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“焊接”5G时代,核心是降低空洞

“焊接”5G时代,核心是降低空洞

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    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91香蕉视频官网下载提出了更高的、更全面的可靠性需求。[1]

 

0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91香蕉视频官网下载涉及氧化铝、氮化硅等,还有更多的新型91香蕉视频官网下载在开发中,这些91香蕉视频官网下载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91香蕉视频官网下载显得尤为关键。

 

      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]

 

0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).

      MeOn+2nRCOOH→ Me(RCOO)n+H2O .................1.1

      MeOn+2nHX →  MeXn+nH2O.................................1.2

 

      其二是氧化还原反应,如式(1.3)~(1.4).

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

      Me(COOH)2+Me+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。

 

0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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