技术分享丨IGBT封装空洞的隐患和影响因素

摘自：CEIA电子智造

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，因此他的散热是影响其可靠性重要因素。

 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。

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。

 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。 

3、纳米银／铜膏：对于高温使用环境，需要焊接层具有更高的耐温性和导热性。纳米银膏或纳米铜膏利用其纳米尺寸效应，可在低温下实现烧结，达到互连效果，可获得空隙率较低的烧结层，并且烧结层可恢复到银或铜的常规熔点，相对于当前的锡基焊料又具有更好的导热性能，是未来大功率IGBT封装理想的互连材料。

优点：通过加压烧结可获得低空隙率烧结层，烧结层导热性优异、耐高温，可靠性高；

缺点：成本较高，当前只适合高端产品封装

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。

来源：赵朝辉 微纳互连

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