功率模塊焊接材料及應(yīng)用介紹

作者： 羅金濤

近年來，新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展在帶給消費(fèi)者生活便利、提高生產(chǎn)效率的同時，也給相關(guān)行業(yè)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。如何正確選擇賽道，如何切入一個有良好前景的產(chǎn)業(yè)？在新能源賽道如火如荼當(dāng)下，圈內(nèi)如何持續(xù)改善，提高競爭力，圈外如何踏足圈內(nèi)，成功轉(zhuǎn)型，抓住未來的風(fēng)口，唱好新能源發(fā)展篇章，是所有從業(yè)企業(yè)都需要考慮的問題。賀利氏電子愿為行業(yè)伙伴和廣大客戶提供全面、領(lǐng)先的解決方案。

本文將聚焦近年來大熱的功率模塊焊接問題。

功率分立器件通常用于低功率/低電壓應(yīng)用 ，其功率從毫瓦級別到上千瓦，電壓從1伏以下到600伏以上。功率模塊有最大的應(yīng)用范圍，從幾百瓦到兆瓦級，從48伏到幾千伏 ，涵蓋消費(fèi)電子、工業(yè)控制、新能源汽車、交通運(yùn)輸、高鐵、發(fā)電變電輸電儲能等眾多領(lǐng)域。晶閘管用于最高電壓和最高功率應(yīng)用，例如高壓直流。

圖1：功率器件的應(yīng)用（a）

功率模塊方面，各大品牌廠商的型號林林總總，但總體形式一般都基于IGBT單管或模塊或增加控制電路再并聯(lián)或串聯(lián)封裝成模塊等形式。芯片基礎(chǔ)材料涵蓋了所有功率技術(shù)--硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料。

以常見的IGBT模塊封裝形式為例，其結(jié)構(gòu)中以直接鍵合銅陶瓷板（DBC）為基礎(chǔ)，其上通過焊料焊接IGBT 及FWD芯片和互聯(lián)引腳。芯片上需要進(jìn)行鋁線/鋁帶鍵合。DBC 底部焊接導(dǎo)熱基板或直接連接于散熱器。表面封裝后就是IGBT 模塊的完整形式。

圖2：有散熱基板封裝

圖3：無散熱基板封裝

在陶瓷覆銅板上下表面焊接互聯(lián)技術(shù)中，涉及到的材料通常為高鉛錫膏、無鉛錫膏、預(yù)成型焊片、助焊劑以及時下最吸引行業(yè)目光的新星--燒結(jié)銀（silver sinter paste）材料等。

圖4：賀利氏功率模塊焊接材料類型

對于高鉛錫膏，從行業(yè)經(jīng)驗(yàn)看，Pb(92.5%)Sn(5%)Ag(2.5%)合金具有很好的可靠性。組成成分方面，Pb易與Sn形成良好的共晶，進(jìn)而形成可靠的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)具有延展性，但其濕潤性能不足。Sn組分扮演活性金屬的角色，易與銅 / 鎳 / 銀 框架形成金屬間化合物（IMC），能夠增強(qiáng)合金的焊接性。Ag組分通常形成針狀A(yù)gSn結(jié)構(gòu)，其有利于提高焊接界面機(jī)械強(qiáng)度，起到加強(qiáng)合金微觀結(jié)構(gòu)的作用。而且，高鉛合金的熔化區(qū)間溫度（280 ~ 310°C）較高，這意味著其形成的焊點(diǎn)能夠承受較高的再熔溫度，有利于多次焊接中梯度溫度窗口的形成，同時具有更好的高溫環(huán)境耐受能力。此外，高鉛合金優(yōu)異的焊接可靠性和抗疲勞能力，也是其經(jīng)久不衰、始終活躍在可靠焊接領(lǐng)域的原因。另外，錫膏在功率器件中的應(yīng)用包括鋼網(wǎng)印刷和點(diǎn)錫兩種工藝，需要不同的錫膏產(chǎn)品適配。

表1，賀利氏高鉛錫膏產(chǎn)品??

