CN109534842B - 功率半导体模块用焊接工艺 - Google Patents

Abstract

功率半导体模块用焊接工艺，包括步骤如下：制作焊料片；等离子清洗；制作预制工件；排出真空炉内的空气；加热预制工件直至所述焊料片融化均匀变为熔融焊料；抽真空后填充甲酸和氮气的混合气体，然后再填充氮气，使甲酸分解的H₂去除熔融焊料、陶瓷板以及底板表面的氧化物；抽真空，直至熔融焊料内的气泡充分排出；回填氮气并冷却降温，使熔融焊料冷却凝固完成功率半导体模块的焊接。本发明焊接方法可以使去氧化和焊接过程一次完成，提高焊接效率同时焊料熔融状态下的去氧化更完全，焊接效果更好，利用等离子清洗与焊接过程中的气氛和真空度控制相结合，实现焊接质量和效率的提升。

Description

功率半导体模块用焊接工艺

技术领域

本发明涉及功率半导体模块用焊接工艺，属于焊接技术领域。

背景技术

功率半导体模块是将功率器件、控制电路、驱动电路、接口电路、保护电路等芯片封装一体化，利用内部引线键合以及基板互连形成的具有电机驱动能力的功率电子模块。大功率模块由于其电流大、功率密度高等特点，相比传统的小功率模块、集成电路等，对热特性、工艺实现的负载度方面都有更为严格的要求。随着模块功率密度、传输电流的不断提高，芯片和模块的工作电流越来越大，接线端子之间的电压逐渐增高，输入功率不断增大，由此带来的热能散失也不断增长。陶瓷板和热沉载体的焊接质量对整机性直观重要，半导体器件的可靠性直接依赖于器件与外壳的连接界面的空洞率。空洞的存在累积到一定程度，将会是界面间的机械性能降低，同时大大降低界面的导热性能，是界面间的结合强度，抗疲劳和抗蠕变能力造成影响。

现有技术一般采用真空焊接的方法去除界面间的空洞率，通过抽真空的方法控制真空度、真空时间来使得界面间焊料中存在的空气被抽出，然后冷却完成焊接。这种方法有两个问题。首先焊接的过程中，还原的过程在焊料为固态的状态下进行，不能去除焊料中的氧化物，导致最终的焊接质量不佳，存在较多的空洞。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有方法的不足，提出了功率半导体模块用焊接工艺，本发明的焊接方法可以使去氧化和焊接过程同时一次性完成，提高焊接效率的同时焊料熔融状态下的去氧化更完全，焊接效果更好。

