡掃描檢查等。

      4.1 目測檢查

      目測檢查是目前仍在廣泛使用的常規焊接質量檢測方法,主要是使用肉眼或低倍數的顯微鏡,從外觀上檢查焊接處焊料潤濕狀態。

      4.2 電性能測試

      由于焊接不良,減小焊接面積,會增大接觸電阻和散熱熱阻,通常用專門的壓降和熱阻測試設備來測試。例如IGBT模塊,可以通過測量器件的飽和壓降Vce(sat)來間接檢測芯片與DBC、電極間的焊接質量,如果檢測的結果超出標準范圍,則可能存在著虛焊或較大的焊接空洞。批量生產的在線測試常用這種方法。

      4.3 剪切力測量

      剪切力測量是剝離檢查方法的一種,是常用的檢驗芯片與基片間焊接質量的方法,可以直觀的觀察到的焊接面狀況,由于它具有破壞性,一般僅用于不良焊接的分析。

      4.4 X光射線檢查和超聲波掃描顯微鏡檢查

      對于焊接質量的檢查,傳統的檢測是進行全動態功率測試,既浪費時間又浪費大量的電力,檢測結果精度低又不直觀,需要了解焊接缺陷的位置、形狀及大小時還需進行破壞性的解剖分析,同時不能精確的知道缺陷的面積的大小,不利于規;a。

      X光檢測適用于檢測內部的結構性情況,比如 IC 集成電路內部的金線分布等。超聲波掃描顯微鏡更適用于檢測芯片與基底之間粘接層的缺陷或其他界面之間的缺陷。因其性能各有千秋,互相補充,規模大的生產廠家同時擁有這兩種設備。

      4.4.1 X光射線檢查

      當X射線穿透被測模塊時,由于被測模塊內部材料、密度和厚度的差別,致使它被吸收的程度不同,所以到達增強屏的X射線量出現差異,在增強屏就形成黑白對比不同的影像,通過CCD和采集卡進行圖像采集分析處理,就得到一個清晰的圖像。

      X射線檢查在半導體器件的典型應用是BGA焊接質量的檢測,例如BGA的虛焊、開路和連錫等。如圖4.1-1、圖4.1-2和圖4.1-3。

      

     

     

      圖4.1-1 虛焊 圖4.1-2 開路 圖4.1-3 連錫

      目前,隨著X光機的功能的不斷增強和圖像清晰度的提高,在新型電力電子模塊的檢測中的應用逐漸增多,例如SCR、FRD、VDMOS、IGBT等模塊。

      4.4.2 超聲波掃描顯微鏡檢查

      超聲波掃描顯微鏡檢測方法的理論依據是不同介質的界面具有不同的聲學性質,反射超聲波的能力也不同,利用專用計算機軟件系統對反射波進行分析,當超聲波遇到缺陷時會在屏幕上顯示投射面積和缺陷相近的圖像,因此就可知空洞的大小和所在位置。在生產過程中,該技術可以隨時監控和檢查焊接質量,可精確分析焊接缺陷的位置、形狀、面積的大小和形成缺陷的可能原因,控制產品質量。在新產品研制時,可以在第一時間分析了解產品內部結構、知道設計焊接工藝的結果,加快新產品的研制速度。目前,超聲波掃描顯微鏡的性能頗佳,大多具備如下掃描模式:

