IGBT 模块作为目前国际上发展最迅速、 用途最广泛的功率半导体模块， 同时作为电力电子节能技术的核心器件， 使其在变频器、 电焊机、 开关电源、电动汽车等领域得到迅猛的发展。 IGBT 模块的可靠性对电力电子系统的稳定性、 可靠性至关重要。 因此， 如何提高 IGBT 模块的可靠性已成为 IGBT 模块封装设计的研究热点IPM （Intelligent Power Module， 智能功率模块）作为智能化的 IGBT 模块， 是将功率芯片、 驱动控制电路以及欠压、 过流、 短路保护电路集成于一体的新型模块， 其横截面如图 1 所示。

对于 IPM 模块封装而言， 由于其功率密度和集成化程度很高， 焊接技术已经成为其封装技术的关键环节， 一方面当焊接层 “空洞” 尺寸较大或者局部密度较大时， 会影响器件的温度分布， 使结温升高， 并容易在器件局部产生热电正反馈， 导致芯片局部形成热斑， 甚至造成器件烧毁； 另一方面影响着后续注塑工序， 若焊接残留助焊剂过多， 则注塑存在分层的风险， 影响产品质量与可靠性。文中选取 SnAg 焊膏， 采用真空回流焊接技术，通过试验研究影响焊接空洞率的因素， 采用超声波扫描设备对 IPM 模块注塑质量进行检测与分析， TC（温度循环） 测试验证模块可靠性。

1 试验

1．1 焊接原理

在焊接过程中， 产生焊接空洞的原因主要有两个： 一是焊接过程中， 焊料熔化过程中包裹的气泡所造成的焊接空洞； 二是焊接面的润湿不良所造成的焊接空洞， 一般情况下是由于被焊接面有轻微的氧化造成的。

真空回流焊接技术可以很好地减小上述因素的影响， 按照其工艺过程可分为预热、 回流和冷却 3个阶段。 在 预 热 阶 段， 焊接的各部件被均匀加热，焊膏中的助焊剂得到活化， 有利于提高焊接面的润湿性； 在回流阶段， 达到焊接温度时， 利用高纯氢气或富含氢的助焊气体对被焊表面进行还原清洗，去除氧化物， 使被焊表面具有良好的润湿性， 再利用真空技术使焊层内的气泡与外部形成压力差， 将焊接面内的气泡排除， 从而减少空洞； 最后采用可控的冷却方式， 在氮气氛围下进行冷却， 获得最佳电气和力学性能。

1．2 试验方案

采用真空回流焊设备， 分别对不同条件下助焊剂润湿时间、 真空度、 真空保持时间、 焊接温度等工艺参数对焊接质量的影响进行了研究。 在试验过程中， 选用同一批次的 IGBT， FRD 芯片和 DBC 板进行焊接， 采用氮气作为保护气体， 防止在升温和回流过程中出现氧化现象， 焊 料 选 取 SnAg 无铅 焊膏， 采用 X 射线对上述条件下制备的样品进行表征分析。 对焊接好的样品分为 2 组， 1 组样品直接进行注塑， 标记为样品 1； 另 1 组样品超声波清洗之后再进行注塑， 标记为样品 2。 采用超声波检测， 对料饼内部的分层情况进行表征分析。

结果分析

2．1 焊接空洞率

2．1．1 助焊剂润湿时间的影响

在试验过程中， 将助焊剂润湿时间分别设置为75， 95， 115 s， 得到助焊剂润湿时间对焊接空洞率的影响如图 2 所示。 由图 2 可以看出， 在润湿时间为 95 s 时， 焊接空洞率最低， 润湿时间较长或较短，焊接质量均不理想。 这是因为时间较短时， 助焊剂对被焊接面的润湿效果不理想， 去除焊接面氧化能力有限； 而当润湿时间较长时， 会影响焊锡膏的活性， 导致焊接质量变差。

2．1．2 真空度对焊接质量的影响

图 3 为真空度对焊接质量影响的曲线， 从图 3可以看出， 真空度对减小焊接空洞率非常有利， 真空度的高低对焊接空洞率的影响较大。 随着真空度的提高， 焊接空洞率逐渐减小。 在试验中， 当真空度≤300 Pa 时， 空洞率可以减小到 3％以下， 达到很好的焊接效果。 100 Pa 的真空度基本可满足 IPM 模块的焊接需求， 没有必要追求更高的真空度， 过高的真空度一方面会导致工艺成本的增加， 另一方面会出现焊珠、 芯片连焊等现象， 影响焊接质量。

