功率半导体模块焊接及无损检查工艺的探析

功率半导体模块焊接及无损检查工艺的探析 摘　要：基于多年对新型功率半导体模块焊接工艺的研究，本文进一步探析了“真空+气体

保护”焊接、缺陷无损检查工艺及提高焊接质量的方法。

关键词：功率模块，无空洞焊接，“真空+气体保护”焊接工艺，焊接缺陷无损检查

Abstract: Abstract: Drawing on years of research of welding technology of new power semiconductor module,this paper further analyzes “vacuum and gas protection”welding technology,defect nondestructive inspection technology and the method to improve the welding quality.

Key words: Power Module, No Empty Welding, “Vacuum And Gas Protection”Welding Technology, Welding defect nondestructive examination

1. 引言

新型功率半导体器件模块(以下简称功率模块)产品(如IGBT、MOSFET)是目前国际上发展最迅速、用途最广泛的功率半导体模块。作为电力电子节能技术的核心器件，现今已广泛应用于

输变电(智能电网等)、冶金(高中频炉等)、马达驱动(变频器等)、轨道交通(高铁、轻轨、地铁等)、大功率电源(电焊机、开关电源等)、环保节能新能源领域(电动汽车及太阳能、风电等)及节能家电产品(如空调机、电冰箱等)等各个领域，市场前景十分广阔。

随着模块功率密度加大和集成化程度的不断提高，对焊接质量的要求也越来越高，对于大

功率焊接型模块来说，高功率、大电流、多芯片焊接技术及其焊接质量无损检测技术尤其重

要，因此功率模块的焊接已成为功率模块封装的核心技术，无损检测成为关键检测工艺。作者

根据多年来对“真空+气体保护”功率模块焊接及无损检测技术的研究，在提高功率模块焊接质量

方面积累了一定的经验。

2. 常用焊接工艺简介

2.1 热板焊接工艺

热板焊接可分为不带箱体的平板式热板焊接工艺和带恒温箱体的热板焊接工艺，其中后者

的恒温效果更好。热板焊接工艺的优点是设备简单、成本低，以往常应用在一般硅器件的焊

接。由于该工艺焊接质量难以保证，现已被淘汰，仅在少数小工厂中使用。

2.2 回流焊接工艺

回流焊接工艺一般指在链式炉上实施的焊接工艺，通常是在氮气或氢氮混合气体保护下，

多采用膏状焊料，能够满足一般硅整流器件或其模块的焊接质量要求，有效焊接面积达到85%

以上。由于其非常适合大规模批量化的生产要求，因而在八十年代和九十年代初被广泛采用，

但由于炉带输送的“抖动”易使焊料结晶时产生“位错”和由于氧化、气泡造成焊接“空洞”等焊接质量问题，不适用于新型功率半导体器件的焊接。“位错”会造成焊接层的电及机械性能下降。“空

洞”则会降低模块的电及热传导性，使有效导电、散热面积减少、热阻增加，导致热点的产生，

降低了模块的可靠性。

2.3 真空焊接工艺

真空技术是帮助液态焊料去除空洞的可靠方法。真空焊接工艺是指在可以抽真空的箱式焊

接炉中实施的焊接工艺，通常采用膏状焊料，有效的避免了链式炉运行中炉带抖动所导致得焊

料“位错”引起的焊接不良问题。通过抽真空排除气泡，从而减少了焊接“空洞”的产生，提高了焊

接质量。对于宜于实施膏状焊料焊接工艺的可控硅等半控器件来讲，有效焊接面积可达95%-99%，是一种较为理想的焊接方法。但由于需要清洗残留助焊剂，易引起二次沾污和氧化，对

于需要二次键合工艺的IGBT、MOSFET模块，则效果不太理想。

2.4 “真空+气体保护”焊接工艺

该工艺是在真空焊接工艺的基础上发展起来的，由美国GE公司首先提出，并被应用于航天、航空等军工器件的焊接上。从九十年代初开始应用于工业级半导体器件的生产中。由于该

工艺同时采用了“静止”焊接、“氮气”保护、“真空”除气泡和“H气体”除氧化助焊等多种焊接工艺，

具有较为理想的焊接效果，而且由于具备了免清洗特点，更适用于IGBT、MOSFET等全控器件的生产，是目前国际上先进的焊接工艺。新佳电子公司目前正使用这种焊接工艺并研发出自己