      A-掃描是超聲波最基本掃描形式。

      B-掃描相當于觀察樣品的橫截面,可以用來確定缺陷在縱向方向上的位置和深度。

      P-掃描相當于多次的B-掃描,可以用來確定缺陷在縱向方向上的位置和深度。

      C-掃描相當于觀察樣品的剖面,通過時間窗口的選擇可以確定剖面的位置和寬度,并將窗口選擇在所需觀察的界面位置,從而得到缺陷的數量和外形尺寸。

      X-掃描相當于多次等分的不同層面C-掃描,通過一次掃描的方式得到多個不同深度位置的圖像,適合與多層結構的器件檢測。

      G-掃描和X-掃描一樣,所不同的只是用戶可以根據樣品的情況將每個掃描層面設置為不同的掃描參數,如其位置、寬度等。

      D-掃描結合了B-掃描和C-掃描的功能,為斜對角掃描模式,適用于觀察相對于表面傾斜的內部界面樣品,或用于在一個掃描圖像中觀察整個樣品的多層結構。

      Z-掃描模式是將A-掃描、B-掃描、P-掃描、C-掃描、X-掃描等掃描模式通過一次性的掃描完成,可以用于重建樣品內部的三維圖像,或作為標準樣品數據保留。

      S-掃描是在樣品底部加裝一個接收探頭,在做C-掃描的同時進行透射T-掃描,可以用來確認C-掃描圖像中的無法判明的缺陷。

      3D-掃描模式是將反射波的強度、時間作為深度信息,反映出樣品內部的三維結構,可選擇的深度參考信號有:反射信號最大幅值peak、平均幅值mean或時間time。

      4.4.3 檢測實例

      在實際模塊產品的研發及生產實踐中,超聲波掃描顯微鏡和X光射線檢測技術被我們大量地應用在功率半導體模塊的無損撿測中。下面列舉幾個實際檢測的案例。

      實例1:DBC焊接組件

      圖4.2-1是由第三方隨機抽取的IGBT半成品的DBC組件樣片,使用美國產UHR-2000超聲波掃描顯微鏡設備的掃描圖像。圖4.2-2中紅色圓圈中的影像點即為焊接空洞。

      

     


      圖4.2-1 DBC組件 圖4.2-2 掃描圖像

      從圖4.2-2中可以看出,芯片底部有微小的焊接空洞存在。

      實例2:IGBT成品模塊

      對于成品模塊的掃描,由于模塊較厚,加之電極和鍵接鋁線的遮擋,在正常放置位置上很難取得清晰的掃描圖像。早在2006年,經過一年多時間的艱苦研究,我們公司國內首家采用“反轉掃描法”解決了這一難題。下圖是使用美國產UHR-2000超聲波掃描顯微鏡,對從市場上購買的國外某公司生產的IGBT模塊掃描圖像,見圖4.3。

      

     


      圖4.3 DBC上的焊錫層

      該模塊在掃描前進行了功率測試,檢測結果合格。但從掃描圖像上可以看出,該模塊掃描圖像的層次較為清晰,焊接空洞清晰可見,主要集中在DBC與散熱基板之間的焊接層上,芯片與DBC的焊接空洞相對比較少一些,這就可以解釋功率測試尚可以合格的原因,但這種空洞會影響模塊的散熱效果,易造成模塊可靠性降低。

      經掃描檢查發現,在能夠通過功率測試的模塊中仍有一定比例的模塊不能通過超聲波掃描顯微鏡檢查,這樣的模塊如果使用到設備上,通常會提前失效,進行超聲波掃描顯微鏡檢查,可有效地避免這種情況的發生。我們在電焊機上的試驗也證實了這一點,經過掃描檢查的模塊比僅經過功率測試的模塊的可靠性高。

      實例3:大功率水冷IGBT模塊

      通常情況下,大多數的模塊在焊接、鋁線鍵接等工藝中產生的缺陷都可以通過超聲波掃描顯微鏡或X光機的檢查來發現,從而分析失效原因和剔除不合格品。但在某些情況下,可能其中一種方式會更加有效。例如對我們研發的一款3×800A的水冷汽車級IGBT模塊進行焊接空洞掃描檢查時發現,由于受其氮化硅鋁底板的水冷錐體長度的影響(如圖4.4-1所示),超聲波掃描顯微鏡掃描檢查不能正常成像。我們改用高清晰度的X光機進行檢查,獲得了清晰的圖像,焊接空洞清晰可見,見圖4.4-2。圖中灰色方塊分別是IGBT和FRD芯片影像,黑色圓點是氮化硅鋁底板水冷錐體的影像,箭頭所指白色區域是焊接空洞影像。

      

     


      圖4.4-1 模塊底板圖 圖4.4-2 X光圖像

      5. 結論

      從以上論述可見,“真空+氣體保護”焊接技術現已成為高功率、大電流、多芯片功率模塊封裝焊接的最佳選擇。尤其適用于IGBT、MOSFET等場控型功率模塊。X光機和超聲波掃描顯微鏡檢測是目前理想的非破壞性檢測方法,可及時準確地發現產品焊接質量隱患,避免批量不合格品的產生和減少產品可靠性隱患。

      參考文獻

      [1] 乜連波等.電力半導體功率模塊焊接工藝的探討〔J〕.山東電子.1998.

      [2] 《Formic acid PINK and VADU》.

      [3] 《VLO-180H2》DOCUMENTATION.

      [4] Klaus Roemer.采用真空技術的無空洞焊接〔J〕.中國SMT論壇.2007.

      [5] 潘茹等.半導體器件芯片焊接方法及控制〔J〕.封裝測試技術.2006.

版權所有:鞍山眾成電子有限公司
地址:鞍山市千山區達到灣紅旗南街24號  電話:0412-2535848 /  傳真:0412-8991979
技術支持:鞍山天信網絡  遼ICP備17010910號-1
日韩黄片