IGBT焊接层空洞的形成及解决方案

IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；

IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

IGBT模块的制造工艺和流程

生产制造流程：

丝网印刷→自动贴片→真空回流焊接→超声波清洗→缺陷检测（X光）→自动引线键合→激光打标→壳体塑封→壳体灌胶与固化→端子成形→功能测试

IGBT封装技术

IGBT作为重要的电力电子的核心器件，其可靠性是决定整个装置安全运行的最重要因素。由于IGBT采取了叠层封装技术，该技术不但提高了封装密度，同时也缩短了芯片之间导线的互连长度，从而提高了器件的运行速率。但也正因为采用了此结构，IGBT的可靠性受到了严重挑战。由于IGBT主要是用来实现电流的切换，会产生较大的功率损耗，因此散热是影响其可靠性的重要因素。

一、焊接层空洞是影响IGBT可靠性的重要因素

IGBT模块封装级的失效主要发生在结合线的连接处，芯片焊接处和基片焊接处等位置。尤其两个焊接处，是IGBT主要的热量传输通道，焊接处的焊接质量是影响其可靠性因素的重中之重。

IGBT封装

研究表明，焊料层内的空洞会影响温度热循环，器件的散热性能降低，这也会促进温度的上升，影响期间在工作过程中的热循环，造成局部温度过高，从而加快模块的损坏。有调查表明，工作温度每上升10℃，由温度引起的失效率增加一倍。并且，应力与应变之间存在着滞回现象，在不断地温度循环当中，材料的形状实时地发生改变，这又增加了焊料层的热疲劳。因此对于IBGT封装来说，最重要的就是要降低焊料层内的空洞。

二、IGBT焊接层容易产生空洞的原因

焊接层空洞的产生，主要是由于焊接材料中的挥发物留着焊接层中造成，而IGBT的芯片通常都比较大，长会达到10mm-20mm，并且DBC的尺寸通常在20mm-40mm，如此大的焊接面积，给焊接材料中的挥发物挥发造成很大困难。因此IBGT焊接层的空洞成为人们极力解决的问题。而对于IGBT高可靠性的要求，空洞率必然是封装环节的一个重要控制因素。通常小家电、普通电气装备用的IGBT要求空洞率<5%，对于轨道交通、航空航天等领域，空洞率要求更加苛刻，甚至需要达到0.1%以下。

空洞率不合格（大于30%）空洞率合格（小于5%）

三、IGBT封装形式和空洞的关系

一）焊接材料形式：

1、焊片：是当前IBGT领域使用最为广泛的焊料
优点：有机组份使用量少，空洞低。

缺点：操作不方便；每种产品需要特定尺寸的焊片。

2、锡膏：使用锡膏是近几年IGBT封装领域逐渐兴起的工艺
优点：操作方便，成本低，适用各种规格产品的焊接。
缺点：大量有机组分挥发容易造成空洞；必须清洗掉残留物。

使用锡膏焊接，为了促进锡膏内挥发物的挥发，通常会将锡膏印刷成若干矩形的阵列，尤其印刷在基板与DBC之间的锡膏，锡膏之间的通道会方便挥发物的排出。但这要求锡膏的挥发性和润湿性与工艺有很好的匹配，否则在沟槽处很容易产生空洞。

二）焊接工艺

一次封装：DBC/基板和DBC/芯片同时放置焊料，一次过炉实现同时焊接。
优点：效率高；
缺点：两层焊料同时熔化，陶瓷片在上下两层熔融焊料间浮动，增加空洞排出的难度。
阶梯封装：先将DBC/基板之间使用高熔点焊料进行焊接，然后DBC/芯片之间使用低熔点焊料二次焊接（二次焊接时，一次焊接的焊料不熔化）。
优点：避免DBC在熔融焊料间浮动，空洞率较低；
缺点：生产效率低。

三）焊接炉的选择

对于要求高的IGBT产品须使用真空炉焊接，真空负压有利于锡膏中挥发物的排出。但真空度和真空时机应与锡膏匹配，否则不易达到理想的效果。

为适应市场对IBGT焊锡膏低空洞率和高可靠性的要求，深圳市晨日科技股份有限公司在十多年来在半导体封装材料、LED封装材料和电子组装材料技术研发的基础上，开发出了MO3和S03(水洗)两款IGBT封装无铅锡膏和GT40 IGBT封装有机硅凝胶