“焊接”5G時(shí)代,核心是降低空洞——關(guān)于大器件焊接空洞的探討
微電子焊料是電子產(chǎn)品組裝過程中不可或缺的重要組成部分,它能夠?qū)⑵骷母鞑糠钟行У剡B接在一起。隨著5G時(shí)代的到來,電子技術(shù)向著高功率、高密度和集成化的方向發(fā)展,對(duì)于大功率器件的封裝如IGBT、MOS、大功率LED等,也相應(yīng)地對(duì)焊接材料提出了更高的、更全面的可靠性需求。[1]
01 幾類功率器件封裝的現(xiàn)狀
IGBT,一種功率半導(dǎo)體,它是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?,是電力裝備的CPU。采用IGBT進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,能夠提高用電效率和質(zhì)量,具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)[1],其應(yīng)用領(lǐng)域有工業(yè)領(lǐng)域(如變頻器/逆變器),家用電器領(lǐng)域(如變頻空調(diào)、洗衣機(jī)等),軌道交通領(lǐng)域(如動(dòng)車、輕軌、地鐵等),新能源領(lǐng)域(如新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電),醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如醫(yī)療穩(wěn)壓電源),軍工航天領(lǐng)域(如飛機(jī)、艦艇),可以說,當(dāng)代社會(huì)IGBT無處不在。
整個(gè)IGBT模塊中,最重要問題之一就是散熱,因此迫切需要良好的熱管理方案,比如DBC陶瓷覆銅板,其材料涉及氧化鋁、氮化硅等,還有更多的新型材料在開發(fā)中,這些材料都是為了更好地服務(wù)于模塊的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)性能,所以焊接材料顯得尤為關(guān)鍵。
IGBT組裝分一次焊接和二次焊接,一次焊接主要是焊接芯片,這部分焊接主要是建立電流通路和散熱通路,對(duì)空洞率要求最高;二次焊接主要是針對(duì)DBC底板,[2, 3]這部分焊接主要起散熱的作用,IGBT模塊組裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IGBT焊接結(jié)構(gòu)圖
焊接IGBT模塊主要采用錫膏和預(yù)制成型錫片兩種形態(tài)焊料,焊接要求如下:工業(yè)級(jí)模塊,單個(gè)空洞率<1%,整體空洞率<3%;新能源領(lǐng)域,單個(gè)空洞率<1%,整體空洞率<1.5%。對(duì)于新能源汽車而言,錫膏很難滿足這樣嚴(yán)苛的空洞要求,只有部分工業(yè)化模塊才會(huì)使用錫膏。由此可見,為更好地降低空洞,保證穩(wěn)定的低空洞是IGBT模塊封裝的迫切訴求。
IGBT的焊接工藝區(qū)別于傳統(tǒng)的回流焊,它采用真空共晶爐+氮氣+氫氣(還原),也有采用真空回流爐+氮氣+甲酸(還原)。[4]一般情況,高潔凈焊片可滿足較高空洞要求,但采用錫膏焊接新能源領(lǐng)域的模塊時(shí),空洞率很難穩(wěn)定在1.5%以下,另外,用戶端經(jīng)常遇到的問題之一,即焊層厚度不均勻,這可能的原因是焊料熔化時(shí)潤(rùn)濕鋪展的先后時(shí)間導(dǎo)致。[1, 4, 5]
汽車電子應(yīng)用的功率器件MOS,其底部有個(gè)散熱焊盤,焊接空洞的大小直接影響其散熱,直接導(dǎo)致發(fā)熱以及應(yīng)力的產(chǎn)生;對(duì)于大功率LED,如果不能保證其良好的散熱通道,直接導(dǎo)致LED燈珠的死燈,光衰等問題。所以,所謂的解決散熱,最核心的就是極大可能地降低焊接空洞[6]。
02 錫膏的焊接機(jī)理
