摘自：CEIA電子智造

IGBT作為重要的電力電子的核心器件，其可靠性是決定整個裝置安全運行的最重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術(shù)，該技術(shù)不但提高了封裝密度，同時也縮短了芯片之間導(dǎo)線的互連長度，從而提高了器件的運行速率。但也正因為采用了此結(jié)構(gòu)，IGBT的可靠性受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。由于IGBT主要是用來實現(xiàn)電流的切換，會產(chǎn)生較大的功率損耗，因此他的散熱是影響其可靠性重要因素。

 一、焊接層空洞是影響IGBT可靠性的重要因素

IGBT模塊封裝級的失效主要發(fā)生在結(jié)合線的連接處，芯片焊接處和基片焊接處等位置。尤其兩個焊接處，是IGBT主要的熱量傳輸通道，焊接處的焊接質(zhì)量是影響其可靠性因素的重中之重。

研究表明，焊料層內(nèi)的空洞會影響溫度熱循環(huán)，器件的散熱性能降低，這也會促進(jìn)溫度的上升，影響期間在工作過程中的熱循環(huán)，造成局部溫度過高，從而加快模塊的損壞。有調(diào)查表明，工作溫度每上升10℃，由溫度引起的失效率增加一倍。并且，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著滯回現(xiàn)象，在不斷地溫度循環(huán)當(dāng)中，材料的形狀實時地發(fā)生改變，這又增加了焊料層的熱疲勞。因此對于IBGT封裝來說，最重要的就是要降低焊料層內(nèi)的空洞。

 二、IGBT焊接層容易產(chǎn)生空洞的原因

焊接層空洞的產(chǎn)生，主要是由于焊接材料中的揮發(fā)物留著焊接層中造成，而IGBT的芯片通常都比較大，長會達(dá)到10mm-20mm，并且DBC的尺寸通常在20mm-40mm，如此大的焊接面積，給焊接材料中的揮發(fā)物揮發(fā)造成很大困難。因此IBGT焊接層的空洞成為人們極力解決的問題。而對于IGBT高可靠性的要求，空洞率必然是封裝環(huán)節(jié)的一個重要控制因素。通常小家電、普通電氣裝備用的IGBT要求空洞率<5%，對于軌道交通、航空航天等領(lǐng)域，空洞率要求更加苛刻，甚至需要達(dá)到0.1%以下。

 三、IGBT封裝形式和空洞的關(guān)系

一）焊接材料形式：

1、焊片：是當(dāng)前IBGT領(lǐng)域使用最為廣泛的焊料

優(yōu)點：有機組份使用量少，空洞低。

缺點：操作不方便；每種產(chǎn)品需要特定尺寸的焊片。

 2、錫膏：使用錫膏是近幾年IGBT封裝領(lǐng)域逐漸興起的工藝

優(yōu)點：操作方便，成本低，適用各種規(guī)格產(chǎn)品的焊接。

缺點：大量有機組分揮發(fā)容易造成空洞；必須清洗掉殘留物。

使用錫膏焊接，為了促進(jìn)錫膏內(nèi)揮發(fā)物的揮發(fā)，通常會將錫膏印刷成若干矩形的陣列，尤其印刷在基板與DBC之間的錫膏，錫膏之間的通道會方便揮發(fā)物的排出。但這要求錫膏的揮發(fā)性和潤濕性與工藝有很好的匹配，否則在溝槽處很容易產(chǎn)生空洞。 

3、納米銀／銅膏：對于高溫使用環(huán)境，需要焊接層具有更高的耐溫性和導(dǎo)熱性。納米銀膏或納米銅膏利用其納米尺寸效應(yīng)，可在低溫下實現(xiàn)燒結(jié)，達(dá)到互連效果，可獲得空隙率較低的燒結(jié)層，并且燒結(jié)層可恢復(fù)到銀或銅的常規(guī)熔點，相對于當(dāng)前的錫基焊料又具有更好的導(dǎo)熱性能，是未來大功率IGBT封裝理想的互連材料。

優(yōu)點：通過加壓燒結(jié)可獲得低空隙率燒結(jié)層，燒結(jié)層導(dǎo)熱性優(yōu)異、耐高溫，可靠性高；

缺點：成本較高，當(dāng)前只適合高端產(chǎn)品封裝

二）焊接工藝

一次封裝：DBC/基板和DBC/芯片同時放置焊料，一次過爐實現(xiàn)同時焊接。

優(yōu)點：效率高；

缺點：兩層焊料同時熔化，陶瓷片在上下兩層熔融焊料間浮動，增加空洞排出的難度。

階梯封裝：先將DBC/基板之間使用高熔點焊料進(jìn)行焊接，然后DBC/芯片之間使用低熔點焊料二次焊接（二次焊接時，一次焊接的焊料不熔化)。

優(yōu)點：避免DBC在熔融焊料間浮動，空洞率較低；

缺點：生產(chǎn)效率低。

三）焊接爐的選擇

對于要求高的IGBT產(chǎn)品須使用真空爐焊接，真空負(fù)壓有利于錫膏中揮發(fā)物的排出。

但真空度和真空時機應(yīng)與錫膏匹配，否則不易達(dá)到理想的效果。

來源：趙朝輝 微納互連

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