焊接工艺对IGBT模块焊接空洞率的影响

       引言

IGBT 模块是目前发展最快的一种电子电力器件，其具有输入阻抗高、开关速度快、承受电流大、通态电压低、 阻断电压高、 热稳定性好等特点。 其广泛应用于航空航天电源、通信计算机电源、不间断电源、电动汽车、高速铁路、太阳能以及电力设备等各个领域 。

焊接是IGBT模块封装中最关键的工艺方法 ，焊接质量直接影响到IGBT模块的可靠性和使用寿命。IGBT 模块焊接的空洞率能比较直观地表现出焊接质量的好坏， 当空洞率较高或空洞较为集中时，焊接层的力学性能和导热性能都会下降，IGBT 模块就可能由于连接强度不足或者器件局部过热而引起失效［3-5］。

由于要求尽可能低的空洞率，IGBT 模块封装通常选用真空焊接工艺。文中研究不同的焊接工艺对焊接空洞率的影响，分别使用不同焊接工艺与在同一真空焊接炉中进行焊接，然后通过对比后续的超声波扫描空洞率，找出焊接工艺中影响焊接空洞率的关键因素。

1、材料和方法

IGBT模块中包括2个焊接层，分别是芯片与DBC衬板间的焊接层以及DBC 衬板与散热基板间的焊接层（图1）。通常情况下会先进行芯片与衬板间的焊接， 再进行衬板与基板间的焊接。

IGBT 模块封装中通常使用的焊料是高洁净焊片。 本试验使用同一生产工艺的同一批次的焊片，焊片成分为 59Sn－40Pb－1Ag， 尺寸为38.5 mm×31.5mm×0.2 mm。 试验中用到的DBC 基板全部来源于上海申和热磁电子有限公司，批号为同一批次， 尺寸大小与焊片尺寸一致， 厚度为1 mm。 以2个DBC衬板间的焊接来模拟 IGBT 焊接中的第 2次焊接即衬板与基板间的焊接（图 2）。 其中，上表面的焊接情况记为1，下表面的焊接情况记为2。

为了保证所获得数据的真实性和可靠性，所有试验都采集了9 组数据，不同的试验对照组在同一真空焊接炉（RSS-160，UniTemp，Germany）中以相应的工艺焊接，然后在超声波扫描显微镜（SAM，D9600，Sonoscan）中检测空洞率。超声波扫描仪可以实现焊接层空洞的无损检测，在超声波扫描过程中，焊接层中若有缺陷的地方就会阻断超声波的传输，这就能反映出空洞的尺寸与位置。

2、结果与讨论

众所周知，焊接工艺对焊接效果影响重大。合适的焊接工艺可以在使用较少资源的情况下获得良好的焊接效果。一般的焊接工艺曲线按温度分成4个区域，如图3 所示。在常温（25 ℃）阶段 1，通常对焊接炉进行一次或多次抽真空、充氮气， 目的是降低炉子腔体内的氧含量；在甲酸氛围中快速升温到阶段2的温度（本试验为 170 ℃）预热，在此阶段可以反复充入甲酸、抽真空，使得甲酸充分地去除焊接表面和焊料表面的氧化膜，并且把反应生成的气体产物排出。在阶段3进行焊接，此阶段应进行抽真空，并在真空下保持适当的时间，让焊料中的气泡逸出，达到降低空洞率的目的。本阶段为整个焊接工艺中最重要的一个阶段，此阶段的操作及其参数都会明显地影响焊接效果。试验中每次抽真空操作时，焊接炉腔体内压力最低至300 Pa，并维持足够的时间。焊接完成后进入阶段 4，快速降温至室温。

文中对阶段3进行研究，着重考察抽真空操作和焊接温度对焊接空洞率的影响。 在保证阶段3的恒温（260℃）时间为18 min的条件下，进行不同的抽真空操作次数（每次抽真空时间一致均为3min），考察不同的抽真空操作次数对最终焊接空洞率的影响。为了研究在相同的总抽真空时间条件下增加抽真空操作次数对焊接空洞率的影响， 还设计了1个只有1次抽真空操作，抽真空时间为9 min（3x3 min，相当于3次抽真空操作的时间）的试验用来作对比。不同抽真空操作次数的焊接工艺所得到空洞率见表1。值得注意的是，在没有抽真空操作的情况下焊接空洞率较大，普遍超过 15%；而进行一次操作真空操作后，空洞率迅速降低到平均 1.31%。由此可见，采取适当的真空条件就可以大量地减小空洞率。

2次抽真空操作可以把空洞率显著降低到 0.44%的水平，此时再增加抽真空操作， 空洞率下降有限。大部分情形下，2 次抽真空操作的工艺就可以获得满意焊接的空洞率。

表 1

由表 1 可知，“1 次抽真空（9 min）”所在列为时间9 min的试验结果，其空洞率均值为1.00%，远比相同抽真空时间的3次抽真空的0.31%要差，也比抽2次抽真空的 0.44%要差，但是1次抽真空的1.31%要好。由此可见，对于减小空洞率，增加抽真空的次数比仅仅延长抽真空时间的效果要明显的多。另外，按图 4 所示选取不同的焊接温度，并且保证阶段3 的恒温时间为12 min的情况下在此阶段进行2 次抽真空操作，考察了不同焊接温度对焊接空洞率的影响。

在本次对比试验中所选取的 4个不同的焊接温度：220，240，260，280 ℃， 其所得到的焊接空洞率数据见表 2。

由表2可知，随着温度的上升，空洞率呈下降趋势。温度越高，焊料的流动性越好，表面张力越小，所以焊接时的气泡越容易排出。但在260~280℃时，空洞率下降趋势减缓，其变化曲线如图5所示。

3、结论

IGBT 是一种很重要的电子元器件，其焊接质量直接影响着整个器件的使用寿命和可靠性。尽管影响 IGBT 焊接质量的因素有很多，但是空洞率是其焊接质量的一个直观反映。文中从焊接工艺上考察了不同抽真空次数和焊接温度对IGBT 模块焊接空洞率的影响，结论如下：

（1）抽真空焊接能够大量地减小空洞率和减少空洞数量。在同一焊接温度时， 增加抽真空的操作次数可以减小空洞率。增加抽真空次数时空洞率的减小明显要比单纯延长抽真空时间的效果好。

（2）提高焊接温度可以减小焊接空洞率，但是高于一定温度后下降趋势会变缓， 所以选择焊接温度时还要考虑其他因素限制。

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