錫膏主要組成部分主要有觸變劑、松香或者合成樹脂、活化劑和溶劑。松香的作用:固態(tài)時(shí),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;液態(tài)時(shí),可潤(rùn)濕銹蝕的金屬表面,有足夠低的粘度,便于去除生成物;焊接后,可形成穩(wěn)定的絕緣層。活性劑主要指有機(jī)酸,形成焊點(diǎn)前不分解,否則就不能去除氧化物,焊接時(shí),與被焊金屬表面的氧化物反應(yīng)生成有機(jī)酸鹽和水。觸變劑和溶劑決定了錫膏的塌落性與黏性。很多有機(jī)酸不溶于松香,采用溶劑,使有機(jī)酸與松香混合,均勻地鋪展在焊點(diǎn)表面,發(fā)揮去除氧化物的功能。[7]在實(shí)際焊接時(shí),130℃以下約有10%的溶劑揮發(fā),130-190℃再有約50%的溶劑揮發(fā)掉,當(dāng)溫度達(dá)到焊料熔點(diǎn)時(shí),焊球熔化,活化劑分解,隨后冷卻,焊劑成膜,固住殘留物。
03 空洞產(chǎn)生原因
活化劑與被焊金屬表面氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要有如下兩類反應(yīng):
反應(yīng)其一,生成可溶性鹽類,如式(1.1)~(1.2).
MeOn+2nRCOOH→ Me(RCOO)n+H2O .................1.1
MeOn+2nHX → MeXn+nH2O.................................1.2
其二是氧化還原反應(yīng),如式(1.3)~(1.4).
MeO+2HCOOH → Me(COOH)2+H2O......................1.3
Me(COOH)2+Me+CO2+H2............................1.4
這兩類化學(xué)反應(yīng)均生成水分,而焊膏使用過程中可能會(huì)吸收部分水分,助焊膏溶劑的揮發(fā)等也會(huì)帶走部分水分。焊接過程中,如果這些水氣如不能順利排出,將直接以空洞的形勢(shì)保留下來。
其次在基板方面,PCB板吸潮,焊盤導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)不當(dāng),焊盤表面化學(xué)處理方式不同等,都會(huì)導(dǎo)致空洞的形成。一般空洞率大小依次為,OSP>ENIG>Ag>Sn=HASL。[3]
環(huán)境大氣壓的劇變對(duì)空洞的影響也不容忽視。先假定大氣環(huán)境的氣壓為P0,回流爐膛的氣壓為P1,當(dāng)爐膛內(nèi)氣壓呈負(fù)壓時(shí),有利于聚集在爐膛內(nèi)的揮發(fā)性氣體排出,否則,爐膛內(nèi)揮發(fā)性氣體排放不暢甚至堵塞而滯留在焊料球內(nèi)形成空洞。焊接工藝溫度曲線的影響也不容忽視,如恒溫時(shí)間增加,則空洞減少,這是因?yàn)楹銣貢r(shí)間的延長(zhǎng),有利于溶劑,水分等氣體的向外排出。
此外,峰值溫度越高,空洞增大,這是由于過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致氣體的過分膨脹,焊料的飛濺,以及PCB板內(nèi)氣體的溢出等。
04 空洞解決方案
針對(duì)上述空洞產(chǎn)生的原因,可從三個(gè)方面解決:
1. 合金改進(jìn),在合金中加入增強(qiáng)焊料潤(rùn)濕鋪展的微量元素[6, 8]; 2. 改進(jìn)助焊膏,其核心是加入了空洞抑制劑;
3. 焊接工藝的持續(xù)改進(jìn)。
針對(duì)傳統(tǒng)無鉛合金改進(jìn),通過添加微量元素Mn、Ni等,制備新型焊料合金,主要改善焊料的合金性能(能用),改善焊料的工藝性能(好用),改善焊料的可靠性能(穩(wěn)定可靠)。增加合金微量的目的有: 1. 提高潤(rùn)濕性、流動(dòng)性, 減少錫橋等焊接不良與抑制裂紋產(chǎn)生; 2. 界面穩(wěn)定化元素抑制銅蝕和界面IMC層增厚;
3. 細(xì)化組織元素的添加,促進(jìn)非均質(zhì)形核、使焊點(diǎn)表面光亮;
4. 保留了傳統(tǒng)無鉛合金的良好延展性,緩和元件與PCB基板的膨脹率差異引起的伸縮效應(yīng);
5. 抗氧化的添加使減少錫渣、提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和焊點(diǎn)/鍍層耐久性。另外,合金改進(jìn)的其