2．1．3 真空保持时间对焊接质量的影响

达到设定的真空度后， 将真空保持时间分别设置为 0， 10， 20， 30 s， 研究了真空保持时间对焊接质量的影响， 得到的结果如图 4 所示。 由图 4 可以看出， 在真空保持时间为 20 s 时， 空洞率最低。 真空保持时间一方面影响由于压差导致气泡排除的时间， 另一方面影响焊锡膏的液相时间。 当真空保持时间较短时， 回流不充分， 锡膏活性不足； 而当真空保持时间过长时， 会产生润湿回缩现象， 影响焊接质量。

2．1．4 焊接温度对焊接质量的影响

焊接温度是影响 IPM 模块焊接质量关键因素之一， 焊接温度过低时， 焊料熔化不充分， 热能不能均匀地传到 被 焊 区 域， 焊接区域润湿效果不理想，影响焊接质量； 当焊接温度过高时， 会影响锡膏特性。 在 试 验 过 程 中， 将焊接温度分别设置为 220，225， 230， 235 ℃， 得到的焊接结果如图 5 所示。 由图 5 可以看出， 在焊接温度为 230 ℃时， 焊接空洞率最低。

通过对上述影响焊接质量工艺因素的研究， 最终通过优化工艺条件， 将焊接空洞率降到了 1％以下， 大大提高了芯片与 DBC 板的焊接质量， 结果如图 6 所示。

2．2 注塑可靠性

将样品 1 与样品 2 在 TC 测试之前分别进行超声波检测， 测试结果如图 7 及图 8 所示。 从图 7 和图 8可以看出， 在注塑工序后， 2 组样品注塑与 IGBT 芯片、 FRD 芯片、 铝线、 PCB 以及铜框架结合面颜色均匀， 说明没有出现分层现象， 注塑质量良好。

                                                             图 7 样品 1 的注塑超声波检测结果

为了验证注塑可靠性， 将样品 1 与样品 2 分别进行 TC 测试， 依据标准 JESD22－A106B， 测试条件设为： 测试温度为－40 ℃ 与 125 ℃， 各保持 30 min，－40 ℃与 125 ℃的转换时间短于 20 s， 完成－40 ℃与125 ℃测试一次作为一个循环， 共测试 500 个循环，测试结果如图 9 和图 10 所示。

在图 9 中， 可以观察到样品 1 注塑与键合点、功率芯片、 铜框架结合处出现明显的红色区域， 说明在 TC 测试之后， 样品 1 的注塑内部出现分层现象， 这些分层将会导致键合点损伤乃至断裂、 芯片的损伤、 铜框架与 DBC 焊层的损伤， 对产品可靠性产生影响， 甚至可能造成产品失效。 图 10 为样品 2注塑超声波检测结果， 将图 10 与图 9 进行比较， 可以看出， 在注塑与键合点、 功率芯片、 铜框架结合处并没有出现明显的红色区域， 说明产品可靠性得到了明显提升。

在 IPM 模块 封 装 中， 由于所选用的塑封料与DBC、 铝线、 铜框架、 功率芯片的热膨胀系数存在差异， 在 TC 测试中会产生热致应力， 当热应力积累到一定程度， 在注塑与其他部件结合面处就会出现裂纹、 分层。 在焊接工序后， 被焊元件、 焊接面周围存在助焊剂， 减弱注塑与其他部件的结合力， 经过 TC 测试之后， 由于热应力的影响更容易出现分层， 如样品 1； 而样品 2 并没有出现明显的分层是因为残留的助焊剂在经过超声波清洗之后得到有效清除， 如图 11 所示

文中系统性分析了助焊剂润湿时间、 真 空 度、真空保持时间、 焊接温度对芯片与 DBC 板焊层质量的影响， 通过试验， 获得了大量数据， 得到了空洞率随工艺参数变化的规律， 结论如下：

（1） 为了获得低焊接空洞率， 需要选取合适的助焊剂润湿时间， 较长或较短的润湿时间都会影响焊接质量。

（2） 低真空度有助于降低焊接空洞率。

（3） 焊接空洞率随着真空保持时间的延长与焊接温度的升高而降低， 当超过临界值后， 焊接空洞率随着真空保持时间的延长与焊接温度的升高反而会增加。

（4） 焊接后残留的助焊剂会造成注塑体在 TC 试验后出现分层， 对模块可靠性产生影响。