本发明的技术方案是：

功率半导体模块用焊接工艺，包括步骤如下：

1)根据陶瓷板尺寸大小制作焊料片；

2)将陶瓷板、底板以及步骤1)制作的焊料片进行等离子清洗；

3)将所述陶瓷板、焊料片、底板依次层叠放置，获得预制工件，将所述预制工件放置在真空炉内；

4)重复对真空炉抽真空后充氮气；直至排出真空炉内的空气；

5)以一定温度速率多次升高真空炉内的温度，加热预制工件直至所述焊料片融化均匀变为熔融焊料；

6)将真空炉抽真空后填充甲酸和氮气的混合气体，然后再填充氮气，使甲酸分解的H₂去除熔融焊料、陶瓷板以及底板表面的氧化物；

7)将真空炉抽真空，直至熔融焊料内的气泡充分排出；

8)对真空炉腔体内回填氮气并冷却降温，使熔融焊料冷却凝固完成功率半导体模块的焊接。

所述步骤1)根据陶瓷板尺寸大小制作的焊料片单边比与陶瓷板对应的边长小0.05mm，所述焊料片的厚度取值范围为90～110μm。

所述焊料片为铅锡银焊片，材料成分具体为Pb92.5Sn5Ag2.5或者Sn62Pb36Ag2。

所述步骤2)等离子清洗的温度取值范围为50-60℃，工作气体为质量比为1:9的氧气和氩气，工作气体的真空度小于40Pa，清洗时间的范围为20-30min。

所述步骤3)将所述陶瓷板、焊料片、底板依次层叠放置时还包括利用限位工装对陶瓷板进行限位，使所述陶瓷板和底板之间的相对位置固定。

所述步骤4)重复对真空炉抽真空后充氮气两次，每次真空炉抽真空至真空度小于100Pa然后充氮气至真空炉内的气压不低于100KPa。

所述步骤5)以一定温度速率多次升高真空炉内温度的方法，具体为：所述升温速率不大于60℃/min；先由室温升高真空炉内的温度至100℃，保温30±3s，然后升高真空炉内的温度至150℃，保温30±3s，再升高真空炉内的温度至220℃，保温60～120s，最后升高真空炉内的温度至焊接温度，保温30±3s，所述焊料片融化均匀变为熔融焊料；所述焊接温度的范围为230～239℃。

所述步骤6)将真空炉抽真空后填充甲酸和氮气的混合气体，然后再填充氮气的方法，具体为：将真空炉抽真空至真空度＜100Pa，然后向真空炉内填充甲酸和氮气混合气至真空炉内的气压范围为45～50KPa，再向真空炉内填充氮气至真空炉内的气压不低于100KPa，停留120±10s，使甲酸分解的H₂与熔融焊料及陶瓷板和载体待焊接面充分反应，去除表面氧化物。

所述步骤7)将真空炉抽真空的方法，具体为：将真空炉抽真空至真空度＜100Pa，停留45～50s，使熔融焊料内的气泡充分排出。

所述步骤8)对真空炉腔体内回填氮气的方法，具体为：向真空炉内填充氮气，直至真空炉内的气压不小于100KPa。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

将甲酸还原的过程放置在焊料融化温度之后，使去氧化和焊接过程一次性完成，焊料熔融状态下的去氧化更完全焊接效果好，同时由于二者同时完成，简化了操作过程，提高了焊接效率。

附图说明

图1为本发明中具体实施方案示意图；

图2为本发明陶瓷电路板及载体结构安装示意图；

图3为本发明所用工艺与现有工艺焊接后效果对比图。

图4为本发明焊接过程设定工艺曲线；

图5为本发明焊接过程实际温度曲线。

具体实施方式

本发明通过分析目前的焊接流程和方法，将现有的工艺流程加以大幅度更改，达到改进焊接界面空洞率，提高焊接生产效率的目的。焊点界面的空洞率是由气泡率+脱粘率共同组成的，即焊点界面的空洞除了气泡还有由于不润湿或夹杂导致的脱粘。而焊剂残留和氧化是导致脱粘的主要因素。将充入还原性气体甲酸的时机，由原来的在焊片为固态时进行修改为在焊片为融化时进行，可以更好的去除钎料上的氧化层，再配合上焊前的等离子清洗预处理，最大程度去除氧化物，避免不润湿造成的脱粘，降低界面空洞率。同时这种方式避免了为提前充入甲酸而进行的抽真空、充甲酸、充氮气、抽真空等4步工序，简化了工艺流程，提高了焊接效率。

以目前的一款产品，600V200A的IGBT模块(绝缘栅双极型晶体管)，型号为FS200R07N3E4R为例。本产品为纯铜镀镍散热底板(厚度2mm)，Al₂O₃DBC陶瓷基板(基板厚度0.38mm，覆铜层厚度0.2mm，总厚度0.78mm，表面为裸铜)，焊片为Sn62Pb36Ag2材料(厚度为100μm)，整个产品的焊接和试验流程如图1所示：

(1)根据陶瓷板尺寸大小制作焊料片。所述焊料片单边比陶瓷板每边小0.05mm，焊料片的厚度取值范围为90～110μm。

(2)将进行陶瓷板、焊料片、底板等离子清洗，清洗温度的取值范围为50-60℃，工作气体为氧气和氩气混合气体，工作气体的质量比为1:9，真空度小于40Pa，清洗时间为20-30min；

