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IGBT焊接層空洞的形成及解決方案

IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見；
IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。
IGBT模塊的制造工藝和流程
生產(chǎn)制造流程：
絲網(wǎng)印刷→自動(dòng)貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→缺陷檢測（X光）→自動(dòng)引線鍵合→激光打標(biāo)→殼體塑封→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試

IGBT封裝技術(shù)

IGBT作為重要的電力電子的核心器件，其可靠性是決定整個(gè)裝置安全運(yùn)行的最重要因素。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(shí)也縮短了芯片之間導(dǎo)線的互連長度，從而提高了器件的運(yùn)行速率。但也正因?yàn)椴捎昧舜私Y(jié)構(gòu)，IGBT的可靠性受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。由于IGBT主要是用來實(shí)現(xiàn)電流的切換，會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗，因此散熱是影響其可靠性的重要因素。

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(gè)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。

IGBT封裝

研究表明，焊料層內(nèi)的空洞會(huì)影響溫度熱循環(huán)，器件的散熱性能降低，這也會(huì)促進(jìn)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(yīng)力與應(yīng)變之間存在著滯回現(xiàn)象，在不斷地溫度循環(huán)當(dāng)中，材料的形狀實(shí)時(shí)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，最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(huì)達(dá)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(gè)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、航空航天 等領(lǐng)域，空洞率要求更加苛刻，甚至需要達(dá)到0.1%以下。

空洞率不合格（大于30%）空洞率合格（小于5%）

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(dāng)前IBGT領(lǐng)域使用最為廣泛的焊料
優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)組份使用量少，空洞低。
缺點(diǎn)：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(diǎn)：操作方便，成本低，適用各種規(guī)格產(chǎn)品的焊接。
缺點(diǎn)：大量有機(jī)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(jìn)錫膏內(nèi)揮發(fā)物的揮發(fā)，通常會(huì)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(huì)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。

二）焊接工藝

  • 一次封裝：DBC/基板和DBC/芯片同時(shí)放置焊料，一次過爐實(shí)現(xiàn)同時(shí)焊接。
    優(yōu)點(diǎn)：效率高；
    缺點(diǎn)：兩層焊料同時(shí)熔化，陶瓷片在上下兩層熔融焊料間浮動(dòng)，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(diǎn)焊料進(jìn)行焊接，然后DBC/芯片之間使用低熔點(diǎn)焊料二次焊接（二次焊接時(shí)，一次焊接的焊料不熔化）。
    優(yōu)點(diǎn)：避免DBC在熔融焊料間浮動(dòng)，空洞率較低；
    缺點(diǎn)：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(fù)壓有利于錫膏中揮發(fā)物的排出。但真空度和真空時(shí)機(jī)應(yīng)與錫膏匹配，否則不易達(dá)到理想的效果。
為適應(yīng)市場對IBGT焊錫膏低空洞率和高可靠性的要求，深圳市晨日科技股份有限公司在十多年來在半導(dǎo)體封裝材料、LED封裝材料和電子組裝材料技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了MO3和S03(水洗)兩款I(lǐng)GBT封裝無鉛錫膏和GT40 IGBT封裝有機(jī)硅凝膠

  • SAC305合金，三號粉，適用于IGBT封裝，S03為水洗錫音
  • 滿足超細(xì)間距印刷工藝性要求，操作窗口寬，持續(xù)印刷一致性好
  • 工藝窗口寬，使得回流溫度曲線靈活
  • 焊點(diǎn)表面光亮、少皺褶、極低空洞率、高可靠性

  • 膠體固化后柔軟有彈性，表面粘手，對許多基材的粘附性和密封性能良好；
  • 耐高低溫(-50℃-250℃)，并具有優(yōu)異的電氣絕緣性能；
  • 高透明，易修補(bǔ)，膠體破裂后可自動(dòng)愈合。

GT40 是晨日科技開發(fā)的一種低粘度雙組分高透明有機(jī)硅凝膠，可室溫固化，具有防潮、抗震、耐溫、自愈合等特性，主要適用于IGBT模塊和其他精密電子元件的密封和灌封。


深圳市金瑞欣特種電路技術(shù)有限公司

金瑞欣——專業(yè)的陶瓷電路板制造商

通過公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，現(xiàn)已成功研發(fā)微小孔板、高精密板、難度板、微型化板、圍壩板等，具備DPC、DBC、HTCC、LTCC等多種陶瓷生產(chǎn)技術(shù)，以便為更多需求的客戶服務(wù)，開拓列廣泛的市場。

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