對于無鉛焊料，目前賀利氏電子也已開發(fā)出全方位適配的產(chǎn)品，其中包括典型的 SnAg3.5、SnAgCu、SnSb、Innolot 和 HT1 (賀利氏專利合金) 合金系列產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)粉徑：3號、4號粉。合金以Sn為主體，Cu組分有利于形成CuSn顆粒狀晶相結(jié)構(gòu)和金屬間化合物（IMC），增強(qiáng)焊接強(qiáng)度，以及平衡基板中銅向焊料內(nèi)部的快速擴(kuò)散，減低柯肯達(dá)爾空洞的發(fā)生（如圖5）。Sb組分可溶于錫，有利于增加焊接界面可靠性，提高合金熔化溫度窗口。

圖5：加速老化試驗(yàn)中的柯肯達(dá)爾空洞(b)

SnAg3.5合金錫膏可應(yīng)用于中、高壓模塊：由于無Cu，其形成的焊點(diǎn)更軟，具有更好的抗蠕變變形（抗剪切開裂）能力，有利于不同CTE 材料變形時內(nèi)應(yīng)力的釋放。SnAgCu合金錫膏是較成熟的無鉛合金焊料，可滿足低壓或中壓模塊的應(yīng)用場景。SnSb合金錫膏適用于中、高壓模塊，具有優(yōu)秀的抗疲勞性能和較好的工藝操作性。

這里重點(diǎn)介紹一下 HT1合金錫膏，其在使用陶瓷基板或直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)的應(yīng)用中，能顯著提高焊接可靠性。其目標(biāo)工作溫度最高可達(dá)175°C，而作為對比，SAC無鉛焊料不建議超過125°C。與陶瓷電路相關(guān)的主要失效問題之一是Ag基界面溶解到焊料中，也稱為Ag浸出。隨著Ag慢慢地溶解到焊點(diǎn)中，銀錫金屬間相變厚，并能使焊點(diǎn)發(fā)生脆性（如圖6）。其次，HT1合金能顯著提高焊接可靠性（如圖8）。 HT1合金優(yōu)異的性能主要得益于Sn、Ag、Cu、In 以及結(jié)晶促進(jìn)劑的專利配方成分，對標(biāo)準(zhǔn)SAC合金進(jìn)行了改性，合金中添加了銦和特殊的晶體改進(jìn)劑。銦有助于抑制浸出過程，晶體改性劑有助于形成結(jié)晶核，形成小的星形晶體（如圖7）。其可以控制和減少金屬間相，特別是AgSn相的生長。

圖6，銀基界面的Ag浸出(C)

圖7：InnoRel HT1合金晶相結(jié)構(gòu)(C)

圖8：HT1與其他合金剪切應(yīng)力衰減對比(C)?

表2：賀利氏無鉛錫膏產(chǎn)品

對于焊片產(chǎn)品，其優(yōu)勢是由賀利氏擁有專利的高可靠性合金預(yù)制成型，微量助焊劑輔助焊接定位，可以避免焊接后的清洗工藝，同時一定程度減少真空焊接飛濺問題，實(shí)現(xiàn)高可靠性焊接。

注：1. 焊片搭配助焊劑型號推薦: SF64

2. Innolot 合金特性可參考《高可靠性焊接材料INNOLOT合金的性能及應(yīng)用》。

表3：賀利氏焊片產(chǎn)品??

對于燒結(jié)銀產(chǎn)品，我們將在另外文章中單獨(dú)介紹。

以上是對功率模塊產(chǎn)品常用焊接材料及其應(yīng)用特性的介紹。由于篇幅有限，不能詳盡闡述，如有更進(jìn)一步需求，可與賀利氏電子聯(lián)系，我們擁有完備的焊接材料產(chǎn)品線，及優(yōu)秀的研發(fā)、工程團(tuán)隊(duì)，期待與您攜手合作！

參考文獻(xiàn)：

a)IISB, Prof.Marz,own compilation；

b)Tz-Cheng Chiu, Kejun Zeng, Roger Stierman and Darvin Edwards, Kazuaki Ano, " Effect of Thermal Aging on Board Level Drop Reliability for Pb-free BGA Packages", 54th ECTC, P.1256-1262, June 1-4, 2004, Las Vegas, Nevada.

c)Heraeus Material Technology, Anton Z. Miric, July 2011

審核編輯 黃宇