等离子清洗选用射频等离子进行清洗，既保证有一定的清洁力度，同时避免在清洗过程中对待焊产品造成损伤，工作气体中的氧气可以保证轻微的粘污被烧蚀掉，同时氩气产生的等离子体可以对表面进行轰击除去氧化层。清洗后将待焊件在7～45倍显微镜下观察，要求表面清洁光亮，无污染物残留，以确保表面氧化膜和其他污染物的去除，露出未氧化的表面，便于后续焊料的铺展。其中，等离子清洗标准采用水滴测试法测试清洗后的样品表面接触角要求小于30度，采用达英笔测试表面达英值，要求达英值小于60。

3)将所述陶瓷板、焊料片、底板依次叠加在一起，获得预制工件；并利用限位工装对陶瓷板进行限位，如图2所示。将所述预制工件放置在真空炉内的加热平台上。

4)对真空炉抽真空至小于100Pa，并充氮气至不低于100KPa，并重复上述操作两次。以彻底排出腔体内部的残余空气，使预制工件处于高纯惰性气体保护之中。

5)通过加热平台以一定升温速率对预制工件进行预热，升温速率不大于60℃/min。先由室温升高真空炉内的温度至100℃时停留30±3s，升温至150℃时停留30±3s，再次升温至220℃时停留60～120s。

6)继续加热直到焊接温度230～239℃，停留30±3s，使焊料片融化均匀。

7)将真空炉抽真空至真空度＜100Pa，然后向真空炉内填充甲酸和氮气混合气至真空炉内的气压范围为45～50KPa，再向真空炉内填充氮气至真空炉内的气压不低于100KPa，停留120±10s，使甲酸熔融焊料及陶瓷板和载体待焊接面充分反应，去除表面氧化物。此时焊片已呈完全熔融状态，在氮气的保护下，甲酸HCOOH能和待焊接表面的金属氧化物进行还原反应，反应过程如下：

MeO+HCOOH+热→Me+CO₂+H₂，

其中Me代表金属，甲酸在200℃以上能和金属氧化物发生还原反应，反应后金属氧化物被还原成为金属，产物中没有有害物质，且真空室内不含氧气，金属不会再被氧化，这样便能增强焊接表面活化能力，提高浸润性。

值得注意的是，在此道工序中会产生一定量的氢气，尤其是在熔融状态下温度更高，还原反应更为剧烈，当氢气的体积分数达到总体积的4％～74.2％之间时达到爆炸极限，有一定的风险。因此需要精确控制甲酸的量，甲酸与氮气混合气的比例最高不要超过500KPa，以确保产生的氢气小于腔体内部气氛的4％。

8)抽真空至＜100Pa，停留45～50s，使熔融焊料内的气泡充分排出。此时残余的甲酸以及反应生产的气体被排出，同时焊料内部的绝大部分由于外部气压变小，在压力作用下会在内部合并、长大，然后排出。

9)对真空炉腔体回填氮气，使工件所在腔体内的气压重新回到不小于100KPa；此步骤使熔融状态的焊料重新受到大气压力的作用，使得焊料内部未被充分排出的残余气体被充分压缩，进而缩小气泡的体积。

10)降温直到焊料片熔点以下，焊料凝固，在氮气保护下继续降温至80℃以下，完成焊接。焊料凝固后，继续在惰性气体保护下降温，以防产品表面氧化，影响后续的组装。

如图4所示为本发明实施例焊接过程设定的工艺曲线，铅锡银焊片的材料具体为Sn62Pb36Ag2，图5为焊接过程中，通过3个温度传感器测得的实际温度曲线。

焊接完成后，对产品按照表1的项目，参照国家军用标准“GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序”进行了考核，项目如下。在真空焊接的工艺流程和工艺参数确定之后，再使用16个陶瓷板组件进行焊接效果验证。在16个试样使用设定好的工艺流程焊接完成后，先使用显微镜进行外观检查，看外表面是否有裂纹等缺陷，然后使用X光进行界面观察，并测量界面的孔洞率是否满足要求。最后，通过金相试验剖开试样的表面，对焊接界面进行观察，通过SEM和EDX对焊接界面的微观组织和成分进行分析，以确定焊接的界面是否有内部微裂纹及缺陷，焊接是否满足要求。

