“焊接”5G时代，核心是降低空洞

 

    微电子焊料是电子产品组装过程中不可或缺的重要组成部分，它能够将器件的各部分有效地连接在一起。随着5G时代的到来，电子技术向着高功率、高密度和集成化的方向发展，对于大功率器件的封装如IGBT、MOS、大功率LED等，也相应地对焊接材料提出了更高的、更全面的可靠性需求。^[1]

 

01 几类功率器件封装的现状

 

      IGBT，一种功率半导体，它是能源转换与传输的核心器件，是电力装备的CPU。采用IGBT进行功率转换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点^[1]，其应用领域有工业领域（如变频器/逆变器），家用电器领域（如变频空调、洗衣机等），轨道交通领域（如动车、轻轨、地铁等），新能源领域（如新能源汽车、风力发电），医学领域（如医疗稳压电源），军工航天领域（如飞机、舰艇），可以说，当代社会IGBT无处不在。

 

      整个IGBT模块中，最重要问题之一就是散热，因此迫切需要良好的热管理方案，比如DBC陶瓷覆铜板，其材料涉及氧化铝、氮化硅等，还有更多的新型材料在开发中，这些材料都是为了更好地服务于模块的热传导和电传导性能，所以焊接材料显得尤为关键。

 

      IGBT组装分一次焊接和二次焊接，一次焊接主要是焊接芯片，这部分焊接主要是建立电流通路和散热通路，对空洞率要求最高；二次焊接主要是针对DBC底板，^{[2, 3]}这部分焊接主要起散热的作用，IGBT模块组装结构如图1所示。

 

 

图1 IGBT焊接结构图

 

      焊接IGBT模块主要采用锡膏和预制成型锡片两种形态焊料，焊接要求如下：工业级模块，单个空洞率＜1%，整体空洞率＜3%；新能源领域，单个空洞率＜1%，整体空洞率＜1.5%。对于新能源汽车而言，锡膏很难满足这样严苛的空洞要求，只有部分工业化模块才会使用锡膏。由此可见，为更好地降低空洞，保证稳定的低空洞是IGBT模块封装的迫切诉求。

 

      IGBT的焊接工艺区别于传统的回流焊，它采用真空共晶炉+氮气+氢气（还原），也有采用真空回流炉+氮气+甲酸（还原）。^[4]一般情况，高洁净焊片可满足较高空洞要求，但采用锡膏焊接新能源领域的模块时，空洞率很难稳定在1.5%以下，另外，用户端经常遇到的问题之一，即焊层厚度不均匀，这可能的原因是焊料熔化时润湿铺展的先后时间导致。^{[1, 4, 5]}

 

      汽车电子应用的功率器件MOS，其底部有个散热焊盘，焊接空洞的大小直接影响其散热，直接导致发热以及应力的产生；对于大功率LED，如果不能保证其良好的散热通道，直接导致LED灯珠的死灯，光衰等问题。所以，所谓的解决散热，最核心的就是极大可能地降低焊接空洞^[6]。

 

02 锡膏的焊接机理

 

      锡膏主要组成部分主要有触变剂、松香或者合成树脂、活化剂和溶剂。松香的作用：固态时，化学性质稳定；液态时，可润湿锈蚀的金属表面，有足够低的粘度，便于去除生成物；焊接后，可形成稳定的绝缘层。活性剂主要指有机酸，形成焊点前不分解，否则就不能去除氧化物，焊接时，与被焊金属表面的氧化物反应生成有机酸盐和水。触变剂和溶剂决定了锡膏的塌落性与黏性。很多有机酸不溶于松香，采用溶剂，使有机酸与松香混合，均匀地铺展在焊点表面，发挥去除氧化物的功能。^[7]在实际焊接时，130℃以下约有10%的溶剂挥发，130-190℃再有约50%的溶剂挥发掉，当温度达到焊料熔点时，焊球熔化，活化剂分解，随后冷却，焊剂成膜，固住残留物。

 

03 空洞产生原因

 

      活化剂与被焊金属表面氧化物发生化学反应，主要有如下两类反应：

      反应其一，生成可溶性盐类，如式（1.1)~(1.2).

      M_eO_n+2nRCOOH→ M_e(RCOO)_n+H₂O .................1.1

      M_eO_n+2nHX →  M_eX_n+nH₂O.................................1.2

 

      其二是氧化还原反应，如式（1.3)~(1.4).

      MeO+2HCOOH → M_e(COOH)₂+H₂O......................1.3

      Me(COOH)₂+M_e+CO₂+H₂............................1.4

 

      这两类化学反应均生成水分，而焊膏使用过程中可能会吸收部分水分，助焊膏溶剂的挥发等也会带走部分水分。焊接过程中，如果这些水气如不能顺利排出，将直接以空洞的形势保留下来。

 

      其次在基板方面，PCB板吸潮，焊盘导通孔设计不当，焊盘表面化学处理方式不同等，都会导致空洞的形成。一般空洞率大小依次为，OSP>ENIG>Ag>Sn=HASL。^[3]

 