他方案建議如下:
1)合金體系中添加一定量的In、Ga、P、Ni、Sb等微量元素,增加合金的流動(dòng)性和抗氧化性;
2)合金粉的氧含量控制;
3)盡可能避免采用細(xì)粉;
4)采用預(yù)制成型焊片工藝。
實(shí)驗(yàn)中,重點(diǎn)對(duì)助焊膏成分進(jìn)行了優(yōu)化,針對(duì)空洞改善,研究人員提出了添加一種空洞調(diào)節(jié)劑的方式。即添加一種酸酐類物質(zhì),其反應(yīng)機(jī)理:與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成多元有機(jī)酸,生成的多元有機(jī)酸繼續(xù)參與反應(yīng),去除焊料與被焊金屬表面的氧化物,從而減少了水分對(duì)空洞的影響,焊接效果見圖3(添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接IGBT的X-RAY圖片),圖2為圖3的對(duì)比圖片(傳統(tǒng)無鉛錫膏焊接IGBT的X-RAY圖片),圖4為高潔凈焊片真空焊接工藝下IGBT的X-RAY圖片;圖6為同時(shí)添加空洞調(diào)節(jié)劑和微量合金元素后的IGBT的焊接X-RAY圖像,圖5是圖6的對(duì)比圖片;圖8為錫膏中添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接MOS的X-RAY圖像,圖7為圖8的對(duì)比圖片。
其次,有機(jī)溶劑盡可能選擇高沸點(diǎn)溶劑,防止在焊接過程中形成飛濺等現(xiàn)象。
圖2 傳統(tǒng)無鉛錫膏焊接IGBT的X-RAY圖片
圖3 傳統(tǒng)錫膏添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接IGBT的X-RAY圖片
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圖4 高潔凈 焊片真空焊接工 藝下IGBT的X-RAY圖片
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圖5 傳統(tǒng)無鉛焊料IGBT的焊接X-RAY圖像
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圖6 添加空洞調(diào)節(jié)劑和微量合金元素后的IGBT的焊接X-RAY圖像
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圖7 傳統(tǒng)錫膏焊接MOS的X-RAY圖像
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圖8 錫膏中添加空洞調(diào)節(jié)劑后焊接MOS的X-RAY圖像
最后,焊接工藝應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化,具體如下:
1)PCB板防潮處理;
2)錫膏使用時(shí)的管控,建議常溫下使用時(shí)間不超過6個(gè)小時(shí),防止錫膏受潮;
3)回流曲線的合理設(shè)置,尤其是恒溫時(shí)間和峰值溫度的設(shè)置;
4)環(huán)境溫濕度的管控;
5)鋼網(wǎng)開孔方式,如田字、井字、斜型等或者幾種開孔方式相結(jié)合。
05 結(jié)語
通過合金化元素的添加,增加合金的流動(dòng)性及抗氧化性;添加空 洞調(diào)節(jié)劑-酸酐類物質(zhì)與焊接過程中生成的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),可有效降低因水汽造成的焊接空洞;通過焊接工藝的持續(xù)改進(jìn),有效降低焊接空洞。
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[8] 葛雪濤, 現(xiàn)代表面貼裝資訊 (2003) 52-63.
錫線、錫條、預(yù)成型焊片和焊錫球類
關(guān)于唯特偶