表2试验考核项目

所有的样品均一次性通过试验，证明焊接的质量和可靠性均良好，如图3所示，X光检测中，本发明工艺焊接的产品界面空洞率＜3％，相比之前的焊接质量有了较大提升，稳态热阻试验中，结壳热阻达到156W/m.K，散热能力有了较大提升。

本发明可推广适用于各类大功率模块中，包括大功率DC/DC变换模块、电机驱动模块、整流模块等。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据陶瓷板尺寸大小制作焊料片；

2)将陶瓷板、底板以及步骤1)制作的焊料片进行等离子清洗；

3)将所述陶瓷板、焊料片、底板依次层叠放置，获得预制工件，将所述预制工件放置在真空炉内；

4)重复对真空炉抽真空后充氮气；直至排出真空炉内的空气；

5)以一定温度速率多次升高真空炉内的温度，加热预制工件直至所述焊料片融化均匀变为熔融焊料；

6)将真空炉抽真空后填充甲酸和氮气的混合气体，然后再填充氮气，使甲酸分解的H₂去除熔融焊料、陶瓷板以及底板表面的氧化物；

7)将真空炉抽真空，直至熔融焊料内的气泡充分排出；

8)对真空炉腔体内回填氮气并冷却降温，使熔融焊料冷却凝固完成功率半导体模块的焊接；

所述步骤6)将真空炉抽真空后填充甲酸和氮气的混合气体，然后再填充氮气的方法，具体为：将真空炉抽真空至真空度＜100Pa，然后向真空炉内填充甲酸和氮气混合气至真空炉内的气压范围为45～50k Pa，再向真空炉内填充氮气至真空炉内的气压不低于100k Pa，停留120±10s，使甲酸分解的H₂与熔融焊料及陶瓷板和载体待焊接面充分反应，去除表面氧化物。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤1)根据陶瓷板尺寸大小制作的焊料片单边比与陶瓷板对应的边长小0.05mm，所述焊料片的厚度取值范围为90～110μm。

3.根据权利要求2所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述焊料片为铅锡银焊片，材料成分具体为Pb92.5Sn5Ag2.5或者Sn62Pb36Ag2。

4.根据权利要求1-3之一所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤2)等离子清洗的温度取值范围为50-60℃，工作气体为质量比为1:9的氧气和氩气，工作气体的真空度小于40Pa，清洗时间的范围为20-30min。

5.根据权利要求4所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤3)将所述陶瓷板、焊料片、底板依次层叠放置时还包括利用限位工装对陶瓷板进行限位，使所述陶瓷板和底板之间的相对位置固定。

6.根据权利要求5所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤4)重复对真空炉抽真空后充氮气两次，每次真空炉抽真空至真空度小于100Pa然后充氮气至真空炉内的气压不低于100k Pa。

7.根据权利要求6所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤5)以一定温度速率多次升高真空炉内温度的方法，具体为：所述升温速率不大于30℃/min；先由室温升高真空炉内的温度至100℃，保温30±3s，然后升高真空炉内的温度至150℃，保温30±3s，再升高真空炉内的温度至220℃，保温60～120s，最后升高真空炉内的温度至焊接温度，保温30±3s，所述焊料片融化均匀变为熔融焊料；所述焊接温度的范围为230～239℃。

8.根据权利要求1所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤7)将真空炉抽真空的方法，具体为：将真空炉抽真空至真空度＜100Pa，停留45～50s，使熔融焊料内的气泡充分排出。

9.根据权利要求8所述的功率半导体模块用焊接工艺，其特征在于，所述步骤8)对真空炉腔体内回填氮气的方法，具体为：向真空炉内填充氮气，直至真空炉内的气压不小于100kPa。

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