項(xiàng)羅毅，邵凌翔，顏廷剛

制造工藝

半導(dǎo)體功率模塊芯片低空洞焊接研究

項(xiàng)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(shù)是功率模塊制造最為重要的一環(huán)，芯片低空洞率焊接對(duì)功率模塊的參數(shù)性能至關(guān)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(chǔ)上選用Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Sb三種不同焊片進(jìn)行真空焊接，利用X-Ray衍射儀、光學(xué)顯微鏡等測(cè)試手段，對(duì)微觀組織進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Ag元素對(duì)合金組織有很好的潤(rùn)濕性，對(duì)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(zhì)量與模塊的參數(shù)性能指標(biāo)息息相關(guān)，特別是焊接層的質(zhì)量[1]。焊接層不但為芯片與基片之間提供機(jī)械連接，還是芯片的導(dǎo)熱通道，同時(shí)還將承擔(dān)導(dǎo)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(duì)提高功率模塊使用壽命至關(guān)重要。本文通過不同的焊接方法，在此基礎(chǔ)上選用Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Sb三種不同焊料，優(yōu)選芯片低空洞焊接工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇及制備

（1）基片材料的選擇。焊接時(shí)基片的可焊性對(duì)焊接質(zhì)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(shí)驗(yàn)所選用的是表面鍍鎳的鉬片。

（2）焊片材料的選擇。本實(shí)驗(yàn)先選用的是三種低溫錫合金SnCu0.7、SnSb5、SnAg3.5焊片，其厚度的規(guī)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(shí)驗(yàn)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(fā)完畢。與傳統(tǒng)的松香、無機(jī)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(shí)驗(yàn)所選用的是石墨夾具。石墨具有優(yōu)良的耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。石墨的熔點(diǎn)非常高，其強(qiáng)度與溫度成正比關(guān)系，且熱膨脹系數(shù)很小，特別是在2 000℃條件下，石墨強(qiáng)度提高了近一倍，其導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于鉛、鋼、鐵等金屬材料。

2 芯片真空焊接

真空焊接設(shè)備根據(jù)用戶焊接工藝要求，按程序自動(dòng)或手動(dòng)完成工藝焊接，最后對(duì)加熱室充氮?dú)?，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(shù)選擇

真空焊接過程分預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、焊接區(qū)及冷卻區(qū)四個(gè)階段，每個(gè)階段的溫度和時(shí)間參照樣品焊片理論溫度曲線設(shè)定。

（1）預(yù)熱區(qū)：預(yù)熱區(qū)的目的是在焊接前通過對(duì)被焊的鉬片和芯片裸片進(jìn)行預(yù)加熱，使其溫度達(dá)到一致。這個(gè)過程中去除爐腔內(nèi)的氧氣和水分，通過反復(fù)沖放氮、氫混合氣體，起到純化爐腔內(nèi)氣氛的目的。

（2）保溫區(qū)：保溫區(qū)的目的是使被焊件各處的溫度保持均一，避免溫差，同時(shí)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(qū)結(jié)束時(shí)，基片和芯片表面上的氧化物基本去除。

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

（4）冷卻區(qū)：冷卻速度盡可能快些，可以得到飽滿、明亮的焊點(diǎn)。降溫速率一般為3℃/s以內(nèi)，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(yù)熱段的焊接曲線，升溫過程較長(zhǎng)。該曲線的特點(diǎn)是預(yù)加熱6 min，峰值溫度340℃，焊接周期25 m 30 s，具體工藝參數(shù)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(shù)

試驗(yàn)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(shí)對(duì)比傳統(tǒng)手工錫鍋焊接方案。焊接所用焊料為SnAg3.5.

圖3 試驗(yàn)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(yù)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(yù)上錫，用熱水超聲清洗已預(yù)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(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。為計(jì)算空洞率的方便，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)都焊接進(jìn)行1組單面焊芯片。

3 試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)處理及討論

3.1 不同工藝方案對(duì)芯片焊接的影響

將錫鍋爐焊接后的芯片經(jīng)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(jìn)行對(duì)比。從圖7中可以看出芯片錫鍋焊時(shí)產(chǎn)生的氣泡數(shù)分布有一定的明顯規(guī)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(shí)溶劑蒸發(fā)，揮發(fā)氣體被液態(tài)助焊劑包裹形成氣泡。

圖7 錫鍋焊的X-Ray顯微照片

（1）對(duì)比手工錫鍋焊的優(yōu)勢(shì)

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(shí)產(chǎn)生的氣泡數(shù)分布有一定的明顯規(guī)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(zhì)量很好。因此，真空焊接芯片具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖8 真空焊的X-Ray顯微照片

（2）真空正裝焊接的優(yōu)勢(shì)

芯片真空焊接采用兩種不同工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)，比較兩種工藝方案的優(yōu)劣。

1）裝配方面。芯片采用倒裝結(jié)構(gòu)石墨夾具，裝配時(shí)上基片定位準(zhǔn)確，但下基片定位困難。而采用正裝結(jié)構(gòu)石墨夾具，裝配時(shí)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(xiàn)移位現(xiàn)象，下基片與芯片邊緣距離太近容易造成打火現(xiàn)象。而采用正裝焊，上、下基片定位較為準(zhǔn)確，芯片不易出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

3）靈活性。實(shí)際生產(chǎn)中往往需要根據(jù)生產(chǎn)狀況，生產(chǎn)單面焊或雙面焊芯片。單面焊只需要焊接下基片，此時(shí)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(duì)芯片焊接的影響

為了X-ray掃描后計(jì)算方便，分別使用這三種錫合金焊料進(jìn)行單面焊接，分別檢測(cè)其空洞率。#a、#b、#c單面焊樣品測(cè)試的典型空洞圖片如圖9所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 各組X-ray測(cè)試的典型空洞圖片

表2 不同錫合金焊料試驗(yàn)X-ray測(cè)試結(jié)果

從圖#a中可以看出：（1）白色塊狀區(qū)域均為氣泡，氣泡多為不規(guī)則條形，無明顯大尺寸氣泡。（2）芯片整個(gè)面均有氣泡，且芯片中心區(qū)域氣泡個(gè)數(shù)較少，而芯片周邊區(qū)域氣泡個(gè)數(shù)較多，無明顯規(guī)律。從圖#b中可以看出：（1）白色塊狀區(qū)域均為氣泡，氣泡大小不一致，個(gè)別氣泡尺寸很大達(dá)到了1.985%.（2）芯片整個(gè)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(qū)域均為氣泡，氣泡大小不一致，氣泡整體尺寸很小，除個(gè)別稍大。（2）芯片整個(gè)面均有氣泡，分布較為均勻。

結(jié)果表明，使用SnSb5焊料時(shí)，空洞率都明顯高于SnCu0.7焊料和SnAg3.5焊料，且個(gè)別氣泡尺寸很大，幾乎占到整個(gè)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(gè)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(zhì)量較好。因此，選擇SnAg3.5焊料較為合理。

4 結(jié)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(jié)論：（1）與傳統(tǒng)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(yōu)勢(shì)。（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(chǎn)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(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，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(guó)科技信息，2013，469（8）：125-126.

[3]任耀文.真空釬焊工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(xiàng)羅毅（1986-），男，江蘇常州人，碩士，研究方向：材料加工。