的“ZKH+H”焊接工艺软件，效果好。本文将在第二节中重点介绍该工艺。

3. “真空+气体保护”焊接工艺

3.1 工艺原理

通常情况下，影响焊接质量的最主要因素是焊接“空洞”，产生焊接空洞的原因：一是焊接过

程中，铅锡焊膏中助焊剂因升温蒸发或铅锡焊片在熔化过程中包裹的气泡造成焊接空洞。而真空环境可使空洞内部和焊接面外部形成高压差，压差能够克服焊料粘度，达到释放空洞的效果;二是焊接面的不良加湿所造成的焊接空洞，一般情况下是由于被焊接面有轻微的氧化造成的，这包括了由于材料保管的不当造成的部件氧化和焊接过程中高温造成的氧化，即使真空技术也不能完全消除其影响。在焊接过程中适量的加入氢气或N2+HCOOH助焊气体可有效地去除氧化层，使被焊接面有良好的浸润性，加湿良好。基于上述原理，经过多年的探索，“真空+气体保护”焊接技术现已成为高功率、大电流、多芯片功率模块封装焊接工艺的最佳选择。

该焊接工艺升温时利用高纯氮气保护焊接组件不被其氧化。到达焊接温度时利用高纯氢气或N2+HCOOH助焊气体对焊接表面进行还原清洗，去除氧化物，使焊接表面具有良好的浸润性。再利用真空技术将焊接面内的气泡排除，保证焊接面内无空洞，焊接面有良好的欧姆接触。最后采用可程控的冷却方式，获得被焊接面的最佳电气及机械性能。全过程在具有程控加热、冷却、真空、充气功能的真空仓内进行。

3.2 工艺特点

通常情况下，功率模块焊接的工艺原理是基本相同的，但对于不同用途的功率模块，其电路拓扑不同，内部的芯片的数量、电流大小和结构设计不同，使用的焊料不同，因而其具体的焊接工艺参数是不尽相同的，本文仅就作者从事IGBT模块的焊接工艺研究工作中所掌握的情况概括地叙述一下，仅供参考。具体的参数值应在具体的工艺试验中确定。

影响焊接质量的主要因素有元器件和零部件表面状态、焊接材料性能以及焊接工艺条件等，本文重点讨论焊接工艺条件。主要工艺条件包括工艺温度、真空度、升温速率、降温速率，恒温时间、保护气体的种类及纯度等。正确的设置这些参数是保证焊接质量重要前提。工艺参数的设置与工艺设备直接相关。下面我们介绍两种“真空+保护气体”焊接工艺：

3.2.1 单真空仓工艺

图3.1是我们公司自行研发的“ZKH+H”焊接工艺示意图，显示了“真空+气体保护”焊接工艺的参数设置及工艺过程。对温度、真空度、升温速率、降温速率和恒温时间的工艺参数设置，确定焊接气体的性质、流量、浓度、温度、混合比例，和废气的无害化排放处理、安全模式等方面，进行了优化设计。我公司用了多年时间进行了大量试验，国内首家在IGBT模块项目上成功运用该工艺，使公司在大面积、高功率、多芯片的新型功率半导体模块的焊接技术工艺上走向了行业前列。通过程序控制，该工艺可在具备上述工艺条件的单真空仓设备上进行，工艺过程在《电力半导体功率模块焊接工艺的探讨》1一文中已有介绍，本文不再续述。其工艺特点如下：

⑴通过氮气清洗、氢气保护焊接、真空排除气泡、助焊气体提高焊料浸润性，从而达到最佳的焊接效果(无孔洞焊接)。

⑵使用高温焊接材料，加强产品抗热疲劳能力，提高可靠性。

⑶焊接表面高度洁净，免清洗，粗铝丝键合稳定可靠。

⑷静止焊接，冷却速率可控，实现焊料最佳结晶效果，达到良好的电、热及机械特性。

3.2.2 多真空仓工艺

单真空仓工艺设备的工艺过程简单实用，但工艺周期较长。目前，国外一家公司推出了三仓结构的工艺设备，预热、真空焊接和冷却分别在三个工作仓内完成，具有独立加热板和冷却板，且分别保持恒温状态，不必每次都由室温大幅度变化到焊接温度，焊接时间和设备耗能均有所下降，适用于联线生产，使生产速率倍增。

从图3.2可以看出，由于工艺设备的设计原因，工艺温度梯度较为明显，温度上升及下降曲率有较宽的调整范围，恒温区可以做的较为平坦。图3.3是其用于加热和冷却过程中具有较陡梯度的温度的工艺曲线例图，模块重量为1000克，工艺时间为4分钟。

表3.1是设备生产公司推荐的一种工艺温度参数表，在实际工艺中，由于使用焊料熔点、是否含铅、使用助焊方法以及助焊剂成分的不同，工艺参数的设置及工艺曲线有较大的差别，最佳的工艺参数需要在实践中试验确定。我们的经验是，适当的提高峰值温度以及减慢冷却速度可获得更好的焊接效果。

3.3 应注意的问题

3.3.1 焊接工艺的选择

模块的焊接工艺通常分为使用膏状焊料的“湿式”焊接工艺和使用焊片的“干式”焊接工艺，由于湿式焊接工艺完成后的半成品必须进行清洗，而清洗效果直接影响模块的质量，尤其对于需要铝丝键接工艺的IGBT模块，影响不容忽视。对于表面钝化稍有缺陷的芯片(玻璃钝化层上的微