      环境大气压的剧变对空洞的影响也不容忽视。先假定大气环境的气压为P0，回流炉膛的气压为P1，当炉膛内气压呈负压时，有利于聚集在炉膛内的挥发性气体排出，否则，炉膛内挥发性气体排放不畅甚至堵塞而滞留在焊料球内形成空洞。焊接工艺温度曲线的影响也不容忽视，如恒温时间增加，则空洞减少，这是因为恒温时间的延长，有利于溶剂，水分等气体的向外排出。

 

      此外，峰值温度越高，空洞增大，这是由于过高的温度可能会导致气体的过分膨胀，焊料的飞溅，以及PCB板内气体的溢出等。

 

04 空洞解决方案

 

      针对上述空洞产生的原因，可从三个方面解决：

      1. 合金改进，在合金中加入增强焊料润湿铺展的微量元素[6, 8]；

      2. 改进助焊膏，其核心是加入了空洞抑制剂；

      3. 焊接工艺的持续改进。

 

      针对传统无铅合金改进，通过添加微量元素Mn、Ni等，制备新型焊料合金，主要改善焊料的合金性能（能用），改善焊料的工艺性能（好用），改善焊料的可靠性能（稳定可靠）。增加合金微量的目的有：

      1. 提高润湿性、流动性, 减少锡桥等焊接不良与抑制裂纹产生；

      2. 界面稳定化元素抑制铜蚀和界面IMC层增厚；

      3. 细化组织元素的添加,促进非均质形核、使焊点表面光亮；

      4. 保留了传统无铅合金的良好延展性,缓和元件与PCB基板的膨胀率差异引起的伸缩效应；

      5. 抗氧化的添加使减少锡渣、提高产品稳定性和焊点/镀层耐久性。

 

      另外，合金改进的其他方案建议如下：

 

      1）合金体系中添加一定量的In、Ga、P、Ni、Sb等微量元素，增加合金的流动性和抗氧化性；

      2）合金粉的氧含量控制；

      3）尽可能避免采用细粉；

      4）采用预制成型焊片工艺。

 

      实验中，重点对助焊膏成分进行了优化，针对空洞改善，研究人员提出了添加一种空洞调节剂的方式。即添加一种酸酐类物质，其反应机理：与水发生化学反应，生成多元有机酸，生成的多元有机酸继续参与反应，去除焊料与被焊金属表面的氧化物，从而减少了水分对空洞的影响，焊接效果见图3（添加空洞调节剂后焊接IGBT的X-RAY图片），图2为图3的对比图片（传统无铅锡膏焊接IGBT的X-RAY图片），图4为高洁净焊片真空焊接工艺下IGBT的X-RAY图片；图6为同时添加空洞调节剂和微量合金元素后的IGBT的焊接X-RAY图像，图5是图6的对比图片；图8为锡膏中添加空洞调节剂后焊接MOS的X-RAY图像，图7为图8的对比图片。

 

      其次，有机溶剂尽可能选择高沸点溶剂，防止在焊接过程中形成飞溅等现象。

 

图2 传统无铅锡膏焊接IGBT的X-RAY图片

 

图3 传统锡膏添加空洞调节剂后焊接IGBT的X-RAY图片

 

图4 高洁净焊片真空焊接工艺下IGBT的X-RAY图片

 

图5 传统无铅焊料IGBT的焊接X-RAY图像

 

图6 添加空洞调节剂和微量合金元素后的IGBT的焊接X-RAY图像

 

图7 传统锡膏焊接MOS的X-RAY图像

 

图8 锡膏中添加空洞调节剂后焊接MOS的X-RAY图像

 

最后，焊接工艺应当不断优化，具体如下：

 

1）PCB板防潮处理；

2） 锡膏使用时的管控，建议常温下使用时间不超过6个小时，防止锡膏受潮；

3）回流曲线的合理设置，尤其是恒温时间和峰值温度的设置；

4） 环境温湿度的管控；

5） 钢网开孔方式，如田字、井字、斜型等或者几种开孔方式相结合。

 

05 结语

 

通过合金化元素的添加，增加合金的流动性及抗氧化性；添加空洞调节剂-酸酐类物质与焊接过程中生成的水分发生化学反应，可有效降低因水汽造成的焊接空洞；通过焊接工艺的持续改进，有效降低焊接空洞。

 

参考文献：

[1] 程鹏飞, LF2000 锡膏印刷性能及回流焊后空洞的研究, 哈尔滨工业大学, 2010.

[2] 林雨生, 电子封装用喷印锡膏和助焊剂制备技术研究, 沈阳工业大学, 2019.

[3] 汪文兵, 王鑫, 陈国冠, 电子工艺技术 41 (2020) 159-162.

[4] 王永帅, 焊锡膏的适用性与检测技术研究, 北华航天工业学院, 2019.

[5] 杨根林, 焊锡膏特性和模板工艺对稳定印刷品质的要因解析, 2014 中国高端 SMT 学术会议论文集, 2014.

[6] 黄家强, BGA 结构 “Cu 基底/锡球/锡膏/Cu 基底” 混装焊点界面反应及可靠性研究, 华南理工大学, 2018.

[7] 杨建伟, 电子与封装 19 (2019) 9.

[8] 葛雪涛, 现代表面贴装资讯 (2003) 52-63.

 

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