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技術(shù)分享丨IGBT封裝空洞的隱患和影響因素
發(fā)布時間:2019-02-18        瀏覽次數(shù):126        返回列表

摘自:CEIA電子智造

       IGBT作為重要的電力電子的核心器件,其可靠性是決定整個裝置安全運行的**重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術(shù),該技術(shù)不但提高了封裝密度,同時也縮短了芯片之間導線的互連長度,從而提高了器件的運行速率。但也正因為采用了此結(jié)構(gòu),IGBT的可靠性受到了嚴重挑戰(zhàn)。由于IGBT主要是用來實現(xiàn)電流的切換,會產(chǎn)生較大的功率損耗,因此他的散熱是影響其可靠性重要因素。


       一、焊接層空洞是影響IGBT可靠性的重要因素

IGBT模塊封裝級的失效主要發(fā)生在結(jié)合線的連接處,芯片焊接處和基片焊接處等位置。尤其兩個焊接處,是IGBT主要的熱量傳輸通道,焊接處的焊接質(zhì)量是影響其可靠性因素的重中之重。


       研究表明,焊料層內(nèi)的空洞會影響溫度熱循環(huán),器件的散熱性能降低,這也會促進溫度的上升,影響期間在工作過程中的熱循環(huán),造成局部溫度過高,從而加快模塊的損壞。有調(diào)查表明,工作溫度每上升10℃,由溫度引起的失效率增加一倍。并且,應力與應變之間存在著滯回現(xiàn)象,在不斷地溫度循環(huán)當中,材料的形狀實時地發(fā)生改變,這又增加了焊料層的熱疲勞。因此對于IBGT封裝來說,**重要的就是要降低焊料層內(nèi)的空洞。


二、IGBT焊接層容易產(chǎn)生空洞的原因

        焊接層空洞的產(chǎn)生,主要是由于焊接材料中的揮發(fā)物留著焊接層中造成,而IGBT的芯片通常都比較大,長會達到10mm-20mm,并且DBC的尺寸通常在20mm-40mm,如此大的焊接面積,給焊接材料中的揮發(fā)物揮發(fā)造成很大困難。因此IBGT焊接層的空洞成為人們極力解決的問題。而對于IGBT高可靠性的要求,空洞率必然是封裝環(huán)節(jié)的一個重要控制因素。通常小家電、普通電氣裝備用的IGBT要求空洞率<5%,對于軌道交通、**航天等領(lǐng)域,空洞率要求更加苛刻,甚至需要達到0.1%以下。


三、IGBT封裝形式和空洞的關(guān)系

一)焊接材料形式:

1、焊片:是當前IBGT領(lǐng)域使用**為廣泛的焊料

優(yōu)點:有機組份使用量少,空洞低。

缺點:操作不方便;每種產(chǎn)品需要特定尺寸的焊片。


2、錫膏:使用錫膏是近幾年IGBT封裝領(lǐng)域逐漸興起的工藝

優(yōu)點:操作方便,成本低,適用各種規(guī)格產(chǎn)品的焊接。

缺點:大量有機組分揮發(fā)容易造成空洞;必須清洗掉殘留物。

 

       使用錫膏焊接,為了促進錫膏內(nèi)揮發(fā)物的揮發(fā),通常會將錫膏印刷成若干矩形的陣列,尤其印刷在基板與DBC之間的錫膏,錫膏之間的通道會方便揮發(fā)物的排出。但這要求錫膏的揮發(fā)性和潤濕性與工藝有很好的匹配,否則在溝槽處很容易產(chǎn)生空洞。 


3、納米銀/銅膏:對于高溫使用環(huán)境,需要焊接層具有更高的耐溫性和導熱性。納米銀膏或納米銅膏利用其納米尺寸效應,可在低溫下實現(xiàn)燒結(jié),達到互連效果,可獲得空隙率較低的燒結(jié)層,并且燒結(jié)層可恢復到銀或銅的常規(guī)熔點,相對于當前的錫基焊料又具有更好的導熱性能,是未來大功率IGBT封裝理想的互連材料。

 

優(yōu)點:通過加壓燒結(jié)可獲得低空隙率燒結(jié)層,燒結(jié)層導熱性優(yōu)異、耐高溫,可靠性高;

缺點:成本較高,當前只適合高端產(chǎn)品封裝


二)焊接工藝

一次封裝:DBC/基板和DBC/芯片同時放置焊料,一次過爐實現(xiàn)同時焊接。

優(yōu)點:效率高;

缺點:兩層焊料同時熔化,陶瓷片在上下兩層熔融焊料間浮動,增加空洞排出的難度。

 

階梯封裝:先將DBC/基板之間使用高熔點焊料進行焊接,然后DBC/芯片之間使用低熔點焊料二次焊接(二次焊接時,一次焊接的焊料不熔化)。

優(yōu)點:避免DBC在熔融焊料間浮動,空洞率較低;

缺點:生產(chǎn)效率低。

 

三)焊接爐的選擇

對于要求高的IGBT產(chǎn)品須使用真空爐焊接,真空負壓有利于錫膏中揮發(fā)物的排出。

但真空度和真空時機應與錫膏匹配,否則不易達到理想的效果。


來源:趙朝輝 微納互連

 

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