子单元长期存放对焊接质量的影响

来源：核心期刊咨询网时间：2022-03-25 11:2012

摘要：摘 要：长期进行IGBT器件焊接封装发现，IGBT器件封装所用关键部件子单元的存放时间长短对焊接空洞影响较大，本文分别对两批存放时间差别较大的子单元进行封装，通过实验对比两批产品的空洞率，结果表明存放时间较短的子单元焊接的IGBT器件空洞率明显偏小，从而提高了IG

　　摘 要：长期进行IGBT器件焊接封装发现，IGBT器件封装所用关键部件子单元的存放时间长短对焊接空洞影响较大，本文分别对两批存放时间差别较大的子单元进行封装，通过实验对比两批产品的空洞率，结果表明存放时间较短的子单元焊接的IGBT器件空洞率明显偏小，从而提高了IGBT器件的可靠性。

　　关键词：IGBT;焊接;封装;空洞率;子单元

　　IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率开关器件，具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通压降低、损耗小、通态电流大等诸多优点，已广泛应用于轨道交通、风力发电、电力系统、电动汽车、家电产业等领域。

　　IGBT器件长期在高电压、大电流和高频开关状态等运行环境中工作，其输出功率高，功耗大，发热量也大。研究表明，IGBT器件失效的原因很大程度是由温度升高造成的，器件的失效率会随着温度的升高而增长[1]。因此，在IGBT器件实际应用中，散热是提高器件可靠性及寿命的关键。

　　IGBT器件散热方式主要是纵向热传导，器件内部芯片上导通电流产生的热量作为主要热源，要通过器件封装多层结构由芯片层传到底板进行散热[2]。焊接式IGBT器件封装过程中，子单元是由芯片通过焊料焊接在DBC(覆铜陶瓷基板)上封装而成，而子单元是通过焊料焊接在底板上。底板作为绝缘基片提供机械支撑，并起到散热功能。底板不仅能够散热，而且其热扩散可使器件内部芯片温度分布更加均匀[3]。

　　在IGBT封装焊接工艺中，子单元与底板进行真空回流焊接后，由于工艺受限，均会存在空洞现象，而焊接过程中影响空洞率的因素有焊料、焊接温度、甲酸环境、真空度等多方面[4]。空洞的存在极大地影响了器件的热性能，使IGBT器件的热阻增大，散热性能降低，器件局部温度升高，长期运行会造成焊料层与底板脱层失效，从而降低IGBT器件的可靠性和使用寿命[5-6]。如何降低焊接过程中空洞率对提高IGBT器件可靠性意义重大。

　　本文从来料方面入手，将关键部件子单元进行来料检查，分别对存放时间半年内和3年以上的子单元进行IGBT器件封装，对比分析两批封装后产品的空洞率，从而为降低空洞率提供参考。

　　1 IGBT器件封装焊接技术

　　1.1 焊接原理及焊层空洞的形成机理

　　子单元焊接原理是将子单元、焊料和底板装配固定后进行加热，直到焊料熔化，利用液态焊料浸润底板并填充界面间隙，随后液态焊料结晶凝固，从而实现元器件的连接[7]。

　　焊接時，只有焊料很好的浸润被焊表面才能形成较好的焊接质量。然而，在焊接过程中，一方面受工装夹具装配方式影响，焊料与底板间本身存在着空气间隙，焊料熔化后表面张力会形成向内拉力，阻碍气泡排除，即便是在真空环境下焊接，也很难排出所有气泡，焊料冷却凝固后会残留一定数量的空洞;另一方面，所选焊料不含助焊剂成分，不会存在助焊剂融化挥发气体形成的气泡，但会受焊料加工工艺的影响，同一成分不同加工工艺的焊料浸润性不同，焊接面吸附力不好也会形成空洞;最后，由于材料保管不当造成焊接面氧化，也会导致焊接浸润性差，从而形成空洞。

　　而空洞率的检测是检验焊接质量的标准之一，“空洞”尺寸较大或者“空洞”局部密度过高都会影响焊接层的机械性能，从而降低连接强度，影响热导，会使IGBT器件局部过热引起失效[8]。

　　1.2 子单元焊接结构

　　焊接式IGBT器件封装过程中，需要考虑焊接、灌封和测试等工艺技术。传统的焊接技术通常采用真空回流焊接工艺，将含有芯片的子单元与底板进行焊接，焊接完成后进行空洞率检测。子单元焊接结构见图1。

　　

 

　　1.3 真空回流焊接工艺对IGBT器件空洞率的影响分析

　　真空回流焊接技术是封装过程中的核心技术，该工艺是在真空环境下，使熔化后的焊料中空气泡容易溢出，减少焊接层空洞率，增加焊接连通面积，降低界面热阻，对器件的寿命和可靠性都起着重要的作用。

　　为更好地分析2种封装形式对焊接质量的影响，本实验需要排除真空回流焊接工艺中其他因素对空洞率所造成的影响。

　　1)焊料

　　2种封装形式均需要通过焊料将子单元与底板进行真空回流焊接，确保焊接前焊料不被氧化，且材质型号相同，不存在助焊剂。

　　2)焊接条件[8]

　　真空回流焊接过程中，需要根据不同焊料特性设计合适的焊接回流曲线，如图3所示。焊接回流曲线分预热区、活性区、回流区和冷却区，不同区间控制焊接炉不同的运行温度、时间、真空度、抽真空速率、保压时间以及甲酸环境等工艺参数，这些工艺参数的选取均会对焊接质量造成不同的影响。在本次实验中，需要确保两种封装形式的焊接条件一致(如图2)。

　　2 实验及结果分析

　　2.1 实验设备

　　为避免其他因素对空洞率造成影响，实验设备采用相同的等离子清洗设备、真空回流焊接炉、超声波无损检测设备。实验开始前，先对子单元、底板、操作台、托盘、焊接盘等进行清洁，防止污染造成空洞。

　　2.2 实验处理

　　将两批IGBT分别进行封装：一种是对存放时间半年内的子单元进行封装，一种是对存放3年以上的子单元进行封装。每种封装分别实验10只IGBT器件，每只IGBT器件上焊有6个子单元。子单元焊接完成后进行空洞无损检测，可以分别检测出6个子单元总空洞率大小和每个子单元上最大空洞率的大小。如图3、图4所示，分别为子单元存放时间长和子单元存放时间短的2只IGBT器件焊接空洞率检测图像。

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